النباتات والزراعة

العوامل التي تعتمد عليها تحديد طول الأنابيب في منظومة الريّ بـ”التنقيط”

1995 ري وصرف ومعالجة التملح

د.علي عبدالله حسن

KFAS

العوامل التي تعتمد عليها تحديد طول الأنابيب في منظومة الريّ بالتنقيط النباتات والزراعة الزراعة

الجزء الآخر المهم في منظومة الري بالتنقيط هو الأنابيب ، لهذا فإن اختيار أبعاد الأنابيب بعد من الزاوية التصميمية أساسياً وهنا تبرز مجموعة عوامل محددة لطول الأنابيب .

– العامل الأول – الضغط في الأنبوب

تعمل معظم النقّاطات في ضغوط جوية من [58] (1 – 2at) .  لذا فمن المتطلبات التصميمية الأساسية جعل تغيرات الضغط داخل الانبوب صغيرة ، وذلك من منظور أن هذه التغيرات تؤثر في العطاءات المائية . 

فمثلاً التغير في العلو بين بداية ونهاية الأنبوب بمقدار متر واحد (وهذا عادي في الحقل) سيعطي تغيراً في الضغط بنسبة 10% في أنبوب ضغطه الداخلي يعادل ضغطاً جوياً واحداً .   

في حين قد يصل هذا التغير إلى حدود 30 – 50% في أنبوب ضغطه الداخلي ، بحدود 0,2 – 0,3 ضغط جوي  [58].  لهذا السبب فقد اعتمدت نّقاطات في الري الحقلي ضغوطها بين 1-2 ضغط جوي . 

في حين تكون الضغوط المعمول بها في البيوت الزجاجية ، وما شابهها ، في حدود  0.2 – 0.4 ضغط جوي ، وذلك لكون سطح التربة في مثل هذه المساحات سيكون مستوياً.

 

وفي الحالات التي يكون فيها الضغط في حدود  1 – 3ضغط جوي يمكن أن يتمثل العطاء المائي q كتابع للضغط ، وذلك تبعاً للمعادلة التالية  [58]:

 

علماً أن :

A = عامل يتحدد من خلال فتحة النقّاط .

P = ضغط الماء في بداية النقّاط  .

m = عامل يمثل تصاعد منحنى العطاء المائي كتابع للضغط (انظر الشكل – 35) ويتغير العامل m تبعاً لنوع النقاط .

عندما تتناقص m يتناقص تصاعد المنحنى وبالتالي فإن تأثير الضغط الداخل للنقاط على العطاء المائي يصبح أصغر .

وهذا يعني أنه عند فرق عطاء حالي من  معطي (وذلك بين أبعد نقاطين على الأنبوب) ، الذي يمكن من وضع عدد أكبر من النقاطات على الأنبوب ، وبالتالي تصبح الإمكانية في مثل هذه الحالة متوافرة لتطويل الأنبوب لكن ، وفي معظم الحالات ، تختلف قيمة m  النظرية المحسوبة عن القيمة الوسطية التي تم التوصل إليها في المخبر  [58]

وعلى سبيل المثال فإن القيمة المحسوبة لـــ m هي (m = 0,5) لكن عند القياسات المخبرية تراوحت هذه القيمة بين [58] 0,36 – 0,6

 

وتتمثل هذه الاختلافات عن مؤثرات عديدة منها : أسلوب صناعة النقاطات ، ونوع المادة ، التي صنعت منها هذه النقاطات ، وأيضاً شكلها الهندسي . 

هذا إضافة إلى العطاء المائي ، وكذلك بسبب تاثير الطبقة الحدية الناتجة عن مقاييس صغيرة للنقاط  [58].

وتبعاً لمعطيات منشورة ]في [58 فقد تم قياس عدد كبير من قيم m لنقّاطات مختلفة ، وتراوحت هذه القيم بالنسبة لنوع “orifice” بين 0,38-0,6)) ولنوع (long-flow-path) بين (0,50-0,81) .

 

ولتوضيح تأثير m على طول أنبوب التنقيط تم إعطاء مخطط بياني يمثل العلاقة بين تغير الطول ℓ كنسبة مئوية لمجمل طول أنبوب التنقيط ، وذلك كتابع لـــ m (انظر الشكل : 36)

تبعاً للشكل : 36 أعلاه فإن تزايد m من 0,5 إلى 1,0 سينتج عنه تناقص في طول الأنبوب بمقدار  25%.

أما تأثير m على عدد النقّاطات التي يمكن تثبيتها على الأنبوب ، وذلك بالنسبة لأنواع مختلفة من النقّاطات ، فيوضحها الجدول 44 التالي :

 

العامل الثاني : هو عامل الخسارة

نوعية النقاط سواء أكانت من نوع “insert” أو نوع “In – line” وأيضاً شكله الهندسي وحجمه بالمقارنة مع القطر كلها عوامل تؤثر في مقاومة التدفق في نقطة الوصل مع الأنبوب ، وأيضاً في مجمل الخسارة في الضغوط ، وبالتالي في الطول . 

ويمكن التعبير عن هذه العلاقة بالمعادلة التالية [58] .

علماً أن :

= الخسارة في الضغوط في نقطة الوصل مقدرة بالمتر عمود مائي (m) .

= عامل الخسارة للنقاط في نقطة الوصل .

=  سرعة تدفق السائل (m/s) .

g = التسارع الأرضي (981 cm/s2) .

 

المعادلة (91) أعلاه تمكننا ، وذلك بالاستناد إلى تجارب مخبرية من قياس لأنواع مختلفة من نقاط وصل النقَّاطات على الأنبوب . 

أما الحسابات الهيدروليكية والمدققة بوساطة الاختبارات المخبرية فتبين أن أنبوب النقّاطات التي تبلغ قيمة له 0,5 هو عادة 10% اقصر من ذلك الذي تبلغ قيمة له 0,05 وذلك في حال أن العوامل الأخرى بقيت ثابتة  [58].

أما في حال ارتفاع قيمة من 0,5 إلى 1,0 عندئذ يتغير طول الأنبوب بمعدل 7% (انظر الشكل : 36) .

 

أما النقّاطات من نوع “Insert” فتتحدد قيمة Kd لها بالعلاقة بين قيمة غرز النقاط في الأنبوب من جهة ، وبين قيمة المقطع الداخلي للأنبوب من جهة أخرى . 

وهكذا يمكن أن تكون قيمة لنقّاط من هذا النوع منساوية للصفر وهذا ما تم التوصل إليه بالقياس المخبري [58] ، وذلك في حال أن النقّاطات من هذا النوع قد ثبتت على أنبوب بقطر  20mm

كما يمكن أن تكون قيمة كبيرة جداً أيضاً ، وحتى تصل إلى 1,8 عند التثبيت على أنبوب بقطر  12mm.  وهذا ما يوضحه الشكل 37 .

 

أما قيمة للنقاطات من نوع “In-line” فتتعلق بشكل الوصل ، وشكل مقطع التدفق في النقَّاط .  فمثلا ًالتوسع والتضييق في مقطع التدفق للنقّاطات ترفع مقاومة التدفق في نقاط الوصل ، وبالتالي تكبر الخسارة  [58].

وتبعاً لمعطيات منشورة في (58) فإن وصل النّقاطات يجب أن يأخذ بعين الاعتبار اتجاه حركة الماء .  فمثلاً بالنسبة للنقّاطات من نوع “In-line” فإن تثبيت النقّاطات بالاتجاه المعاكس لحركة الماء لا يؤثر حسب المرجع أعلاه في قمية لكن على الرغم من ذلك ينصح باعتماد الوصل بالطريقة المعاكسة ، وذلك خوفاً من تأثير ذلك في تدفق الماء . 

لكن هذا القول لا ينطبق على النقّاطات من نوع “insert” حيث إن نقاط دخول الماء ليست في منطقة القمة من قطعة الوصل .  وفي هذا النوع يكون لدخول الماء تأثير واضح في التدفق.

 

العامل الثالث التوزع المتجانس للعطاءات المائية

تعدّ القيم المعطية للنقّاط [58] عاملاً مهماً في تحديد طول الأنبوب .  أما المعادلة التي تعطي عدد لنقاطات على أنبوب واحد ، فهي عبارة عن تابع متعلق بمجموعة من العوامل ، وهي توضح أن  nمتناسبة مع القيمة 

من الزاوية التصميمية فإن التوجه عادة نحو تحديد طول أنبوب النقَّاطات لجعل التغيرات في العطاءات المائية أصغر ما يمكن ، وذلك للحد من الاختلافات في العطاءات المائية ، وبشكل خاص ، بين أول وآخر نقّاط على الأنبوب ، وجعلها في حدودها الدنيا . 

برغم هذا ، إلا أن التجارب الحقلية تثبت أن الاختلافات في العطاءات المائية هي القاعدة .  هذا الواقع يؤثر بطبيعة الحال في التوزع المتجانس للماء في الحقل .

 

أما العوامل المؤثرة في التوزع المتجانس للماء ، فهي عديدة ومنها : الشكل التصيميم للنقاطات ، والمادة المصنوع منها النقَّاط ، وكذلك علمية الصنع نفسها . 

وهنا تجدر الإشارة إلى أن أبسط أنواع النقّاطات المتمثلة بالثقب في جدار أنبوب التنقيط ستتأثر أيضاً بالتغيرات في سماكة جدار الأنبوب ، وأيضاً بكيفية صنع الثقوب نفسها.  

هذا إضافة إلى عدم التجانس الذي يمكن أن يحصل في جدار الانبوب نييجة لعملية صنع الثقب نفسها  [58].

 

لهذا فإن الدقة في العطاءات المائية المعتمدة بالنسبة للنقَّاطات هي عادة في مجال (2-7%)، وهذا بالنسبة للعطاءات المسجلة عادة في وثيقة الصنع  [58].

أما الثقوب البسيطة في جدران الأنابيب ، التي يمكن اعتمادها كنقَّاطات فإن التجارب الحقلية أثبتت عدم تجانس تدفقها المائي والاختلافات في العطاءات المائية وصلت في هذا الشكل إلى حدود (15-50%) في القيمة المعطية [58]

إضافة إلى ذلك هنالك إشكالات أخرى يمكن أن تحصل نتيجة للاستعمال الكثيف مثل تضييق مقطع السيلان الأمر الذي سيؤدي إلى تغيرات في العطاءات المائية .

 

وتبعاً لمعطيات منشورة ] في [58 هنالك متطلبات من الواجب توافرها في النقَّاطات هي :

– العطاء المائي الوسطي للنقاط يجب أن يقع في مجال 71,4% من القيمة المعطية في وثيقة الصنع للنقّاط (الكاتالوغ) .

– أما مقياس العطاء المائي للنقاط فيجب أن يتم تحت ضغط 1 bar (ضغط واحد جوي) .  ويجب أن تبقى هذه القيمة المقاسة للعطاء المائي تحت هذه الشروط في مجال ± 8% من قيمة المعطية .

 

العامل الرابع : التغير في العطاء المائي  للنقَّاط الأخير على الأنبوب

يعني التغير في العطاء المائي للنقَّاط هنا الاختلاف الأعظمي للنقاطين الواقعين في طرفي أنبوب التنقيط الواحد . 

ويحصل هذا الفرق بسبب تغير الضغط في الأنبوب ، والناتج عن الخشونة من جهة ، وعن فرق سوية سطح التربة من جهة أخرى .

ويكن القول ، في هذا المجال ، إنه لدى التزايد في نقص القدرة يتزايد عندئذ الفرق في العطاء المائي للنقاطين الواقعين في طرفين الأنبوب الواحد .  وهذا ما يتسبب في تصغير طول الأنبوب .

