مقرر الري وإدارة الموارد المائية

Transcript

1 الجمهورية العربية السورية جامعة حماه كلية الهندسة الزراعية السنة الثالثة مقرر الري وإدارة الموارد المائية قسم النظري المحاضرة : الخامسة والسادسة مدرس المقرر الدكتور زياد الموسى المكسور 1

2 كفاءة الري يتم نقل ماء الري من مصادره إلى الحقول وتجهيزه للمحاصيل الز ارعية بطرق مختلفة وبعبارة أخرى فأن ماء الري ينقل من نقطة ضخه وحتى مكان استغالله من قبل النبات وعليه يتخلل هذه العملية بعض الفاقد المائي تؤثر على كفاءة الري وفيما يلي بعض المصطلحات المتنوعة لكفاءة الري والتي يمكن من خالل معرفتها التوصل إلى األسلوب األمثل في إيصال الماء بكفاءة عالية: 1 -كفاءة نقل الماء هي كفاءة نقل الماء من مصدر الضخ حتى وصوله بداية الحقل يشمل ذلك حساب الفاقد المائي نتيجة للبخر والرشح من قنوات نقل الماء إضافة لتلك الفواقد الناتجة عن طريق النتح من قبل النباتات النامية على ضفاف القناة. ويمكن تقدير هذه الكفاءة باستخدام المعادلة التالية: Ec 100 f r.. )1( E= c كفاءة نقل الماء = كمية المياه الواصلة إلى بداية الحقل f = r كمية المياه التي يتم ضخها من المصدر 2- كفاءة إضافة الماء وهي تمثل نسبة كمية المياه المخزونة في المنطقة الجذرية للمحصول في التربة إلى كمية المياه الواصلة إلى بداية الحقل. 2

3 Ea 100 s f... )2( E= a كفاءة إضافة الماء = s كمية المياه المخزونة في منطقة الجذور = f كمية المياه الواصلة إلى بداية الحقل إن كفاءة إضافة المياه تبين مصادر الفاقد المائي في الحقل والتي تكون على هيئة فاقد جريان سطحي ( f R( وفاقد تسرب عميق ( f D( أسفل منطقة الجذور وعليه فأن: f = s + R f +D f.. )3( إذن: E a 100 f ( R f f D f ). )4( وهذا يوضح بأن الفاقد المائي ال يعتمد على طريقة الري المتبعة فقط وانما على جملة من العوامل المشاركة في زيادة حجم الفاقد والتقليل من كفاءة الري وتشمل هذه على: )1( مقدار التصرف )2( خواص التربة )3( العمق )4( النفاذية )5( تركيب طبقات التربة )6( مدى استواء سطح األرض )7( خواص النبات. بناء على ما تقدم يتبين بأن كفاءة الري بطريقة الري السطحي تت اروح ما بين %44 و %64 أما بطريقة الري بالرش.%04 - فهي %64 %75 وطريقة الري بالتنقيط فتصل إلى أكثر من 3- كفاءة استعمال الماء وهي نسبة كمية الماء المستغل بفائدة من قبل النبات خالل موسم النمو لتلك المياه المنقولة إلى الحقل. Eu 100 u d. )5( 3

4 = كفاءة استعمال الماء E u = u كمية الماء المستغل بفائدة من قبل النبات = d كمية الماء المنقول إلى الحقل 4 -كفاءة خزن الماء هي نسبة كمية الماء المخزون في منطقة الجذور إلى كمية الماء المستنفذ من قبل النبات قبل الري. Es 100 s n. )6( = كفاءة خزن الماء E s = s كمية الماء المخزون في منطقة الجذور = n كمية الماء المستنفذ بواسطة النبات في منطقة الجذور وتصبح قيمة كفاءة الخزن مهمة جدا حينما ال تكون كمية الماء المخزون في منطقة الجذور كافية خالل فترة الري لما لها من تأثير على عملية غسل األمالح من التربة وضرورة زيادته إلى القدر الذي يضمن ذلك. 5 -كفاءة المقنن المائي Ecu 100 cu d.... )7( = كفاءة المقنن المائي E cu = cu المقنن المائي للمحصول = d كمية الماء المفقودة بواسطة التسرب العميق والبخر وتلك المستنفذة من قبل منطقة الجذور 4

