صرفهجویی قابل‌توجه تحویل آب کشاورزی برمبنای افزایش دقت اندازهگیری در ورودی شبکه های آبیاری با کاربرد یک تجربه جدید
در حال حاضر، سالانه و به طور متوسط حجم آبی در حدود 12 میلیارد متر مکعب، از 231 نقطه وارد شبکههای آبیاری کشور میشود. انتقال جریان به صورت عمده به نقاط فوق ثقلی بوده و اکثر نقاط ورودی به دریچههای تنظیم مجهز هستند. ایده اصلی طرح، استفاده از دریچههای تنظیم به عنوان ابزار اندازهگیری جریان به دلایلی از جمله سهولت بهرهبرداری، برخورداری توام از مزیتهای آن به عنوان سازه تنظیم و اندازهگیری، موجود در غالب نقاط ورودی و تحویل شبکههای آبیاری و کاهش قابل توجه هزینههای بهرهبرداری و نگهداری نسبت به ابزارهای الکترونیکی است. اجرای طرح به صورت پایلوت بر روی دریچههای قطاعی ورودی کانال اصلی شبکه آبیاری غرب دز انجام شد. مبنای طرح توسعه جداول ریتینگ سازه جهت تعیین دبی، میباشد. علاوه بر آن جهت تامین اهداف سیاستهای تحویل حجمی، جداول تعیین بازشدگی مورد نیاز دریچه به منظور گذار دبی یا حجم مشخصی از جریان، توسعه داده شد. بر مبنای سری اندازهگیریهای تاریخی انجام شده بر روی ورودی کانال مذکور، متوسط خطای تعیین دبی با استفاده از جدول ریتینگ توسعه دادهشده در حدود 3 درصد حاصل گردید. کارایی روش پیشنهادی، تحت تاییدیه رسمی شرکت بهرهبرداری از شبکههای آبیاری ناحیه شمال خوزستان، قرار دارد. در شرایط فعلی، متوسط خطای اندازهگیری بر اساس روشهای جاری در شبکههای آبیاری کشور، در حدود 15 تا 20 درصد ارزیابی میگردد. با اجراییسازی تجربه پیشنهادی در عمده نقاط ورودی شبکههای آبیاری و با فرض آنکه متوسط خطای اندازهگیری دبی از این تجربه، 5 درصد، لحاظ گردد، سالانه حداقل حجم آبی در حدود 600 میلیون مترمکعب قابل صرفهجویی و مدیریت میباشد.
تجربه پیشنهادی نسبت به راهکارهای مرتبط با ابزارهای اندازهگیری الکترونیکی، دارای پایداری بوده و بدون نیاز به فعالیتهای پشتیبانی قابل توجه در طول مدت بهرهبرداری، در بهبود دقت اندازهگیری و تحویل حجمی، موثر است. از دیدگاه اقتصادی نیز، با بهبود دقت اندازهگیری دبی ورودی به شبکههای آبیاری از تجربه پیشنهادی (خطای اندازهگیری معادل 5 درصد) و با فرض قیمت آب بها معادل 300 ریال به ازای هر مترمکعب، درآمدی حداقل معادل با 180 میلیارد ریال به صورت سالانه، محقق میگردد. در حال حاضر، تجربه پیشنهادی، به طور عملیاتی مبنای استفاده فعلی بهره بردار در ورودی شبکه آبیاری غرب دز بوده و جهت تحویل حجم آب آبیاری متناسب با نیاز پاییندست، موثر واقع گردیده است. بر این اساس به نظر میرسد گسترش اجراییسازی این تجربه در سایر نقاط ورودی و تحویل در شبکههای آبیاری، تاثیر انکارناپذیری در کاهش میزان مصرف آب کشاورزی، تحویل آب متناسب اب نیاز کشاورزی و منطبق با سیاستهای سازگاری با کم آبی در این بخش به دنبال داشته باشد.