 

أما القيمة الرقمية لـــ فتتحدد بعدد من العوامل منها : نوع المحصول الزراعي ، وأيضاً بأسباب اقتصادية . 

من ناحية أخرى واستناداً إلى معطيات تجريبية [58] فإن الطابع العام للعطاء المائي كتابع للخسارة في الضغط (في الأنبوب الأفقي على وجه التخصيص).

هو التناقص في بداية الأنبوب بشكل ملحوظ ومن ثم الاستقرار بعد ذلك مع طول الأنبوب (انظر الشكل : 38) .التغير في العطاء المائي على طول أنبوب التنقيط ]من [58

علماً بأن :

= تدفق كل نقّاط؛ ni = عدد النقّاطات على كل أنبوب .  أما

1 = المجال الذي يكون فيه التدفق أكبر مما هو مخطط .

2 = التدفق المخطط .

 

العامل الخامس : مجمل الخسارة في الضغوط

يمثل مجمل الخسارة في الضغوط لمنظومة التنقيط مجموع الخسارات في الضغوط للأجزاء المختلفة من منظومة التنقيط ، وذلك تبعاً للمعادلة التالية  [58]:

وهكذا فإن الخسارة في الضغوط في مقطع من المنظومة عبارة عن مجموع الخسارات في الضغوط الناتجة عن كل من الخشونة وتلك الناجمة عن الوصل والأخرى الناتجة عن ميل الأنبوب 

ويمكن أن يكون العامل الأخير موجباً (أي صاعداً) أو سالباً (أي هابطاً) .  وبهذا تأخذ العلاقة الشكل التالي  [58]:

أما خسارة الضغوط الناتجة عن تأثير الخشونة فيمكن حسابها تبعاً للمعادلة التالية  [58]:

حيث إن b هي المسافة بين نقَّاطين ، و d القطر الداخلي للأنبوب مقدرتان بالمليمتر  (mm).

 

من ناحية أخرى يدخل عامل الخشونة في علاقة رياضية تبعاً للمعادلة التالية  [58]:

أما الخسارة في الضغوط الناتجة عن الوصل بين النقَّاطات والأنبوب ، فتحسب تبعاً للعلاقة التالية  [58]:

 

في حين تحسب الخسارة في الضغوط الناجمة عن ميل التربة تبعاً لوضعية الميل سواء أكان صاعداً أم هابطاً .  وهذا ما سنعود إليه لاحقاً وبشكل أكثر تفصيلاً .

استناداً إلى معطيات منشورة في (58) يمكن وصف مجمل الخسارة في الضغوط بأنها تابع لتغير العطاء المائي وهكذا يمكن اعتماد برنامج خاص لهذا الغرض ، وإجراء عملية الحساب بوساطة حاسبة أليكترونية .

مثل هذه الحسابات المعتمدة على الحاسبة الإليكترونية ،  التي تتناول العلاقة بين مجمل الخسارة في الضغوط والتغير في العطاء المائي ، تستعمل عادة للتوصل إلى الطول الأمثل للأنبوب ، وكذلك للأطوال القصيرة المتكيفة مع طول الحقل . 

كما لا بدَّ من التنويه هنا بأن حساب مجمل الخسارة في الضغوط ضروري لتحديد ضغط الماء اللازم في بداية الأنبوب .

 

العامل السادس : قطر الأنبوب

يتطلب التحديد الرياضي لطول الأنبوب الأمثل معرفة عدد النَّقاطات n الواقعة على هذا الأنبوب ، ذلك أن n تابع للقطر الداخلي للأنبوب وتتناسب مع العلاقة :

لهذا السبب يبدو تأثير القطر الداخلي للأنبوب جلياً لدى اعتماد الطول الأمثل لهذا الأنبوب . 

