کاربردهای کامپیوتر در آبیاری و زهکشی

امروزه کامپیوتر در تمام ابعاد و جنبه های مختلف سیستم های زهکشی وارد شده است. با استفاده از کامپیوتر و مدل های کامپیوتری حتی نیاز به کارهای مرسوم آزمایشگاهی نیز نمی باشد. کاربرد کامپیوتر در مباحث زهکشی مفاهیم و روش های جدیدی را باعث شده است. با این وجود گرچه روش های کامپیوتری جایگزین روش های محاسباتی قدیم شده اند اما برنامه های کامپیوتری نمی توانند درک صحیحی از فرایندها را به مهندسین طراح القا نمایند. در ادامه به کاربرد کامپیوتر در آبیاری و زهکشی می پردازیم.

کاربردهای کامپیوتر در طراحی زهکش

برخی از برنامه های کامپیوتری فقط برای محاسبات طراحی به کار برده می شوند. مثلا قادرند معادلات هوخهات، مانینگ و استریکلر را حل نمایند. این برنامه ها ممکن است عملیات رسم نقشه ها یا جداول طراحی را نیز انجام دهند. از جمله این نرم افزارها می توان به بسته نرم افزاری CAD (طراحی به کمک کامپیوتر، Computer Aided Design) اشاره کرد. اکثر برنامه های کامپیوتری که در طراحی سیستم های زهکشی به کار گرفته می شود توسط افراد یا شرکت های خصوصی و برای مصارف داخلی تهیه شده و در بازار موجود نمی باشند. با این وجود تعدادی نرم افزار تجارتی نیز ساخته شده است که دسترسی عموم به آن آزاد است.

سیستم های مزرعه

فائو و برخی موسسات دیگر نرم افزارهایی را برای طراحی زهکش های مزرعه تهیه و ارائه نموده اند. این نرم افزارها در دو حالت ماندگار و غیر ماندگار کاربرد دارند. در این نرم افزارها برای شرایط ماندگار از روش توکسوز –کرکهام استفاده شده و با داشتن قطر لوله زهکش فاصله زهکش ها محاسبه می شود.

یکی از نرم افزارهای موجود DRAINCAD می باشد که توسط مرکز مهندسی آبیاری در دانشگاه لوون بلژیک تهیه شده است. برای استفاده از این نرم افزار لازم است نقشه زمین مورد نظر در اتوکد دیجیت شده تا نرم افزار فاصله زهکش ها را مطابق با شرایط زمین از طریق فرمول های هوخهات و گلوور-دام محاسبه نماید. DRAINCAD برخی جنبه های هیدرولیکی کانال ها را نیز محاسبه می کند. این برنامه قادر است به سیستم اطلاعات جغرافیایی مانند ARC/INFO نیز اتصال پیدا کند.

سازمان طرح های زهکشی وابسته به وزارت منابع آب مصر نیز نرم افزاری با عنوان DRAINGIS ارائه نموده است که محاسبات طراحی سیستم های مرکب لوله های زهکش را با استفاده از اطلاعات صحرایی و نقشه های دیجیت شده انجام و نقشه سازه های وابسته به سیستم را نیز تولید می کند. مهندسان مشاور آمریکایی و کانادایی نرم افزارهای مختلفی را برای طراحی در مقیاس بزرگ تهیه و در پروژه هایی مانند طرح ISAWIP در مصر یا طرح RAJAD در هندوستان با موفقیت به کار برده اند. این نرم افزارها به صورت تجارتی در بازار موجود نمی باشد.

سیستم های کانال

از کامپیوتر به خوبی می توان در محاسبات طراحی کانال ها استفاده کرد. در روش های محاسبات دستی غالبا از جداول و گراف ها استفاده به عمل می آید که دارای دقت کافی نمی باشند. علاوه براین کامپیوتر این امکان را فراهم می سازد که محاسبات را برای شرایط مختلف و در مدت بسیار کوتاه تکرار کرد. برنامه های موجود در بازار، طراحی کانال ها را در دو وضعیت ماندگار و غیر ماندگار انجام می دهند. از جمله این برنامه ها می توان به HEC-2 اشاره کرد که توسط مهندسان مشاور ارتش آمریکا تهیه شده و در اختیار عموم قرار دارد. نرم افزار دیگری که قادر است طراحی را در وضعیت غیر ماندگار انجام دهد HEC-RAS می باشد که توسط سازمان حفاظت منابع آمریکا تهیه شده است. از برنامه های موجود دیگر نرم افزار موسوم به DUFLOW می باشد که معادلات سنت ونان را برای کانال ها در وضعیت غیر ماندگار به صورت عددی حل می کند. برخی از این برنامه ها دارای امکانات لازم به منظور لحاظ کردن وضعیت کیفی آب نیز می باشند.