1. شرح تجربه:
بخش کشاورزی، گستردهترین سهم در مصارف آب آبیاری در سطح کشور را داراست. در نتیجه هرگونه صرفهجویی در میزان مصرف آب در این بخش بویژه در شرایط کم آبی، حائز اهمیت است. در سطح کلان، اجرای سیاستهای سازگاری با کم آبی در شبکههای آبیاری، مستلزم استقرار روشهای اندازهگیری دقیق حجم آب تحویلی در نقاط ورودی شبکههای آبیاری و متناسب با نیاز آبی گیاهان است. با توجه به اینکه در حال حاضر و حتی در سطح شبکههای آبیاری مدرن کشور، روشهای یکپارچه و نسبتا دقیقی جهت اندازهگیری حجم آب وجود ندارد، تحویل آب در نقاط ورودی بعضا بسیار بیشتر از حجم آب مورد نیاز میباشد. ایده اصلی ارائه شده در این تجربه، افزایش دقت اندازهگیری دبی در نقاط ورودی و تحویل شبکههای آبیاری کشور ایران نسبت به رویکردهای موجود است. افزایش دقت اندازهگیری بر اساس استفاده از دریچههای کشویی و قطاعی و توسعه جداول ریتینگ تعیین دبی با متوسط خطایی در حدود 5 درصد، صورت میگیرد. انتظار میرود با کاهش خطای اندازهگیری دبی، صرفه جویی قابل توجهی در آب رهاسازی شده در راس کانالها صورت گرفته و حجم آب قابل توجهی در نقاط ورودی یا نقاط تحویل، قابل مدیریت باشد.
شرح اجراییسازی تجربه
ایده اصلی ارائه تجربه حاضر، تحقیقات بنیادین آزمایشگاهی و تحلیلی حاصل از دو رساله دکتری از ارائهدهندگان اول و دوم این طرح میباشد. در این تحقیقات، بر مبنای کاربرد اصول نظری، روابطی جهت تعیین آبگذری دریچههای کشویی و قطاعی توسعه داده شده و بر مبنای ساخت مدلهای آزمایشگاهی، پژوهشهای گسترده بر عملکرد این سازهها به عنوان یک ابزار اندازهگیری انجام شده است. شکل (1) نمونه دریچه قطاعی ساخته شده در مقیاس آزمایشگاهی را نشان میدهد.
شکل (1)- نمونه دریچههای قطاعی ساخته شده جهت شروع پژوهش و توسعه سازه اندازهگیری در مقیاس آزمایشگاهی
استفاده از دریچههای تنظیم به عنوان ابزار دقیق اندازهگیری جریان در شبکههای آبیاری نمونههای گستردهای در سطح جهان داراست. در کشور ایالات متحده و در عمده نقاط تحویل و ورودی مجهز به دریچه، از مزایای اندازهگیری و تنظیم توام جریان با استفاده از این سازهها، استفاده شده است (USBR 1981, Buyalski 1983& Wahl 2011).
در گام نخست، 2 مرحله بازدید مجزا طی دو سال گذشته از شبکههای آبیاری غرب و شرق دز واقع در محدوده شمال استان خوزستان، انجام شد. در مرحله نخست، نوآوری پیشنهادی به بهرهبردار شبکه تشریح و ضرورت آن تبیین گردید. در مرحله دوم با بازدید عملی از مقاطع مختلف در محدوده غرب و شرق دز، دو سازه جهت اجرایی سازه تجربه، به صورت پایلوت انتخاب شد. مقطع اول دریچههای قطاعی ورودی کانال اصلی غرب دز (کانال W1) به عنوان ورودی اصلی شبکه و مقطع دوم دریچههای قطاعی آبگیر شاولی (کانال E3) واقع در ناحیه شرق دز به عنوان نمونهای از دریچههای واقع در نقاط تحویل، انتخاب گردید (شکلهای 2 و 3).
شکل (2)- دریچههای قطاعی ورودی کانال اصلی غرب دز (کانال W1)
شکل (3)- دریچه های قطاعی ورودی آبگیر شاولی، شبکه آبیاری شرق دز (کانال E3)
شکل (4) نمونه کاربرد دریچههای قطاعی در شبکههای آبیاری غرب و شرق دز را نشان میدهد. شکل (4)، دلیل روشنی بر استفاده از این ابزارها جهت اندازهگیری جریان و تحویل آب مورد درخواست زارعین و اعتماد بهرهبردار به سطحی از دقت اندازهگیری جریان در تحویل دبی درخواستشده از سوی کشاورزان در واحدهای مزرعهای در سالهای دور دارد.
شکل (5) نیز شواهدی از نگاه اولیه طراحان شبکه به استفاده از دریچههای قطاعی در اندازهگیری جریان با نصب اشل قرائت سطح آب در بالادست و پاییندست دریچه، احداث پل کابلی جهت استقرار گروه آبسنجی و واسنجی دریچهها و ساخت گیج جهت اندازهگیری بازشدگی دریچهها دارد. علیرغم وجود چنین تجربهای، متاسفانه در سالهای اخیر، نگاه مدیریت حاکم بر بهرهبرداری از کانالهای آبیاری در سطح کشور ایران، از امکان استفاده از سازههای مکانیکی اندازهگیری جریان و ارتقاء بهرهوری از آنها به ابزارهای نوین اندازهگیری جریان (بهعنوان یک تجربه ناموفق) تغییر یافته است.
