سیستم کنترل در کانالهای آبیاری
چکیده:
کانالهای آبیاری براساس حداکثر آب موردنیاز آبیاری طراحی میشوند ولی در بیشتر مواقع دبی جاری کمتر از آن میباشد. لذا لازم است که سطح آب بهوسیله سازههای آب بند و یا تنظیمکنندههای عرضی کنترل گردد بهطوری که عمق آب در محل آبگیرها تأمین شده و امکان آبگیری در حد ظرفیت طراحی همواره وجود داشته باشد.
با توجه به گسترش روشها و سیستمهای کنترل و تأثیر متقابلی که بر نوع سازههای کنترل دارند لازم است مباحث طبقهبندی سیستمهای کنترل مبتنی بر مفاهیم اساسی سیستمهای کنترل و عوامل کنترل ارائه گردد. لذا در این مبحث به تشریح مبانی مختلف سیستمهای کنترل پرداخته شده است.
مقدمه:
هر سازه که در مسیر جریان قرار گیرد و روابط دبی و عمق جریان را در اطراف خود تثبیت نماید یک سازه کنترلکننده جریان نامیده میشود. سازههای کنترل و تنظیمکننده جریان نقش مهمی در توزیع آب در شبکههای آبیاری دارند و میزان موفقیت شبکه بستگی به چگونگی عملکرد این سازهها دارد، از طرفی نحوه عمل سازههای کنترل تحت سیستمهای مختلف کنترل متفاوت است.
بهطوری که سازههای مختلف با توجه به شرایط فیزیکی خاص روابط متفاوتی را بین دبی و عمق جریان ایجاد کرده و لذا هرکدام برای اهداف معینی مورد استفاده قرار میگیرند.
وظیفه سیستمهای کنترل با بهرهگیری از سازههای کنترل تأمین و تنظیم آب آبیاری در سرتاسر شبکه با حداکثر راندمان ممکن و قابل اطمینان میباشد بهنحوی که بهطور کارآمد جهت استفاده زارعین برای تولید محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد.
● سیستمهای کنترل و تنظیم براساس مبانی مختلف بهصورت زیر تقسیمبندی میشود:
الف) گرایش کنترل
براساس گرایش کنترل به سیستم تابع منبع و سیستم تابع مصرف تقسیمبندی میشود.
▪ سیستم تابع منبع: در این سیستم مقدار آبی معینی از منبع تحویل گرفته میشود و در سطح شبکه آبیاری براساس جداول معین و از قبل تعیین شده توزیع میگردد.
▪ سیستم تابع مصرف یا برحسب تقاضا
عبارت است از پاسخگوئی بهطور انفورماتیک به نیازهای مصرفکننده، مصرفکنندگان در سطح واحدهای زراعی درجه سه تحت پوشش کانالهای فرعی آبگیرهای مربوط به واحدهای درجه سه را میتوانند در هر مرحله زمانی باز کنند(انعطافپذیری بالا) و دبی مورد نیاز را با کمی تغییرات جزئی دریافت نمایند.
ب) روش هماهنگی کنترل
براساس روش هماهنگی کنترل به سه نوع سیستم کنترل محلی، کنترل منطقهای و کنترل مرکزی یا تله متری تقسیمبندی میشود.
▪ سیستم کنترل محلی
در این سیستم تمامی عوامل مربوط به کنترل در محل سازه صورت میگیرد و بهصورت زیر تقسیمبندی میشود.
0) دریچههای دستی
۲) دریچههای هیدرومکانیکی (آمیل و آویس و آویو)
۳) دریچههای الکترومکانیکی
۴) کنترل انوماتیک ثابت بدون قسمتهای متحرک (سرریز نوک اردکی)
▪ سیستم کنترل منطقهای
در این سیستم عوامل مربوط به کنترل با اطلاع از وضعیت هیدرولیکی در امتداد یک یا تعدادی از کانالها صورت میگیرد. این نوع کنترل براساس وضعیت سیستم کانال در همان محل دریچه را تنظیم میکند. علائم الکتریکی از دستگاه حساس بهوسیله خطوط برق به دریچه موردنظر انتقال مییابد که دریچه بهصورت الکترومکانیکی حرکت میکند.
