نقل مياه الري والصرف

Conveyance of Irrigation
and Drainage Water
مياه الري والصرف تنقل في قنوات مكشوفة (Open channel) أو مغلقة "مواسير (Closed conduits) من الناحية الهايدروليكية الطريقتان متشابهتان ولكن توجد اختلافات قليلة في المعادلات المستعملة لكل. إذ ان الفروق بين علو الضغط (Pressure head) وعلو في الارتفاع (Elevation head) تقاس لتمرير معدل التصرف في القنوات المغلقة بين علو الضغط لا يتغير في القنوات المكشوفة إذ انها معرضة للضغط الجوي ولكل ميل أو انحدار سطح الماء في القناة المكشوفة هو العامل الذي يحكم الانسياب.
معادلات التصرف (الانسياب) Flow Equations
•المعادلة الأساسية في انسياب الماء (Water flow) هي معادلة الاستمرارية (Continuity equation) وهي تخلق علاقة بين حجم الانسياب "Q" عبر مقطع عرضي في ("A" Cross-section) والسرعة الموجهة "V" Velocity في مقاطع عرضية أخرى:
Q = A1V1 = A2V2 … (1)
• والمعادلة الأساسية الأخرى في هايدروليكا نقل مياه الري والصرف هي معادلة برنولي (Bernulli Equation):

بحيث:
P = شدة الضغط في أي نقطة
w = كتلة وحدة الحجم من الماء
y = ارتفاع النقطة من خط مقارنة معين
g = عجلة الجاذبية
V12/ 2g
hf = hl = فاقد العلو أو الضغط بقيمة الاحتكاك.

•والمعادلة الأساسية الثانية تعبر عن فاقد العلو بقيمة للاحتكاك hf عند انسياب الماء بين النقطتين (1) و(2) في الماسورة (Pipe system) وهي معادلة دارسي ويسباخ (Darcy-Weisbach equation).
(3)
بحيث:
• f = معامل الاحتكاك للماسورة ، n = السرعة الموجهة م/ث
• g = عجلة الجاذبية 9.8 م2/ث ، L = طول الماسورة (م)
• D = قطر الماسورة (م).

•والمعادلة الرابعة تستعمل لإيجاد علو الضغط (Pressure head):
(4)

بحيث:
• h = علو الضغط (م)
• P = حدة أو شدة (kg/m2) الضغط
• w = كتلة الوحدة من الماء (kg/m2)

•المعادلات الأربعة يمكن استخدامها في انسياب الماء في نظام الماسورة وللانسياب في القنوات المكشوفة تستخدم معادلة الاستمرارية:
Q = A1V1 = A2V2
بحيث:
• Q = حجم التصريف أو حجم الانسياب "Q".
سرعة الانسياب (V) Velocity of flow
•المعادلات التالية تستخدم لإيجاد قيمة سرعة الانسياب (V).
•أ/ معادلة:
•
•ب/ معادلة دارسي-ويسباخ (Darcy-Weisbach equ.):
•ج/ معادلة شيزي (Chezy equ.):
•د/ معادلة ماننج (Manning's equ.):

•وتعتبر معادلة ماننج هي الأنسب للاستعمال في تحديد سعة (Capacity) أو معدل الانسياب (Flow rate) أو تصريف (Discharge) في القنوات المكشوفة:

حيث ان:
• g = عجلة الجاذبية (م/ث2)
• f = معامل الخشونة في معادلة دارسي-ويسباخ أو معامل الاحتكاك
• R = نصف القطر الهايدروليكي
• S = الانحدار الهايدروليكي أو انحدار قاع القناة أو ميل سطح الماء. V = متوسط سرعة الانسياب في القناة (م/ث)


•ونصف اقطر الهايدروليكي يعرف كالآتي:
بحيث:
• A = مساحة المقطع العرضي للانسياب (م2)
• P = المحيط المبلل (م) "Wetted perimeter"
•* نصف القطر الهايدروليكي لماسورة ممتلئة بالماء المناسب هو:
لأن:

أشكال القنوات المفتوحة Shapes of Canals
قطاع عرضي في قناة مكشوفة
Open Canal Cross-Section

حيث ان:
• T = عرض القناة العلوي
• t = عرض القناة عند سطح الماء
• D = عمق القناة الكلي
• d = عمق الماء في القناة – عمق الانسياب
• C, C = طول جوانب القناة المبللة المائلة
• O = الزاوية بين الجانب المائل وخط الأفق
• A = مساحة المقطع العرضي للانسياب

القنواة الترابية Earth Canals
•القنوات الأكثر استعمالاً في نقل مياه الري والصرف هي القنوات الغير مبطنة (Onlined earth) السرعة العالية للمياه في هذه القنوات تتسبب في تعريتها، مواد قليلة هي التي تتحمل سرعة 1.5 م/ث. التكلفة الابتدائية القيلية نسبياً هي الحسنة الأساسية للقنوات الترابية والمساوئ هي:
1- الفواقد الكبيرة من النز (Seepage) والتخلخل العميق (Deep percolation).
2- سرعة منخفضة وبالتالي مقاطع عرضية كبيرة.
3- مخاطر الكسر بانسياب التعرية والحيوانات.
4- الظروف المناسبة لنمو الأعشاب المائية (Agricultural weeds) والنباتات ** (Mosses) مما يقلل سرعة الانسياب ويزيد تكلفة أعمال الصيانة.
5- انسداد القنوات بانسياب الإطماء والتي تكلف إزالتها كثيراً.
تبطين القنوات Lining of Canals
•تُبطن قنوات الري والصرف لعدة اسباب منها:
1- تقليل فواقد النقل بأسباب النز.
2- التأمين ضد الكسور (Provide safety against breaks).
3- منع نمو الأعشاب بأنواعها.
4- تقليل تكلفة الصيانة وإزالة الإطماء.
5- تقليل خطر التعرية الذي تسببه السرعات العالية.
6- تقليل مشاكل الصرف.
7- زيادة سعة القناة لنقل الماء.
مواد التبطين Materials for Lining Canals
الخرصانة، الحجارة، الطوب بأنواعه، البنتونايت (Bentonite earth)، الطين الطبيعي ذو النفاذية القليلة، المطاط، البلاستيك، مركبات الأسفلت، ...الخ.
تصميم القنوات Designs of Canals
يجب ان يكون ميل أو انحدار جانب القناة (Side slope) يكون بنسبة 3 أفقي إلى 1 رأسي وتختلف هذه النسبة حسب التربة، وفي الترب الثابتة تكون النسبة 1:1. العلاقة بين عرض القاع (b) وعمق الانسياب (d) تحددها التضاريس. وأنسب قطاع عرضي هايدروليكي تحت أفضل ظروف لقوام التربة وأقل حفريات ممكنة هو:


•بحيث ان qo = الزاوية بين الجانب المائل وخط الأفقي، هذه العلاقة تصلح كذلك للقنوات المبطنة. للقنوات المستطيلة (Rectangular canals) qo = 90o.


•وبالتالي: b = 2d لأفضل قطاع عرضي هايدروليك السرعات القصوى وقيم معامل الخشونة لقنوات مستقيمة في ترب مختلفة.
الطرق العملية لتصميم القنوات والمصارف
طريقة التصميم تنحصر في مقدرة القناة أو المصر على حمل الحجم من الماء المراد نقله في زمن محدد. يحسب التصرف في المجاري الكبيرة بالمتر المكعب في الثانية وبغرض الانحدار المناسب لقاع المجرى (سطح الماء في المجرى) ويؤخذ في العادة 0.0001 للمجارى الكبيرة ويعادل هذا الانحدار 10 سم في الكيلومتر الواحد ويؤخذ 0.00015 في الترع الصغيرة أما في المصارف يكون الانحدار أكبر من ذلك ويؤخذ 0.0002 – 0.0003 للمصارف الكبيرة و 0.0004 – 0.0006 للمصارف الصغيرة، أما الميول الجانبية فتعتمد على نوع المادة المقام فيها المجرى وهذه تؤخذ على حسب الجدول الثالث:

أما معامل ماننج للخشونة (n) فتؤثر فيه عوامل كثيرة منها:
1- خشونة سطح المجرى (حجم وشكل حبيبات التربة) ومادة الإنشاء.
2- النباتات النامية في المجرى.
3- عدم انتظام المجرى.
4- العوائق الموجودة على المجرى (كبارى وخلافه).
5- استواء المجرى.

ولتحديد عرض القاع بالنسبة لعمق المياه في المجرى توجد معادلات خاصة تربط بين عرض القاع وعمق الماء وانحدار سطح المياه بالمجرى ونوع المياه المنقولة يؤثر في هذه العلاقات (صافي، عكرة) وقد استنتجت جداول خاصة من هذه المعادلات يمكن الاستعانة بها في تحديد الأبعاد المطلوبة وتصميم عدد لا نهائي من القطاعات حتى تعطى معادلة ماننج تصرفاً يطابق التصرف المطلوب أو يزيد عنه قليلاً
جدول يبين أعماق الترع والمصارف تبعاً لعرض القاع
منشآت نقل الماء
Water Conveyance Structure
المنشآت الأكثر استعمالاً في القنوات والمواسير هي:
1. القنوات المعنقة Flumes
هذه تستعمل عبر المنخفضات الطبيعية وكذلك تستخدم في نقل الماء عبر سفوح التلال الشديدة الانحدار وتبنى من الخشب أو المعادن أو الخرصانة.
2. الانفاق Tunnels
تستخدم لنقل الماء خلال الجبال وتبنى من المعادن والحجارة والخرصانة.

3. مهابط (مزالق) Drops Chutes
تستخدم في الأماكن التي تكون فيها الميلانات الطبيعية شديدة الانحدار والتي يتسبب نقل الماء خلالها تعرية الجسور وقيعان القنوات بسبب السرعة الكبيرة ، ويمكن ان تبنى من الخشب والخرصانة والطوب المحروق (Masonary) ولتخفيف طاقة الماء المنقول (To dissipate kinetic energy) في الطرف الأسفل فيها يجب عمل حوض عميق.
4. السيفونات المقلوبة Inverted Siphons
هذه تستخدم لنقل الماء عبر المنخفضات العميقة الواسعة أو مجاري المياه الطبيعية وفي العادة تصنع من المواسير وتنقل الماء خلالها تحت ضغط، المواسير تبنى من الحديد "Steel" أو الخشب أو الخرصانة المسلحة.

5. الأنابيب أو الخراطيش المرنة Flexible Tubing
هذه المادة تكون من المطاط أو البلاستيك أو الألياف الزجيجة والصناعية (Synthetic fibre glass) وهي سهلة التركيب ويمكن ازاحتها للعمليات الفلاحية أو الحصاد.

مثال:
أوجد عرض القطاع المناسب (b) عمق الماء المناسب (d) وسرعة الانسياب المتوسطة (V) في قناة ذات عرضي شبه منحرف ميلان جوانبها بنسبة 1:1 ومعدل الانسياب (Q) 2.5 م3/ث إذا كان ميلان أو انحدار القاع 0.2 م/كم ومعامل الخشونة (n) 0.004. في كم من الزمن يمكن لمثل هذه القناة إضافة 10 سم لمساحة 140 هكتاراً إذا كانت كفاءة إضافة مياه 80% وكفاءة مخزون ماء في منطقة الجذور 85%.
الحل:
أرسم قطاع عرض للقطاع الحامل للقناة