3. Άρδευση µε τη µέθοδο της τεχνητής βροχής

Transcript

1 3. Άρδευση µε τη µέθοδο της τεχνητής βροχής 3.1. Ορισµός Η άρδευση µε τεχνητή βροχή είναι η µέθοδος που το νερό εφαρµόζεται στον αγρό σαν τεχνητή αποµίµηση της βροχής. Η εφαρµογή της µεθόδου στοχεύει στην κατά το δυνατό οµοιόµορφη κατανοµή του αρδευτικού νερού που πρέπει να διηθείται στο έδαφος και να µην λιµνάζει Ένα δίκτυο τεχνητής βροχής περιλαµβάνει (Σχήµα 3.5, 3.6) : την υδροληψία (π.χ. αντλητικό συγκρότηµα, υδροστόµιο ή κεφαλή άρδευσης συλλογικού δικτύου), την κύρια γραµµή, τη γραµµή άρδευσης ή γραµµή εφαρµογής µε τους εκτοξευτήρες (µπέκ) Σωληνώσεις Οι σωληνώσεις δικτύων τεχνητής βροχής κατασκευάζονται από διάφορα υλικά. Τα πλέον συνηθισµένα είναι ο χάλυβας, το αλουµίνιο, και διάφορα πλαστικά [χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC), πολυαιθυλένιο (PE)]. Οι εγκαταστάσεις τους µπορεί να είναι : µόνιµες (π.χ. υπόγειες), κινητές (π.χ. µε ταχυσυνδέσµους), ή µικτές Εκτοξευτήρες Οι εκτοξευτήρες αποτελούν βασικό εξάρτηµα ενός δικτύου άρδευσης µε τεχνητή βροχή. Η πλειονότητα των εκτοξευτήρων που κυκλοφορούν στο εµπόριο είναι περιστρεφόµενοι (Σχήµα 3.7) που ανάλογα µε την πίεση λειτουργίας τους διακρίνονται σε : χαµηλής πίεσης (1-3 atm, ακτίνα διαβροχής 6-15 m), µέσης πίεσης (3-5 atm, ακτίνα διαβροχής m), υψηλής πίεσης ή κανόνια (5-8 atm, ακτίνα διαβροχής m) Κύρια χαρακτηριστικά των εκτοξευτήρων είναι (Πίνακας 3.5) : η διάµετρος του ή των ακροφυσίων (mm), η κανονική πίεση λειτουργίας (m ή atm), η κανονική παροχή (m 3 /ώρα), η διάµετρος εκτόξευσης (m), η ένταση της ισοδύναµης βροχής (mm/ώρα) ανάλογα µε τη διάταξη των εκτοξευτήρων. Για την επιτυχή εφαρµογή της άρδευσης µε τεχνητή βροχή είναι απαραίτητο να έχουµε οµοιόµορφο ύψος βροχής στην αρδευόµενη έκταση και απαιτείται η επικάλυψη των κύκλων που προέρχονται από κάθε εκτοξευτήρα (Σχήµα 3.8). Η οµοιοµορφία εφαρµογής του νερού εξαρτάται επίσης και από την πίεση λειτουργίας των εκτοξευτήρων καθώς και από την ταχύτητα του πνέοντα ανέµου (Σχήµατα 3.9, 3.10). 1

2 Σχήµα 3.5. Σχηµατική διάταξη εξοπλισµού άρδευσης τεχνητής βροχής τυπικού αγροτεµαχίου 2

3 Σχήµα 3.6. Απλή διάταξη ατοµικού συγκροτήµατος τεχνητής βροχής Σχήµα 3.7. Εκτοξευτήρες Σχήµα 3.8. Επικάλυψη για οµοιόµορφη άρδευση 3

4 Πίνακας 3.5. Τεχνικά χαρακτηριστικά εκτοξευτήρα µεσαίου µεγέθους γενικής χρήσης δύο ακροφυσίων ιαστάσεις Πίεση Παροχή ιάµετρος Ένταση εφαρµογής, mm/ώρα ακροφυσίου λειτουργίας βεληνεκούς Αποστάσεις, m mm atm m 3 /ώρα m 6x12 12x12 12x18 18x x x x x ιάταξη των εκτοξευτήρων Οι συνηθέστερες διατάξεις των εκτοξευτήρων είναι (Σχήµα 3.11) : η ορθογωνική, η τετραγωνική και η τριγωνική. Για τον πλήρη καθορισµό της διάταξης των εκτοξευτήρων απαιτείται η γνώση της ισαποχής των εκτοξευτήρων στη γραµµή άρδευσης (S l ), και της ισαποχής των γραµµών άρδευσης (S m ). Επειδή στις γραµµές άρδευσης οι σωλήνες που συνήθως χρησιµοποιούνται έχουν µήκος 6m η ισαποχή των εκτοξευτήρων επί των γραµµών 4

5 άρδευσης είναι πολλαπλάσια των 6m. Σε περίπτωση που όλο το δίκτυο είναι κινητό τότε και η ισαποχή των γραµµών άρδευσης είναι επίσης πολλαπλάσια των 6 m. Έτσι οι συνηθέστερες διατάξεις εκτοξευτήρων είναι 6Χ6, 6Χ12, 12Χ12, 12Χ18,18Χ18, 18Χ24 και 24Χ24. Η επιλογή του κατάλληλου τύπου εκτοξευτήρα σχετίζεται κυρίως µε τη διαθέσιµη πίεση και παροχή του δικτύου, το ανάγλυφο της επιφάνειας και τον τύπο του εδάφους, το είδος της καλλιέργειας και τις επικρατούσες καιρικές συνθήκες. Σε περιοχές µε συχνούς ανέµους καλό είναι να προτιµώνται εκτοξευτήρες χαµηλής πίεσης (µικρής ακτίνας διαβροχής) Πλεονεκτήµατα της άρδευσης µε τεχνητή βροχή έναντι των µεθόδων επιφανειακής άρδευσης 1. Μικρές απώλειες κατά τη µεταφορά, διανοµή και εφαρµογή του αρδευτικού νερού (δίκτυο κλειστών σωληνώσεων), 2. υνατότητα εφαρµογής σε εδάφη µεγάλης διηθητικότητας και µεγάλων κλίσεων, χωρίς προηγούµενη ισοπέδωση, 3. Καλύτερη οµοιοµορφία κατά την εφαρµογή του νερού, 4. Καλύτερος έλεγχος των ποσοτήτων νερού που εφαρµόζουµε, 5. υνατότητα αξιοποίησης µικρών παροχών, 6. υνατότητα χρήσης του δικτύου και για άλλους σκοπούς (π.χ. αντιπαγετική προστασία, εφαρµογή λίπανσης), 7. Οικονοµία γεωργικής γης, 8. Η χάραξη του δικτύου δεν εξαρτάται από το ανάγλυφο του εδάφους και τα όρια των ιδιοκτησιών, 9. Συντήρηση και διαχείριση το δικτύου λιγότερο δαπανηρή, 10. υνατότητα χρησιµοποίησης αυτοµατισµών 3.8. Μειονεκτήµατα της άρδευσης µε τεχνητή βροχή έναντι των µεθόδων επιφανειακής άρδευσης 1. Μεγάλες δαπάνες εγκατάστασης, 2. Μεγάλο κόστος λειτουργίας, 3. Αδυναµία άρδευσης όταν πνέει δυνατός άνεµος, 4. Αδυναµία άρδευσης όταν το νερό περιέχει µεγάλες ποσότητες φερτών υλικών, 5. Ανάπτυξη ασθενειών σε µερικές καλλιέργειες από τη διαβροχή των φυλλωµάτων τους, 6. Υπερβολική, ορισµένες φορές, ανάπτυξη ζιζανίων από την ολική διαβροχή το εδάφους, 7. Εξειδικευµένο εργατικό δυναµικό, 8. Κίνδυνος καταστροφής της δοµής της επιφάνειας του εδάφους από την πτώση των σταγόνων. 5

6 Σχήµα 3.9. Επίδραση της πίεσης στην κατανοµή της βροχής εκτοξευτήρα Σχήµα Επίδραση του ανέµου στην κατανοµή της βροχής εκτοξευτήρα. α) Χωρίς αισθητό άνεµο, β) Με αισθητό άνεµο 6

7 (α) (β) (γ) Σχήµα ιατάξεις εκτοξευτήρων: (α) ορθογωνική (β) τετραγωνική και (γ) τριγωνική 3.9. Σχεδιασµός δικτύων τεχνητής βροχής Ο σχεδιασµός των δικτύων τεχνητής βροχής συνίσταται κυρίως στον υπολογισµό των απωλειών της πίεσης του νερού κατά την κίνησή του µέσω των 7

8 διαφόρων σωληνώσεων και των εξαρτηµάτων τους. Από τον υπολογισµό αυτό θα προκύψει η απαιτούµενη παροχή και πίεση της υδροληψίας, ή, εφόσον η παροχή και η πίεση της υδροληψίας είναι καθορισµένες να γίνει η επιλογή του κατάλληλου εξοπλισµού για την επαρκή εφαρµογή της µεθόδου. Ο υπολογισµός των απωλειών πίεσης κατά την εφαρµογή της µεθόδου σε επίπεδο αγροτεµαχίου αναφέρεται στις απώλειες α) στην κύρια γραµµή και β) στη γραµµή άρδευσης Σχεδιασµός κύριας γραµµής Γραµµικές απώλειες Οι απώλειες πίεσης που προκαλούνται κατά µήκος ενός σωλήνα ονοµάζονται γραµµικές και οφείλονται στις τριβές που αναπτύσσονται τόσο µεταξύ του κινουµένου υγρού και των τοιχωµάτων του αγωγού όσο και µεταξύ των κινουµένων υγρών µορίων. Οι απώλειες πίεσης που ονοµάζονται και απώλειες φορτίου ή απώλειες ενέργειας εξαρτώνται κυρίως από το µήκος του σωλήνα, το υλικό κατασκευής (τραχύτητα τοιχωµάτων), την ταχύτητα κίνησης του νερού και τη διάµετρο του αγωγού. Ο υπολογισµός τους µπορεί να γίνει µε την εφαρµογή εξισώσεων όπως αυτές των Darcy-Weisbach, ή των Hazen-Williams. Για πρακτικούς όµως λόγους ο υπολογισµός των απωλειών µπορεί να γίνει µε τη βοήθεια διαγραµµάτων (Σχήµατα 3.12, 3.13) ή πινάκων (Πίνακας 3.6) µε βάση το είδος του αγωγού, τη διάµετρό του και την παροχή. Σε τέτοιες περιπτώσεις οι απώλειες συνήθως αναφέρονται σε µέτρα ανά 100 µέτρα (m ανά 100m) αγωγού Τοπικές απώλειες Με τον όρο αυτό χαρακτηρίζονται οι απώλειες που οφείλονται σε τοπικά αίτια όπως διευρύνσεις, στενώσεις, κάµψεις, ή διακλαδώσεις του αγωγού. Εξαρτώνται από τη µορφή και τις διαστάσεις του τοπικού αιτίου καθώς και από την ταχύτητα κίνησης του νερού. Οι τοπικές απώλειες, σε σχέση µε τις γραµµικές, είναι σχετικά µικρές και, συχνά κατά το σχεδιασµό δικτύων µεταφοράς και διανοµής νερού εκφράζονται ως ποσοστό των γραµµικών απωλειών που κυµαίνεται γύρω στο 10%. Έτσι οι ολικές απώλειες µπορούν να προσεγγιστούν από την εξίσωση : P 1, 10 P ol = f όπου P ολ οι ολικές απώλειες και επιµέρους τµήµατα του αγωγού. Pf ( 3.1 ) το άθροισµα των γραµµικών απωλειών στα 8

