اتوماسیون سامانه های آبیاری تحت فشار

چکیده

آنچه که از سیستم های مکانیزه آبیاری نسبت به روش های سنتی انتظار می رود، کاهش مصرف آب به شرط عدم کاهش میزان بهره وری است. البته وابستگی شدید سیستم های مکانیزه به نیروی انسانی جهت نظارت مستمر بر عملکرد ابزار و تجهیزات از یک سو، خطای ناشی از فعل اشتباه اپراتور و یا تأخیر در انجام اقدام لازم از سوی دیگر، موجب کاهش بهره وری شده اند و تأثیر این پارامترها با توسعه شبکه آبرسانی و افزایش تنوع تجهیزات آبیاری، بیشتر از گذشته گردیده است. مستند نشدن تصمیمات، اقدامات صورت گرفته و وضعیت پارامترهای مختلف در طول مدت بهره برداری (عدم ثبت و عدم ذخیره سازی اطلاعات فرآیند) نیز جزو علل کاهش راندمان سیستم های آبیاری تحت فشار مکانیزه می باشد. به عبارتی نبود بانک اطلاعاتی از وضعیت عملکرد سیستم و عدم ثبت بازخوردهای ناشی از تصمیمات و انجام اقدامات مختلف، عامل مهمی در پایین بودن میزان بهروری در این  نوع سیستم ها می باشد. با توجه به روند سریع کاهش ذخایر آبی که ضرورت افزایش بهره وری وکارایی مصرف آب را به دنبال داشته، نتیجه پژوهش ها و مطالعات، معطوف به این موضوع شده است که با انجام اتوماسیون سیستم های آبیاری تحت فشار که عبارتست از نصب و راه اندازی تجهیزات سخت افزاری و نرم افزاری، محدودیت های ذکر شده از بین رفته و امکان بهبود مصرف آب و ارتقاء سطح بهره وری واحدهای آبیاری مهیا می گردد.

 مقدمه

با توجه به اینکه اکثر نقاط ایران در قسمت خشک و نیمه خشک دنیا قرار دارد، آب دارای اهمیت بسیار زیادی در کشورمان می باشد. از آنجایی که منابع، از جمله آب های شیرین، زمین های کشاورزی و خاک های حاصل خیز، ناکافی و محدد هستند و نهاده ها ( نیروی کار، منابع انرژی، مواد و کود های شیمیایی ) هر روز گران تر می شوند، به کار گیری روشهای مناسب با هدف بهبود بهره برداری و افزایش بهره وری، لازم و ضروری به نظر می رسد؛ به نحوی که با مدیریت منابع و مصرف کمترین مقدار آب و دیگر نهاده ها در واحد سطح، بتوان  به بازده اقتصادی بیهنه دست یافت.

در راستای نیل به این منظور در دهه های اخیر، روش های متعددی در زمینه آبیاری کشاورزی ابداع شده است. یکی از این روش ها که به سرعت رو به گسترش است، روش آبیاری قطره ای می باشد. (آبیاری قطره ای به کلیه روشهایی گفته می شود که در آنها آب به مقدار کم و به میزان 1 تا 10 لیتر در ساعت به آرامی در نزدیکی گیاه ریخته می شود.)  نخستین تلاش در ابداع آبیاری تحت فشار ، استفاده از لوله های فلزی منفذ دار بود که آب به صورت فواره ای از آن خارج می شد. در دهه 1930 میلادی، تفکر آبیاری قطره ای قوت گرفت و نمونه های اولیه آن در دهه 1940 میلادی اجرا شد. روش های آبیاری بارانی کلاسیک( بدون استفاده از نیروی محرکه برای جابجایی) تاکنون روند تکاملی خود را طی می کند، ضمن آنکه از دهه 1970 میلادی سیستم های آبیاری بارانی، مجهزتر شده و در این روش ها، ساخت تجهیزات اضافی جهت کاهش نیروی انسانی سریعتر بوده است. هدف از این امر، نیل به اتوماسیون بوده است که علاوه بر ساده سازی و کاهش نیروی کارگری در مصرف آب، انرژی و هزینه های بهره برداری و نگهداری نیز صرفه جویی شده و متعاقب آن استهلاک تجهیزات نیز کاهش یابد. اتوماسیون آبیاری تحت فشار می تواند در سطح کوچک و یا اراضی وسیع عملی شود. به دلیل عبور آب از شبکه لوله ها و استفاده از پمپ، سازگاری آبیاری تحت فشار به اتوماسیون در مقایسه با روش های آبیاری سطحی بیشتر است. اتوماسیون می تواند به شکل کاملاً ساده و با نصب یک تایمر روی پمپ که در غیاب کاربر بر حسب زمان و یا فشار در شبکه، پمپ ها را یکایک روشن و یا خاموش نماید  تا یک سیستم مجهز به نرم افزارهای پیشرفته که از فرمول های ریاضی و پیش بینی های وضعیت هواشناسی و... استفاده می کند، تعریف گردد.

