چکیده

هدف از این مقاله، استفاده از شبکه توزیع لوله (PDN) به جای شبکه توزیع کانال (CDN) برای افزایش کارایی مجموع پروژه در پروژه آبیاری و کاهش فشارهای ناشی از کمبود آب است. برای دستیابی به مزایای حداکثری PDN، برنامه ریزی، طراحی و اجرای آن باید با دقت انجام شود. این مقاله دستورالعملی را برای برنامه ریزی، طراحی و اجرای سیستم PDN جهت آبیاری ارائه می دهد. توصیه می شود که سیستم PDN می تواند مقرون به صرفه و قابل اجرا بر روی CDN متعارف باشد و این سیستم به قدری انعطاف پذیر است که می توان آن را به عنوان یک طرح جدید اجرا نموده و یا اینکه از آن برای تبدیل CDN موجود بهره برد.

۱٫  مقدمه

دولت هند قصد دارد تا پایان سال ۲۰۱۷، بهره وری مصرف آب را تا ۲۰ درصد افزایش دهد. همچنین طبق قانون تنظیم مقررات منابع آب ماهاراشترا (MWRRA) از سال ۲۰۱۹، استفاده از میکرو آبیاری(Micro-Irrigation) برای محصولات چند ساله اجباری خواهد بود. سازمان آب و آبیاری ماهاراشترا گزارش می دهد که، سطح زیر کشت(CCA)  کنونی ایالت مهاراشترا، تقریبا ۲۲۵ هکتار (Ha) است. با در نظر گرفتن در دسترس بودن آب های سطحی و آب های زیرزمینی، سطح کل آبیاری شده توسط آب های سطحی ۸۵ هکتار و آبهای زیرزمینی ۴۱ هکتار است. بنابراین به طور مجموع ۱۲۶ هکتار قابل آبیاری است که تنها ۵۶ درصد از کل CCA را در بر می گیرد.

2. معیارهای ارزیابی PDN

سیستم توزیع خط لوله زمانی اتخاذ می شود که:

• دسترسی به آب محدود و تقاضا گسترده باشد
• توپوگرافی با شیب تند، ناهموار و یا موجدار وجود داشته باشد که در آن سیستم کانال صرفه اقتصادی نداشته باشد.
• تلفات زیاد به علت تبخیر، نفوذ آب و دزدی آب وجود داشته باشد.
• گزینش تکنیک های پیشرفته برای توسعه در آینده وجود داشته باشد.
• پاسخ های کشاورزان و قابلیت پذیرش وجود داشته باشد.
• نیاز به تنوع زراعی وجود داشته باشد.
• نیاز به آبیاری کنترل شده برای محصولاتی مانند باغات وجود داشته باشد.
• خاک سیاه پنبه زار(Black Cotton Soil) در نزدیکی کانال باشد.
• بودجه کافی در دسترس باشد.
• هنگامی که بازدهی بالا مورد انتظار است.
• زمانی که مواد، نیروی کار، فن آوری پیشرفته و غیره به موقع در دسترس باشند.
• به طور کلیخط لوله (جریان گرانشی) در مورد توپوگرافی شیب دار در دامنه های با شیب تندتر از ۱ تا ۵۰۰، امکان پذیر باشد.

3. طرح اولیه PDNطرح اولیه PDN شامل یک هد کنترل(Control Head)، شبکه توزیع لوله و لوله های آبکش(هیدرانت ها) می شود.الف. هد کنترل(Control Head)هد کنترل شامل شیرهای های تنظیم کننده لازم (خاموش کننده، سوپاپ، دریچه هوا) ۶۰ سانتی متر بالای سطح زمین، روی یک قطعه از لوله های رزوه ای فولادی گالوانیزه، با سه راهی خروجی برای شیر و گیج فشار، می باشد. این نوع ترتیب برای سیستم های میکرو آبیاری نیز مناسب است.

   ب. شبکه توزیع لوله

   خطوط لوله اصلی و فرعی (شبکه توزیع) می تواند از PVC صلب باشد که در زیر خاک قرار می گیرد. لوله های مانند  HDPE، فولاد سبک با قابلیت اتصال سریع یا لوله های فولادی گالوانیزه بر روی سطح زمین در مناطق تپه ای استفاده می شوند.

   ج. هیدرانت ها

   هیدرانت ها بر روی سطح بالا می آیند و مجهز به یک شیر کشویی (شیر قطع کننده) می باشند که قادر است جریان را به آبراهه های باز چند منظوره(Manifold Open Ditches) منتقل کند. آبراهه های باز چند منظوره را می توان با لوله های سبک قابل حمل (فولاد سبک، پلی اتیلن سیاه، کوپلینگ های آلومینیومی، شلنگ های تخت و غیره) به هیدارنت ها، برای انتقال نهایی جایگزین نمود. آب آبیاری مستقیما به کانال زمینی باز چند منظوره( Manifold Open Earth Channel) و از طریق هیدرانت ها منتقل می شود و سپس این آب از طریق کانال زمینی باز به حفره ها، آبگیرها و یا مرزها انتقال می یابد.

5. دستورالعمل برای برنامه ریزی PDNالف. در سیستم PDN برنامه ریزی برای چاک( Chak) یک عامل مهم است. اندازه کلی چاک باید در محدوده ۵ تا ۱۲ هکتار باشد که می تواند بر اساس نوع پروژه تغییر کند.ب. توزیع آب نسبتاً عادلانه به تمام خروجی ها و هزینه بهینه، دو هدف اصلی هستند که در زمان نهایی سازی معماری شبکه، باید مورد توجه قرار گیرند.

ج. به طور کلی، تراز خط اصلی باید با حداقل طول صورت گیرد.

د. به همین ترتیب، معیار تصمیم گیری در مورد چیدمان جانبی  ( Layout of Laterals)، باید پوشش حداکثر سطح با حداقل طول لوله باشد.

ه. هر چاک باید در کنار یک لبه جداگانه قرار گیرد و لبه های زیرین چاک(Chak Sub-laterals) با توجه به شکل و اندازه شان مطابق با نیاز ارائه شوند.

و. برنامه ریزی عملیاتی باید از دیدگاه مدیریت آبیاری، مقرون به صرفه و انعطاف پذیر باشد.

5. طراحی و سایر موارد PDNپارامترهای مختلف طراحی مانند سرعت جریان داخل لوله، قطر لوله و خط شیب هیدرولیکی در زیر مورد بحث قرار می گیرند:۵٫۱ سرعت جریانالف. با توجه به سرعت کم جریان در شبکه لوله، احتمال رسوب خاک(Silt Deposition) وجود دارد. از این رو سرعت جریان کلی باید بین ۰٫۸ تا ۱ متر/ثانیه در کل سیستم توزیع باشد.

   ب. در برخی موارد استثنایی برای یک بخش با طول کوچکتر، سرعت جریان ۰٫۶ متر/ثانیه نیز قابل قبول است.

   ج. سرعت جریان نباید بیشتر از ۱٫۵ متر/ثانیه و کمتر از ۰٫۶ متر/ثانیه باشد.

   د. هنگامی که انواع لوله مانند PVC، PSC  یا HDPE در PDN به کار گرفته می شوند، سرعت جریان را می توان به دلایل اقتصادی تا ۱٫۸ متر/ قطاع افزایش داد، اما در این مورد، فشار کاری باید حداقل ۴ کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد.

   ه. قسمت تنظیف خط(Scouring Arrangements) باید در بخشی از شبکه لوله باشد که سرعت جریان آن کمتر از ۰٫۶ متر/ ثانیه است.

۵٫۲ قطر لوله

الف. ممکن است یک لوله با قطر کوچک نیاز به سرمایه اولیه کمتری داشته باشد اما قادر به تامین آب کافی برای منطقه مورد نظر نخواهد بود.

ب. به همین ترتیب، لوله با قطر بزرگ نیاز به سرمایه اولیه بالایی دارد ولی در عوض آب مورد نیاز منطقه مورد نظر را به خوبی تامین می کند که خود باعث جبران هزینه بالاتر می شود.

ج. بنابراین، انتخاب قطر بهینه مجرای لوله برای یک جریان خاص، یک تصمیم اقتصادی حیاتی خواهد بود.

۵٫۳ خط گرادیان(شیب) هیدرولیکی (HGL)

الف. شیب هیدرولیکی عاملی است که جریان آب را از طریق شبکه لوله بسته، کنترل می کند. در ادامه برخی از دستورالعمل های مهم برای تصمیم گیری در مورد HGL آورده شده است.

ب. برای اطمینان از فشار کافی و شرایط جریان کامل در شروع خط لوله اصلی، حداقل آستانه محافظ(Driving Head) باید ۱٫۲ متر در محفظه ورودی باشد.

ج. قطر لوله به طوری انتخاب شده است که آستانه موثر(Effective Head) یعنی (HGL-GL) کمتر از ۰٫۶ متر نباشد. هرچند که، در موارد استثنایی ممکن است طول موثر تا ۰٫۳ متر نیز کاهش یابد.

۵٫۴ الزامات نصب

خط لوله باید در عمق کافی زیر سطح زمین نصب شود تا از خطرات ناشی از درجه حرارت و یا ترک خوردگی خاک جلوگیری شود. الزامات پوشش مناسب برای لوله های با قطر مختلف در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول – ۱: الزام پوشش برای قطرهای مختلف لوله

• لوله باید در زیر زمین قرار گیرد به طوری که حداقل ۱٫۲ متر مواد پر کننده ترانشه بر روی لوله قرار گیرد تا در اثر عملیات و تجهیزات کشاورزی مخدوش نگردد.

• در مکان های قله ای(Summit Location)، شیر های ایمنی تخلیه هوا(Air Vacuum Relief Valves) قرار داده می شود. تهویه هوا باید در فاصله های ۳۰۰  متری صورت گیرد و تا ۰٫۶ متر بالاتر از HGL  قابل کسترش است.
• در نقطه تغییر هم ترازی، برای تثبیت شبکه لوله، باید بلوک محافظ(Thrust Block) فراهم شود. همچنین در صورت دسترسی مستقیم، با در نظر گرفتن فشار تورمی بلوک مهار خاک(Soil Anchor Block) باید در فاصله ای مناسب قرار داده شود. بلوک محافظ و بلوک مهار باید درC.C ساخته شود.

۵٫۵ داده های خاک

اطلاعاتی از قبیل ویژگی های خاص خاک، فشردگی، سرعت نفوذ، طبقه بندی خاک، مقاومت برشی، بافت خاک، جدول آب های زمینی موجود، وpH  خاک و غیره باید در مورد لایه های موجود جمع آوری شوند. PH خاک نیز می تواند بر انتخاب مواد اولیه لوله تأثیر بگذارد. PH کمتر از ۵، مانع به کار گیری لوله های آهنی و بتنی می شود.

6. نکات مهم و دستور العمل ساخت و ساز PDNالف. در نواحی کم عمق که در آن شیب هیدرولیکی بیشتر است، می توان جریان را با کاهش قطر لوله یا استفاده از شیر، کنترل کرد.ب. برای بخش لوله مورد نظر، تلفات جزئی به علت خم ها، سه راهی ها و غیره تا۱۰ درصد به عنوان تلفات اصطکاک لحاظ شده است.ج. به طور کلی، قطر شیرهای هوا حداقل باید ۱۰ درصد قطر لوله باشد.

   د. در محفظه ورودی، از صفحه های زباله گیر(Trash Screen) برای جلوگیری از ورود شن و ماسه، آهک، نخاله و غیره استفاده می شود.

   و. اتصالات نر و ماده با واشر لاستیکی در لوله های R.C.C باید کامل آب بند شده باشد و در غیر اینصورت ریشه های درخت ها ممکن است از بخش اتصالات وارد و در نتیجه باعث مسدود شدن لوله ها شوند.
   ه. ممکن است لوله PVC ، به دلیل قرار گرفتن طولانی مدت در معرض نور آفتاب و تخریب توسط اشعه U.V ، شکننده شود.
   ز. پس از خواباندن لوله ها، نصب صحیح اتصالات را چک و تایید نموده  و اطراف لوله را با تراکم مناسب جهت جلوگیری از شناور شدن لوله در اثر نفوذ آب، پر کنید.

6. راهکارهای به کاهش نشتی هااگر کیفیت خط لوله و اتصالات خوب باشد، خط لوله هرگز نشتی نخواهد داشت. نشتی خط لوله تنها زمانی اتفاق می افتد که یک سهل انگاری قابل توجه انسانی در زمینه ساخت و اجرا وجود داشته باشد. برخی از اقدامات احتیاطی عبارتند از:

الف. پس از خواباندن لوله ها، از خاک مرطوب برای پر کردن ترانشه استفاده کنید.

ب. هنگامی که لوله خوابانده می شود، و خط در حال بهره برداری نیست، گردش هوا را از طریق یکی از خطوط کم کنید.

ج. اجتناب از خواباندن لوله ها در هوای بسیار گرم، بسیار سرد و یا مرطوب.

د. علاوه بر این، زمانی که خطوط لوله نشت می کنند، تقریبا بلافاصله آب نشتی بر روی زمین شبیه به یک لکه مرطوب ظاهر می شود و به آسانی قابل تعمیر است. بازرسی منظم برای حضور به موقع در چنین شرایط احتمالی، ضروری است.

ه. گل و لای و نخاله های محفظه های توزیع به صورت فصلی لایه روبی شود.

و. برای جلوگیری از ورود گل و لای، توپی(Ball) نصب شود.

ز. دریچه یا خروجی در پایین ترین سطح سیستم تعبیه شود تا تخلیه به راحتی صورت گیرد.

ح. تخلیه دوره ای(Periodical Flushing) سیستم ضروری است.

8. حیطه پروژه اجرای سیستم PDNمی توان از PDN برای طرح های آبیاری بزرگ، متوسط، کوچک و پیشرفته(پمپاژی) استفاده نمود. این سیستم را می توان در یک طرح جدید یا در طرح های موجود اجرا کرد. اگر PDN به عنوان یک پروژه جدید اجرا شود، اعتماد به اصول PDN آسان تر خواهد بود. اگر سیستم PDN بر روی طرح های موجود اجرا شود، می توان متغیر های موجود در جدول ۲ را ارائه نمود.

جدول – ۲: متغیر های موجود هنگام پیاده سازی PDN در سیستم CDN موجود

9. مزایای سیستم PDN نسبت به سیستم CDNالف. از آنجایی که تقریبا تمام سیستم در زیر خاک دفن می شود، صرفه جویی قابل توجهی در هزینه های به کار گیری زمین صورت می گیرد.ب. با اجرای PDN، تلفات ناشی از نشتی، تبخیر و خرابکاری قابل اجتناب خواهد بود.ج. با استفاده از  PDN، بخش های غیر قابل کشت            (Un-command Area) را می توان به زیر کشت برد.

   د. هزینه نگهداری کم – در PDN  مانند کانال های سطحی، نیاز به نگهداری مستمر وجود ندارد.

   و. می توان از فن آوری های پیشرفته آبیاری همچون قطره ای، بارانی، سیستم آبیاری زیر سطحی(Subsurface Irrigation) بهره برد.

ه. به دلیل تامین آب به صورت یکپارچه از ابتدا تا انتهای مسیر، آبیاری اصولی صورت می گیرد.

10. محدودیت سیستم PDNالف. مراقبت های شدید در طراحی و اجرای سیستم PDN ضروری است.

ب. قبل از ورود آب به سیستم  PDN، باید تمامی گل و لای آن فیلتر شود.

ج. سرمایه گذاری اولیه بالا در خط لوله – اما در طولانی مدت خطوط لوله  به دلیل صرفه جویی در مصرف آب، کارگر، تعمیر و نگهداری، زمین و دوام نصب، صرفه اقتصادی خواهد داشت.

11. نتیجه گیری و نظریاتبا توجه به کمبود آب، سیستم PDN برای آبیاری در مناطق زیر کشت توصیه می شود. سیستم PDN موجب صرفه جویی بیشتر آب نسبت به سیستم CDN معمولی می شود و در جایی که هزینه های زمین نسبتا بالاست و کشاورزان تمایلی به صرف زمین های ارزشمند خود ندارند، ترجیح داده می شود. سیستم توزیع خط لوله برای اجرای تکنیک های مدرن آبیاری همچون آبیاری بارانی و قطره ای و غیره مناسب تر است. برنامه ریزی و طراحی PDN باید با دقت انجام شود تا بتوان از مزایای حداکثری این سیستم بهره برد.

بنابراین، توصیه می شود که سیستم PDN در طرح آبیاری پیشرفته(پمپاژی)(LIS)(Lift Irrigation Scheme)  با وجود در دسترس بودن ارتفاع فشاری(Pressure Head) مناسب و بسته به امکان فنی- اقتصادی، می توان از این سیستم برای تبدیل CDN  موجود در بخشی یا تمامی سطح زیر کشت بهره گرفت.