▪ سیستم کنترل مرکزی یا تلهمتری:
در این سیستم عوامل مربوط به کنترل با اطلاع از وضعیت هیدرولیکی سرتاسر شبکه بهصورت مرکزی صورت میگیرد. در این حالت تمام دریچهها دارای قسمتهای الکترومکانیکی بوده و از یک محل کنترل میگردند. و برای نمونه یک برنامه کامپیوتری حرکت دریچهها را کنترل میکند. در این حالت دستگاههای حساس در سطح آب و دیگر نقاط ثابت بوده و یک کنترل مرکزی ارتفاع آب را در محل هر دریچه آبگیر با توجه به میزان مصرف آب و میزان جریان در کانال تغذیهکننده تنظیم میکند.
ج) براساس نحوه عمل کنترل
سیستم کنترل خودکار: این نوع سیستمهای کنترل بهصورت خودکار بوده و کار بهرهبرداری را آسان نموده و جابجائی بهرهبردار را کاهش میدهد.
د) سیستم کنترل براساس میزان دبی یا سطح آب
▪ سیستم کنترل براساس میزان دبی:
در این حالت کنترل براساس دبی مشخصی کار میکند. هدف اولیه از این ساختمان مشخص کردن دبی انتقالی به پائین دست میباشد. کنترل میزان دبی در سرتاسر شبکه ممکن است بهصورت مسئله اساسی باشد و یا اینکه این مسئله ممکن است در سطح آبگیرهای درجه سه مطرح باشد. به هر حال کنترل براساس میزان جریان ممکن است نیاز به سطح آب بسیار دقیق داشته باشد.
▪ سیستم کنترل براساس سطح آب
این سیستم برای فراهم نمودن انعطافپذیری در انحراف و میزان دبی موردنیاز به سمت آبگیرها بدون اطلاع دقیق از مقدار دبی واقعی در کانالهای انتقال بهکار میرود. این سیستم کنترل، سطح آب را در محل آبگیرهای درجه سه بهصورت ثابت نگه میدارد.
پ) طبقهبندی از لحاظ جهت کنترل
سیستمهای کنترل از لحاظ جهت کنترل به دو نوع سیستم کنترل از بالادست و کنترل از پائیندست تقسیم میشوند.
▪ کنترل از بالادست
کنترل از بالادست براساس یک سیستم منبع کار میکند که بهرهبرداری براساس یک برنامهریزی مشخص به ترتیب کار انحراف و توزیع آب را انجام میدهد. بر این اساس میزان دبی موردنیاز در آبگیرهای درجه سه باید از قبل مشخص باشد تا اینکه میزان جریان در کانالهای درجه یک و دو بر این اساس تنظیم گردد و میزان دبی موردنیاز در ابتدای شبکه مشخص شود.
دخالت مستقیم مصرفکنندگان آب یک تهدیدی در سیستم بهرهبرداری میباشد و سیستم کنترل از بالا دست به صورت خودکار در مورد آبیاری مزارع نمیتواند مورد استفاده قرار گیرد. مصرفکنندگان آب باید در امور بهرهبرداری با میرآب در تماس باشند و از قبل میزان تغیر دبی را تقاضا بکنند.
تمام این مراحل برای کانالهای درجه دو نیز مطرح میباشد تا اینکه این اطمینان حاصل شود که میزان تقاضای آب در سطح کانال درجه دو بیشتر از حد طراحی نمیباشد و سپس آب موردنیاز از منبع اصلی تأمین میگردد. بهطور کلی کار تطبیق و تظیم دبی در سیستم بهرهبرداری دستی کار بر مشقتی میباشد.
▪ ارتباطات در سیستم کنترل از بالادست
سیستم کنترل از بالادست احتیاج به ارتباط منظم بین مصرفکنندگان و سرویسدهندگان در امور بهرهبرداری دارد. اگر تغییرات دبی و مصرف براساس جدول و فهرست مشخص از قبل تعیین شده باشد، نیاز به ارتباطات به حداقل خواهد رسید.