شکل (4)- نمونه های کاربرد دریچههای قطاعی در شبکههای آبیاری غرب و شرق دز، شمال استان خوزستان
شکل (5)- نمونه هایی از شواهد نگاه اولیه طراحان کانالهای آبیاری شبکه دز به استفاده از دریچههای قطاعی برای اندازهگیری جریان
سپس نقشهها و مشخصات هندسی دریچهها در هر دو مقطع دریافت و جدول ریتینگ تعیین دبی دریچه بر مبنای قرائت عمق بالادست و بازشدگی دریچه از تجربه پیشنهادی و روش تحلیلی بدست آمده از تحقیقات فوق، توسعه و در اختیار شرکت بهرهبرداری ناحیه شمال خوزستان، قرار داده شد. شکل (6)، نمونه جداول ریتینگ توسعه دادهشده برای تعیین دبی دریچههای قطاعی ورودی کانال آبیاری اصلی غرب دز را نشان میدهد.
پس از انتخاب مقاطع، مجموعهای از اندازهگیریها توسط شرکت بهرهبرداری ناحیه شمال خوزستان بر روی دریچههای واقع در ورودی کانال W1 انجام شد. اندازهگیریها در ترکیبهای مختلف عملکرد دریچه و مقادیر دبی انجام شد(شکل 7).
شکل (6)- نمونه جداول ریتینگ توسعه داده شده از تجربه پیشنهادی برای تعیین دبی از دریچههای قطاعی ورودی کانال اصلی غرب دز، W1
شکل (7)- انجام اندازهگیریهای دورهای در پایاب دریچههای قطاعی ورودی غرب دز و مباحثه ارائهدهندگان طرح با بهرهبرداران شبکه آبیاری
در ترکیبهای متناظر فوق از عملکرد دریچه و بر اساس قرائت ساده عمق آب بالادست و گشودگی دریچهها، دبی دریچههای قطاعی از جداول ریتینگ ارائه شده محاسبه گردید. نتایج بررسیها نشان داد در 94 سری اندازهگیری، دارای متوسط خطایی در حدود 3 درصد است (شکل 8).
شکل (8)- میانگین خطای 3 درصد در تعیین دبی ورودی کانال اصلی غرب دز با استفاده از دریچه قطاعی و تجربه پیشنهادی تنها بر اساس قرائت عمق بالادست و بازشدگی دریچه، بدون کالیبره محلی، تنها نیاز به نصب دو اشل!
نتایج تایید تجربه پیشنهادی و اجراییسازی آن در شرایط صحرایی در قالب نامه شماره 3665/5500 مورخ 23/04/1397 توسط شرکت بهرهبرداری از شبکههای آبیاری ناحیه شمال خوزستان، اعلام گردیده است (پیوست شماره 1). بر اساس این نامه، نتایج این تجربه، به صورت عملیاتی توسط این شرکت، مورد بهرهبرداری قرار گرفته است.
نتایج طرح در قالب 2 مقاله به شرح زیر ارائه شده است:
- سازههای کنترل و اندازهگیری جریان در کانالهای آبیاری. بازگشت به گذشته، درسی برای آینده! مطالعه موردی: کاربرد دریچههای قطاعی در کانال آبیاری اصلی غرب دز، پنجمین همایش ملی مدیریت شبکههای آبیاری و زهکشی و سومین کنگره ملی آبیاری و زهکشی ایران، دانشگاه شهید چمران اهواز، اسفندماه 1396.
- Effective Parameters for Calculating Discharge Coefficient of Radial Gate, ICE-Water Management, Volume 168 Issue 6, December, 2015, pp. 280-296
2. گسترش اجرای تجربه و پیش بینی نتایج حاصل از اجرای آن:
در حال حاضر 231 نقطه ورودی در شبکههای مدرن آبیاری کشور ایران وجود دارد که سالانه حدود 12 میلیارد مترمکعب آب از این نقاط به کانالهای آبیاری، وارد میشود. از سویی عمده نقاط ورودی به دریچههای کشویی و قطاعی مجهز بوده که حجم قابل توجهی از آب آبیاری را تنظیم و به پاییندست هدایت مینمایند. علاوه بر نقاط ورودی، 16479 نقطه تحویل آب آبیاری در شبکههای مدرن کشور شناخته شده است.
