ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: «ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ ΧΩΡΟΥ» ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: «ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΕΡΓΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ» ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟ LABYE KAI ΑΝΤΙΠΛΗΓΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΤΖΙΜΟΠΟΥΛΟΣ Ομότιμος Καθηγητής Α.Π.Θ. ΣΤΑΥΡΟΣ ΓΙΑΝΝΟΠΟΥΛΟΣ Καθηγητής Α.Π.Θ. ΕΚΠΟΝΗΣΗ ΒΑΪΟΣ ΑΝΥΦΑΝΤΗΣ Αγρονόμος & Τοπογράφος Μηχανικός ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2011
ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: «ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ ΧΩΡΟΥ» ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: «ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΕΡΓΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ» ----------------------------- ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟ LABYE KAI ΑΝΤΙΠΛΗΓΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΤΖΙΜΟΠΟΥΛΟΣ Ομότιμος Καθηγητής Α.Π.Θ. ΣΤΑΥΡΟΣ ΓΙΑΝΝΟΠΟΥΛΟΣ Καθηγητής Α.Π.Θ. ΕΚΠΟΝΗΣΗ ΒΑΪΟΣ ΑΝΥΦΑΝΤΗΣ Αγρονόμος & Τοπογράφος Μηχανικός ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2011
ΠΡΟΛΟΓΟΣ H παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Τεχνικές και Μέθοδοι στην Ανάλυση, Σχεδιασμό και Διαχείριση του Χώρου» στην κατεύθυνση της «Οργάνωσης και Διαχείρισης Πόρων και Έργων Ανάπτυξης» του Τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. υπό την επίβλεψη των κ.κ. Χρήστου Τζιμόπουλου, Ομότιμου Καθηγητή Α.Π.Θ. και Σταύρου Γιαννόπουλου, Καθηγητή Α.Π.Θ. Ο τίτλος της εργασίας είναι: «Βελτιστοποίηση του κόστους των αγωγών με την τροποποιημένη μέθοδο Labye και αντιπληγματική προστασία των υπο πίεση αρδευτικών δικτύων». Αντικείμενο της εργασίας είναι η τροποποιημένη μέθοδος Labye για τη βέλτιστη επιλογή των διαμέτρων των αγωγών σε ένα υπό πίεση αρδευτικό δίκτυο, όπως αυτή αναπτύχθηκε από το Lamaddalena (1997) στον αλγόριθμο COPAM (Combined Optimization and Performance Analysis Model). Με το πρόγραμμα αυτό γίνεται βελτιστοποίηση σε συγκεκριμένες εφαρμογές και προκύπτουν συμπεράσματα για τις δυνατότητες της μεθόδου, κατόπιν συγκριτικής αξιολόγησης των αποτελεσμάτων αυτής σε σχέση με άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης. Για την αντιμετώπιση του πλήγματος κριού εφαρμόζεται μια απλουστευμένη διαδικασία υπολογισμού των υπερπιέσεων και δίνονται οι βασικές αρχές λήψης των απαραίτητων μέτρων προστασίας του δικτύου. i
Με την ολοκλήρωση της μεταπτυχιακής εργασίας μου επιθυμώ να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στους επιβλέποντες καθηγητές κ.κ. Χρήστο Τζιμόπουλο και Σταύρο Γιαννόπουλο, για την αναλυτική επιστημονική καθοδήγησή μου σε όλα τα στάδια της εργασίας, τις πολύτιμες συμβουλές τους, την κατανόηση και την προθυμία για βοήθεια και τέλος, τη διάθεση του λογισμικού COPAM, με το οποίο εκπονήθηκε η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον καθηγητή Σταύρο Γιαννόπουλο, τον καθηγητή Αθανάσιο Γείτονα και τον επίκουρο καθηγητή Χρήστο Ευαγγελίδη, για την ευγενική τους διάθεση να αποτελέσουν μέλη της Εξεταστικής Επιτροπής. Ακόμη θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά όλους τους καθηγητές της Μεταπτυχιακής Κατεύθυνσης για τα πολύτιμα επιστημονικά εφόδια που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια της φοίτησής μου. Ευχαριστίες επιθυμώ να εκφράσω και σε όλους όσους συντέλεσαν στην εκπόνηση της εργασίας μου με τις συμβουλές τους και/ή την παροχή στοιχείων, και ιδιαίτερα: το Χρήστο Ευαγγελίδη, Επίκουρο Καθηγητή Τ.Α.Τ.Μ. Α.Π.Θ., τον Άνθιμο Σπυρίδη, Δρ. Α.Τ.Μ. M.Sc., Ph.D. Α.Π.Θ., το Γεώργιο Παπαευαγγέλου, Δρ. Α.Τ.Μ., M.Sc., τον Περικλή Καρασαββίδη, Α.Τ.Μ. Υποψ. Διδάκτορα Α.Π.Θ., το Σωκράτη Χονδρογιάννη, Πολιτικό Μηχανικό Υποψ. Διδάκτορα Α.Π.Θ., τη Ζαχαρούλα Κατσίμπα, Α.Τ.Μ. Μ.Δ.Ε. Υδατικών Πόρων Α.Π.Θ. και το Βασίλειο Βασίλογλου, Δρ. Πολιτικό Μηχανικό Α.Π.Θ. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στη σύζυγό μου Δέσποινα για την υπομονή και τη συμπαράστασή της κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας μου. Θεσσαλονίκη, 2011 Βάιος Ανυφαντής ii
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ σελ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ... i ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ... iii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ... xiii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΧΑΡΤΩΝ... xv ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... xix ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... xxiii EXTENDED SUMMARY... xxvii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1... 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.1. Γενικά... 1 1.2. Μέθοδοι άρδευσης και αξιολόγηση της απόδοσής τους... 1 1.2.1. Επιφανειακή άρδευση... 2 1.2.1.1. Άρδευση με κατάκλυση... 2 1.2.1.2. Άρδευση με διάχυση... 3 1.2.1.3. Άρδευση με διήθηση... 4 iii
σελ. 1.2.2. Υπόγεια άρδευση... 4 1.2.3. Άρδευση με καταιονισμό... 5 1.2.4. Άρδευση με σταγόνες... 7 1.3. Ιστορική ανασκόπηση των αρδεύσεων... 9 1.3.1. Η ανάπτυξη των αρδεύσεων παγκοσμίως... 10 1.3.2. Οι αρδεύσεις κατά τους νεότερους χρόνους... 17 1.3.3. Οι αρδεύσεις στην Ελλάδα... 20 1.4. Διαχείριση των αρδευτικών δικτύων στην Ελλάδα... 23 1.5. Κανονισμοί και τεχνικές προδιαγραφές εκπόνησης μελετών αρδευτικών δικτύων... 28 1.5.1. Ταξινόμηση και στάδια μελέτης αρδευτικών έργων... 28 1.5.2. Τεχνικές προδιαγραφές μελετών αρδευτικών δικτύων (Προεδρικό Διάταγμα 696/1974)... 30 1.5.2.1. Προκαταρκτική μελέτη... 31 1.5.2.2. Προμελέτη... 35 1.5.2.3. Οριστική μελέτη... 38 1.5.2.4. Μελέτη εφαρμογής... 42 1.6. Νέες τεχνολογίες και διαδικασίες στη διαχείριση των αρδευτικών δικτύων... 42 1.6.1. Καλύτερος έλεγχος της άρδευσης... 42 1.6.2. Βελτιωμένες τεχνικές άρδευσης... 43 1.6.3. Επαναχρησιμοποίηση νερού για άρδευση... 44 1.7. Αντικείμενο και διάρθρωση της εργασίας... 45 iv
σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2... 47 ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΖΗΤΗΣΗΣ... 47 2.1. Τύποι αρδευτικών δικτύων διανομής... 47 2.1.1. Στοιχεία των δικτύων... 47 2.1.2. Ταξινόμηση αρδευτικών δικτύων... 49 2.1.2.1. Ταξινόμηση ανάλογα με την πηγή τροφοδοσίας... 49 2.1.2.2. Ταξινόμηση ανάλογα με τον τύπο του συστήματος μεταφοράς και τη διαθέσιμη πίεση... 49 2.1.2.3. Ταξινόμηση ανάλογα με την προέλευση της πίεσης... 51 2.1.2.4. Ταξινόμηση ανάλογα με τη μέθοδο διανομής του αρδευτικού νερού... 51 2.2. Αρδευτικά δίκτυα ελεύθερης ζήτησης και δεδομένα μελέτης... 53 2.2.1. Γενικά... 53 2.2.2. Παράμετροι μελέτης ενός συστήματος διανομής... 55 2.3. Δομή και διάταξη των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων ελεύθερης ζήτησης... 58 2.3.1. Μελέτη αρδευτικού δικτύου ελεύθερης ζήτησης... 58 2.3.2. Βελτιστοποίηση της διάταξης των ακτινωτών δικτύων... 60 2.3.3. Περιγραφή και αρίθμηση των στοιχείων του δικτύου... 66 v
σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3... 69 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΟΧΩΝ ΣΕ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΖΗΤΗΣΗΣ... 69 3.1. Χαρακτηριστικά του αρδευτικού νερού... 69 3.2. Ροή του νερού σε αγωγούς υπό πίεση... 70 3.2.1. Κατάσταση της ροής... 70 3.2.2. Εξισώσεις ροής σε αγωγούς... 71 3.2.3. Γραμμικές απώλειες φορτίου... 72 3.2.4. Τοπικές απώλειες... 75 3.3. Παραδοχές υπολογισμού των υπό πίεση συστημάτων άρδευσης ελεύθερης ζήτησης... 76 3.3.1. Ισοδύναμη απόλυτη τραχύτητα... 76 3.3.2. Επιτρεπόμενες ταχύτητες και κλάση σωλήνων... 77 3.3.3. Κόστος αρδευτικού έργου... 80 3.4. Πρότυπα μιας Παροχής... 83 3.4.1. Βασικά στοιχεία των μεθόδων του Clément... 84 3.4.2. 1ος τύπος του Clément... 89 3.4.3. 2ος τύπος του Clément... 91 3.5. Πρότυπα Διαφόρων Παροχών... 93 vi
σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4... 97 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΜΕΤΡΟΥ ΤΩΝ ΣΩΛΗΝΩΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΤΩΝ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ... 97 4.1. Κόστος των αγωγών αρδευτικού δικτύου... 97 4.2. Βελτιστοποίηση αρδευτικών δικτύων... 99 4.3. Βελτιστοποίηση των διαμέτρων αγωγών με τα Πρότυπα μιας Παροχής Η ασυνεχής μέθοδος Labye... 101 4.3.1. Γενικά... 101 4.3.2. Διαδικασία επίλυσης ακτινωτών αρδευτικών δικτύων με τη μέθοδο Labye... 103 4.3.2.1. Περίπτωση ενός μόνο αγωγού... 103 4.3.2.2. Περίπτωση ενός δικτύου με αγωγούς στη σειρά... 107 4.3.2.3. Περίπτωση τμήματος δικτύου με αγωγούς σε διακλάδωση.... 111 4.3.3. Παραδείγματα επίλυσης ενδεικτικού ακτινωτού δικτύου με την ασυνεχή μέθοδο Labye... 114 4.3.3.1. Παράδειγμα 1... 114 4.3.3.2. Παράδειγμα 2... 122 4.3.3.3. Σχόλια - Παρατηρήσεις... 128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5... 131 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ COPAM ΚΑΙ Η ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ LABYE. 131 5.1. Εισαγωγικά... 131 vii
σελ. 5.2. Παραδοχές υπολογισμού των αρδευτικών δικτύων στο λογισμικό COPAM... 132 5.2.1. Γραμμικές απώλειες φορτίου Τοπικές απώλειες... 132 5.2.2. Τραχύτητα των σωλήνων... 133 5.2.3. Επιτρεπόμενες ταχύτητες... 134 5.3. Έναρξη του προγράμματος COPAM και καταχώριση δεδομένων του αρδευτικού δικτύου... 134 5.4. Υπολογισμός των παροχών με τα Πρότυπα μιας Παροχής του λογισμικού COPAM... 141 5.4.1. Ο 1ος τύπος του Clément... 141 5.4.2. Ο 2ος τύπος του Clément... 143 5.5. Υπολογισμός των παροχών με το Πρότυπο Διαφόρων Παροχών του λογισμικού COPAM... 144 5.6. Βελτιστοποίηση των διαμέτρων των αγωγών με το λογισμικό COPAM.. 145 5.6.1. Βελτιστοποίηση των διαμέτρων των αγωγών με τα Πρότυπα μιας Παροχής του COPAM... 146 5.6.1.1. Η τροποποιημένη μέθοδος Labye... 146 5.6.1.2. Η χρήση του COPAM για τη βελτιστοποίηση με τα Πρότυπα μιας Παροχής... 150 5.6.2. Βελτιστοποίηση των διαμέτρων των αγωγών με τo Πρότυπο Διαφόρων Παροχών του COPAM... 154 5.6.2.1. Επέκταση της μεθόδου του Labye... 154 5.6.2.2. Η χρήση του COPAM για τη βελτιστοποίηση με το Πρότυπο Διαφόρων Παροχών... 156 viii
5.7. Παράδειγμα επίλυσης ενδεικτικού ακτινωτού δικτύου με το λογισμικό σελ. COPAM... 157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6... 163 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ LABYE ΣΕ ΑΡΔΕΥΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ COPAM...163 6.1. Βασικά τεχνικά δεδομένα του αρδευτικού δικτύου Βασιλικών... 163 6.1.1. Περιγραφή της περιοχής μελέτης... 163 6.1.2. Περιγραφή του αρδευτικού δικτύου και των τεχνικών δεδομένων του...165 6.1.3. Παραδοχές υπολογισμού του δικτύου... 168 6.1.4. Τροφοδοσία αρδευτικού δικτύου δεξαμενή αναρρύθμισης... 172 6.2. Εφαρμογή του λογισμικού COPAM για τη βελτιστοποίηση του αρδευτικού δικτύου Βασιλικών... 177 6.2.1. Παράμετροι και διαδικασία της εφαρμογής... 177 6.2.2. Παροχές σχεδιασμού του δικτύου... 189 6.2.3. Εφαρμογή του COPAM με τις παραδοχές του μελετητή... 189 6.2.4. Επιτρεπόμενες ταχύτητες του COPAM και αποτελέσματα βελτιστοποίησης... 191 6.2.5. Τελική διόρθωση μηκών σωλήνων... 194 6.2.6. Εφαρμογή με τον 1ο τύπο του Clément... 195 6.2.7. Εφαρμογή με το Πρότυπο Διαφόρων Παροχών του COPAM... 196 6.3. Σύγκριση των αποτελεσμάτων του COPAM με τη συνεχή μη γραμμική μέθοδο βελτιστοποίησης του αρδευτικού δικτύου Βασιλικών... 197 ix
σελ. 6.3.1. Σύγκριση μεθόδων υπολογισμού παροχών... 197 6.3.2. Σύγκριση μεθόδων βελτιστοποίησης... 200 6.4. Σύγκριση των αποτελεσμάτων του COPAM με άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης στο αρδευτικό δίκτυο Καβασίλων Θεσσαλονίκης... 202 6.4.1. Εφαρμογή του λογισμικού COPAM στο αρδευτικό δίκτυο Καβασίλων Θεσσαλονίκης... 202 6.4.2. Σύγκριση με άλλες μεθόδους... 205 6.5. Παρατηρήσεις - Σχόλια... 206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7... 209 ΑΝΤΙΠΛΗΓΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΑΡΔΕΥΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ... 209 7.1. Στοιχεία από τη θεωρία του πλήγματος κριού... 209 7.2. Αντιμετώπιση των πληγμάτων σε αρδευτικό δίκτυο με την απλουστευμένη διαδικασία της Εγκυκλίου Δ. 22200/1977 του Υ.Δ.Ε.... 215 7.2.1. Γενικότητες... 215 7.2.2. Υπολογισμός των υπερπιέσεων... 217 7.2.3. Διαδικασία και παραδοχές υπολογισμού... 219 7.2.4. Αντιπληγματικές συσκευές αποφορτίσεως... 221 7.3. Έλεγχος του αρδευτικού δικτύου Βασιλικών Θεσσαλονίκης σε πλήγμα κριού... 222 x
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8... 229 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ... 229 σελ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 233 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 243 ΠΙΝΑΚΕΣ Π.1 ΕΩΣ Π.19... 243 xi
xii
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ σελ. Εικόνα 1. 1. Άρδευση με κατάκλυση (Photo by Jeff Vanuga, USDA Natural Resources Conservation Service Source: http://photogallery.nrcs.usda.gov/index.asp)... 3 Εικόνα 1. 2. Άρδευση με καταιονισμό ( Photo courtesy USDA from: http://home.howstuffworks.com/irrigation2.htm)... 5 Εικόνα 1. 3. Άρδευση με σταγόνες (http://thewrinkleddollar.com/garden/drip-irrigation.html)... 8 Εικόνα 1. 4. Αρδευόμενες εκτάσεις ανά περιοχή ως ποσοστό επί της εδαφικής επιφάνειας (Siebert et al., 2006)... 19 Εικόνα 5. 1. Αρχική οθόνη του προγράμματος... 135 Εικόνα 5. 2. Πτυσσόμενο μενού εισόδου ή ελέγχου δεδομένων αρδευτικού δικτύου... 136 Εικόνα 5. 3. Καταχώριση ονομαστικών παροχών υδροστομίων... 137 Εικόνα 5. 4. Καταχώριση στοιχείων των διαμέτρων εμπορίου... 138 Εικόνα 5. 5. Καταχώριση στοιχείων αρδευτικού δικτύου... 139 Εικόνα 5. 6. Καταχώριση δεδομένων 1ου τύπου Clément... 142 Εικόνα 5. 7. Καταχώριση δεδομένων 2ου τύπου Clément... 143 Εικόνα 5. 8. Καταχώριση δεδομένων του Προτύπου Διαφόρων Παροχών... 144 xiii
