اصول طراحی سیستم های آبیاری و توجه به اصول فیزیکی خاک – بخش اول
در طراحى روشهای آبیارى ، پیدا کردن مقدار و زمان آبیارى به عوامل زیادی بستگى دارد که از آن میان مى‌توان به ویژگیهای فیزیکى و شیمیایى خاک، نوع گیاه و شرایط محیطی اشاره نمود. طراح سیستم آبیاری می باید سیستم آبیارى را انتخاب کند که با نوع خاک سازگاری داشته باشد. مثلاً اگر خاک ناحیه ای رسى باشد و ما سیستم آبیارى بارانى تفنگى را اجرا نموده باشیم ، به دلیل شدت پخش آب در این نوع سیستم آبیاری ممکن است مقدار زیادى روان آب سطحى به وجود آید که این خود باعث فرسایش میگردد. علاوه بر اینکه خاک محتوی هوا براى تنفس ریشه‌ها و مواد غذایى براى تغذیه گیاه است ، میتواند به عنوان منبع ذخیره رطوبت هم محسوب شود. بنابراین خاک باعث مى‌شود که آبیارى به فواصل نسبتاً طولانى انجام شود و گیاه در این فاصله بدون اینکه در معرض تنش آبى قرار گیرد رطوبت مورد نیاز خود را به تدریج از آن به دست می اورد . در واقع آبیارى عبارت است از برقراری رابطه بین آب ، خاک و گیاه .
بنابراین اطلاع از خصوصیات فیزیکى خاک در طراحى سیستم‌هاى آبیارى بسیار ضروریست و یک طراح سیستم آبیاری بایستی وضعیت خاک از نظر فیزیکی را به طور کامل بررسی نماید .
موجودیت آب در خاک مربوط به توانایى خاک در نگهدارى آب مى‌باشد. اگر یک خاک را اشباع و سپس آن را به‌حال خود قرار دهیم، بخشى از آب موجود در بین ذرات خاک در اثر نیروى ثقل از آن خارج مى‌شود که به آن آب ثقلى گفته مى‌شود. بنابراین آب ثقلى آبى است که در اثر نیروى ثقل از آن خارج مى‌شود که به آن آب ثقلى گفته مى‌شود. بنابراین آب ثقلى آبى است که به ذرات خاک نچسبیده و مى‌تواند آزادانه در لابه‌لاى ذرات حرکت نماید. زمان خروج آب ثقلى از خاک در مورد خاک‌هاى شنى ۲۴ ساعت یا کمتر و در مورد خاک‌هاى رسى ۴۸ ساعت و یا بیشتر مى‌باشد. پس از آنکه آب ثقلى از خاک خارج شد مقدار دیگرى از آب در خاک وجود دارد که فقط با نیروى بزرگتر از ثقل مثل نیروى جذب ریشه‌ها مى‌تواند از خاک خارج شود. به این بخش از آب موجود در خاک آب کاپیلارى یا آب موئینگى گفته مى‌شود. در واقع آب کاپیلارى آبى است که مى‌تواند مورد استفاده گیاه قرار گیرد. پس از خارج شدن آب‌هاى ثقلى و موئینگى هنوز هم مقدار دیگرى آب در خاک باقى مى‌ماند که با نیروى زیادى به اطراف ذرات خاک چسبیده و معمولاً با نیروهاى موجود در طبیعت از خاک خارج نمى‌شود. به این آب اصطلاحاً آب غشایى یا هیگروسکپى گفته مى‌شود. آب هیگروسکپى را ممکن است با خشک کردن خاک در گرم‌خانه‌ها خارج ساخت ولى توسط ریشه قابل جذب نمى‌باشد. مقدار رطوبتى که پس از خارج شدن آب ثقلى در خاک باقى مى‌ماند ظرفیت زراعى و یا ظرفیت نگهدارى آب در خاک نام دارد که یکى از نمایه‌هاى مهم در طراحى سیستم‌هاى آبیارى به شمار مى‌آید.
مهمترین نقاط پتانسیلى
هنگامى که خاک آبیارى مى‌شود رطوبت آن تا حد اشباع افزایش مى‌یابد . در نقطه اشباع پتانسیل خاک صفر و تمام منافذ خاکى از آب پر مى‌شود. البته در این وضعیت رطوبت خاک قابل استفاده گیاه نمى‌باشد زیرا در این شرایط على‌الاصول امکان تنفس گیاه و جذب فعالانه آب وجود ندارد. به‌تدریج با خارج شدن آب ثقلى از رطوبت خاک کاسته مى‌شود و شرایط براى جذب آب توسط گیاه فراهم مى‌آید. مناسب‌ترین وضعیت براى استفاده گیاه از رطوبت خاک حدّ ظرفیت زراعى(Field Capacity) است که اختصاراً با علامت FC نشان داده مى‌شود.
ظرفیت زراعى مقدار رطوبتى که یک خاک اشباع شده پس از خارج شدن آب ثقلى در خود نگه مى‌دارد ظرفیت زراعى نام دارد. در خاک‌هاى زراعى این حالت معمولاً ۲۴ تا ۴۸ ساعت پس از آنکه خاک اشباع شده به‌حال خود نگه داشته شود رخ مى‌دهد. ظرفیت زراعى تابعى از بافت و ساختمان خاک است. در کشاورزى فرض مى‌شود حد ظرفیت زراعى ثابت باشد و آن حالتى است که آب خاک تقریباً تحت تنشى معادل ۱ متر (براى خاک‌هاى شنی) تا ۴/۳ متر (براى خاک‌هاى سنگین رسی) قرار گیرد. در عملیات طراحى آبیارى ظرفیت زراعى به‌طور متوسط حدود یک سوم اتمسفر یا یک سوم بار یعنى ۳۰۰ سانتى‌متر در نظر گرفته مى‌شود.
چون اکثراً لگاریتم پتانسیل خاک (برحسب سانتى‌متر) به‌عنوان نمایه‌اى در تشخیص وضعیت رطوبتى خاک مصطلح بوده و با علامت pf خاک حدود ۴/۲ مى‌باشد زیرا:
pF = log |-300|
pF = log(300) = 2.4
ظرفیت زراعى بالاترین حد رطوبت موجود در خاک براى استفاده گیاه مى‌باشد. پائین‌ترین حدى که رطوبت خاک بتواند قابل استفاده گیاه باشد نقطه پژمردگى است که به‌عنوان یک نقطه پتانسیلى دیگر در زیر به تشریح آن مى‌پردازیم.
پتانسیل آب در خاک
بهتر است تعریف مفهوم پتانسیل آب در خاک را با چند مثال ساده آغاز کنیم. اکثراً مشاهده مى‌شود که در خاک‌هاى مختلف حتى اگر درصد رطوبت آنها یکسان باشد گیاهان رشد یکسانى ندارند. یعنى یکسان بودن رطوبت خاک دلیل بر یکسان بودن رشد نمى‌تواند باشد. این امر مى‌رساند که در خاک‌هاى مختلف رطوبت اولیه یکسان در اختیار گیاه قرار نمى‌گیرد. مثال دیگر اینکه اگر دو نوع خاک با رطوبت اولیه یکسان را به مدت مساوى در گرم‌خانه‌اى قرار دهیم و سپس رطوبت آنها را ندازه‌گیرى کنیم ملاحظه مى‌شود که مقدار رطوبت باقى‌مانده در این دو مساوى نخواه بود. به‌عبارت دیگر خاک‌ها در مقابل نیروهایى که باعث خارج کردن رطوبت مى‌شوند یکسان عمل نمى‌کنند. حال مورد دیگرى را مثال بزنیم. چنانچه دو نوع خاک را که درصد رطوبت آنها مساوى ولى از نظر بافت مختلف باشند در مجاورت هم قرار دهیم مشاهده خواهد شد که رطوبت از خاکى که بافت درشت دارد به سمت خاکى که بافت آن ریز مى‌باشد حرکت خواهد نمود. این پدیده‌ها از روى مقدار رطوبت قابل توصیف نیستند بلکه براى توجیه آنها باید از معیار دیگرى استفاده شود که همان پتانسیل آب در خاک است. براى تعریف بهتر پتانسیل مى‌توان موضوع را به نحو دیگرى نیز توصیف نمود. مى‌دانیم که گرما یکى از خصوصیات اجسام است ولى با داشتن مقدار گرما نخواهیم دانست که آیا گرما در جسم حرکت مى‌کند یا نه، در این صورت از نمایه دیگرى که شدت گرما را نشان دهد استفاده مى‌شود. این نمایه دما یا درجه حرارت است.
اگر دما را در دو سر یک جسم بدانیم خواهیم فهمید که آیا گرما در جسم حرکت مى‌کند یا نه و از کدام سمت به کدام طرف؟ زیرا عامل انتقال گرما اختلاف دماست و نه اختلاف گرما. به همین صورت در خاک هم لازم است علاوه بر مقدار رطوبت از نمایه دیگرى استفاده کنیم تا در شناخت حرکت آب به ما کمک کند این نمایه همان پتانسیل آب در خاک یا به اصطلاح شدت رطوبت مى‌باشد. مى‌دانیم بر حسب تعریف پتانسیل توانایى انجام کار است و لذا پتانسیل آب مقدار کارى است که باید روى یک گرم آب موجود در خاک انجام گیرد تا آن را از وضعیت خود خارج و در وضعیتى مشابه یا وضعیت یک گرم آب موجود در سطح آب آزاد قرار دهد. به‌عبارت ساده‌تر پتانسیل نیروهایى است که آب در خاک با آن درگیر بوده و براى اخذ آب از خاک باید بر آن نیروها غلبه کنیم.
اندازه‌گیرى پتانسیل
پتانسیل آب خاک در مزرعه توسط تانسیومتر یا بلوک‌هاى گچى اندازه‌گیرى مى‌شود. تانسیومترها فقط قادر هستند در دامنه تنش صفر تا ۸ متر کار کنند. خارج از این دامنه خلأ شدید باعث شکسته شدن ستون آب در تانسیومتر مى‌گردد. حال آنکه در بلوک‌هاى گچى این مشکل وجود ندارد. اشکال کار در بلوک‌هاى گچى آن است که این بلوک‌ها مقاومت الکتریکى را اندازه‌گیرى مى‌کنند و براى بدست آوردن مقدار پتانسیل باید به‌طور غیر مستقیم از منحنى واسنجى (کالیبره) دیگرى استفاده کرد. حساسیت بلوک تابعى از مقدار گچ بکار رفته در ساختمان بلوک نیز مى‌باشد. بلوک‌ها دامنه تنش صفر تا ۱۵۰ متر آب را اندازه‌گیرى مى‌کنند ولى دقت آنها براى تمام این دامنه یکسان نمى‌باشد. به‌همین دلیل بلوک‌ها طروى ساخته مى‌شوند که یا در دامنه مرطوب بین صفر تا ۵۰ متر کار کنند یا دامنه خشک ۱۰ تا ۱۵۰ متر. ولى دقت کار بلوک‌هاى گچى در دامنه صفر تا ۸ متر به هیچ وجه مانند تانسیومترها نخواهد بود. همچنین توصیه مى‌شود که بلوک‌هاى گچى بیشتر در خاک‌هاى رسى بکار برده شود تا خاک‌هاى شنی. زیرا خاک‌هاى رسى در رطوبت‌هاى معمولى کشاورزى تنش بیشترى را نشان مى‌دهند. علاوه بر این باید توجه داشت که بلوک گچى نسبت به شورى خاک حساس است و در چنین خاک‌هایى مى‌بایست بلوک نسبت به شورى نیز مستقلاً واسنجى شود.
در اندازه‌گیرى پتانسیل خاک توسط تانسیومتر باید به نوع وسیله اندازه‌گیرى توجه داشت تانسیومترها ممکن است از نوع فلزى و یا جیوه‌اى باشند.
در طراحى روشهای آبیارى ، پیدا کردن مقدار و زمان آبیارى به عوامل زیادی بستگى دارد که از آن میان مى‌توان به ویژگیهای فیزیکى و شیمیایى خاک، نوع گیاه و شرایط محیطی اشاره نمود. طراح سیستم آبیاری می باید سیستم آبیارى را انتخاب کند که با نوع خاک سازگاری داشته باشد. مثلاً اگر خاک ناحیه ای رسى باشد و ما سیستم آبیارى بارانى تفنگى را اجرا نموده باشیم ، به دلیل شدت پخش آب در این نوع سیستم آبیاری ممکن است مقدار زیادى روان آب سطحى به وجود آید که این خود باعث فرسایش میگردد. علاوه بر اینکه خاک محتوی هوا براى تنفس ریشه‌ها و مواد غذایى براى تغذیه گیاه است ، میتواند به عنوان منبع ذخیره رطوبت هم محسوب شود. بنابراین خاک باعث مى‌شود که آبیارى به فواصل نسبتاً طولانى انجام شود و گیاه در این فاصله بدون اینکه در معرض تنش آبى قرار گیرد رطوبت مورد نیاز خود را به تدریج از آن به دست می اورد . در واقع آبیارى عبارت است از برقراری رابطه بین آب ، خاک و گیاه .
بنابراین اطلاع از خصوصیات فیزیکى خاک در طراحى سیستم‌هاى آبیارى بسیار ضروریست و یک طراح سیستم آبیاری بایستی وضعیت خاک از نظر فیزیکی را به طور کامل بررسی نماید .
موجودیت آب در خاک مربوط به توانایى خاک در نگهدارى آب مى‌باشد. اگر یک خاک را اشباع و سپس آن را به‌حال خود قرار دهیم، بخشى از آب موجود در بین ذرات خاک در اثر نیروى ثقل از آن خارج مى‌شود که به آن آب ثقلى گفته مى‌شود. بنابراین آب ثقلى آبى است که در اثر نیروى ثقل از آن خارج مى‌شود که به آن آب ثقلى گفته مى‌شود. بنابراین آب ثقلى آبى است که به ذرات خاک نچسبیده و مى‌تواند آزادانه در لابه‌لاى ذرات حرکت نماید. زمان خروج آب ثقلى از خاک در مورد خاک‌هاى شنى ۲۴ ساعت یا کمتر و در مورد خاک‌هاى رسى ۴۸ ساعت و یا بیشتر مى‌باشد. پس از آنکه آب ثقلى از خاک خارج شد مقدار دیگرى از آب در خاک وجود دارد که فقط با نیروى بزرگتر از ثقل مثل نیروى جذب ریشه‌ها مى‌تواند از خاک خارج شود. به این بخش از آب موجود در خاک آب کاپیلارى یا آب موئینگى گفته مى‌شود. در واقع آب کاپیلارى آبى است که مى‌تواند مورد استفاده گیاه قرار گیرد. پس از خارج شدن آب‌هاى ثقلى و موئینگى هنوز هم مقدار دیگرى آب در خاک باقى مى‌ماند که با نیروى زیادى به اطراف ذرات خاک چسبیده و معمولاً با نیروهاى موجود در طبیعت از خاک خارج نمى‌شود. به این آب اصطلاحاً آب غشایى یا هیگروسکپى گفته مى‌شود. آب هیگروسکپى را ممکن است با خشک کردن خاک در گرم‌خانه‌ها خارج ساخت ولى توسط ریشه قابل جذب نمى‌باشد. مقدار رطوبتى که پس از خارج شدن آب ثقلى در خاک باقى مى‌ماند ظرفیت زراعى و یا ظرفیت نگهدارى آب در خاک نام دارد که یکى از نمایه‌هاى مهم در طراحى سیستم‌هاى آبیارى به شمار مى‌آید.
مهمترین نقاط پتانسیلى
هنگامى که خاک آبیارى مى‌شود رطوبت آن تا حد اشباع افزایش مى‌یابد . در نقطه اشباع پتانسیل خاک صفر و تمام منافذ خاکى از آب پر مى‌شود. البته در این وضعیت رطوبت خاک قابل استفاده گیاه نمى‌باشد زیرا در این شرایط على‌الاصول امکان تنفس گیاه و جذب فعالانه آب وجود ندارد. به‌تدریج با خارج شدن آب ثقلى از رطوبت خاک کاسته مى‌شود و شرایط براى جذب آب توسط گیاه فراهم مى‌آید. مناسب‌ترین وضعیت براى استفاده گیاه از رطوبت خاک حدّ ظرفیت زراعى(Field Capacity) است که اختصاراً با علامت FC نشان داده مى‌شود.
ظرفیت زراعى مقدار رطوبتى که یک خاک اشباع شده پس از خارج شدن آب ثقلى در خود نگه مى‌دارد ظرفیت زراعى نام دارد. در خاک‌هاى زراعى این حالت معمولاً ۲۴ تا ۴۸ ساعت پس از آنکه خاک اشباع شده به‌حال خود نگه داشته شود رخ مى‌دهد. ظرفیت زراعى تابعى از بافت و ساختمان خاک است. در کشاورزى فرض مى‌شود حد ظرفیت زراعى ثابت باشد و آن حالتى است که آب خاک تقریباً تحت تنشى معادل ۱ متر (براى خاک‌هاى شنی) تا ۴/۳ متر (براى خاک‌هاى سنگین رسی) قرار گیرد. در عملیات طراحى آبیارى ظرفیت زراعى به‌طور متوسط حدود یک سوم اتمسفر یا یک سوم بار یعنى ۳۰۰ سانتى‌متر در نظر گرفته مى‌شود.
چون اکثراً لگاریتم پتانسیل خاک (برحسب سانتى‌متر) به‌عنوان نمایه‌اى در تشخیص وضعیت رطوبتى خاک مصطلح بوده و با علامت pf خاک حدود ۴/۲ مى‌باشد زیرا:
pF = log |-300|
pF = log(300) = 2.4
ظرفیت زراعى بالاترین حد رطوبت موجود در خاک براى استفاده گیاه مى‌باشد. پائین‌ترین حدى که رطوبت خاک بتواند قابل استفاده گیاه باشد نقطه پژمردگى است که به‌عنوان یک نقطه پتانسیلى دیگر در زیر به تشریح آن مى‌پردازیم.
پتانسیل آب در خاک
بهتر است تعریف مفهوم پتانسیل آب در خاک را با چند مثال ساده آغاز کنیم. اکثراً مشاهده مى‌شود که در خاک‌هاى مختلف حتى اگر درصد رطوبت آنها یکسان باشد گیاهان رشد یکسانى ندارند. یعنى یکسان بودن رطوبت خاک دلیل بر یکسان بودن رشد نمى‌تواند باشد. این امر مى‌رساند که در خاک‌هاى مختلف رطوبت اولیه یکسان در اختیار گیاه قرار نمى‌گیرد. مثال دیگر اینکه اگر دو نوع خاک با رطوبت اولیه یکسان را به مدت مساوى در گرم‌خانه‌اى قرار دهیم و سپس رطوبت آنها را ندازه‌گیرى کنیم ملاحظه مى‌شود که مقدار رطوبت باقى‌مانده در این دو مساوى نخواه بود. به‌عبارت دیگر خاک‌ها در مقابل نیروهایى که باعث خارج کردن رطوبت مى‌شوند یکسان عمل نمى‌کنند. حال مورد دیگرى را مثال بزنیم. چنانچه دو نوع خاک را که درصد رطوبت آنها مساوى ولى از نظر بافت مختلف باشند در مجاورت هم قرار دهیم مشاهده خواهد شد که رطوبت از خاکى که بافت درشت دارد به سمت خاکى که بافت آن ریز مى‌باشد حرکت خواهد نمود. این پدیده‌ها از روى مقدار رطوبت قابل توصیف نیستند بلکه براى توجیه آنها باید از معیار دیگرى استفاده شود که همان پتانسیل آب در خاک است. براى تعریف بهتر پتانسیل مى‌توان موضوع را به نحو دیگرى نیز توصیف نمود. مى‌دانیم که گرما یکى از خصوصیات اجسام است ولى با داشتن مقدار گرما نخواهیم دانست که آیا گرما در جسم حرکت مى‌کند یا نه، در این صورت از نمایه دیگرى که شدت گرما را نشان دهد استفاده مى‌شود. این نمایه دما یا درجه حرارت است.
اگر دما را در دو سر یک جسم بدانیم خواهیم فهمید که آیا گرما در جسم حرکت مى‌کند یا نه و از کدام سمت به کدام طرف؟ زیرا عامل انتقال گرما اختلاف دماست و نه اختلاف گرما. به همین صورت در خاک هم لازم است علاوه بر مقدار رطوبت از نمایه دیگرى استفاده کنیم تا در شناخت حرکت آب به ما کمک کند این نمایه همان پتانسیل آب در خاک یا به اصطلاح شدت رطوبت مى‌باشد. مى‌دانیم بر حسب تعریف پتانسیل توانایى انجام کار است و لذا پتانسیل آب مقدار کارى است که باید روى یک گرم آب موجود در خاک انجام گیرد تا آن را از وضعیت خود خارج و در وضعیتى مشابه یا وضعیت یک گرم آب موجود در سطح آب آزاد قرار دهد. به‌عبارت ساده‌تر پتانسیل نیروهایى است که آب در خاک با آن درگیر بوده و براى اخذ آب از خاک باید بر آن نیروها غلبه کنیم.
اندازه‌گیرى پتانسیل
پتانسیل آب خاک در مزرعه توسط تانسیومتر یا بلوک‌هاى گچى اندازه‌گیرى مى‌شود. تانسیومترها فقط قادر هستند در دامنه تنش صفر تا ۸ متر کار کنند. خارج از این دامنه خلأ شدید باعث شکسته شدن ستون آب در تانسیومتر مى‌گردد. حال آنکه در بلوک‌هاى گچى این مشکل وجود ندارد. اشکال کار در بلوک‌هاى گچى آن است که این بلوک‌ها مقاومت الکتریکى را اندازه‌گیرى مى‌کنند و براى بدست آوردن مقدار پتانسیل باید به‌طور غیر مستقیم از منحنى واسنجى (کالیبره) دیگرى استفاده کرد. حساسیت بلوک تابعى از مقدار گچ بکار رفته در ساختمان بلوک نیز مى‌باشد. بلوک‌ها دامنه تنش صفر تا ۱۵۰ متر آب را اندازه‌گیرى مى‌کنند ولى دقت آنها براى تمام این دامنه یکسان نمى‌باشد. به‌همین دلیل بلوک‌ها طروى ساخته مى‌شوند که یا در دامنه مرطوب بین صفر تا ۵۰ متر کار کنند یا دامنه خشک ۱۰ تا ۱۵۰ متر. ولى دقت کار بلوک‌هاى گچى در دامنه صفر تا ۸ متر به هیچ وجه مانند تانسیومترها نخواهد بود. همچنین توصیه مى‌شود که بلوک‌هاى گچى بیشتر در خاک‌هاى رسى بکار برده شود تا خاک‌هاى شنی. زیرا خاک‌هاى رسى در رطوبت‌هاى معمولى کشاورزى تنش بیشترى را نشان مى‌دهند. علاوه بر این باید توجه داشت که بلوک گچى نسبت به شورى خاک حساس است و در چنین خاک‌هایى مى‌بایست بلوک نسبت به شورى نیز مستقلاً واسنجى شود.
در اندازه‌گیرى پتانسیل خاک توسط تانسیومتر باید به نوع وسیله اندازه‌گیرى توجه داشت تانسیومترها ممکن است از نوع فلزى و یا جیوه‌اى باشند.
دیدگاه ها