 مواد و روش ها

اتوماسیون در واقع یک مدیریت نرم افزاری متمرکز بر کلیه فرایندهای یک سیستم به طور شبانه روزی (دائم) می باشد که تحت نظارت و کنترل یک واحد مرکزی پردازش گر پیاده سازی می شود. چنین سیستمی متشکل از مجموعه سخت افزار و نرم افزار است. بخش سخت افزار،تجهیزات زیر را شامل می شود:

1- تجهیزات ابزار دقیق مانند تایمر، فلومتر، فشارسنج، شیر برقی (خودکار الکتریکی،خودکار بدون سیم)،          سنسور(میزان رطوبت خاک،میزان سطح آب سنسور باران)، موقعیت یاب و ...

2- تجهیزات کنترلی مانند RTU و RIC و ...

3- تجهیزات الکتریکی مانند ups ، power meter و ...

4- تجهیزات مخابراتی مانند مودم، آنتن و ...

نرم افزاری که در اتاق کنترل سیستم اتوماسیون مورد استفاده قرار می گیرد، قابلیت های زیر را دارد:
1-     نمایش اطلاعات هواشناسی منطقه 
2-     نمایش فشار، مقدار جریان و ولتاژ هر الکتروپمپ و .... 
3-     نمایش مقدار رطوبت خاک و موقعیت تجهیزات آبیاری 
4-     چاپ و ذخیره سازی تمام اطلاعات از قبیل نمودارها و جداول 
5-     تعیین سطوح دسترسی مختلف برای پرسنل با سمت های متفاوت 
6-     محاسبه مجموع ساعات فعال بودن هر پمپ 
و .....
باید دقت داشت همان گونه که گفته شد، سامانه های آبیاری تحت فشار، دارای انواع مختلفی هستند (آبیاری قطره ای،آبیاری بارانی ثابت و متحرک و ...)، و تمام آنها از قابلیت یکسانی جهت ارتقاء سطح مکانیزاسیون به اتوماسیون برخوردار نیستند. به عنوام مثال یک سیستم آبیاری قطره ای از سطح آستانه اتوماسیون قابل توجیح تری نسبت به آبیاری بارانی ثابت، برخوردار است. این بدان معناست که به دلیل اینکه سیستم اول دارای درجه اتوماسیون بالاتری نسبت به سیستم دوم نامبرده شده می باشد، سیستم مکانیزاسیون آن با صرف هزینه و وقت کمتر و همچنین با اعمال تغییرات کمتری قابلیت تبدیل به یک سیستم اتوماسیون را دارد.
همچنین باید مد نظر داشت که خودکار نمودن سیستم آبیاری تحت فشار، می تواند شامل یک یا چند قسمت از بخش های آن را شامل گردد. بخش های مختلفی مانند :
-         ایستگاه پمپاژ 
-         انتقال آب 
-         توزیع آب 
-         ادوات کنترل آبیاری و مدیریت در دفتر مرکزی (اتاق کنترل) 
-         و .....

به طور کلی  و بر اساس نتایج مطالعات انجام شده، با اجرای اتوماسیون در سامانه های آبیاری تحت فشار ، اهداف ذیل قابل دستیابی است:

 1) اهداف بهره برداری

با اجرای اتوماسیون، مدیریت بهره برداری با دریافت اطلاعات جامع، کامل و به موقع از واحدهای آبیاری مختلف قادر خواهد بود تصمیم مناسبی را اتخاذ نماید تا با کمترین هزینه بتواند بیشترین کارائی را برای آنها ایجاد نماید. به این منظور و با نصب تجهیزات ابزار دقیق، نمایش وضعیت و اطلاعات مربوط به کلیه تجهیزات و پارامترهای هواشناسی منطقه به صورت لحظه ای توسط سیستم فراهم می شود. این اطلاعات می تواند به صور مختلف مانند نمودار و یا گزارش وضعیت ثبت و ذخیره گردند و در نتیجه اطلاعات جامعی از سوابق و رفتار کلیه تجهیزات، تأسیسات و پارامترها را فراهم نماید.

2)اهداف کنترلی

مابین تجهیزات مختلف واحدهای آبیاری اعم از چاهها، ایستگاه های پمپاژ، ایستگاه کنترل مرکزی و ... ارتباط لازم برقرار می شود. مثلاً بوسیله اندازه گیری میزان تبخیر و تعرق هوا( ETₒ ) و ضریب گیاهی ( Kc ) و اندازه گیری میزان بارنگی ( R )، برنامه آبیاری گیاه و در نتیجه واحد آبیاری مشخص می شود. الکتروپمپ نصب شده در چاه و شیرهای برقی مربوطه به هر واحد آبیاری متناسباً فعال و غیر فعال می گردند. بدین منطور با نصب تجهیزات کنترل اتوماتیک و کنترل از راه دور و سیگنال های فرمان، پارامترهای زراعی مختلفی همراه با اطلاعات هیدرولیکی شبکه و پارامترهای هواشناسی به صورت لحظه ای دیده شده و کنترل می گردند.کنترل مقدار آب لازم با توجه به نوع گیاه و پارامترهای هواشناسی مانند رطوبت نسبی، سرعت و جهت باد، درجه حرارت، ساعات آفتابی و میزان بارندگی انجام می گیرد و همزمان از طریق کنترل دور الکتروپمپ ها، دبی و فشار مورد نیاز شبکه در حد مطلوب نگهداشته می شود.

آنچه را که از سیستم های اتوماسیون آبیاری تحت فشار به عنوان یک ناظر قدرتمند می توان انتظار داشت، پایش لحظه به لحظه سیستم از طریق کنترل کلیه پارامترهای مورد نیاز کشاورزی به شرح ذیل می باشد:
-         پارامترهای هواشناسی (رطوبت نسبی، درجه حرارت، سرعت، شدت و جهت وزش باد، ساعات آفتابی، میزان بارندگی) 
-         پارامترهای هیدرولیکی شبکه (دبی و فشار آب) 
-         مدت زمان کارکرد سیستم های آبیاری 
-         روشن و خاموش کردن پمپ ها و ادوات آبیاری 
-         پارامترهای کیفی آب 
-         کارکرد متوالی، موازی و همزمان واحدهای آبیاری 
-         سطح استاتیک و دینامیک چاه ها 
-         پارامترهای حدی و حفاظتی الکتروپمپ های چاه ها و ایستگاه های پمپاژ 
-         سهم آب مصرفی هر یک از واحدهای آبیاری

بحث و نتیجه گیری

به طور خلاصه، اجرای اتوماسیون در سیستم های مکانیزه می تواند اهداف زیر را محقق سازد:
-         امکان تسلط کامل نرم افزاری و سخت افزاری بر کارکرد سیستم آبیاری و فرآیند تولید، انتقال و توزیع آب 
-         تأمین به موقع و به اندازه نیاز آبی گیاهان مورد نظر 
-         کاهش قابل توجه انرژی الکتریکی مصرفی 
-         افزایش تولید محصولات کشاورزی در واحد سطح 
-         امکان مدیریت مصرف انرژی و بیهنه سازی در مصرف آن 
-         کاهش هزینه های نیروی انسانی و ترابری در اثر حذف بازدیدهای بی مورد 
-         حذف خطاهای انسانی 
-         ایجاد برنامه انعطاف پذیر نزدیک به آبیاری ایده آل 
-         کاهش قابل توجه استهلاک تجهیزات و تأسیسات زیربنایی 
-         کاهش قابل توجه هزینه تعمیرات و اعمال روش های مهندسی نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه صرفه جویی در مصرف نهاده ها 
-         ایجاد امکان گزارش گیری و بررسی آماری کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت هزینه های تولید، انتقال و توزیع آب

توجه به این نکته ضروری است که در کشور ما تقریباً هیچ آبیاری به صورت علمی صورت نمی گیرد و نیاز آبی گیاه به طور دقیق محاسبه نمی شود. در نتیجه کل سیستم یا کمتر از حد نیاز آب مصرف می کند که در این صورت گیاه دچار صدمه می شود و یا بیشتر از حد نیاز، آب استفاده می گردد که موجب هدررفت آن خواهد شد. اما درسیستم اتوماسیون آبیاری تحت فشار، نیاز آبی گیاه روزانه و به طور دقیق و علمی محاسبه شده و در اختیار گیاه قرار می گیرد. در این سیستم میزان تبخیر – چنانچه بیان گردید- به طور دقیق محاسبه می شود و از این طریق تنها آب مورد نیاز گیاه در اختیار آن قرار خواهد گرفت. به طور مثال در یک روز ابری که میزان تعرق گیاه نسبت به یک روز آفتابی کمتر است، گیاه به آب کمتری نیاز دارد؛ این موضوع در سیستم اتوماسیون لحاظ شده و در نظر گرفته می شود. در صورتیکه در سیستم های معمولی، آبیاری بدین شکل انجام نمی گردد. در کل می توان این موضوع را بدین صورت مطرح کرد که اتوماسیون سیستم آبیاری تحت فشار، باعث افزایش راندمان آبیاری سیستم می شود که این امر به نوبه خود موجب صرفه جویی در مصرف آب شده و متعاقب آن می توان سطح زیر کشت را افزایش داد. از طرف دیگر اگر افزایش سطح زیر کشت را نداشته باشیم، برداشت کمتر آب از سفره های آب زیر زمینی را شاهد هستیم که ماحصل آن توسعه پایدار کشاورزی در کشور عزیزمان خواهد بود.


منابع
1-     زارعی، ق . سید حسین صدر قائن . 1383 . سیمای توسعه روش های آبیاری بارانی در ایران تا افق 1400 . مجموعه مقالات کارگاه فنی آبیاری بارانی . کرج . 
2-     علیزاده ، امین .1380 . اصول عملیات آبیاری قطره ای . انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد 
3-     ولی زاده ، ناصر . 1386 . خودکار نمودن سامانه های آبیاری تحت فشار . نشریه آبیاری و زهکشی ایران . شماره 5 .

4-Irrigation Journals

5-Rain bird irrigation products , USA

6-WWW.rain man.COM.au