صرف نظر از نقاط تحویل، حتی در نقاط ورودی شبکههای آبیاری نیز، رویکرد مشخصی جهت اندازهگیری دقیق جریان در بسیاری از نقاط ورودی شبکههای آبیاری کشور وجود ندارد. بر اساس اعلام دفتر بهرهبرداری از تاسیسات انتقال و توزیع آب، متوسط خطای اندازهگیری دبی در نقاط ورودی شبکههای آبیاری کشور در حدود 15 تا 20 درصد در شرایط فعلی، برآورد میگردد. در نقاط تحویل ممکن است تعیین دبی با خطای بیشتر از این حدود همراه باشد.
چنین به نظر میرسد مهمترین گام در صرفهجویی آب آبیاری در سطح کلان و اجرایی سازی سیاست تحویل حجمی، رهاسازی آب به میزان متناسب با نیاز پاییندست، ابتدا در نقاط ورودی و سپس در نقاط تحویل شبکههای آبیاری است. در نتیجه هرگونه اقدامی که بتواند دقت اندازهگیری حجمی آب در نقاط وروی و نقاط تحویل را بهبود دهد، تاثیر مستقیمی بر صرفهجویی آب آبیاری به میزان قابل توجه، خواهد داشت.
در حال حاضر ورود آب به شبکههای آبیاری کشور ایران، عمدتا به صورت ثقلی است و در غالب موارد نیز به دریچههای کشویی و قطاعی ختم میشود. از سویی نوآوری ارائه شده طرح حاضر، در گام نخست بر روی یک نقطه ورودی (ورودی کانال اصلی غرب شبکه آبیاری دز، W1) و یک نقطه تحویل (ورودی کانال آبگیر شاولی، E3) اجراء و روابط اندازهگیری دقیق دبی با استفاده از سازه دریچه قطاعی، در هرحالت توسعه داده شد. دریافت نتایج رضایت بخش از اجرای تجربه و موفقیت در استفاده از دریچههای کشویی و قطاعی در اندازهگیری دقیق دبی با دقت متوسطی در حدود 5 درصد از روش پیشنهادی، میتواند زمینهساز گسترش اجرای تجربه در سایر نقاط ورودی شبکههای آبیاری باشد. در نتیجه ارائهدهندگان طرح حاضر، به بخش عالی صنعت آب، پیشنهاد اجراییسازی تجربه را به عمده نقاط ورودی شبکههای آبیاری (231 نقطه) و برخی از نقاط تحویل دارای دریچههای کشویی و قطاعی در سطح کشور ایران، ارائه نمودهاند.
در شرایط فعلی، متوسط خطای اندازهگیری بر اساس روشهای جاری در شبکههای آبیاری کشور، در حدود 15 تا 20 درصد ارزیابی میگردد. با اجراییسازی تجربه پیشنهادی در عمده نقاط ورودی شبکههای آبیاری و با فرض آنکه متوسط خطای اندازهگیری دبی از رویکرد پیشنهادی، 5 درصد، لحاظ گردد، سالانه حداقل حجم آبی در حدود 600 میلیون مترمکعب قابل صرفهجویی و مدیریت میباشد. تجربه پیشنهادی نسبت به راهکارهای مرتبط با ابزارهای اندازهگیری الکترونیکی، دارای پایداری بوده و بدون نیاز به فعالیتهای پشتیبانی قابل توجه در طول مدت بهرهبرداری، در بهبود دقت اندازهگیری و تحویل حجمی، موثر است. از دیدگاه اقتصادی نیز، با بهبود دقت اندازهگیری دبی ورودی به شبکههای آبیاری از تجربه پیشنهادی (خطای اندازهگیری معادل 5 درصد) و با فرض قیمت آب بها معادل 300 ریال به ازای هر مترمکعب، درآمدی حداقل معادل با 180 میلیارد ریال به صورت سالانه، محقق میگردد. در حال حاضر، تجربه پیشنهادی، به طور عملیاتی مبنای استفاده فعلی بهره بردار در ورودی شبکه آبیاری غرب دز بوده و جهت تحویل حجم آب آبیاری متناسب با نیاز پاییندست، موثر واقع گردیده است. بر این اساس به نظر میرسد گسترش اجراییسازی این تجربه در سایر نقاط ورودی و تحویل در شبکههای آبیاری، تاثیر انکارناپذیری در کاهش میزان مصرف آب کشاورزی، تحویل آب متناسب اب نیاز کشاورزی و منطبق با سیاستهای سازگاری با کم آبی در این بخش به دنبال داشته باشد.