إضافة إلى ذلك يؤثر القطر الداخلي للأنبوب في عدد النَّقاطات ، وذلك بسبب تيار الماء "عدد راينولد" ، وكذلك بسبب الخسارة في الضغوط في الأنبوب ، حيث إن 

 

العامل السابع : ميل التربة

يؤثر ميل التربة (S) في طول أنبوب التنقيط ، بسبب تغير الضغط الناتج عن الميل ، الذي يكون موجباً عند الانحدار ، وسالباً عند الصعود .  وهكذا يمكن أن توجد ثلاث حالات للأنابيب في هذا المجال .

– الأنبوب الموجود على شكل أفقي، أي إن S=O.

في هذه الحالة لا يؤثر الميل في الضغط في الأنبوب .  ولهذا فإن الفرق الأكبر في العطاء المائي يكون في هذه الوضعية بين النِّقاط الأول والنَّقاط الأخير على الأنبوب .

 

– الأنبوب موجود على حقل ميل سطح تربته صاعداً ، أي إن

يتناقص الضغط في الأنبوب في هذه الوضعية مع مسار التدفق .وهنا كما هي الحال في الوضعية السابقة ؛ أي (S = O) ، يكون الفرق الأكبر في العطاء المائي بين النقاط الأول والأخير على الأنبوب .

 

– الأنبوب موضوع فوق حقل ميل سطح تربته هابطاً ؛ أي إن S < O .

في هذه الحالة يرتفع الضغط في الأنبوب باتجاه حركة السائل ، ويكون متناسباً طرداً مع قيمة الميل .ويتناقص هذا الضغط في الوقت نفسه أيضاً مع تزايد الخسارة الناجمة عن الخشونة .أما الفرق في العطاء المائي الأعظمي ، فليس بالضرورة في هذه الحالة بين أبعد نقَّاطين على الأنبوب .

والواقع أن النقطة التي تمثل أخفض ضغط تتحرك مع تزايد الميل في الأنبوب من آخر نقّاط وتتجه باتجاه أول نقّاط على الأنبوب .وهنا يمكن أن نصادف الاحتمالات التالية :

– النقص في الضغط الناتج عن الخشونة مساوياً في القيمة لارتفاع الضغط في الأنبوب ، والناتج عن الميل .

– النقص في الضغط بسبب الخشونة أكبر من زيادة الضغط بتاثير الميل .

– النقص في الضغط نتيجة للخشونة أصغر من الزيادة في الضغط الناجمة عن الميل .

 

العامل الثامن : درجة حرارة الماء

بشكل عام فإن المادة التي تصنع منها أنابيب التنقيط هي على الغالب من نوع "بولي – إيثلين"، التي يكون لونها أسود في أكثر الحالات .لذا فإن الأنابيب المعرضة بإستمرار لأشعة الشمس سيؤدي هذا الوضع إلى تسخين الماء الموجود داخل مثل هذه الأنابيب .

ويتناسب مستوى سخونة الماء مع شدة الإشعاع من جهة ، ومع مدته من جهة أخرى ، وكذلك مع نوع التربة ، وأيضاً مع تدفق الماء في الأنبوب ، والشيء الملاحظ هو أن ارتفاعاً في درجة الحرارة بمعدل (4.6 C°) غالباً ما يحصل [58] وقد يصل أحياناً هذا ارتفاع إلى (10 – 15 C°) .  

من ناحية أخرى ، فإن ارتفاع درجة حرارة الماء يقود إلى تخفيض اللزوجة .كما سيحصل تمدد للنقَّاطات نتيجة لارتفاع درجة الحرارة وهذا يؤدي إلى تمدد في مقطع السيلان .

 

ويمكن القول ، وبشكل عام ، إن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى تزايد في العطاءات المائية  [58].  وتبعاً لمعطيات تجريبية مستقاة ]من [58 يمكننا القول إن ارتفاع درجة الحرارة من 20C° إلى 30C° يؤدي إلى تغير في العطاءات المائية يتراوح بين  2 – 13%، وذلك تبعاً لمسافة التدفق لكل نقَّاط . 

أما في النقَّاطات التي يكون فيها عامل العلاقة بين الضغط والعطاء المائي مساوياً لـــ (m = 0,5) ، فإن التزايد يصل في حالة التيار العاصف (turbulent) إلى  2 – 4%، في حين يصل التزايد إلى حدود 10 – 13% في النقَّاطات التي يكون فيها العامل m = 0.8 (انظر الشكل – 39) .

لدى تعرض الأنابيب ، التي تكون نقَّاطاتها قيمة العامل m فيها عالية ، لأشعة الشمس ، فإن التجارب بينت أن النقَّاطات الأخيرة لمثل هذه الأنابيب تكون عطاءاتها المائية أكثر تزايداً على الرغم من كون الضغوط في نهاية الأنبوب تميل نحو الإنخفاض . 

 

من ناحية أخرى تتجاوب بعض النقَّاطات من نوع “orifice” مع ارتفاع درجة الحرارة بعطاءات مائية أخفض  [58].

نظراً لكون درجة الحرارة تتزايد مع طول الأنبوب فالنتيجة هي حصول فرق سوية في العطاءات المائية ، وهذا يقابله من ناحية أخرى تناقص في العطاء المائي بسبب عامل الخشونة . 

وهنا لا بدَّ من التأكيد على أن أخذ مثل هذه العوامل بعين الاعتبار ، عند تصميم منظومة التنقيط ، يجعل من الممكن اعتماد أنابيب أطول بالنسبة لــ نفسها . 

هذا إضافة إلى أن تزايد العطاء المائي نتيجة لارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى تحسين التوزيع المتجانس لعطاء المائي في الحالات التي يكون فيها عدد النقَّاطات كبيراً جداً .

وفي الأماكن التي تتعرض لإشعاع شمسي عالٍ يصبح من الممكن اعتماد نقَّاطات أكبر بثلاثة إلى ستة أضعاف العدد المحسوب تصميمياً ، لكن من المستحسن هنا اعتماد العدد النهائي للنقَّاطات في حالات كهذه استناداً إلى قياسات حقلية  [58].

 

العامل التاسع : توجيه العطاء المائي

المحاولات الأخيرة التي استهدفت تحسين توزيع العطاءات المائية للنقَّاطات وذلك بقصد التجانس في توزيع الماء قادت إلى تطوير أنواع من النقاطات القابلة للتوجيه .

يضيق مقطع السيلان في مثل هذه النقَّاطات عند ارتفاع الضغط في الأنبوب بشكل أتوماتيكي . أما إيجابيات مثل هذه النقّاطات الموجهة فهي  [58]:

– استخدام القدرة المائية لتطويل أنبوب التنقيط ، ذلك أن الضغوط المتزايدة تجعل تطويل أنبوب التنقيط ممكناً .  فالضغوط العالية للأنابيب تسمح باستخدام عدد أكبر من النقّاطات لكل تغير معطٍ للعطاء المائي .

– تحسين العطاءات المائية على طول الأنبوب .

– إمكانية استخدام التنقيط في طبغرافية غير مستوية .

 

أما كيفية عمل جهاز التوجيه فيتم بأن يصغر مقطع النقَّاط في النقَّاطات الموجهة مع تزايد الضغط في الأنبوب (مثلاً في بداية الأنبوب) .

ولتجنب الانسداد في مثل هذه النقاطات لا بدّ من تصفية الماء بوساطة فلتر .ويكون القياس المعتمد للفلتر في هذه الحالات هو مقطع السيلان الأصغر .وهنا لا بدّ من القول إنّ انسداد النقَّاطات الموجهة لا يمكن تجنبه بزيادة الضغط فيه .

وتبعاً لما تقدم سيزيد اعتماد الفلتر الناعم في مجال النقَّاطات الموجهة من التكاليف ، ولا يمكن استخدامه في الحالات العادية ، بل عند الضرورة القصوى فقط .