تهیه نقشه ها و فهرست اقلام

برای تهیه نقشه های سیستم زهکشی و پروفیل طولی و عرضی خطوط لوله و کانال ها و نیز تهیه لیست اقلام مورد نیاز طرح و فهرست قیمت ها نیز نرم افزارهای متعددی در بازار موجود است که می توان از آنها استفاده کرد.

مدل های رواناب-دبی

تعداد زیادی مدل های کامپیوتری وجود دارند که با آنها می توان رواناب حاصله از بارندگی را شبیه سازی کرد. با استفاده از این مدل ها می توان نیازهای زهکشی را در حوضه های آبریز کوچک و بزرگ و یا قطعات اراضی کشاورزی به دست آورد. مدل های مرسوم به TR-20 و HEC-1 و DUFLOW در این موارد بسیار به کار گرفته می شوند.

مدل TR-20

نشریه فنی شماره 20 (TR-20) سازمان حفاظت منابع آمریکا در مورد این مدل بوده و با اجرای آن می توان هیدروگراف سیل حاصله از انواع بارش ها را به دست آورد. این مدل عملیات روندسازی سیل در رودخانه یا مخازن را نیز انجام می دهد. با وارد شدن سیل از شاخه های مختلف و ملحق شدن به آبراهه اصلی، با یکدیگر ترکیب شده و در نهایت هیدروگراف نهایی محاسبه می گردد. گرچه نرم افزار TR-20 ابتدا در سال 1964 و به زبان فورترن نوشته شده اما بعدا نسخه PC آن و بعد از آن در سال 1992 نسخه قابل استفاده با ویندوز نیز تهیه گردید.

مدل HEC-1

این مدل در دهه 1980 میلادی توسط مهندسان مشاور ارتش آمریکا تهیه گردید. این نرم افزار قادر است هیدروگراف سیل حاصله از باران های غیر یکنواخت را تهیه و آن را بر اساس مخازن و مسیر رودخانه ها روندسازی نماید. این نرم افزار برای استفاده عموم در اختیار می باشد. شکل زیر تصویر یک حوضه زهکشی برای استفاده در HEC-1 را نشان می دهد.

مدل DUFLOW

مدل DUFLOW نیز یکی از مدل های شبیه سازی رواناب در مقابل بارندگی است. این مدل مناسب اراضی مسطح با زهکش های زیرسطحی است که شرایطی مانند هلند را تداعی می کند. در این مدل جزء رواناب – بارندگی با علامت RAM از آن ذکر می شود و لذا مدل به نام DUFLOW/RAM نیز مشهور است. با این مدل می توان دبی زهکشی را در اراضی کشاورزی و یا پارک ها پیش بینی نمود. عملیات روندسازی نیز توسط این مدل انجام می شود. در سال 2003 نسخه جدید این مدل به نام DUFLOW/DMS ارائه گردید که بخش طراحی سازه های کنترل آب مانند سرریز و آبگذر و … به آن افزوده شده است.

مدل های جریان آب زیرزمینی

این مدل ها برای مسائل پیجیده آب زیرزمینی که امکان حل تحلیلی آنها وجود ندارد به کار می رود. روشی که در اکثر این مدل ها برای حل معادلات لاپلاس به کار می رود روش موسوم به شبکه جریان یا روش مربع ها می باشد. تمام این روش ها در واقع به صورت عددی اجزلء محدود یا عناصر محدود می باشند. اگر روش های قبلی بر اساس حل معادلات دو بعدی در وضعیت ماندگار استوار بود در مدل های کامپیوتری وضعیت غیر ماندگار و حالت غیر همروند و چند لایه ای آبخوان نیز لحاظ شده است.

مدل های صفحه گسترده

این مدل ها که نسخه صفحه گسترده مدل MODFLOW می باشد به سرعت جایگزین سایر مدل های کامپوتری می گردد. در صفحات گسترده نیاز به نرم افزار خاصی نبوده و می توان با آن زهکش های حائل را در وضعیت ماندگار و جریان دو بعدی طراحی کرد. در صفحات گسترده غالبا استفاده از فرمول هوخهات کفایت کرده و برای محاسبه فاصله زهکش های زیر سطحی این معادله جایگزین معادلات دیگر شده است.

مدل MODFLOW

این مدل از نوع سه بعدی جریان آب زیرزمینی است که توسط سازمان زمین شناسی آمریکا تهیه گردیده و روشی که در آن به کار گرفته شده است روش تفاضل های محدود است. از زمان ارائه اولین مدل، تغییرات و اصلاحات زیادی روی آن انجام شده است. در نسخه های جدی این مدل امکان استفاده از GIS و یا لحاظ کردن شوری و یا کیفیت آب و حمل آلاینده ها نیز به آن اضافه شده است. از جمله نسخه های جدید را می توان MODFLOW/GMS و یا MS-VMS/MODFLOW-SURFACE را نام برد.

مدل SGMP

با مدل برنامه استاندارد آب های زیرزمینی که با نام SGMP معروف است می توان تاثیر انسان از طریق طرح های آبیاری و زهکشی، تغذیه مصنوعی و استخراج آب از چاه بر آب های زیرزمینی را تحلیل کرد. در این مدل منطقه مورد نظر به تعدادی چند ضلعی که هر کدام از آنها در داخل منطقه در نقش یک چاه و در خارج از منطقه نقش مرزها را بازی می کنند تقسیم می شود. از این مدل به خوبی برای طراحی سیستم های زهکشی لوله ای در پاکستان و هندوستان استفاده شده است.

مدل های اگروهیدرولوژیکی

مدل هایی نیز وجود دارد که با استفاده از آنها می توان وضعیت شوری خاک، رطوبت خاک و رژیم سطح ایستابی را در اثر استفاده ها و مدیریت های مختلفی که صورت می گیرد مشخص نمود. برخی از این مدل ها رشد گیاه را نیز در نظر می گیرند. برای واسنجی این مدل ها غالبا از داده های گذشته و یا آزمایشی استفاده می گردد. دو مدل عمده اگروهیدرولوژیک عبارتند از مدل DRAINMOD و SWAP. مدل DRAINMOD در سال های دهه 1960 میلادی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی در آمریکا توسعه یافت و مدل SWAP در سال های دهه 1970 در دانشگاه واخنینگن هلند تهیه گردید. مدل DRAINMOD بر اساس توازن آب و روابط تجربی استوار می باشد در حالی که در مدل SWAP رژیم آب – خاک بر اساس حرکت آب در خاک و سرعت تبخیر – تعرق استوار می باشد. گرچه استفاده های کاربردی زیادی از اینها برده شده است اما هنوز می توان گفت که مدل های فوق بیشتر خاص پروژه های تحقیقاتی می باشند.

داده های ورودی در مدل DRAINMOD که در حال حاضر نسخه 5 آن در بازار موجود است عناصر هواشناسی، خصوصیات خاک و گیاه و مختصات جغرافیایی محل می باشد. مدل DRAINMOD اصولا یک مدل یک بعدی است ولی مسائل مربوط به حرکت جانبی و نشت در دامنه تپه ها را نیز می توان با آن حل کرد. شکل زیر تصویری شماتیک از مدل DRAINMOD را نشان می دهد.

مدل مرسوم به SWAP یا سیستم آب، خاک، اتمسفر، گیاه نسخه تکامل یافته مدل های SWATRER و SWACROP می باشد. با توجه به شکل زیر در این مدل بخش جریان عمودی و غیر اشباع با استفاده از معادلات ریچارد شبیه سازی شده است و جذب آب توسط ریشه با استفاده از توازن تعرق گیاه محاسبه می گردد. محاسبات کنترل سطح ایستابی در این مدل با معادله های ارنست و هوخهات انجام شده است و این مکان وجود دارد که تغییرات موضعی خصوصیات فیزیکی خاک و یا لایه ای بودن آن نیز در نظر گرفته شود. در محاسبات تبخیر – تعرق از روش پنمن – مونتیث سود جسته شده است. در سال های دهه 1980 بخش مربوط به شوری آب و خاک نیز به این مدل افزوده شد.

مدل های پیش بینی شوری

این گروه از مدل ها برای پیش بینی رژیم شوری خاک تحت شرایط مدیریتی مختلف به کار برده می شوند. مدل های DRAINMOD و SWAP در نسخه های جدید خود این امکان را فراهم می سازند تا کاربر بتواند درجه شور شدن خاک را نیز پیش بینی نماید. علاوه بر آن مدل خاص بررسی شوری خاک نیز وجود دارد که از جمله می توان به DRAINSAL، SALTMOD و WATSUIT اشاره کرد. مدل DRAINSAL توسط مرکز تحقیقات شوری هندوستان ارائه گردیده است. مدل DRAINMOD در هلند توسعه داده شد. مدل WATSUIT در مرکز تحقیقات شوری آمریکا تهیه گردیده شد.