3. نتیجه گیری و جمع بندی:
نوشتار حاضر، یک تجربه اجرا شده پیرامون افزایش دقت اندازهگیری جریان در نقاط ورودی و تحویل شبکههای آبیاری را تشریح میکند. از دیدگاه کلان و در شرایط سازگاری با کم آبی، لازم است حجم آب در نقاط تحویل و ورودی شبکههای آبیاری در حدود نیاز آبی گیاه، در سطح شبکه توزیع یافته که خود اندازهگیری دقیق جریان در این نقاط را میطلبد. تجربه حاضر، به صورت موفقیت آمیز در کانال اصلی ورودی غرب شبکه آبیاری دز و در شرایط کم آبی سالهای اخیر در این شبکه، افزایش دقت اندازهگیری جریان تحویلی را سبب گردیده که خود بهبود راندمانهای کاربرد و توزیع آب در مزرعه از طریق صرفهجویی آب و جلوگیری از رهاسازی جریان بیش از حجم مورد نیاز، را به دنبال داشته است. در صورت پیاده سازی نوآوری پیشنهاد در تمام نقاط ورودی شبکه های مدرن آبیاری و زهکشی حداقل به میزان 600 میلیون متر مکعب در هر سال صرفه جویی میگردد. همچنین، با در نظر گرفتن رقم واحد هر مترمکعب معادل 300 ریال، پیش بینی میگردد با اجراییسازی نوآوری پیشنهادی و صرفهجویی حجم آب سالانه در حدود 600 میلیون مترمکعب، افزایش درآمدی معادل 180 میلیارد ریال، حاصل میشود.
4. تقدیر و تشکر:
نویسندگان برخود لازم می دانند از مجموعه تلاشها و حمایتهای صورت گرفته توسط شرکت بهره برداری از شبکههای آبیاری ناحیه شمال خوزستان در بازدیدها و اجراییسازی طرح در کانال اصلی غرب دز صمیمانه سپاسگزاری نمایند.
5. منابع و مراجع:
- USBR (1981). “Water Operation and Maintenance.” Bulletin No. 117. United States Bureau of Reclamation, Denver, CO, USA.
- Buyalski, C.P. (1983). “Discharge Algorithms for Canal Radial Gates.” Research Report REC-ERC-83-9. United States Bureau of Reclamation, Denver, CO, USA.
- Wahl, T. L. (2011). “Measuring Flow Rate through Canal Check Gates, New methods give canal operators more flow control.” Western Water and Power Solution Bulletin, Bulletin No. 40, U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation (USBR), Denver, CO, USA.
- سازههای کنترل و اندازهگیری جریان در کانالهای آبیاری. بازگشت به گذشته، درسی برای آینده! مطالعه موردی: کاربرد دریچههای قطاعی در کانال آبیاری اصلی غرب دز، پنجمین همایش ملی مدیریت شبکههای آبیاری و زهکشی و سومین کنگره ملی آبیاری و زهکشی ایران، دانشگاه شهید چمران اهواز، اسفندماه 1396.
- Effective Parameters for Calculating Discharge Coefficient of Radial Gate, ICE-Water Management, Volume 168 Issue 6, December, 2015, pp. 280-296
مستندات تکمیلی
پیوست 1- تاییدیه شرکت بهرهبرداری از شبکههای آبیاری ناحیه شمال خوزستان مبنی بر اجرای موفق تجربه طی نامه شماره 3665/5500 مورخ 23/04/1397.
پیوست شماره 2- تاییدیه نامه اجرای تجربه در شبکههای آبیاری کشور از سوی معاونت محترم تحقیقات، منابع انسانی و پشتیبانی شرکت مدیریت منابع آب ایران طی نامه شماره 37024/د930 مورخ 23/10/1397.
پیوست شماره 3- اعلام نظر و تاییدیه اجرای تجربه از سوی معاونت محترم حفاظت و بهرهبردای شرکت مدیریت منابع آب ایران طی نامه شماره 40048/د620/97 مورخ 15/11/1397.
پیوست شماره 4- تقدیرنامه مدیرعامل محترم شرکت مدیریت منابع آب ایران پیرامون اجرای تجربه در قالب پیشنهاد ویژه طی نامه شماره 24727/د930/97 مورخ 18/07/1397.
گروه: کشاورزی و آبخیزداری کلمات کلیدی: