اصول طراحی سیستم های آبیاری و توجه به اصول فیزیکی خاک – بخش دوم

پتانسیل ثقلى پتانسیلى است که یک واحد وزن آب موجود در خاک به دلیل موقعیت خود نسبت به یک سطح مقایسه مرجع دارا مى‌باشد.

---

اصول طراحی سیستم های آبیاری و توجه به اصول فیزیکی خاک – بخش دوم
بررسی نوع های پتانسیل
پتانسیل آب در خاک در نتیجه عوامل متععدی است :
اسمزی ، ثقلی و  فشاری . آب در هر شرایطی مى‌تواند هر سه نوع پتانسیل را دارا باشد و این سه در مجموع ، پتانسیل آب خاک را شکل مى‌دهد.
پتانسیل فشارى یک نقطه از آب موجود در خاک ф/p بسته به این که خاک اشباع یا غیر اشباع باشد مى‌تواند مثبت یا منفى باشد. یعنى اگر فشار آب بالاتر از فشار اتمسفر باشد (مانند یک نقطه از آب در داخل یک خاک اشباع که فشار آن بیش از فشار اتمسفر است) پتانسیل فشارى مثبت و اگر فشار آب در نقطه مورد نظر کمتر از فشار اتمسفر باشد پتانسیل فشارى منفى خواهد بود. هنگامى که خاک غیر اشباع باشد پتانسیل فشارى منفى باعث مى‌شود که جسم خاک و یا به‌عبارت دیگر ماتریکس خاک رطوبت را جذب نماید. در این حالت گفته مى‌شود تنش کاپیلارى ایجاد شده است. در بعضى نوشته‌ها پتانسیل را در این حالت پتانسیل ماتریک مى‌گویند. بنابر این در خاک‌هاى اشباع نقاطى که زیر سطح ایستایى قرار دارند داراى پتانسیل فشارى مثبت هستند و نقاطى که هم‌تراز سطح آب هستند پتانسیل فشارى آنها صفر است نقاطى که بالاى سطح ایستایى قرار دارند پتانسیل فشارى در آنها منفى مى‌باشند.
پتانسیل اسمزی به دلیل وجود نمک در محلول خاک است . در سیستم آب - خاک هم ریشه و هم نمک آب را به سمت خود مى‌کشند.در واقع باید قدرت جذب ریشه‌ها بر نمک فائق آمده تا بدون جذب نمک آب را از خاک خارج کند. در خاک‌هایى که مقدار نمک زیاد باشد حتى آب موجود در ریشه‌ها نیز ممکن است به سمت نمک کشیده شود. اگر نمک زیاد باشد حتى آب موجود در ریشه‌ها نیز ممکن است به سمت نمک کشیده شود. اگر نمک موجود در محلول خاک اندک باشد مى‌توان از پتانسیل اسمزى صرف‌نظر کرد وگرنه باید این پتانسیل هم مانند پتانسیل‌هاى دیگر به‌ عنوان جزئى از پتانسیل آب و خاک لحاظ گردد. در حرکت آب از یک نقطه خاک به نقطه دیگر آن پتانسیل اسمزى در نظر گرفته نمى‌شود زیرا در هر دو نقطه این پتانسیل مساوى بوده و تفاوت آنها صفر مى‌باشد ولى در حرکت آب از خاک به داخل گیاه به دلیل تفاوت پتانسیل اسمزى در محیط باید مقدار آن را در نظر گرفت.
پتانسیل ثقلى پتانسیلى است که یک واحد وزن آب موجود در خاک به دلیل موقعیت خود نسبت به یک سطح مقایسه مرجع دارا مى‌باشد. مثلاً اگر یک جرم کوچک از آب در سیستم آب - خاک به اندازه Z بالاى یک سطح مقایسه فرضى قرار گیرد خواهیم گفت که پتانسیل ثقلى این نقطه نسبت به آن سطح Z+ مى‌باشد. زیرا اگر این جرم آب را رها کنیم تا رسیدن به سطح مرجع‌کارى به اندازه حاصل‌ضرب وزن خود در ارتفاع Z انجام مى‌دهد که براى واحد وزن آب (یک گرم) این مقدار از نظر عددى برابر Z خواهد بود. ممکن است سطح مقایسه در بالاى نقطه انتخاب شود در این صورت پتانسیل ثقلى آن Z- خواهد بود. توجه داشته باشید که سطح مقایسه از نظر موقعیت، یک سطح قراردادى است و هر سطحى را انتخاب کنید تفاوتى نخواهد کرد. زیرا اختلاف بین دو نقطه از نظر ارتفاع مستقل از موقعیت سطح مقایسه مى‌باشد. از نظر ساده بودن محاسبات توصیه مى‌شود سطح مقایسه طورى انتخاب شود که Z حتى‌الامکان مثبت باشد.
از دیگر خصوصیات فیزیکى خاک نفوذ آب به داخل خاک مى‌باشد. نفوذ بر حسب تعریف عبارت از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک است. سرعت وارد شدن آب به خاک یا به عبارت دیگر سرعت نفوذ از پارامترهاى بسیار مهم در طراحى آبیارى است. در واقع نوع سیستم آبیارى که براى یک منطقه برگزیده مى‌شود بر اساس خصوصیات نفوذ آب به داخل خاک است.
بنابر این سرعت نفوذ آب به داخل خاک را باید مهمترین پارامتر فیزیک خاک دانست که در طراحى سیستم آبیارى باید در نظر گرفته شود. چنانچه مقدار نفوذ تجمعى آب به داخل خاک را بررسى کنیم مشاهده مى‌شود. که نفوذ ابتدا بسیار سریع انجام مى‌شود به‌طورى که منحنى تغییرات نفوذ تجمعى نسبت به زمان شکلى مشابه (منحنى‌هاى نفوذ براى انواع مختلف خاک‌ها) که در آن منحنى نفوذ براى تعدادى از انواع خاک‌ها مختلف کشاورزى رسم شده است خواهد داشت. در این شکل مشاهده مى‌شود که براى خاک‌سیلت لوم مقدار آب نفوذ یافته در خاک نسبت به زمان از شروع نفوذ تا دقیقه ۱۰۰ به طور پیوسته افزایش مى‌یابد ولى براى یک خاک رسى تا ۱۰ دقیقه اول مقدار نفوذ افزایش اما بعد از آن آب قابل توجهى به زمین نفوذ نمى‌کند. با این وجود منحنى‌هاى نفوذ تجمعى آب به خاک در تمام خاک‌ها از یک شکل کلى تبعیت مى‌کنند. چنانچه عمق آب نفوذ یافته را با حرف i و زمان را با حرف t نشان دهیم سرعت نفوذ (di/dt) که همان شیب منحنى نفوذ تجمعى باشد نسبت به زمان بطور مرتب کاهش پیدا مى‌کند. یعنى به‌تدریج که آب در خاک نفوذ مى‌کند از سرعت نفوذ کاسته مى‌شود.
سرعت نفوذ لحظه‌ای، را نباید با متوسط سرعت نفوذ اشتباه کرد. اگر مقدار عمق آب نفوذ یافته در لحظه t0 برابر i0 و در لحظه t برابر it باشد متوسط سرعت نفوذ برابر است با:
متوسط سرعت نفوذ = it-i0 / t-t0
اما سرعت نفوذ لحظه‌اى برابر است با متوسط سرعت نفوذ در صورتى که t-t0 به سمت صفر میل کند، بنابر این سه نمایه تعریف شده براى نفوذ عبارتند از:
سرعت نفوذ لحظه‌اى = di / dt
متوسط سرعت نفوذ = it-i0 / t-t0
نفوذ تجمعى از لحظه صفر تا زمانt =it
مفاهیم سرعت نفوذ لحظه‌ای، متوسط سرعت نفوذ، و نفوذ تجمعى و تغییرات آنها نسبت به زمان در شکل تیپ منحنى‌هاى سرعت متوسط و سرعت لحظه‌اى نفود و نفوذ تجمعى نشان داده شده است. سرعت نفوذ آب به داخل خاک به درصد رطوبت اولیه خاک نیز بستگى دارد این موضوع در شکل تیپ منحنى‌هاى سرعت متوسط و سرعت لحظه‌اى نفود و نفوذ تجمعى نشان داده شده است. در این شکل سرعت نفوذ نسبت به زمان براى یک نوع خاک با ۶ رطوبت اولیه نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده مى‌شود، هر چه رطوبت اولیه خاک بیشتر باشد سرعت نهایى نفوذ آب به داخل خاک کاهش مى‌یابد. این موضوع نشان مى‌دهد که هنگامى که بارندگى روى خاک مرطوب مى‌بارد میزان رواناب سطحى زیادتر از حالتى است که خاک در ابتدا خشک بوده است. همین مفهوم اساس ارائه روش جدیدى براى آبیارى نیز گردیده که بنام آبیارى موجى (Surge Irrigation) معروف شده است. در آبیارى موجى از این اصل استفاده شده است که در هر موج (سیکل) آب روى زمین خیس شده حرکت مى‌کند تا به دلیل پایین بودن شدت نفوذ آب با سرعت بیشترى به جلو رفته و لذا یکنواختى نفوذ در طول شیار بیشتر گردد.
اندازه‌گیرى نفوذ
نفوذ آب به داخل خاک را مى‌توان به روش‌هاى مختلفى اندازه‌گیرى کرد، انتخاب روش بسته به این است که بخواهیم چه سیستمى از آبیارى را پیاده کنیم. مثلاً اگر قرار باشد نفوذپذیرى را براى طراحى سیستم آبیارى بارانى تعیین نمائیم روشى را که برمى‌گزینیم متفاوت از حالتى خواهد بود که بخواهیم سیستم آبیارى کرتى یا نوارى را پیاده کنیم. دلیل این امر آن است که سیستم‌هاى مختلف آبیارى سطح زمین را به حالت‌هاى گوناگون تغییر مى‌دهند و تغییر سطح زمین به مقدار قابل توجهى بر نفوذ آب مؤثر خواهد بود. در هر حال صرف‌نظر از نوع روش مى‌بایست اندازه‌گیرى نفوذ در مزرعه انجام شود زیرا اندازه‌گیرى‌هاى آزمایشگاهى نتایج قابل اعتمادى را به‌دست نمى‌دهند.
در آبیارى نواری، و گاهى اوقات آبیارى جوى پشته‌ای، معمولاً از حلقه‌هاى ساده یا مضاعف استفاده مى‌شود. این حلقه‌ها به حلقه‌هاى نفوذ معروف مى‌باشند. در هر دو حالت عمق آب نفوذ‌یافته نسبت به زمان اندازه‌گیرى مى‌شود تا بر اساس آن بتوان ضرایب معادله کوستیاکوف یا فیلیپ را به‌دست آورد. سپس مطابق مثالى که در زیر آورده مى‌شود نفوذپذیرى خاک سنجیده مى‌شود. براى آنکه اثر نفوذ جانبى آب و شرایط مرزى را به حداقل برسانیم توصیه مى‌شود به‌جاى یک حلقه ساده از حلقه‌هاى مضاعف استفاده شود تا فشار آب در حدفاصل دو حلقه باعث شود که نفوذ آب در حلقه داخلى به‌طور عمودى صورت گیرد. براى این اندازه‌گیرى معمولاً ۱۵ تا ۶۰ دقیقه وقت لازم است.
هدایت هیدرولیکى
مقدار جریان یا سرعت جریان آب از یک نقطه به نقطه دیگر متناسب با اختلاف پتانسیل است. اختلاف پتانسیل نسبت به فاصله نیز برابر با شیب هیدرولیکى است که معادل است با تغییرات پتانسیل کل نسبت به فاصله بین دو نقطه. شیب هیدرولیکى بین نقطه ۱ و ۲ را مى‌توان به‌صورت زیر توصیف کرد:
dΦ / ds = ( Φ۱-Φ۲ ) / ( S۱-S۲ )
که ds فاصله بین نقاط ۱و ۲ مى‌باشد. همچنین در صورتى که اختلاف پتانسیل اسمزى ناچیز باشد و بتوان از آن صرف‌نظر کرد به جاى پتانسیل کل مى‌توان پتانسیل هیدرولیکى یا h را بکار برد. بنابر این شیب هیدرولیکى (dh/ds) برابر است با:
dh / ds = (h۱-h۲) / ( S۱-S۲ )
چنانچه V سرعت جریان آب در خاک باشد این سرعت متناسب با گرادیان هیدرولیکى است و ضریب تناسب عدد ثابت آن مى‌باشد:
V = -K ( dh / ds )
مقدار K را ضریب هدایت هیدرولیکى مى‌نامیم. ملاحظه شود که جلوى K علامت منفى گذاشته شده است این علامت نقشى در مقدار سرعت ندارد و فقط از نظر تعیین جهت جریان است. مثلاً اگر همیشه نقطه ۱ سمت راست و نقطه ۲سمت چپ انتخاب شود چنانچه با در نظر گرفتن علامت در جلو معادله نتیجه عدد مثبتى شد جریان از سمت چپ به راست و اگر عدد منفى بدست آمد جریان از راست به چپ خواهد بود.
توجه داشته باشید که سرعت محاسبه شده با فرمول فوق سرعت ظاهرى است و سرعت واقعى آب که از منافذ بین ذرات خاک صورت مى‌گیرد به مراتب بیشتر از مقدار فوق است. زیرا آب فقط از داخل خلل و فرج عبور مى‌کند. چنانچه تخلخل خاک n باشد سرعت واقعى آب یا به اصطلاحى سرعت منفذى (Vp) عبارت است از:
Vp = V / n
در طراحى آبیارى سروکار ما با سرعت ظاهرى حرکت آب است، اما در بررسى انتقال مواد شیمیایى در خاک و یا برخى مسائل زهکشى مى‌بایست سرعت منفذى نیز در نظر گرفته شود.
براى اندازه‌گیرى ضریب هدایت هیدرولیکى یا در آزمایشگاه از نمونه‌هاى دست نخورده خاک استفاده مى‌شود و یا در مزرعه از چاهک‌هاى کم‌عمق استفاده مى‌شود.