9 Σχήµα 3.12: Νοµογράφηµα απωλειών πιέσεως PE (Πολυαιθυλενίου) 9

10 Σχήµα Νοµογράφηµα απωλειών πίεσης σωλήνων ΡVC (πολυβινυλοχλωρίδιο) 6 atm 10

11 Πίνακας 3.6. Απώλειες τριβών (j) σε φορητές σωληνώσεις µε ταχυσυνδέσµους (απώλειες σε m ανά 100m σωλήνα) Παροχή Eξωτερική διάµετρος σωλήνα (mm) m 3 /ώρα Παράδειγµα 1ο Να υπολογιστούν οι απώλειες πίεσης κύριας γραµµής άρδευσης που αποτελείται από σωληνώσεις µε ταχυσυνδέσµους µήκους 250m και διαµέτρου 110mm (Φ110, Σχήµα 3.13) που µεταφέρει παροχή 55 m 3 /ώρα. Λύση : Από τον Πίνακα 3.6 για διάµετρο σωλήνα 108mm (Φ108) και παροχή 55 m 3 /ώρα οι απώλειες ανά 100m αγωγού είναι 4,60 m. Aν λάβουµε υπόψη για ασφάλεια και τις όποιες τοπικές απώλειες σε ποσοστό 10% των γραµµικών απωλειών τότε οι απώλειες πίεσης στην κύρια γραµµή θα είναι : 250 Pολ = = , 10m 100 Παράδειγµα 2ο Να υπολογιστούν οι απώλειες πίεσης κύριας γραµµής άρδευσης από σωλήνες µε ταχυσυνδέσµους µήκους 180m και διαµέτρου 89mm (Πίνακας 3.6) που µεταφέρει παροχή 40m 3 /ώρα. Λύση :

12 Από τον Πίνακα 3,6 για διάµετρο σωλήνα 89mm και παροχή 40m 3 /ώρα οι απώλειες ανά 100m αγωγού είναι 6.30m. Aν λάβουµε υπόψη για ασφάλεια και τις όποιες τοπικές απώλειες σε ποσοστό 10% των γραµµικών απωλειών τότε οι απώλειες πίεσης στην κύρια γραµµή θα είναι : 180 Pολ = = m Σχεδιασµός της γραµµής άρδευσης Η γραµµή άρδευσης ή γραµµή εφαρµογής αποτελεί τον αγωγό πάνω στον οποίο είναι προσαρµοσµένοι οι εκτοξευτήρες (µπεκ) και σε ίσες αποστάσεις µεταξύ τους. Ο αγωγός της γραµµής άρδευσης είναι συνήθως σταθερής διατοµής. Για να υπάρχει κατά το δυνατό οµοιόµορφη κατανοµή το νερού σε όλο το µήκος της γραµµής άρδευσης θα πρέπει η διακύµανση της πίεσης (και συνεπώς και της παροχής) σε κάθε εκτοξευτήρα να είναι η µικρότερη δυνατή. Η διακύµανση της πίεσης λειτουργίας των εκτοξευτήρων κατά µήκος της γραµµής άρδευσης δεν πρέπει να υπερβαίνει το 20% οπότε και η διακύµανση της παροχής δεν ξεπερνά το 10%. Ο υπολογισµός των απωλειών πίεσης κατά µήκος της γραµµής άρδευσης και η επιλογή της κατάλληλης διαµέτρου του αγωγού αποτελεί γενικά δύσκολο πρόβληµα λόγω της σταδιακής µείωσης της παροχής. Για την απλοποίηση των υπολογισµών οι απώλειες πίεσης µπορούν να εκτιµηθούν ως εξής : α) Υπολογίζονται οι απώλειες κατά µήκος της γραµµής θεωρώντας ότι όλη η παροχή διέρχεται από τον αγωγό. β) Πολλαπλασιάζουµε τις παραπάνω απώλειες µε ένα συντελεστή F που εξαρτάται από τον αριθµό των εκτοξευτήρων στη γραµµή άρδευσης και τη θέση του πρώτου εκτοξευτήρα από την αρχή (µία ή µισή ισαποχή). Οι τιµές του συντελεστή F δίνονται στον Πίνακα 3.7. Έτσι οι απώλειες ενέργειας στη γραµµή άρδευσης υπολογίζονται ως : h γα = h F ( 3.2 ) όπου h οι απώλειες χωρίς να λαµβάνονται υπόψη οι εκτοξευτήρες και F διορθωτικός συντελεστής. Οι εκτοξευτήρες συνδέονται µε τον αγωγό άρδευσης µέσω ενός ανοδικού σωλήνα (ακροσωλήνιο ή σωλήνας ανύψωσης) το ύψος του οποίου (Η α ) ποικίλλει ανάλογα µε το είδος της καλλιέργειας (π.χ. 2.00m για το καλαµπόκι, 0.70m για το βαµβάκι). Πίνακας