▪ سازه آببند:
سازه آببند در سیستم کنترل از بالا دست یک سطح ثابتی را بلافاصله در بالادست ایجاد میکند. بنابراین یک ارتفاع برای آبگیرها در همان محل حاصل میشود. میزان جریان در ورودی کانال و در محل انشعاب کانال در محل آبگیرها اندازهگیری میشود.
▪ محل آببند:
فاصله بین تنظیمکنندهها بستگی به شیب کانال در بالادست، تعداد، اندازه و موقعیت آبگیرهای موجود در طول آن دارد. ساختمانهای آببند باید به اندازه کافی بههم نزدیک باشند تا اینکه در خلال کاهش دبی، سطح آب در جوار آبگیرها به اندازه کافی در سطح بالائی قرار بگیرد و تمام آبگیرهای موجود در بالا دست بتوانند آب موردنیاز خود را دریافت نمایند.
کاهش فاصله آببندها موجب کاهش تغییرات ارتفاع آب در محل آبگیرها در قسمت ابتدائی و انتهائی هر بازه کانال میگردد و بدینترتیب تغییرات دبی عبوری از آبگیرها کاهش پیدا میکند.
▪ آبگیرها در سیستم کنترل از بالا دست:
حالت مناسب این است که آبگیرها بلافاصله در بالادست و در نزدیکی سازههای آب بند قرار گیرند. زیرا که تغییرات سطح آب در این نقاط در حالت مابین جریان حداکثر و جریان صفر در حداقل مقدار میباشد. معمولاً آبگیرها هرکدام روشی برای اندازهگیری دبی دارند و بهرهبرداری از آنها بهصورت دستی انجام میگیرد.
▪ منشور ذخیره در سیستم کنترل از بالادست
یک ساختمان آب بند موجب ایجاد پروفایل برگشت آب میشود و تا نزدیکی محل دریچه آببندی بعدی کشیده میشود. قبلا اینکه شرایط جریان ماندگار در پائیندست ایجاد شود، افزایش دبی در سراب کانال، ابتدا باید حجم قسمت اولیه کانال را پر کند.
بدینترتیب زمان حرکت موج به خاطر پر کردن منشور ذخیره افزایش پیدا میکنند. همینطور کاهش فاصله دریچهها موجب کاهش طول کانال بین دو دریچه شده و زمان انتقال موج را کاهش میدهد.
● انواع دریچهها در سیستم کنترل از بالادست
▪ دریچههای کشوئی:
دریچه کشوئی سادهترین نوع سازه میباشند که بهعنوان تنظیمکننده در مسیر کانال مورد استفاده قرار میگیرد و بهعنوان ساختمان کنترل از بالادست به کار میرود. در جریانهای با دبی نیاز بسیار کم، دریچه تقریباً بسته میباشد و در جریانهای با دبی حداکثر، دریچه ممکن است به بالاتر از سطح آب کشیده شود. افت این دریچه تا حد (۱۰% – %۰۵) محدود میگردد.
▪ دریچههای اتوماتیک
امکان استفاده از انواع تیپهای دریچههای اتوماتیک برای سیستم کنترل از بالادست وجود دارد. بهعنوان مثال ساختمان کنترل از بالادست بدون قسمتهای متحرک یک نوعی از این ساختمان شامل یک سرریز طولانی، مانند سرریز نوک اردکی یا سرریز مورب میباشد که برای دهها سال بهعنوان سیستم کنترل از بالا دست اتوماتیک مورد استفاده قرار گرفته است و بهعلت عدم وجود قسمتهای متحرک طراحی آن ساده میباشد.
▪ دریچههای اتوماتی هیدرومکانیکی
از جمله این دریچهها، دریجه اصیل میباشد که حرکات آن بهوسیله یک جسم شناور یک دریچه (Vlugter) که تحت تأثیر فشار هیدرولیکی است تنظیم میگردد. از معایب این دریچهها، این است که برای عمق ثابتی طراحی شده و برای عمق دیگر قابل تنظیم نمیباشد.