5 وبداللة هذه الكفاءة يمكن معرفة مقدار الماء المفقود بالبخر والتسرب العميق نتيجة كثافة الغطاء النباتي ونفاذية التربة العالية ونوع التربة ونظام توزيع المجموعة الجذرية للمحصول. 6- كفاءة توزيع الماء تبين هذه الكفاءة داللة مدى تجانس توزيع الماء ضمن منطقة الجذور مما يؤدي إلى استجابة النبات للنمو بشكل جيد في حالة التوزيع المتجانس وبعكسه في حالة عدم التوزيع بشكل متجانس ضمن منطقة الجذور وهذا يؤدي إلى جفاف قطاع التربة مما يتطلب عندئذ إضافة الماء لتجنب ما قد ينجم من جفاف وظهور األمالح. ومعادلة كفاءة توزيع الماء يمكن أن تكتب بالصيغة التالية: E d y d..... )8( = كفاءة التوزيع E d d= متوسط عمق الماء المخزون في منطقة الجذور y= الزيادة أو النقصان عن معدل عمق الماء القياسي في منطقة الجذور يمكن بواسطة هذه المعادلة تقييم طريقة الري نفسها بمواقع مختلفة كما يمكن بواسطتها المقارنة بين كفاءة التوزيع لطرق الري المختلفة. القيم المنخفضة لكفاءة التوزيع تعني ضرورة إضافة كمية ماء إضافية أكثر باإلضافة إلى زيادة فترة التشغيل وما ي ارفقها من زيادة في التكاليف مقارنة بقيم كفاءة التوزيع العالية. 5

6 أساسيات الصرف الز ارعي 1- الصرف الز ارعي هو عملية التخلص من المياه الفائضة عن حاجة النبات سواء كانت هذه المياه سطحية أم تحت سطحية وذلك باستخدام الصرف الطبيعي أو بواسطة تنفيذ شبكات صرف لهذا الغرض. 2- أسباب الصرف وأغ ارضه تصنف األسباب وتحدد األغ ارض حسب طبيعة المنطقة التي تعاني من مشاكل تغدق التربة أو الم ارد الحفاظ عليها من مشاكل التملح وعليه تقسم المناطق إلى مناطق رطبة وأخرى جافة. 1-2 المناطق الرطبة 1- التخلص من المياه الفائضة نتيجة جريان الماء السطحي الناتج عن العواصف المطرية الشديدة أو نتيجة لإلف ارط في إضافة مياه الري إلى الحقل. 2- خفض منسوب الماء األرضي ومنع تغدق التربة ينتج عن تحقيق هذين الهدفين ما يلي: أ- تحسين خواص التربة )التهوية واألكسدة والح اررة وعالقتها بالبكتيريا(. ب-تسهيل تنفيذ العمليات الز ارعية نتيجة لتجفيف القشرة السطحية للتربة الز ارعية. 2-2 المناطق الجافة خفض منسوب الماء األرضي ومنع تغدق التربة غسل التربة من األمالح ال ازئدة عن حاجة النبات تعمل على المحافظة على الموازنة الملحية أي المحافظة على تركيز ملحي معين في التربة. 6

7 2-3 تغدق األ ارضي الز ارعية التغدق هو عبارة عن عملية ملئ الف ارغات البينية للتربة وارتفاع الماء األرضي إلى سطح التربة أو إلى منطقة الجذور التي تؤثر على إنتاجية األ ارضي الز ارعية. عادة تتأثر إنتاجية المحاصيل عندما تتشبع منطقة الجذور بالماء األرضي نتيجة لرداءة التهوية داخل التربة فالتغدق يؤثر على عملية تكون الغذاء األولي الذي تحتاجه الجذور ذلك نتيجة لملئ ف ارغات التربة بالماء بدال من الهواء الذي يعد عامال مهما لوجود األكسجين مما يؤثر على عملية تكون النت ارت في التربة والتي يحتاجها النبات في نموه. أنواع الصرف وأسس أختياره والشكل العام لشبكة الصرف 3- أنواع الصرف: هنالك أنواع مختلفة للصرف وذلك بحسب الغاية من وجوده وتبعا للظروف الهيدرولوجية والهيدروجيولوجية أو بحسب نوع النبات وظروف االستثمار وكذلك تبعا لإلمكانات المادية والفنية المتاحة ونميز هنا: أ-الصرف األفقي ويقسم إلى نوعين: الصرف األفقي المكشوف: وهو عبارة عن خنادق أو أقنية مكشوفة تنفذ في الحقول بأعماق وتباعدات وميول معينة لتلتقط الماء ال ازئد وتطرحه خارج المنطقة الم ارد تصريفها. الصرف األفقي المغطى : وهي أنابيب موضوعة داخل التربة وتكون على أعماق وتباعدات وميول بأقطار معينة تؤدي الغرض. نفس ب -الصرف الشاقولي: هي أبار شاقولية بأعماق وأقطار وتباعدات معينة غايتها امتصاص الماء ال ازئد وطرحه خارجا من خالل ضخ المياه في تلك اآلبار وقد تكون تلك اآلبار عبارة عن آبار امتصاص تذهب مياها إلى أعماق سحيقة في باطن األرض من خالل ثقوب تنفذ بالطبقات الكتيمة الحاملة للماء وهذا النوع محدود االستعمال. ج- الصرف المختلط: 7

8 هو خليط من النوعين السابقين ويستعمل تبعا لوضع المنطقة الطبوغ ارفي وبحسب خواص وظروف الطبقة الت اربية الم ارد تجفيفها وبحسب اإلمكانية المادية المتوفرة. 4 -أشكال تواجد شبكات الصرف قد يشمل الصرف كامل المنطقة فنسميه بالصرف المنتظم أو العام ويمكن أن يتواجد في منطقة معينة تتطلب تصريفا فنسميه صرفا غير منتظم أو موضعي والصرف من حيث االستعمال يقسم إلى: 1 -الصرف الدائم : أو االستثماري وهو الغالب يكون مرتبطا بعمليات الز ارعة واإلنتاج الز ارعي 2 -الصرف المؤقت :وهو حل آني قد تكون غايته تصريف األمطار أو تجفيف مستنقع مؤقت بغية استصالح أرضه وزرعتها. يتواجد الصرف الدائم بمختلف أنواعه على شكل مجموعة أو مجموعات صرف ما في الشكلين التاليين. 5- الشكل العام لشبكة الصرف : يبين الشكل التالي الشكل العام لشبكة الصرف وجميع مكوناتها في الحالة العامة : 8

9 1 -مصرف حقلي مغطى 2 -مجمع مغطى مطمور 3 -غرفة وصل بالمجمع المغطى 4 -نهاية المجمع المغطى 5 -اتجاه جريان مياه الصرف الز ارعي 6 -مصرف مكشوف حقلي 7 -قناة أو مصرف حماية 8 -مجمع مكشوف 0 -جسر عبور 14 -طريق حقلي للمواصالت )بجوار المجمع المكشوف وقناة او مصرف الحماية ) 11 -المجمع الرئيسي 12 -منشأة التحكم 9

10 13 -المصب على نهر أو بحيرة أو منخفض. من هذا الشكل نالحظ أن مجموعة الصرف تلك احتوت صرفا مكشوفا و مغطى باإلضافة إلى المنشآت الملحقة بها. وهذه الملحقات عديدة فمنها ما يؤدي خدمات كالطرق والجسور وأخرى منشآت حماية و وقاية للحفاظ على شبكة الصرف بحالة عمل دائم واستثمار أمثلين كأقنية الحماية من السيل السطحي الخارجي. أن الصرف يكون مباش ار وذلك عندما تصب المصارف المغطاة في المجمعات المكشوفة أو النهر او البحيرة أو قد يكون غير مباشر حيث تصل مياه الصرف إلى مجمع ثانوي مغطى ومنه إلى مجمع آخر أعلى مرتبة منه وهكذا إلى نهاية الشبكة حيث توجد فوهة المفيض. كما في الشكل التالي. 6 -أعماق توضع المصارف :أن عمق المصرف يتعلق بالظروف الهيدرولوجية والهدر وجيولوجية والوضع الطبوغ ارفي للمنطقة وكذلك بخواص التربة الفيزيائية.ولحدما بعمق توضع المياه الجوفية.كما ان االمكانيات المادية والفنية هي االخرى تتحكم بهذا العمق من اجل تربة معينة يرتبط توضع المصارف بالتباعد فيما بينها هناك اختالق كبير في وجهات النظر لتحديد عمق المصارف في m إنكلت ار بحدود وفي المانيا m وفي التحاد السوفيتي اعطى العالم كوفدا العالقة التالية لتحديد عمق وضع المصارف لظروف المناطقة الجافة وشبه الجافة بحيث يقل عن القيمة H cr H cr =170 +8t حيث t متوسط الح اررة السنوية بالدرجات.الصرف العميق يحقق شروطا حيوية جيدة للنبات ويهئ ظروفا مائية أفضل 11 كما أنه اقتصادي و ال نه يسمح بزيادة التباعد بين المصارف وبالتالي تقليل كلفتها

11 بما أن المصارف تصب في المجمعات فبديهي أن تكون المجمعات أخفض من المصارف وبمجال اتصال المصرف بمجمع مكشوف او نهر جار فيفضل ان يكون منسوب المولد السفلي للمصرف اعلى من مستوى الماء في المجرى بمقدار 34 وتبين اشكال التالية: -14 cm اتصال المصرف بالمجمع المغطى والمكشوف مجمع رئيسي فوهة مصروف صغير 11

12 7 -الصرف األفقي المكشوف 7-1 محاسن الصرف ومساوئ الصرف في السواقي وحاالت استعماله : أوال- تفريغ حجوم مائية كبيرة من المياه السطحية بسرعة. إذ أن الصرف باألنابيب ال يصرف الماء إال ببطء. ثانيا- يمكن استعمال شبكة الصرف بالسوقي كشبكة ري وخاصة في المناطق الجافة وذلك بان نضع شكورة في االقنية لسدها لكي تسمح بالري بالتسرب الجوفي وهو ما يعرف بالري الباطني. ثالثا- مجال الميول القليلة يكون الصرف بالسواقي أفضل منه باألنابيب الن األقنية تستطيع إم ارر تدفق اكبر من اجل نفس الميل. اربعا- بسبب قلة تكاليفه يمكن استعماله في األ ارضي ذات القيمة الز ارعية القليلة خامسا- غسل األ ارضي المكتسبة من البحر: وهي الطريقة المستعلمة في هولندا حيث يبدأ بعمل شبكة من أقنية الصرف إذ أنها تسمح في السنوات األولى بغسل األ ارضي من أمالحها بفاعلية كبيرة وبعد أن تصبح األ ارضي صالحة للز ارعة بشكل منتظم و كثيف يستعاض عن سواقي الصرف بأنابيب مطمورة تفرغ في سواقي مفتوحة كمجمعات. سادسا-ان ضياع مساحات ال بأس بها من اال ارضي بالسواقي المكشوفة ومجمعاتها يعتبر ميزة سليبة للغاية الن هذه النسبة قد تصل الى %15 ثم ان وجود هذه السواقي يتطلب انشاء معابر )سيفون عبارة جسر( وهذه تكاليف اضافية سابعا- الصرف بالسواقي يحتاج لنفقات استثمارية كبيرة بسبب الصيانة والتنظيف الدوري وتصحيح جوانب المصارف و ازلة االعشاب المائية منها ألنها تعيق الجريان وتغير شروطه التصميمية. 7 -الحساب 2- الهيدروليكي للمصارف والمجمعات المكشوفة: يتم الحساب الهيدروليكي للمصارف والمجمعات بإيجاد المقطع الطولي والعرضي لها مع تحقيق بعض المواصفات الفنية المطلوبة وذلك وفق االسس التالية: آ- اعتماد مقطع عرضي وتحديد قيمة عامل خشونته وميل جوانبه الت اربية حيث θ ميل الجوانب مع االفق cotg θ حيث تكون المصارف المكشوفة غالبا بشكل شبه منحرف. 12

13 ED=h. cotg θ AD=b+2h cotg θ CD = h sin θ = h (1 + cotg θ2 ) m= cotg θ : m إذ رمزنا ل cotg θ ب )أي ميل الجوانب مع الشاقول ) نكتب ED=m.h AD=b+2mh CD=b+ 1 + m 2 P=b+2h 1 + m 2 المحيط المبلول S=h(b=mh) المقطع المبلول R= S P = h(b+mh) b+2h 1+m 2 بالتالي نصف القطر المائي والجدول التالي يبين نوع التربة وعامل الخشونة وميل الجوانب : 13

14 cot θ = m n نوع التربة عامل الخشونة ميل الجوانب رملية غضارية سيليت ناعم بحصية ب- اعتماد قيمة لعرض قاع المجرى المائي بحيث تت اروح بين 1 m 0.5 لسهولة التنظيف. ج- تحديد الميل الطولي من المخطط الطبوغ ارفي وتوجيه المصارف والمجمعات بحيث تتناسب ووضع األرض وعلى أن تحقق حجم أعمال ت اربية اقل ما يمكن وكذلك ظروف استثمار وجريان أمثل فال تكون السرعة قليلة تؤدي الي انسداد المصارف نتيجة الترسبات وال هي كبيرة كي ال تنجرف جوانب المجرى أو قعره. ينصح بان ال يقل الميل الطولي للمصارف والمجمعات عن h s د- إج ارء الحسابات الهيدروليكية لتحديد مقطع الجريان المائي وارتفاعه باعتبار الجريان مستقر وذاك وفق العالقات التالية: Q=V.S= C RI S S=(b+mh) h P=b+2h 1 + m 2 R= S P C= 1 n R 1 6 في العالقات السابقة: m 3 /sec m/sec Q =التدفق V =السرعة S =المقطع المائي m 2 14

15 I =الميل الطولي بدون واحدة m نصف القطر الهيدروليكي ب R= n m المبلول ب P =المحيط C =ثابت شيزي يتعلق بأمثال الخشونة حسب ماننغ m قاع المجرى ب b =عرض وبنصف القطر الهيدروليكي V=C R I K= SC R بفرض كامل التدفق K نوجده من العالقة التالية : Q=K I وبعد تدقيق السرعة نضيف قيمة احتياطية الرتفاع الجريان f=0.5v h h 2-7 -المقطع 3 األفضلي : يمكن تصميم المصارف المكشوفة ومجمعاتها هيدروليكيا انطالقا من المقطع األفضلي الذي يمرر تدفقا أعظميا. بمعرفة الميل للمصرف وميول الجوانب θ والمطلوب اختيار المقطع ذو التدفق األعظمي من جميع المقاطع ذات I المساحة الواحدة. في الواقع عندما نغير وb للمصرف بالمحافظة على مساحة ثابتة للمقطع نغير المحيط المبلولp ( S h وبذلك نغير مقاومة المصرف المتناسبة مع السطح المبلول )p.l( وبالتالي نغير السرعة p=ab+bc+cd) الوسطية وكذلك التدفق فيتغير نتيجة ذلك فنرى انه للحصول على قيمة أعظمية لQ يجب أن Q = S.V V تكون أعظمية أي أن تكون المقاومة اصغرية أي P اصغرية ولكن V P=b+2h 1 + m 2 (1) 15

16 والقيمتان b h مرتبطتان بالعالقة : S=(b+mh)h )2( s h = b + mh ومنه بالتالي b= s h mh (3) بالتعويض بالعالقة )1( ينتج P= s h mh + 2h 1 + m2 P= s h + h(2 1 + m2 m) 1 + m 2 m=λ بفرض) 4 ( وهي قيمة ثابتة تصبح المعادلة السابقة بالشكل b= s h + λh (5) dp = s + λ منه االشتقاق dh h 2 القيمة االصغرية ل p توافق 0 = dp dh = 0 s h 2 + λ λ = s h 2 s= λh 2 (6) h= s λ او (7) بعد حساب h بهذه المعادلة يمكن حساب b من المعادلة( 3 ( 16

17 تصلح المعادلتان و مهما كانت قيمة فيمكن إذن حذف بين هاتين المعادلتين بتعويض قيمة s في المعادلة s s 7 3 b= h2 ƛ h mb بقيمتها بالمعادلة 6 فينتج 3 b=(λ m)h (8) هذه هي العالقة التي يجب أن تحققها وb لكي يكون التدفق أعظميا مهما كانت قيمة s من اجل مقطع h مستطيل( m=0 ) تصبح هذه المعادلة: b = 2 h أي إن عرض القناة يساوي إلى ضعف ارتفاع الماء لنالحظ انه عندما تكون )8 (محققة تكون معطية بالعالقة تعطى بالعالقة و بعد تعويض s بقيمتها يكون 5 p 6 s P= h2 λ h + λh P= λb + λh = 2λh (9) ينتج من ذلك ان قيمة نصف القطر المائي R= S P = h2 λ h2λ = h 2 (10) غير تابعة لميل جوانب المصرف أي مهما كانت الميول الجانبية للمصرف فمن اجل المقطع الموافق للتدفق األعظمي يكون نصف القطر المائي مساويا نصف ارتفاع الماء. مثال: قناة ت اربية ميل جوانبها وعامل خشونتها الطولي وميلها تجفف قطعة ارض n = 0,03 m= 1.5 فيصل التدفق فيها الى 6.5 والمطلوب د ارستها هيدروليكيا بحيث تكون السرعة فيها = θ. 0.15< v 0.8m/sec الحل: بفرض عرض قاع القناة )المصرف( =b يكون 0.8m S=h(b+mh) S=h( h) p =b+ 2h 1 + m 2 P= h 17

18 R= s p = ( h)h 0.8=3.6h C=( )R1 6 K=S C R K=( h)h R1 6. R 1 2 = h)h R =4 6 =2 3 K= ( h)h. R K= ( h)h 0.03 [ ( h)h h ]2 3 بالتقريب المتتالي نفرض ونحسب Q. ومن ثم k h بالحل h=0.051 v=0.151m/sec f=0.5v h = H=h+f= =