13 Συντελεστής περιορισµού απωλειών (F) για τον υπολογισµό των ολικών γραµµικών απωλειών αγωγών εφαρµογής µε Ν αριθµό καταιονιστήρων Αριθµός καταιονιστήρων, N F (+) F (*) καταιονιστήρων, Αριθµός N F (+) F (*) 1 1,000 1, ,393 0, ,639 0, ,387 0, ,534 0, ,382 0, ,485 0, ,379 0, ,457 0, ,376 0, ,438 0, ,371 0, ,425 0, ,367 0, ,416 0, ,365 0, ,408 0, ,363 0, ,402 0,371 >40 0,360 0,355 (+) όταν η απόσταση του πρώτου καταιονιστήρα από την αρχή είναι S l, µία ισαποχή (*) όταν η απόσταση του πρώτου καταιονιστήρα από την αρχή είναι S l /2, µισή ισαποχή Για την καλύτερη διακύµανση των τιµών της πίεσης κατά µήκος της γραµµής άρδευσης και τον οικονοµικότερο σχεδιασµό, το φορτίο (πίεση), P L, στην αρχή της γραµµής υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση : P L = Pa + ) ) όπου P L η πίεση στην αρχή της γραµµής άρδευσης σε µέτρα (m), P a η πίεση λειτουργίας των εκτοξευτήρων (m), P f oι απώλειες πίεσης κατά µήκος της γραµµής άρδευσης σε µέτρα (m), 0,75( Pf ± z Pr ( P r το ύψος του ανοδικού σωλήνα σε µέτρα (m) και z η υψοµετρική διαφορά µεταξύ της αρχής και του τέλους της γραµµής άρδευσης. Το (-) λαµβάνεται όταν S>0 ενώ το (+) όταν S<0. Παράδειγµα 3ο Να επιλεγεί η κατάλληλη διάµετρος ταχυσύνδετου αγωγού γραµµής άρδευσης µε βάση τα εξής δεδοµένα : 1. παροχή εκτοξευτήρα q=3.0 m 3 /ώρα 2. πίεση λειτουργίας εκτοξευτήρα P a = 3.0 atm ( =30 m), 3. ισαποχή εκτοξευτήρων 12 m, 4. ταχυσύνδετοι σωλήνες από ταινιοχάλυβα Φ76, Φ89 και Φ απόσταση του πρώτου εκτοξευτήρα από την αρχή είναι ίση µε µισή ισαποχή, 6. µήκος γραµµής άρδευσης L=180 m, 7. ύψος του ανοδικού σωλήνα (υπερύψωσης) P r = 0.70m 8. κατά µήκος κλίση της γραµµής άρδευσης +2% 13

14 Ποια διάµετρο σωλήνα πρέπει να επιλέξουµε αν η πίεση στην αρχή της γραµµής άρδευσης δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 36m. Λύση : Ο αριθµός των εκτοξευτήρων είναι : 180/12=15, F=0.365 (Πίνακας 3.7) Παροχή αγωγού στην αρχή της γραµµής : 15x3.0 = 45 m 3 /ώρα Aπό τον Πίνακα 3.6 για παροχή 45 m 3 /ώρα λαµβάνω απώλειες ανά 100m αγωγού ίσες µε 17.80, 7.80 και 3.16m για τις τρεις διαµέτρους αντίστοιχα. Υψοµετρική διαφορά µεταξύ αρχής και τέλους της γραµµής άρδευσης z=2% 180=3.6m. Με βάση τα παραπάνω συντάσσεται ο ακόλουθος πίνακας : ιάµετρος Απώλειες / 100m, j Απώλειες Γ.Α. (m) mm m/100m P f =1.10 j L F/100 (m) Φ / > 38 Φ / < 38 Φ / < 38 P L =P a +0.75(P f + z)+p r Από τις τρεις διαµέτρους ικανοποιούν τις απαιτήσεις του προβλήµατος οι διάµετροι Φ89 και Φ108. Τελικά επιλέγεται η Φ89 που είναι µικρότερη (µικρότερο κόστος αγοράς) Αντλητικό συγκρότηµα Το αντλητικό συγκρότηµα εξασφαλίζει την απαιτούµενη πίεση και παροχή στο σύστηµα και µπορεί να είναι µόνιµο ή κινητό. Αποτελείται από τρία µέρη : το σωλήνα αναρρόφησης, την αντλία και τον κινητήρα (Σχήµα 3.14). Ο σωλήνας αναρρόφησης συνδέει την αντλία µε την πηγή νερού (πηγάδι, γεώτρηση, αρδευτική διώρυγα κ.τ.λ.). Μπορεί να είναι µεταλλικός ή πλαστικός (σπιράλ) και στο κάτω άκρο του συνδέεται µε ειδική συσκευή φίλτρου για την παρεµπόδιση των ανεπιθύµητων στερεών και βαλβίδας αντεπιστροφής για να µπορεί να γεµίσει. Για να υπάρχει αναρρόφηση του νερού πρέπει η υψοµετρική διαφορά µεταξύ της στάθµης άντλησης και της αντλίας (άνω άκρο σωλήνα αναρρόφησης) στις συνηθισµένες περιπτώσεις να µην υπερβαίνει τα 6.5 m. H αντλίες που χρησιµοποιούνται διακρίνονται σε φυγόκεντρες µε οριζόντιο ή κατακόρυφο άξονα περιστροφής (ελεύθερες και βυθισµένες αντίστοιχα), εµβολοφόρες (ελεύθερες ή βυθισµένες) και ελικοφόρες (βυθισµένες µόνο). Από τους τύπους αυτούς αντλιών οι πλέον διαδεδοµένες στην άντληση νερού είναι οι φυγόκεντρες. Για την επιλογή του κατάλληλου τύπου και µεγέθους της αντλίας είναι απαραίτητο να γνωρίζουµε την παροχή και πίεση (µανοµετρικό ύψος). Η απαιτούµενη παροχή, Q, εξαρτάται από τον όγκο νερού που πρέπει να διοχετευθεί την περίοδο αιχµής. Το µανοµετρικό, Η m, αναφέρεται στο σύνολο των απωλειών πίεσης στις σωληνώσεις (κύριους και δευτερεύοντες αγωγούς, ειδικά τεµάχια, σωλήνα αναρρόφησης) και την πίεση λειτουργίας των εκτοξευτήρων του συστήµατος. Από την παροχή και το µανοµετρικό ύψος υπολογίζεται η ισχύς της αντλίας από την ακόλουθη εξίσωση : 14

15 Σχήµα Τυπικό αντλητικό συγκρότηµα N = Q H m 270 n ( 3.4 ) όπου Ν η ισχύς της αντλίας σε ίππους (PS), Q η παροχή σε m 3 /ώρα, Η m το µανοµετρικό ύψος (ολικό φορτίο) σε m και n ο συντελεστής απόδοσης της αντλίας ( 0.70). Στο Σχήµα 3.15 φαίνονται οι χαρακτηριστικές καµπύλες µιας αντλίας, βάσει των οποίων γίνεται η επιλογή της καταλληλότερης. Οι κινητήρες που χρησιµοποιούνται για τη µετάδοση της κίνησης µπορεί να είναι θερµικοί (πετρελαιοκινητήρες, βενζινοκινητήρες) ή ηλεκτρικοί. Η ισχύς των θερµικών κινητήρων λαµβάνεται αυξηµένη κατά 20-25% πάνω από την ισχύ της αντλίας για ασφάλεια κατά τη λειτουργία του αντλητικού συγκροτήµατος. Πολλές φορές η µετάδοση της κίνησης στην αντλία επιτυγχάνεται µέσω του γεωργικού ελκυστήρα. Οι ηλεκτροκινητήρες έχουν καλύτερη απόδοση και µικρότερες φθορές από τους θερµικούς κινητήρες και θα πρέπει να προτιµώνται όταν υπάρχει δυνατότητα ηλεκτροδότησης. Παράδειγµα 4ο Να υπολογισθεί η ισχύς της αντλίας µε βαθµό απόδοσης n=0.7 που απαιτείται για την παροχή νερού 50 m 3 /ώρα µε µανοµετρικό ύψος 75 m (7.5 atm). Λύση : Χρησιµοποιείται η εξ. (3.4) για Q=50 m 3 /ώρα και Η m =75 m και η ισχύς της αντλίας βρίσκεται : 15

16 N = Q H m 270 n = = ίππους (PS) Σχήµα Χαρακτηριστικές καµπύλες αντλίας 16