▪ دریچههای اتوماتیک مکانیکی
این نوع دریچههای شامل دریچههای اتوماتیک کشوئی و دریچههای اتوماتیک شعاعی میباشد.
● محاسن سیستم کنترل از بالادست
یک سیستم کنترل منبع و یا هدف میباشد، زیرا که مسئولین امور بهرهبرداری و آبیاری مقدار آب مصرفی را تأمین میکنند.
این سیستم به ساختمان و دریچههای ساده احتیاج دارد و بهرهبرداری بهصورت دستی و ساده میباشد.
آسانی و قابل فهم بودن سیستم توزیع برای عموم، آب بهطور مستقیم در سیستم توزیع میشود که بهعنوان انتشار جریان از بالادست به پائیندست نامیده میشود.
این سیستم نسبت به سیستم کنترل از پائیندست ساده و ارزان میباشد.
سیستم کنترل از بالادست میتواند برای شبکههائی که بهطور منظم با کمبود آب مواجه و طراحی شدهاند مورد استفاده قرار گیرد.
● معایب سیستم کنترل از بالادست
مصرفکنندگان بالا دست بیشتر به آب دسترسی دارند و لذا آب برای مصرفکنندگان پائین دست محدود میگردد.
اندازهگیری دبی بهوسیله این سازههای تنظیمکننده انجام نمیگیرد و سازههای اضافی اندازهگیری دبی لازم میباشد.
تأخیر در توزیع و آبرسانی در خلال افزایش آب مورد بالعکس در کاهش مصرف آب، به همین دلیل پیشبینی جهت سرریز کردن آب بهوسیله جدا کردن و انحراف با سرریز، نظیر سرریز جانبی به همراه دریچه تخلیه و سیفون انجام میگیرد.
● سیستم کنترل از پائیندست
با توجه به اینکه این سیستم بهطور انفورماتیک آب آبیاری مورد نیاز پائین دست را تأمین میکند. لذا کنترل از پائیندست هم میتواند بر اساس نیاز و هم براساس جدول آبیاری از پیش تعیین شده کار کند.
اگر ظرفیت کانال و کانال ذخیرهکننده کاملاً بزرگ طراحی گردد این امکان برای مصرفکنندگان آب وجود دارد که آب را بدون برنامهریزی قبلی استفاده نمایند. اکثر کانالهای آبیاری براساس مصرف آب طبق جدول مشخصی مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. در این سیستم مصرفکنندگان میتوانند مصرف آب را بدون توجه به پیشبینیهای قبلی در هر مقطع زمانی قطع کنند. سیستم توزیع آب در کنترل از پائیندست بسیار سادهتر و قابلاعتمادتر نسبت به سیستم کنترل از بالادست میباشد.
به خاطر اینکه این سیستم بهطور اتوماتیک به تغییرات دبی پاسخ مخیدهد و مسئولین امور بهرهبرداری هیچگونه نگرانی در مورد تعادل جریان در سیستم ندارند. سیستم کنترل از پائین دست عموماً در کانالهای درجه ۱ و ۲ مورد استفاده قرار میگیرد و در سطح کانالهای تحت پوشش کانال درجه ۳ به کار گرفته نمیشوند. گنجایش مخازن تنظیمکننده در قسمت ابتدای سیستم کاهش ظرفیت کانال را امکانپذیر میسازد.
● خاکریز افقی بالای کانالها در سیستم کنترل از پائیندست
با توجه به اینکه سطح آب در جریان صفر در کانال بهصورت افقی است سیستم کنترل از پائیندست عموماً نیاز به خاکریزهای کناری هم سطح در سرتاسر بازه کانال دارد. حجم آب در داخل کانال در دبی صفر نسبت به جریان یا دبی حداکثر بیشتر میباشد که این مسئله در کانالهای با شیب تند حادتر است.
▪ ارتباطات در سیستم کنترل از پائیندست:
کنترل از پائیندست در کانالهای با خاکریز افقی یک کنترل اتوماتیک میباشد که قابلیت انتقال حساسیت به بالادست را دارد. وقتیکه دریچههای آبگیری باز میشوند سطح آب در امتداد کانال پائین میافتد، این پائینافتادگی سطح آب با سرعت یکه عبارت است از اختلاف سرعت موج و سرعت جریان آب، به بالادست منتقل میشود.
(۱)
V^۱=c-v
(۲)
C=√gy
که در آن:
c= سرعت موج برحسب متر بر ثانیه،
V= سرعت آب در کانال برحسب متر بر ثانیه
Y= عمق آب در کانال برحسب متر،
V۱= اختلاف سرعت موج و سرعت آب.
وقتی که این تغییرات به سازه بالا دست میرسد تحتتأثیر این مسئله اب بند باز میشود، این تغییر در صورت یناز تمام آببندهای تنظیمکننده عرضی در بالا دست را به حرکت درمیآورد و بدینترتیب بار سیستم افزایش مییابد که این تأمین کل نیاز سیستم را تنظیم میکند. بهعلت طبیعت پاسخگوئی سیستم کنترل از پائیندست، جریان آب از قبل محاسبه نشده و انحراف آب بهطور آنی انجام میگیرد. این مسئله نیاز به ارتباطات پرسنل را در مقایسه با کنترل از بالادست به مراتب کاهش میدهد، زیرا تمام آببندها، از طریق آب بهطور هیدرولیکی به همدیگر متصل میباشند و احتیاج به مرکز کنترل از راه دور نمیباشد.
● ذخیره منشوری در سیستم کنترل از پائیندست
در سیستم کنترل از پائیندست حجم آب بین سطح آب در حالت افقی (دبی صفر) و حداقل سطح آب در دبی حداکثر را ذخیره منشوری مینامند. آببندهای کنترل اتوماتیک فقط وقتی که این منشور ذخیره پر شده باشد، بسته میشوند. وقتی نیاز مقاطع پائیندست افزایش پیدا میکند، آببندها باز میشوند.
● دریچههای آبگیر درسیستم کنترل از پائیندست
دریچههای آبگیر بلافاصله در پائین دست سازه آببند قرار میگیرند. دریچههای آبگیر درجه سه بهطور اتوماتیک نمیباشند و بهرهبرداری از آنها بهوسیله مصرفکنندگان یا بهوسیله پرسنل امور بهرهبرداری انجام میگیرد.
حجم ذخیره منشوری در سیستم کنترل از پائیندست: وقتیکه نیاز به دبی در پائیندست افزایش پیدا میکند، منشور ذخیره بالا است این نیاز را برطرف میسازد. زمان برگشت و حرکت موج منفی در امتداد بالادست معادل با (L/√gh+v) میباشد بدینترتیب مجموعه زمان پاسخگوئی معادل رابطه (۳) خواهد بود. حجم آب (T+Q) معادل با جریان عبری در زمان پاسخگوئی میباشد. به هر حال حجم آب موردنیاز (V) منشور ذخیره طبق دستورالعمل کارخانه نیرپیک و براساس تجربه معادل با رابطه (۴) میباشد.
(۳)
T=L/ √gh-V + L/√gh-V
(۴)
V= ۱/۲(QT)= ۰.۵QL/√gh+V + ۰.۵QL/√gh-V
که در آن:
Q= حداکثر دبی جریان کانال به مترمکعب بر ثانیه
h= سطح مقطع تقسیم بر عرض سطح آب به متر،
V= سرعت اولیه به متر بر ثانیه
L= طول کانال بین دو دریچه به متر
در عمل سرعت اولیه کوچک میباشد، بهطوری که حجم منشور ذخیره معادل رابطه زیر میگردد.
V= QL/√gh
● آببندهای کنترل از پائیندست
▪ آببندهای اتوماتیک
تعداد متنوعی از آببندهای قابل طراحی برای سیستم کنترل از پائیندست در کانالهائی با سطح خاکریز افقی وجود دارد، در همه حالتها آببندها بلافاصله به سطح آب پائیندست پاسخ میدهند. در بیشتر حالتها آببندهای تنظیم بهمنظور سطح آب مورد استفاده قرار میگیرند و بهطور کامل بسته نمیشوند و مقداری نشت خواهند داشت، به هر حال استفاده از دریچههای دیگر در شرایط خاص بهمنظور تعمیر لازم میباشد.
▪ آببندهای اتوماتیک هیدرومکانیکی
از جمله این آببندها، تنظیمکنندههای عرضی اویس (AVIS) و آریو (AVIO) میباشد که بهطور هیدرومکانیکی بالانس شده و در یک ارتفاع معینی از آب تنظیم میگردند و این ارتفاع تنظیم نباید تغییر کند.
▪ دریچههای تنظیمکننده خودکار الکترومکانیکی
دریچههای تنظیمکننده خودکار الکترومکانیکی مانند دریچههای کشوئی که بهوسیله الکترو موتور کار میکنند و با دریچههای شعاعی الکترومکانیکی که بهوسیله دستگاه حساس که در پائیندست قرار دارد، جابهجا میشوند.
● محاسن سیستم کنترل از پائیندستاز محاسن سیستم کنترل از پائیندست سادگی بهرهبرداری، اتوماتیک بودن تنظیم آببندها است و همچنین نیاز به علامت یا نشانه سطح آب نمیباشد.
● معایب سیستم کنترل از پائیندستدر این سیستم تلفات آب بهوسیله نشت آب، نفوذ عمقی از کانالها یا اینکه دریچههای آبگیر بهصورت خارج از کنترل و یا خارج از جدول بهرهبرداری باز شوند انجام میگیرد.
بهدلیل عملیات خاکریز افقی کنار کانال، نسبت به سیستم کنترل از بالادست اتوماتیک (آمیل) که نیازی به خاکریز افقی ندارد گرانتر میباشد.
● مقایسه خصوصیات سیستم کنترل از بالادست و پائیندست
▪ کنترل از بالادست / کنترل از پائیندست
۱) بهرهبرداری از آب بهوسیله مرکز انجام میگیرد و دریچه تنظیمکننده طبق دستورات صادره براساس نیاز و دسترسی به میزان آب تنظیم میگردد / در این سیستم آب موردنیاز به مدت طولانی تأمین میگردد، تأسیسات ابتدای کانال این نیاز را برطرف میکند.
۲) اطلاع از الگوی کشت و آب موردنیاز در هر مرحله لازم است/ نیاز به اطلاع از الگوی کشت و آب موردنیاز در هر مرحله زمانی نمیباشد.
۳) تأمین آب مورد نیاز بهتدریج و یا تأخیر انجام میگیرد/ دبی طراحی براساس نیاز – بلافاصله قابل دسترس میباشد.
۴) مصرفکنندگان بالادست در مواقع کمبود آب مشکلی ندارند/ مصرفکنندگان پائیندست در مواقع کمبود آب مشکلی ندارند.
۵) جریان فوقبحرانی در بین تنظیمکنندهها و دراپها مجاز میباشد/ جریان فوقبحرانی در بین تنظیمکنندهها و دراپها مجاز نمیباشد.
۶) سازه دراپ از هر نوع میتواند با تنظیمکننده ترکیب شود/ استفاده از سازه دراپ در بین تنظیمکنندهها مجاز نمیباشد.
۷) از نظر شیب کانال محدودیتی ندارد/ شیب کانال باید به اندازه کافی ملایم باشد تا اینکه منشور ذخیره بهمنظور تأمین سریع آب تشکیل شود.
نویسندگان:
امیر مرادینژاد: کارشناس ارشد تأسیسات آبیاری
محمدجواد منعم: استادیار گروه تأسیسات آبیاری دانشگاه تربیت مدرس
منابع:
۱) رضوی نبوی، م (۱۳۷۳)، ضرایب تجربی در دریچههای نیرپیک. پایاننامه کارشناسی ارشد تأسیسات آبیاری، دانشگاه تربیت مدرس.
۲) Mallater, P.O.(۱۹۹۵) Rigulation of Irrigation Canals: Characterisation and Classification.
۳) Waterman industries.INC.(۱۹۹۵). http:// www.frabimor.com/amil.htm