σελ. Εικόνα 5. 9. Παράμετροι βελτιστοποίησης. Καρτέλα Options... 151 Εικόνα 5. 10. Παράμετροι βελτιστοποίησης. Καρτέλα Mixage... 153 Εικόνα 5. 11. Παράμετροι βελτιστοποίησης. Καρτέλα Data... 153 Εικόνα 5. 12. Παράμετροι βελτιστοποίησης. Καρτέλα Options για το Πρότυπο Διαφόρων Παροχών... 156 Εικόνα 5. 13. Παροχές υδροστομίων... 158 Εικόνα 5. 14. Στοιχεία διαμέτρων εμπορίου... 158 Εικόνα 5. 15. Δεδομένα του αρδευτικού δικτύου... 159 Εικόνα 5. 16. Παράμετροι βελτιστοποίησης. Καρτέλα Data... 160 xiv
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΧΑΡΤΩΝ σελ. Σχήμα 1. 1. Αρδευόμενες εκτάσεις στην Ελλάδα (ΕΛ.ΣΤΑΤ., 1930-2009)... 22 Σχήμα 2. 1. Διάγραμμα ροής των κύριων βημάτων μελέτης αρδευτικού συστήματος (Lamaddalena and Sagardoy, 2000).... 57 Σχήμα 2. 2. Αλγόριθμοι του Kruskal και του Sollin (Labye et al., 1988)... 61 Σχήμα 2. 3. Χάραξη κατά 120 (Labye et al., 1988)... 62 Σχήμα 2. 4. Οικονομικότερη χάραξη (Labye et al., 1988)... 65 Σχήμα 2. 5. Μέθοδοι αρίθμησης των στοιχείων αρδευτικού δικτύου (Labye et al., 1988, Lamaddalena and Sagardoy, 2000)... 67 Σχήμα 3. 1. Έλεγχος μέγιστης πίεσης. 80 Σχήμα 3. 2. Γραφική παράσταση συνάρτησης H(U ) (Lamaddalena and Sagardoy, 2000)... 92 Σχήμα 4. 1. Χαρακτηριστική καμπύλη αγωγού με δύο διαμέτρους. 104 Σχήμα 4. 2. Χαρακτηριστική καμπύλη αγωγού με περισσότερες από δυο διαμέτρους... 106 Σχήμα 4. 3. Χαρακτηριστική καμπύλη αγωγών σε σειρά... 109 Σχήμα 4. 4. Χαρακτηριστική καμπύλη αγωγών σε σειρά... 110 xv
σελ. Σχήμα 4. 5. Χαρακτηριστική καμπύλη δυο αγωγών σε διακλάδωση... 112 Σχήμα 4. 6. Ενδεικτικό ακτινωτό δίκτυο... 114 Σχήμα 4. 7. Χαρακτηριστική καμπύλη ενδεικτικού ακτινωτού δικτύου... 119 Σχήμα 4. 8. Υπολογισμός τμημάτων διαφορετικών διαμέτρων σε ένα αγωγό... 121 Σχήμα 4. 9. Χαρακτηριστική καμπύλη ενδεικτικού ακτινωτού δικτύου... 126 Σχήμα 5. 1. Παραδείγματα αρίθμησης κόμβων..140 Σχήμα 5. 2. Το στοιχειώδες δίκτυο... 148 Σχήμα 6. 1. Χάρτης Βασιλικών Θεσσαλονίκης με την προς άρδευση έκταση..164 Σχήμα 6. 2. Το αρδευτικό δίκτυο... 166 Σχήμα 6. 3. Το αρδευτικό δίκτυο με τις ισοϋψείς του εδάφους... 167 Σχήμα 6. 4. Καμπύλη κόστους ανά τρέχον μέτρο μήκους διαμέτρου αγωγού... 172 Σχήμα 6. 5. Υπολογισμός όγκου δεξαμενής (Παρθενιάδης, 1980)... 176 Σχήμα 6. 6. Σκαρίφημα αρχικού δικτύου Βασιλικών... 178 Σχήμα 6. 7. Σκαρίφημα δικτύου Βασιλικών για εφαρμογή στο λογισμικό COPAM... 179 Σχήμα 6. 8. Σύγκριση απωλειών φορτίου... 188 Σχήμα 6. 9. Παροχές των αγωγών με διάφορες μεθόδους... 199 Σχήμα 6. 10. Διάμετροι αγωγών που προέκυψαν από τις μεθόδους βελτιστοποίησης... 201 Σχήμα 6. 11. Δίκτυο Καβασίλων με αρχική αρίθμηση... 202 xvi
σελ. Σχήμα 6. 12. Δίκτυο Καβασίλων με αρίθμηση για το πρόγραμμα COPAM... 203 Σχήμα 7. 1. Αγωγός με δεξαμενή ανάντη και βάνα κατάντη...212 Σχήμα 7. 2. Χαρακτηριστικές καμπύλες... 213 Σχήμα 7. 3. Χάραξη του δικτύου των χαρακτηριστικών καμπυλών... 215 Σχήμα 7. 4. Αντιπληγματική προστασία στο δίκτυο Βασιλικών... 223 Σχήμα 7. 5. Διάγραμμα επιλογής αντιπληγματικής βαλβίδας (Βιομηχανία Χρυσαφίδης Α.Ε.)... 226 xvii
xviii
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ σελ. Πίνακας 3. 1. Κινηματικό ιξώδες του νερού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία (Labye et al., 1988)... 69 Πίνακας 3. 2. Επιτρεπόμενες ελάχιστες και μέγιστες ταχύτητες ροής στην Ελλάδα (Εγκύκλιος Δ. 22200/30-7-1977/ΥΔΕ)... 78 Πίνακας 3. 3. Ελάχιστες και μέγιστες ταχύτητες ροής στη Γαλλία (Labye et al., 1988)... 78 Πίνακας 3. 4. Συντελεστής ποιότητας λειτουργίας συναρτήσει της ποιότητας λειτουργίας... 90 Πίνακας 4. 1. Χαρακτηριστικά στοιχεία του δικτύου.. 115 Πίνακας 4. 2. Στοιχεία διαμέτρων εμπορίου... 115 Πίνακας 4. 3. Εύρος αποδεκτών παροχών ανά διάμετρο εμπορίου... 116 Πίνακας 4. 4. Διάμετροι ανά αγωγό... 116 Πίνακας 4. 5. Υπολογισμοί αγωγών 1 και 2... 118 Πίνακας 4. 6. Υπολογισμοί αγωγού 3... 118 Πίνακας 4. 7. Υπολογισμός συντεταγμένων (Ζ, Ρ)... 119 Πίνακας 4. 8. Συντεταγμένες αθροιστικής χαρακτηριστικής καμπύλης των αγωγών 2 & 3... 119 Πίνακας 4. 9. Πιεζομετρική γραμμή κλάδου αγωγών 1-2... 121 xix
σελ. Πίνακας 4. 10. Πιεζομετρική γραμμή κλάδου αγωγών 1-3... 122 Πίνακας 4. 11. Εύρος αποδεκτών παροχών ανά διάμετρο εμπορίου... 123 Πίνακας 4. 12. Διάμετροι ανά αγωγό... 123 Πίνακας 4. 13. Υπολογισμοί αγωγού 1... 124 Πίνακας 4. 14. Υπολογισμοί αγωγού 2... 124 Πίνακας 4. 15. Υπολογισμοί αγωγού 3... 125 Πίνακας 4. 16. Υπολογισμός συντεταγμένων (Ζ, Ρ)... 125 Πίνακας 4. 17. Συντεταγμένες αθροιστικής χαρακτηριστικής καμπύλης των αγωγών 2 και 3... 127 Πίνακας 5. 1. Συντελεστές ισοδύναμης τραχύτητας Κ και Bazin γ (Lamaddalena and Sagardoy, 2000)...133 Πίνακας 5. 2. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης... 161 Πίνακας 6. 1. Τοπικές απώλειες φορτίου στις υδροληψίες (Σπυρίδης και Κουτάλου, 2005).....167 Πίνακας 6. 2. Διαστάσεις και τιμές αγωγών ανά τρέχον μήκος αγωγού (Σπυρίδης και Κουτάλου, 2005)... 170 Πίνακας 6. 3. Ημερήσια κατανάλωση αρδευτικού νερού πρώην λίμνης Γιαννιτσών (Σπυρίδης και Κουτάλου, 2005, Μαυρόπουλος, 1992)... 173 Πίνακας 6. 4. Υπολογισμός εισροής-κατανάλωσης αρδευτικού νερού δικτύου Βασιλικών... 175 Πίνακας 6. 5. Συντελεστής γ του Bazin ανά διάμετρο και ταχύτητα... 180 Πίνακας 6. 6. Στοιχεία διαμέτρων αγωγών στο αρχείο εισόδου... 181 Πίνακας 6. 7. Στοιχεία του δικτύου στο αρχείο εισόδου... 183 xx
σελ. Πίνακας 6. 8. Παράμετροι βελτιστοποίησης στο αρχείο εισόδου... 185 Πίνακας 6. 9. Σύγκριση απωλειών φορτίου ανάλογα με συντελεστές γ Bazin 187 Πίνακας 6. 10. Συντελεστής γ του Bazin ανά διάμετρο... 191 Πίνακας 6. 11. Υπερβάσεις ταχύτητας σε σχέση με τις ελληνικές προδιαγραφές... 193 Πίνακας 6. 12. Διόρθωση μηκών σωλήνων αγωγών με δυο διαμέτρους... 194 Πίνακας 6. 13. Διόρθωση τελικού κόστους... 195 Πίνακας 6. 14. Στοιχεία διαμέτρων αρδευτικού δικτύου Καβασίλων... 204 Πίνακας 6. 15. Παράμετροι βελτιστοποίησης στο αρχείο εισόδου του αρδευτικού δικτύου Καβασίλων... 204 Πίνακας 6. 16. Ανάλυση κόστους δικτύου Καβασίλων... 205 Πίνακας 7. 1. Χαρακτηριστικά αντιπληγματικών βαλβίδων Neyrpic (ΕΥΔΟΣ ΑΒΕΕ)..227 Πίνακας Π. 1. Αρχείο αποτελεσμάτων για συντελεστή Bazin γmin....244 Πίνακας Π. 2. Αρχείο αποτελεσμάτων για συντελεστή Bazin γμέσο... 247 Πίνακας Π. 3. Αρχείο αποτελεσμάτων για συντελεστή Bazin γmax... 250 Πίνακας Π. 4. Αρχείο αποτελεσμάτων για συντελεστή Bazin γμέσο σύμφωνα με τις απόλυτες τραχύτητες της μελέτης... 253 Πίνακας Π. 5. Αρχείο αποτελεσμάτων COPAM για 1ο τύπο Clément με F(x)=99%... 256 Πίνακας Π. 6. Αρχείο αποτελεσμάτων COPAM για 1ο τύπο Clément με F(x)=95%... 259 Πίνακας Π. 7. Τυχαίες κατανομές ανοικτών υδροστομίων του Προτύπου Διαφόρων Παροχών του COPAM (απόσπασμα).. 262 xxi
σελ. Πίνακας Π. 8. Αρχείο αποτελεσμάτων Προτύπου Διαφόρων Παροχών του COPAM... 263 Πίνακας Π. 9. Παροχές αγωγών κατά τη μελέτη Βασιλικών... 265 Πίνακας Π. 10. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης κατά τη μελέτη Βασιλικών.. 267 Πίνακας Π. 11. Στοιχεία του δικτύου Καβασίλων στο αρχείο εισόδου του COPAM... 269 Πίνακας Π. 12. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης του δικτύου Καβασίλων με το COPAM... 272 Πίνακας Π. 13. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης του δικτύου Καβασίλων με την απλοποιημένη συνεχή μη γραμμική μέθοδο... 276 Πίνακας Π. 14. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης του δικτύου Καβασίλων με τη μέθοδο γραμμικού προγραμματισμού... 279 Πίνακας Π. 15. Υπολογισμός ανηγμένων μηκών (ενδεικτικά)... 281 Πίνακας Π. 16. Αντιπληγματικός έλεγχος... 282 Πίνακας Π. 17. Αντιπληγματικός έλεγχος... 283 Πίνακας Π. 18. Αντιπληγματικός έλεγχος... 284 Πίνακας Π. 19. Αντιπληγματικός έλεγχος... 285 xxii
ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Βασικά στοιχεία της μελέτης των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων είναι η βελτιστοποίηση του κόστους των αγωγών και η αντιπληγματική προστασία αυτών. Για τη βέλτιστη επιλογή των διαμέτρων των αγωγών σε ένα αρδευτικό δίκτυο (συνδυασμός εξασφάλισης των απαιτούμενων παροχών και πιέσεων και ελαχιστοποίησης του κόστους), μια από τις πρώτες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως, ήταν η μέθοδος Labye (1966). Η μέθοδος αυτή είναι ασυνεχής, δηλαδή λαμβάνονται εξαρχής υπόψη μόνο οι διάμετροι εμπορίου. Οι βέλτιστοι διάμετροι του δικτύου προκύπτουν με τη χάραξη της χαρακτηριστικής καμπύλης σ ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων πιεζομετρικού φορτίου/κόστους των αγωγών σε συνδυασμό με την εξασφάλιση του διαθέσιμου φορτίου στην αρχή του δικτύου. Ο Lamaddalena (1997) ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο και πρακτικό αλγόριθμο, τον COPAM (Combined Optimization and Performance Analysis Model), ο οποίος δόθηκε στη δημοσιότητα από το FAO (Lamaddalena and Sagardoy, 2000) και χρησιμοποιεί την τροποποιημένη μέθοδο Labye. Με την τροποποιημένη μέθοδο, γίνεται μια αρχική επίλυση με δεδομένα για κάθε αγωγό του δικτύου τη μικρότερη διαθέσιμη διάμετρο εμπορίου και την παροχή σχεδιασμού που προκύπτει με εφαρμογή μιας από τις μεθόδους του Clément, που υπολογίζεται από το πρόγραμμα. Προκύπτει, έτσι, ένα πιεζομετρικό φορτίο xxiii
στην αρχή του δικτύου μεγαλύτερο από το διαθέσιμο. Κατόπιν με επαναληπτική διαδικασία αυξάνονται σταδιακά οι διάμετροι με συνέπεια τη μείωση του αρχικού φορτίου, μέχρι την εξασφάλιση του διαθέσιμου φορτίου στην αρχή του δικτύου, και παράλληλα την επίτευξη του ελάχιστου κόστους των αγωγών. Με το πρόγραμμα COPAM, στην παρούσα εργασία γίνεται βελτιστοποίηση σε συγκεκριμένες εφαρμογές (αρδευτικά δίκτυα) και προκύπτουν συμπεράσματα για τις δυνατότητες της μεθόδου, κατόπιν συγκριτικής αξιολόγησης των αποτελεσμάτων αυτής σε σχέση με άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης. Καταρχήν έγινε επίλυση του αρδευτικό δίκτυο υπό πίεση των Βασιλικών Θεσσαλονίκης με αρδευόμενη έκταση 1560 στρ., που φέρει 52 υδροστόμια. Το κόστος των αγωγών του δικτύου που προκύπτει από το COPAM είναι κατά 11% χαμηλότερο του κόστους που προέκυψε με τη συνεχή μέθοδο βελτιστοποίησης με μη γραμμικό προγραμματισμό που εφαρμόστηκε από το μελετητικό γραφείο ΥΕΤΟΣ (2005). Γίνεται, επίσης, επίλυση του αρδευτικού δικτύου Καβασίλων Θεσσαλονίκης, που φέρει 83 υδροστόμια και το κόστος των αγωγών που προκύπτει από το COPAM είναι κατά 6.2% χαμηλότερο του κόστους, που προέκυψε με την απλοποιημένη συνεχή μη γραμμική μέθοδο βελτιστοποίησης του Θεοχάρη (2004) και τη μέθοδο γραμμικού προγραμματισμού, οι οποίες εφαρμόστηκαν από το Χονδρογιάννη (2005). Διαπιστώθηκε ότι η μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα ροής που λαμβάνει υπόψη του το πρόγραμμα COPAM (2.5 m/s), και η οποία είναι μεγαλύτερη από τις επιτρεπόμενες ταχύτητες της Εγκυκλίου 22200/1977 του άλλοτε Υπουργείου Δημοσίων Έργων που εφαρμόστηκε στις άλλες μεθόδους, επιτρέπει τη χρήση μικρότερων διαμέτρων με συνέπεια τη μείωση του συνολικού κόστους των αρδευτικών δικτύων που υπολογίστηκαν με βάση το COPAM. xxiv
Η μεγαλύτερη διαφορά κόστους, που προέκυψε για το δίκτυο Βασιλικών σε σύγκριση με τη διαφορά κόστους στο δίκτυο Καβασίλων, οφείλεται σε μικρή διαφοροποίηση των παροχών σχεδιασμού στο δίκτυο Βασιλικών, οι οποίες υπολογίστηκαν από το μελετητικό γραφείο ΥΕΤΟΣ (2005) κατόπιν εφαρμογής της μεθόδου εκ περιτροπής διανομής του νερού αντί της μεθόδου Clément. Σημειώνεται ότι ένα βασικό στοιχείο της μελέτης των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων είναι η λήψη μέτρων προστασίας έναντι του φαινομένου του υδραυλικού πλήγματος (water hammer) ή πλήγματος κριού που μπορεί να προκληθεί από απότομη μεταβολή της παροχής λόγω χειρισμού των δικλείδων ροής και υδροληψιών, απότομη διακοπή της λειτουργίας του αντλιοστασίου κ.λπ. Το φαινόμενο συνίσταται στη δημιουργία κυμάτων υπερπίεσης και υποπίεσης στον αγωγό, λόγω της αδράνειας της μάζας του νερού που κινείται. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μπορούν να είναι θραύση αγωγών, χαλάρωση συνδέσμων, καταστροφή οργάνων κ.λπ. Για τη μελέτη του πλήγματος κριού, εφαρμόζεται μια απλουστευμένη διαδικασία υπολογισμού των υπερπιέσεων που βασίζεται στην Εγκύκλιο 22200/1977 του άλλοτε Υπουργείου Δημοσίων Έργων, σύμφωνα με την οποία η μέγιστη υπερπίεση προκύπτει από τις εξισώσεις του Joukowsky (1900) ή του Michaud (1878), κατόπιν σύγκρισης του χρόνου χειρισμού της δικλείδας με το χρόνο που αντιστοιχεί στη φάση του κύματος υπερπίεσης. Για το σκοπό αυτό λαμβάνονται υπόψη παραδοχές υπολογισμού όσον αφορά στα σημεία εκτόνωσης του κύματος, στην αναγωγή του μήκους του αγωγού σε μήκος μιας διαμέτρου και στο χρόνο χειρισμού των δικλείδων. Με βάση τις υπερπιέσεις, δίνονται οι βασικές αρχές λήψης των απαραίτητων μέτρων προστασίας του δικτύου, δηλαδή η τοποθέτηση αντιπληγματικών συσκευών και η επιλογή των κατάλληλων θέσεων και των υδραυλικών χαρακτηριστικών τους. Ο υπολογισμός των υπερπιέσεων και η αντιπληγματική προστασία με τη διαδικασία αυτή εφαρμόζεται στο αρδευτικό δίκτυο Βασιλικών Θεσσαλονίκης. xxv
xxvi
EXTENDED SUMMARY Two basic elements in the study of pressurized irrigation networks are the optimization of pipe cost and the protection of pipes against the water hammer phenomenon. For the optimal selection of pipe diameters in an irrigation network (in order to secure both the required flow and pressure levels and minimization of cost) one of the first methods to be widely used was the Labye method (1966). This method is discontinuous, that is to say, only commercial diameters are initially taken into account. The optimal diameters for the network are found by tracing the characteristic curve in a piezometric head/pipe cost cartesian coordinate system and obtaining the piezometric head at the beginning of the network. Lamaddalena (1997) developed an integrated and practical computer program called COPAM (Combined Optimization and Performance Analysis Model) which was published by the FAO (Lamaddalena and Sagardoy, 2000) and uses a modified version of the Labye method. With the modified method an initial solution of the problem is obtained by providing data for each pipe in the network consisting of the minimum available commercial diameter and the flow, which is obtained by applying one of the Clément methods and is calculated by the program. A maximum piezometric head is thus obtained at xxvii
the beginning of the network. Next, by repeating the process, the diameters are gradually increased until the head existing at the beginning of the network is obtained. The COPAM program is used in the present study to optimize certain applications (irrigation networks). Its use also provides certain conclusions about the method s capabilities following a comparative assessment between the results of this particular method and those of other optimization methods. First of all, an optimization solution was provided for a pressurized irrigation network at Vasilika near Thessaloniki which has an irrigated area of 156 hectares comprising 52 hydrants. The pipe cost for the network yielded by the COPAM program is 11% lower than the cost yielded by the continuous optimization method using nonlinear programming that was applied by the YETOS design office (2005). An optimization solution was also provided for an irrigation network at Kavasila near Thessaloniki with 83 hydrants. In this case the pipe cost yielded by the COPAM program is 6.2% lower than the cost yielded by the simplified continuous nonlinear optimization method devised by Theocharis (2004) and the linear programming method applied by Hondroyannis (2005). It was concluded that the lower pipe cost yielded by the COPAM program is due to the maximum flow velocity (2.5 m/s) that the program takes into account, same for all diameters, which is greater than the velocities specified by instructions contained in former Ministry of Public Works Circular 22200/1977, resulting in the use of smaller diameters. The greatest cost difference that arose in the Vasilika network in comparison with the cost difference in the Kavasila network, stems from the small differentiation in the flows which the designer of Vasilika obtained through the method of water distribution by rotation instead of through the Clément method. xxviii
Noted that a basic element in the study of pressurized irrigation networks is the taking of protective measures against the water hammer phenomenon, which can be caused by sudden change in the flow as a result of valve and hydrant operation, sudden shutdown of the pumping station etc. The phenomenon consists in the creation of waves of excess and negative pressure in the pipeline due to the inertia in the mass of moving water. The results may be breakage of pipes, loosening of joints or destruction of instruments etc. For the study of the water hammer phenomenon, a simplified procedure is used for calculating the excess pressures, based on former Ministry of Public Works Circular 22200/1977. According to this, the maximum excess pressure is provided by the Joukowsky (1900) or Michaud (1878) equations, after comparing the valve control time with the time corresponding to the excess pressure wave-phase. For this purpose calculation assumptions are taken into account with regard to the wave relief points, conversion of pipe lengths to single-diameter lengths, and valve control time. On the basis of the excess pressures, basic principles are provided for selecting essential system protection measures, i.e. the installation of anti-water hammer devices and the selection of suitable positions and their hydraulic characteristics. The calculation of excess pressures and anti-water hammer protection by means of this procedure is applied in this study to the irrigation network at Vasilika near Thessaloniki. xxix
xxx
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Γενικά Άρδευση είναι η τεχνητή εφαρμογή νερού στο έδαφος, δηλαδή η μεταφορά και διανομή του απαραίτητου νερού για την προγραμματισμένη από τον άνθρωπο ανάπτυξη και καλλιέργεια των φυτών. Η άρδευση χρησιμοποιείται, επίσης, και για τη συντήρηση των τοπίων και την αποκατάσταση της φυτοκάλυψης σε εδάφη ξηρών περιοχών σε περιόδους ανεπαρκών βροχοπτώσεων. Οι αρδεύσεις των εδαφών αποτελούν την αρχαιότερη, αλλά και συνηθέστερη μέχρι σήμερα μορφή εγγειοβελτιωτικών έργων. Σε παγκόσμια κλίμακα, ποσοστό περίπου 70-80% των απολήψεων νερού χρησιμοποιείται για άρδευση στη γεωργία. Το ποσοστό αυτό στην περίπτωση της Ελλάδας ανέρχεται σε 85-87%. 1.2. Μέθοδοι άρδευσης και αξιολόγηση της απόδοσής τους Οι μέθοδοι άρδευσης που εφαρμόστηκαν, κατά σειρά χρονολογικής εμφάνισής τους στην Ιστορία, είναι (Λατινόπουλος και Κρεστενίτης, 1994 Χονδρογιάννης, 2005 Κατσίμπα, 2009): Η επιφανειακή άρδευση Η υπόγεια άρδευση 1
Η άρδευση με καταιονισμό ή τεχνητή βροχή Η άρδευση με σταγόνες 1.2.1. Επιφανειακή άρδευση Η επιφανειακή άρδευση εφαρμόζεται στην επιφάνεια του εδάφους και συνήθως πραγματοποιείται με ένα σύστημα ανοιχτών αγωγών. Πρόκειται για φυσικές ή τεχνητές διώρυγες που χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα, τόσο για τη μεταφορά του νερού σε όλη την έκταση της αρδευτικής μονάδας, όσο και για τη διήθησή του μέσα στο έδαφος. Οι τρόποι με τους οποίους εφαρμόζεται η επιφανειακή άρδευση είναι: Η άρδευση με κατάκλυση Η άρδευση με διάχυση Η άρδευση με διήθηση 1.2.1.1. Άρδευση με κατάκλυση Με το σύστημα αυτό τα αρδευόμενα τμήματα, συνήθως μεγάλης σχετικά έκτασης και ορθογώνιου σχήματος, χωρίζονται μεταξύ τους με μικρά περιμετρικά αναχώματα. Το νερό εισάγεται στα αρδευόμενα τμήματα διαδοχικά, φθάνοντας σε ύψος περίπου 15 cm στο καθένα και παραμένει εκεί μέχρι να διηθηθεί τελείως στο έδαφος. Η μέθοδος αυτή, που ενδείκνυται για εδάφη μέσης ή μικρής διηθητικότητας και αποτελεί τη συνηθέστερη ιστορικά μέθοδο άρδευσης, παραμένει σχεδόν αμετάβλητη για χιλιάδες χρόνια. Πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η καλή εφαρμογή σε επίπεδα εδάφη, η καταλληλότητα για ορυζώνες και οπωροφόρα, η μεταφορά ιλύος σε αμμώδη εδάφη. Μειονεκτήματα αποτελούν η μείωση του πορώδους και της διηθητικότητας του εδάφους λόγω εναπόθεσης ιλύος, η δυσχέρεια στράγγισης συνεκτικών εδαφών, ο κακός αερισμός του εδάφους και η ανάπτυξη μικροοργανισμών και 2
κουνουπιών, η απαίτηση μεγάλης ποσότητας νερού και εργατικών χεριών, το πολύπλοκο σύστημα διανομής (Χονδρογιάννης, 2005 Τσιάκαλου, 2008 Κατσίμπα, 2009). Εικόνα 1.1. Άρδευση με κατάκλυση (Photo by Jeff Vanuga, USDA Natural Resources Conservation Service Source: http://photogallery.nrcs.usda.gov/index.asp) 1.2.1.2. Άρδευση με διάχυση Με το σύστημα αυτό τα αρδευτικά αυλάκια γεμίζονται με νερό, το οποίο υπερχειλίζει και κυλά επί του κεκλιμένου αρδευομένου εδάφους. Το νερό που πλεονάζει στην κατωφέρεια, συλλέγεται σε αυλάκια και είτε αποχετεύεται, είτε αρδεύει με υπερχείλιση τις κατώτερες αρδευόμενες εκτάσεις. Το σύστημα αυτό λέγεται και άρδευση με λωρίδες, γιατί για τον έλεγχο της ροής του νερού στην κατωφέρεια, η ροή γίνεται σε κεκλιμένες λωρίδες που ορίζονται στα άκρα τους με αναχώματα κατά τη φορά της μέγιστης κλίσης του εδάφους. Η μέθοδος αυτή απαιτεί δεξιοτεχνία στην εφαρμογή της για να υπάρχει επιτυχία. Εφαρμόζεται 3
για άρδευση πυκνά αναπτυσσόμενων καλλιεργειών (λειμώνες, τριφύλλι, μηδική). Πλεονέκτημα της μεθόδου αποτελεί η δυνατότητα άρδευσης σε επικλινή εδάφη. Μειονεκτήματα αποτελούν η δυσκολία επιτυχούς εφαρμογής της μεθόδου και η ανάγκη μεγάλων ποσοτήτων νερού (Χονδρογιάννης, 2005 Τσιάκαλου, 2008 Κατσίμπα, 2009). 1.2.1.3. Άρδευση με διήθηση Εφαρμόζεται σε οριζόντια σχεδόν εδάφη και αρκετά διαπερατά με τη χρήση αυλακιών και ελέγχου της ροής με φράκτες και δικλείδες. Το νερό περνώντας διαμέσου των αυλακιών διηθείται προς τις παρακείμενες ζώνες όπου βρίσκονται οι καλλιέργειες. Το σύστημα αυτό έχει τα μειονεκτήματα της ανομοιόμορφης ποσότητας νερού, γιατί το πλησιέστερο προς τα αυλάκια έδαφος εμποτίζεται με περισσότερο νερό, και της απώλειας ποσότητας του νερού προς το υπέδαφος λόγω διήθησης. Επίσης, απαιτεί μεγάλες ποσότητες νερού και εργατικά χέρια, ενώ οι ρυθμοί άρδευσης είναι αργοί. Τέλος, μειονέκτημα αποτελεί η δυσκολία διέλευσης μηχανημάτων λόγω της πυκνότητας των αυλακιών. Πλεονέκτημα αποτελεί ο καθαρισμός του νερού λόγω της διήθησης πριν φθάσει στο φυτό, σε περίπτωση μη καθαρών υδάτων και καλλιέργειας βρώσιμων φυτών. Εφαρμόζεται και σε έντονα κεκλιμένα εδάφη, όπου δεν είναι δυνατή η κατάκλυση, με την κατασκευή αυλακιών που ακολουθούν τις ισοϋψείς του εδάφους. Επίσης, είναι κατάλληλο για πυκνές γραμμικές καλλιέργειες (Χονδρογιάννης, 2005 Τσιάκαλου, 2008 Κατσίμπα, 2009). 1.2.2. Υπόγεια άρδευση Με το σύστημα αυτό χρησιμοποιούνται υπόγειοι αγωγοί (όπως αγωγοί που ήδη υπάρχουν λόγω αποστραγγιστικού δικτύου, μετά από κατάλληλη 4
τροποποίηση), για έλεγχο της υπόγειας στάθμης του νερού με παροχέτευση συμπληρωματικής ποσότητας, με τη χρήση δικλείδων και κατακόρυφων αγωγών, ώστε, μέσω της οριζόντιας διήθησης του νερού, να είναι δυνατή η πρόσληψή του από τις ρίζες των φυτών. Χρησιμοποιείται, είτε όταν η υπόγεια στάθμη του νερού δεν έχει κατέλθει αρκετά, είτε όταν σε μικρό βάθος υπάρχει αδιαπέραστο στρώμα του εδάφους που εμποδίζει την απώλεια του νερού σε βαθύτερα στρώματα. Πάντως, η μέθοδος αυτή προκαλεί μεγάλη σπατάλη νερού και είναι ασύμφορη (Χονδρογιάννης, 2005 Κατσίμπα, 2009). 1.2.3. Άρδευση με καταιονισμό Η λέξη καταιονισμός ορίζεται ως «κατάβρεγμα με συσκευή που εκτοξεύει το νερό από ψηλά, σαν βροχή» (Λ.Κ.Ν., 1998). Με το σύστημα αυτό το νερό παροχετεύεται προς τον αγρό με αγωγούς υπό πίεση, επιφανειακούς ή υπόγειους και από εκεί παροχετεύεται στην αρδευόμενη έκταση με ένα βασικό αγωγό, επιφανειακό (κινητό) ή υπόγειο (μόνιμο) και την κύρια γραμμή άρδευσης, που διαθέτει υδροστόμια ανά ίσα διαστήματα. Εικόνα 1.2. Άρδευση με καταιονισμό ( Photo courtesy USDA from: http://home.howstuffworks.com/irrigation2.htm) 5
Στα υδροστόμια αυτά προσαρμόζεται διαδοχικά ένας ή περισσότεροι αγωγοί, οι γραμμές άρδευσης, οι οποίες διαθέτουν εκτοξευτήρες ανά ίσα διαστήματα. Η άρδευση με καταιονισμό είναι σήμερα η πιο διαδεδομένη μέθοδος. Χαρακτηριστικό στοιχείο της μεθόδου είναι ότι με αυτή είναι δυνατή η άρδευση μεγάλων εκτάσεων που η τροφοδοσία τους με νερό γίνεται μέσα από ένα κοινό σύστημα αγωγών μεταφοράς και διανομής. Γι αυτό το λόγο εφαρμόζεται στα συλλογικά αρδευτικά δίκτυα που άρχισαν να διαδίδονται με μεγάλη επιτυχία από το έτος 1960. Παρόλα αυτά, η μέθοδος είναι το ίδιο δημοφιλής και στις περιπτώσεις ατομικών αρδευτικών δικτύων με καταιονισμό, που χρησιμοποιούνται σε αυτοτελείς αρδευτικές μονάδες με ιδιαίτερη ανεξάρτητη εγκατάσταση τροφοδοσίας νερού. Επειδή η απαιτούμενη πίεση για τη λειτουργία ενός συστήματος τεχνητής βροχής είναι μεγάλη, απαιτείται η κατασκευή δεξαμενής σε κατάλληλη υψομετρική θέση ή αντλητικό συγκρότημα. Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής αποτελούνται συνήθως από κλειστούς σωληνωτούς αγωγούς, στους οποίους η ροή είναι υπό πίεση. Σε ορισμένες πάντως περιπτώσεις, είναι δυνατό να μεταφέρεται το νερό με σύστημα ανοικτών αγωγών (διωρύγων) από την υδροληψία μέχρι το δίκτυο διανομής και στη συνέχεια να χρησιμοποιείται αντλητικό συγκρότημα για τη λειτουργία των εκτοξευτήρων. Πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η ποιότητα εφαρμογής και η ομοιομορφία χορήγησης του νερού στην καλλιεργούμενη έκταση, η δυνατότητα άρδευσης ανώμαλων και μεγάλης διηθητικότητας εδαφών, η αξιοποίηση πηγών με μικρές παροχές, η οικονομία νερού και εργατικών χεριών (κλειστοί αγωγοί με ελάχιστες απώλειες μεταφοράς και έλεγχος αρδευτικών δόσεων με όργανα), η μη καταστροφή της δομής του εδάφους. Η τοποθέτηση των σωληνωτών αγωγών υπόγεια έχει ως συνέπεια σημαντική οικονομία σε σχέση με τις επιφανειακές αρδεύσεις, όπου κατά μέσο όρο ένα ποσοστό 10-15% της καλλιεργήσιμης γης χάνεται, γιατί καταλαμβάνεται από διώρυγες, αυλάκια και τάφρους. 6
Μειονεκτήματα αποτελούν οι αυξημένες δαπάνες εγκατάστασης και λειτουργίας, η απαίτηση συνεχούς ροής του νερού, η δυσχέρεια εφαρμογής σε περίπτωση ανέμου, ενώ για ορισμένες καλλιέργειες μπορούν να αναπτυχθούν ασθένειες λόγω διαβροχής των φυλλωμάτων τους (Τζιμόπουλος, 1982). Ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται το πότισμα με καταιονισμό πρέπει να είναι ίδιος με το ρυθμό που το έδαφος απορροφά το νερό, ώστε να μην έχουμε επιφανειακή απορροή. Για το σκοπό αυτό η επιλογή των εκτοξευτήρων και της διάταξης αυτών πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε η ένταση του καταιονισμού να είναι ίση με τη βασική διηθητικότητα του εδάφους και το μέσο ωριαίο ύψος καταιονισμού να είναι ανάλογο με το ύψος το οποίο αντιστοιχεί στον τύπο εδάφους του αγρού. Ο χρόνος εφαρμογής του νερού της άρδευσης πρέπει να είναι τέτοιος, ώστε να αποφεύγεται η διήθηση του νερού σε βαθύτερα στρώματα. Συνιστάται, επίσης, να αποφεύγεται η άρδευση με καταιονισμό κατά τις μεσημεριανές ώρες (11 π.μ.- 3 μ.μ.), όταν οι καιρικές συνθήκες είναι ακατάλληλες (άνεμοι ισχυρότεροι των 5 βαθμών της κλίμακας Beaufort), και όταν η ποιότητα του αρδευτικού νερού δεν είναι καλή, καθώς τα άλατα από την άρδευση μένουν πάνω στα φύλλα και τους βλαστούς του φυτού (Κ.Ο.Γ.Π., 2004). 1.2.4. Άρδευση με σταγόνες Η άρδευση με σταγόνες ή στάγδην άρδευση αποτελεί την πλέον σύγχρονη μέθοδο άρδευσης. Η αρχή της στηρίζεται στη συνεχή ή με προκαθορισμένο ρυθμό παροχή φιλτραρισμένου νερού κατευθείαν στη ζώνη του ριζοστρώματος των φυτών. Συγκεκριμένα, χορηγείται μια μικρή παροχή που διανέμεται με ένα σύστημα πλαστικών σωλήνων μικρής διαμέτρου, στους οποίους η ροή πραγματοποιείται υπό πίεση. Η τελική χορήγηση του νερού στο ριζόστρωμα γίνεται με τη βοήθεια ειδικών συσκευών, των σταλακτήρων, που είναι κατασκευασμένοι έτσι ώστε η έξοδος του νερού από αυτούς να γίνεται με πολύ μικρή πίεση, λίγο μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική. Στόχος της μεθόδου είναι 7
η οικονομία στο αρδευτικό νερό, το οποίο χορηγείται ακριβώς και μόνο στη θέση που χρειάζεται, δηλαδή στο ριζόστρωμα. Έτσι αποφεύγονται σε μεγάλο βαθμό οι απώλειες από εξάτμιση, επιφανειακή απορροή και βαθιά διήθηση. Η μέθοδος χαρακτηρίζεται πολλές φορές και σαν τοπική άρδευση εξαιτίας του γεγονότος ότι, αντίθετα με τις άλλες μεθόδους, η διαβροχή του εδάφους γίνεται τοπικά, σε ένα μικρό δηλαδή τμήμα του, εκεί όπου υπάρχουν οι ρίζες των καλλιεργειών. Το σύστημα των αγωγών μεταφοράς και διανομής του νερού λειτουργεί με πίεση, παρά τη σχετικά μικρή απαιτούμενη πίεση λειτουργίας των σταλακτήρων (μέχρι 1.5 atm), για την κάλυψη των απωλειών λόγω τριβών στους σωλήνες και στα ειδικά όργανα και εξαρτήματα, καθώς και για τις πιθανές υψομετρικές διαφορές του εδάφους. Επομένως, όπως και στη μέθοδο άρδευσης με καταιονισμό, πρέπει να διατίθεται υπερυψωμένη δεξαμενή ή αντλητικό συγκρότημα. Πάντως, σε σύγκριση με τα συστήματα καταιονισμού, τα αντλητικά συγκροτήματα για άρδευση με σταγόνες είναι συνήθως μικρότερης ισχύος και παροχής. Εικόνα 1.3. Άρδευση με σταγόνες (http://thewrinkleddollar.com/garden/dripirrigation.html) 8
Η μέθοδος παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, όπως αξιοποίηση μικρών διαθέσιμων παροχών και χαμηλών πιέσεων, οικονομία στο νερό και στην ενέργεια λόγω ελάχιστων απωλειών, μείωση του κόστους των εργατικών ημερομισθίων λόγω της αυτόματης λειτουργίας ενός μόνιμα εγκαταστημένου στο έδαφος συστήματος. Ο ακριβής έλεγχος της ποσότητας και της κατανομής του νερού και των λιπασμάτων και οι ευνοϊκές συνθήκες άρδευσης που δημιουργούνται συμβάλλουν στην καλύτερη ποιότητα και πρωιμότητα προϊόντων, γιατί ο αργός και συνεχής ρυθμός χορήγησης του νερού διατηρεί την τιμή της εδαφικής υγρασίας κοντά στην τιμή της υδατοϊκανότητας (με συνέπεια καλύτερες συνθήκες πρόσληψης νερού από τις ρίζες των φυτών). Η αποφυγή διαβροχής των φυλλωμάτων των φυτών έχει ως συνέπεια την αποτροπή ανάπτυξης διαφόρων ασθενειών. Μειονεκτήματα της μεθόδου είναι το υψηλό κόστος της εγκατάστασης λόγω της μονιμότητας του συστήματος και των διάφορων αυτοματισμών και οργάνων, οι εμφράξεις των στομίων των σταλακτήρων και η απαίτηση καθαρού νερού, η δυσκολία εξοικείωσης με το χειρισμό του συστήματος και η απαίτηση συνεχούς ελέγχου και συντήρησης του δικτύου. Επίσης, σε μερικές περιπτώσεις απαιτούνται τροποποιήσεις στις πολυετείς καλλιέργειες, για την προσαρμογή του συστήματος. Αυτό έχει σοβαρό αντίκτυπο στη δομή του εδάφους όπου αυτό είναι ευαίσθητο (Χονδρογιάννης, 2005 Κατσίμπα, 2009). 1.3. Ιστορική ανασκόπηση των αρδεύσεων Με την είσοδο της ιστορίας του ανθρώπου στη νεολιθική εποχή, γύρω στο 6500 π.χ., και την εγκατάλειψη της νομαδικής ζωής απαιτήθηκε η καλλιέργεια της γης, η οποία και αποτέλεσε τη βάση της σύστασης των οργανωμένων κοινωνιών. Σε περιοχές που η φυσική βροχόπτωση δεν ήταν αρκετή για την ανάπτυξη και καλλιέργεια των φυτών απαιτούταν η τεχνητή εφαρμογή απόδοσης του απαραίτητου νερού στο έδαφος. Για το σκοπό αυτό υπήρξε η ανάγκη ανάπτυξης αρδευτικών έργων και δικτύων και αποδοτικότερης 9
λειτουργίας τους, τα οποία συνίστανται στον έλεγχο της φυσικής ροής του νερού και των πλημμυρικών συμβάντων, στην αποθήκευση, στη μεταφορά, στη διανομή και στον προγραμματισμό της χρήσης του νερού. Σε τέσσερις μεγάλες κοιλάδες αναπτύχθηκε η άρδευση: Του Νείλου στην Αίγυπτο (6000 π.χ.), του Τίγρη και του Ευφράτη στη Μεσοποταμία (5500 π.χ.), του Κίτρινου Ποταμού στην Κίνα (3000 π.χ.) και του Ινδού (2500 π.χ.). Σε αυτές τις περιπτώσεις η άρδευση γινόταν με πλημμύρισμα των γεωργικών εκτάσεων με τη βοήθεια χωμάτινων φραγμάτων. Στις περιοχές αυτές υπήρξαν οι χώρες που άκμασαν μεγάλοι πολιτισμοί κατά την αρχαιότητα. Η αναγκαιότητα κατασκευής μεγάλων τεχνικών έργων άρδευσης με άρτιες τεχνικές προϋποθέσεις και επομένως, η αξιοποίηση και κατάρτιση του τότε επιστημονικού δυναμικού και η ευημερία του λαού, που συνόδευσε την ευφορία της γης, συντέλεσαν αποφασιστικά στη δημιουργία αυτών των μεγάλων πολιτισμών. Η ιστορία των αρδεύσεων παρακολούθησε από κοντά την άνοδο και την πτώση των πολιτισμών, ειδικά όταν αυτοί εξαρτιόντουσαν από την ανάπτυξη των υδατικών πόρων. Από τους Αιγυπτίους, τους Ασσύριους και τους Βαβυλώνιους, η άρδευση των καλλιεργειών διαδόθηκε στους Έλληνες, τους Ρωμαίους και τους Άραβες. Οι Ισπανοί διδάxθηκαν την τεxνική των αρδεύσεων από τους Άραβες και την διέδωσαν στην υπόλοιπη Ευρώπη και στην Αμερική (Chanson, 2004). 1.3.1. Η ανάπτυξη των αρδεύσεων παγκοσμίως Στην αρχαία Αίγυπτο η πλημμυρική ζώνη του Νείλου καταλάμβανε μια τεράστια περιοχή με αποτέλεσμα να λαμβάνει χώρα φυσική κατάκλυση των εδαφών και φυσική αποστράγγιση. Η ανάγκη ελέγχου των πλημμυρών και διοχέτευσης της απαιτούμενης ποσότητας νερού στις καλλιέργειες οδήγησε ήδη από το 3200 π.χ. στην κατασκευή φραγμάτων και αρδευτικών τάφρων. Κατασκευάστηκαν χωμάτινα φράγματα, ορισμένα μάλιστα με επένδυση λιθοδομής, εγκάρσια στη ροή του Νείλου, αναχώματα κατά μήκος των όχθεων 10
του ποταμού για την ελεγχόμενη διοχέτευση του νερού σε διώρυγες εκτροπής και διαμορφώθηκαν λεκάνες κατάκλυσης εμβαδού 400-1700 εκταρίων. Η πλημμύρα ρυθμιζόταν από τις ευρύτερες τοπικές αρχές με τρόπο ώστε η στάθμη του νερού στον ποταμό να φθάνει σε αρκετό ύψος και όταν πλησίαζε την ανώτερη στάθμη των αναχωμάτων, τότε άνοιγαν τα φράγματα και το νερό διοχετευόταν στα κανάλια και στις υπολεκάνες κατακλύζοντας τις καλλιέργειες. Όταν η ανώτατη στάθμη νερού είχε επιτευχθεί, ένα ή δυο μέτρα πάνω από το έδαφος, το νερό αφηνόταν σε ηρεμία μέχρι να εξατμιστεί ή να αποστραγγιστεί κατά τη διάρκεια των επόμενων δύο μηνών. Το σύστημα αυτό απαιτούσε ετήσια συντήρηση με απομάκρυνση της ιλύος, εμβάθυνση των καναλιών και επιδιόρθωση των αναχωμάτων. Επειδή το ύψος της στάθμης του Νείλου ήταν καθοριστικό για τον προγραμματισμό των ενεργειών διανομής του νερού, είχε αναπτυχθεί σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης των κατάντη περιοχών για το ύψος της επερχόμενης πλημμύρας από τα ανάντη του ποταμού, το οποίο αποκαλείται Nilometers. Για τη διοχέτευση του νερού στις καλλιέργειες από το 16 ο αι. π.χ. έγινε χρήση του shadoof ή κηλώνιου, είδος μοχλού με κουβά και αντίβαρο. Η μέθοδος αυτή είναι σε χρήση μέχρι σήμερα στις περιοχές αυτές με τη χρήση κινητήρων αερίου ή ντίζελ (Chanson, 2004). Πριν από το 2900 π.χ. η λεκάνη απορροής της λίμνης Μοίρις του Φαγιούμ χρησιμοποιήθηκε για την αποθήκευση του νερού των πλημμυρών του Νείλου. Ένα σύστημα φραγμάτων, διωρύγων και εκτροπών απλωνόταν σε μια απόσταση 15 χιλιομέτρων από τον ποταμό προς τη λίμνη με κανάλια βάθους κατά μέσο όρο 6 μέτρων. Την περίοδο των πλημμυρών το νερό διοχετευόταν από το Νείλο στη λίμνη, ενώ κατά την περίοδο της ανομβρίας ακολουθούσε την αντίθετη κατεύθυνση για την άρδευση των καλλιεργειών που βρίσκονταν μακρύτερα από το Νείλο και της περιοχής γύρω από τη λίμνη. Η αρδευόμενη περιοχή είχε έκταση 1700 km 2 και το χαμηλότερο σημείο της κατάθλιψης ήταν 45 m κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας (Chanson, 2004). 11
Στη Μέση Ανατολή, από το 4000 π.χ. κατασκευάζονταν φράγματα αποθήκευσης νερού για αρδευτικούς σκοπούς. Εκεί εμφανίστηκε αργότερα (200 π.χ.) ο υδροτροχός ή Noria, το κοινό έως τα νεότερα χρόνια μάγγανο, το οποίο περιλάμβανε κατακόρυφο τροχό με κουβάδες για τη ανύψωση του νερού, που κινούνταν με τη δύναμη ζώων ή την ενέργεια του ανέμου ή με τη δύναμη της ροής του νερού. Στη Μέση Ανατολή εμφανίστηκε και επεκτάθηκε μέχρι την Ισπανία η Αραβική Γεωργική Επανάσταση ή Πράσινη Επανάσταση, που αποτέλεσε μια θεμελιώδη μεταμόρφωση στη γεωργία από τον 8ο αιώνα έως τον 13ο αιώνα μ.χ. Αναπτύχθηκαν προηγμένα αρδευτικά συστήματα βασισμένα στη γνώση των υδραυλικών και υδροστατικών αρχών, που εν πολλοίς ήταν εξέλιξη γνώσεων από τους ρωμαϊκούς χρόνους, με τη χρήση υδροτροχών, νερόμυλων και ανεμόμυλων και άλλων μηχανών ανύψωσης του νερού, φράγματα και ταμιευτήρες. Με τα συστήματα αυτά επιτεύχθηκε η επέκταση των αρδευόμενων εκτάσεων. Το σημαντικότερο στοιχείο, όμως, ήταν η θεωρητική τεκμηρίωση και η συστηματοποίηση της τεχνολογίας διαχείρισης των υδατικών πόρων που αναπτύχθηκε και αποτέλεσε προϋπόθεση για την ανάδειξη της σύγχρονης τεχνολογίας. Στη Μεσοποταμία, η αρχαιότερη μαρτυρία αρδευτικών έργων είναι ένα σύστημα τάφρων που χρονολογείται πριν από το 5500 π.χ. Το αρδευτικό σύστημα που αναπτύχθηκε στις περιοχές αυτές, όπως άλλωστε και του αιγυπτιακού Δέλτα, ήταν του τύπου της δημιουργίας λεκάνης κατάκλυσης με το σκάψιμο ανοιγμάτων στα αναχώματα για την είσοδο του νερού της πλημμύρας και κατόπιν το κλείσιμό τους. Η στάθμη του Ευφράτη ήταν υψηλότερη από αυτή του Τίγρη. Οι μηχανικοί αξιοποίησαν αυτήν τη διαφορά στάθμης χρησιμοποιώντας το νερό του Ευφράτη για ανεφοδιασμό και το κανάλι του Τίγρη για αγωγό. Το πολύπλοκο σύστημα των δεξαμενών, τάφρων, αναχωμάτων, φρακτών και φραγμάτων απαιτούσε προγραμματισμό, σωστή διαχείριση, σημαντικές τεχνικές δεξιότητες και χειρονακτική εργασία, τόσο για 12
τη δημιουργία του, όσο και για τη συντήρησή του, για τον πρόσθετο λόγο της ταχείας ανόδου της στάθμης των ποταμών και του μεγάλου ποσοστού ιλύος που παροχετεύονταν από τα ποτάμια αυτά ανά μονάδα όγκου. Πριν από το 1700 π.χ. στη Βαβυλώνα εγκαταστάθηκαν ανεμόμυλοι για την άντληση των υδάτων άρδευσης. Από το 700 π.χ. εμφανίστηκε η αντλία αλυσίδας, ένα σύστημα άντλησης νερού προς άρδευση μέσω αγωγού στον οποίο κινούνταν κυκλικοί δίσκοι ή κάδοι συνδεδεμένοι με αλυσίδα. Οι πεδιάδες της Μεσοποταμίας ήταν πολύ επίπεδες και κακώς αποστραγγιζόμενες. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα η περιοχή να παρουσιάσει έντονα προβλήματα με το άγονο χώμα, την ξηρασία, την καταστροφική πλημμύρα, το φράξιμο των εδαφικών πόρων και την αλατότητα του εδάφους. Κατά τη διάρκεια των αιώνων, η γεωργία στη Μεσοποταμία άρχισε να παρακμάζει λόγω της συσσώρευσης του αλατιού στα αλλουβιακά εδάφη. Το 1258 μ.χ. οι Μογγόλοι κατέλαβαν τη Μεσοποταμία και τα συστήματα άρδευσης καταστράφηκαν. Στην Περσία είχε αναπτυχθεί το σύστημα άρδευσης qanat ή kariz από το 1000 π.χ., που είναι ακόμη και σήμερα σε χρήση σε κάποιες περιοχές. Τα qanats αποτελούνταν από μια σειρά από κατακόρυφες σήραγγες-πηγάδια βάθους 20 m ή παραπάνω, που συνδέονταν με μια σήραγγα ήπιας κλίσης. Ο πρώτος κατακόρυφος άξονας έφτανε σε βάθος μέχρι ένα υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα κατάλληλης υψομετρικής στάθμης, ώστε από εκεί η οριζόντια σήραγγα να οδηγεί το νερό μέχρι την προς άρδευση έκταση, η οποία βρισκόταν σε απόσταση συνήθως έως 5 km, αλλά και μέχρι 70 km. Με το σύστημα αυτό ήταν δυνατή η μεταφορά του αρδευτικού νερού σε μεγάλες αποστάσεις, χωρίς απώλειες διήθησης και εξάτμισης. Στην περιοχή του Ινδού ποταμού, μεταξύ των ετών 4200-3700 π.χ. το κλίμα έγινε ξηρό και άρχισαν να κατασκευάζονται φράγματα για αποθήκευση του νερού και εκτροπή του σε καλλιεργούμενες περιοχές. Στα 3500 π.χ. άρχισε η αποστράγγιση κάποιων περιοχών που κρατούσαν νερά από τις πλημμύρες του Ινδού με συνέπεια τη δημιουργία καλλιεργήσιμου εδάφους. Κατά το 300 π.χ. 13
παρουσιάστηκαν επιστημονικές μέθοδοι ελέγχου των υδάτων από υδατοφράκτες. Η άρδευση βασιζόταν σε κανάλια σχεδόν παράλληλα με τα ποτάμια και σε φράγματα διευθέτησης του νερού, χωμάτινα αλλά και με επένδυση από πελεκημένες πέτρες (Panhwar, 2005). Τα αρδευτικά έργα της αρχαίας Σρι Λάνκα, χρονολογούνται από το 300 π.χ. και αναπτύσσονταν συνεχώς τα επόμενα χίλια χρόνια. Αυτά ήταν τα πιο περίπλοκα συστήματα άρδευσης του αρχαίου κόσμου. Εκτός από υπόγεια κανάλια, οι κάτοικοι της περιοχής ήταν οι πρώτοι που κατασκεύασαν άρτιες τεχνικά δεξαμενές αποθήκευσης νερού. Λόγω της ανωτερότητας της μηχανικής τους στον τομέα αυτό, αποκλήθηκαν «μάστερ της άρδευσης». Η Δεξαμενή Καλαμπαλάλα χτισμένη από γαιόφραγμα ύψους 24 m και μήκους περίπου 6 km είχε περίμετρο 60 km (Nagarajan, 2009). Στην Κίνα η τεχνική των αρδεύσεων άρχισε περί το 3000 π.χ. με την εκμετάλλευση των υδάτων του Κίτρινου Ποταμού. Εκεί εμφανίστηκαν οι αρχαιότεροι γνωστοί υδραυλικοί μηχανικοί (6 ος αιώνας π.χ.) που εργάστηκαν σε μεγάλα αρδευτικά έργα. Αξιοσημείωτο είναι το σύστημα άρδευσης Dujiangyan (256 π.χ.) στον ποταμό Μιν. Αντί φράγματος κατασκευάστηκε τεχνητό ανάχωμα, από πέτρες συγκρατημένες με μπαμπού και ξύλινους τρίποδες, για να ανακατευθύνει μέρος της ροής του ποταμού σε δίαυλο μέσω του βουνού Yulei, ώστε η περίσσεια νερού να αρδεύει την ξηρή πεδιάδα Chengdu. Μετά από 20χρονη προσπάθεια σκάφτηκε σε βραχώδες έδαφος κανάλι πλάτους 20 m διαμέσου του βουνού. Το σύστημα άρδευσης Dujiangyan είναι αξιοθαύμαστο, γιατί έχει το ευφυές χαρακτηριστικό ότι σε αντίθεση με τα σύγχρονα φράγματα, που δεσμεύουν το νερό, το σύστημα αυτό αφήνει το νερό να περάσει και μαζί με αυτό να διατηρηθεί το οικοσύστημα της περιοχής. Η αρδευτική τεχνική της Κίνας κορυφώθηκε με την κατασκευή της Μεγάλης Διώρυγας (700 μ.χ.) μήκους 1100 km, που εξυπηρετούσε την άρδευση και τη ναυσιπλοΐα (Green, 2003 Pletcher, 2011). 14