کاربرد های کامپیوتر در مسائل مربوط به زهکشی

امروزه کامپیوتر در تمام ابعاد و جنبه های مختلف سیستم ها زهکشی وارد شده است. بااستفاده از کامپیوتر و مدل های کامپیوتر حتی نیاز به کارهای موسوم آزمایشگاهی نیز نمی باشد. ورود کامپیوتر به مباحث زهکشی مفاهیم و روش های جدیدی را باعث شده است. با این وجود گرچه روش های کامپیوتری جایگزین روش های قدیمی محاسباتی قدیمی شده اند اما برنامه های کامپیوتری نمی توانند درک صحیحی از فرایندها را به مهندسین القا نمایند. لذا توصیه می شود مهندسان طراح سیستم های زهکشی به روش های محاسبات دستی هم آسنا باشند و نیز قادر باشند از برنامه های کامپیتری استفاده کنند.



1- کاربردهای کامپیوتری در طراحی زهکش

برخی از برنامه های کامپیوتری فقط برای محاسبا 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 تهیه جدول 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 باشد. با این وجود تعدادی نرم افزار تجارتی نیز ساخته شده است که دسترسی عموم به آن آزاد است.






1-1سیستم 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 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. 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 ارئه 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.





1-2سیستم 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 بر این کامپیوتر این امکان را فراهم می سازد کهمحاسبات 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 نرم افزارها 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 (NRCS) تهیه شده است. از برنامه های موجود دیگر نرم افزار موسوم به DUFLOW می باشد که معادلات سنت و نان 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 نیزمی باشند.




1-3تهیه 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.



2- 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 نیاز های زهکشی را در حوضه های آبریز کوچک و بزرگ و یا قطعات اراضی کشاورزی به دست آورد. مدل های موسوم به TR-20 و HEC-1 و DUFLOW دراین موارد بسیار به کار گرفته می شوند.




2-1 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 را به دست آورد. این مدل عملیات روند سازی 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 ارکیب شده و در نهایت هیدروگراف نهایی محاسبه می گردد. گرچه نرم افزار TR-20 ابتدا در سال 1964 و به زبان فرترن نوشته شده اما بعدا نسخه PC آن و بعد از آن در سال 1992 نسخه قابل استفاده با ویندوز نیز تهیه گردید.






2-2 مدل HEC-1


این مدل در دهه 1980 میلادی توسط مهندسان مشاور ارتش آمریکا تهیه گردید. این نرم افزار قادر است هیدروگراف حاصله از باران های غیر یکنواخت را تهیه و بر اساس مخازن و مسیر رودخانه ها روند سازی نماید.






2-3 مدل DUFLOW


مدل DUFLOW نیز یکی از مدل های شبیه سازی رواناب در مقابل بارندگی است. این مدل مناسب اراضی مسطح با زهکش های زیر سطحی 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 روند سازی 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 غیره به آن افزوده شده است.


3- مدل های جریان آب زیرزمینی

این مدل ها برای مسایل پیچیده آب زیرمینی 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 (flow net method) یا روش مربع ها (squares method) و یا relaxation method می باشد. تمام این روش ها در واقع به صورت عددی اجزاء 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 آبخان نیز لحاظ شده است.





3-1 مدل های صفحه گسترده

این مدل ها که نسخه صفه گسترده مدل ها MODFLOW می باشد به سرعت جایگزین سایر مدل های کامپیوتری 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.






3-2 مدل MUDFLOW


این مدل از نوع سه بعدی جریان آب زیر زمینی است که توسط سازمان زمین شناسی آمریکا (USGS) تهیه گردیده و روشی که در آن به کار گرفته شده روش تفاضل های محدود است. از زما ارائه اولیه مدل، تغییرات و اصلاحات زیادی روی آن انجام شده است. در نسخه های جدید این مدل استفاده از GIS و یا لحاظ کردن شوری و 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-SURFACE را نام برد. در سایت www.scisoftware.com می توان نسخه نمایشی این مدل را مشاهده کرد.




3-3 مدل SGMP


با مدل استاندارد آب های زیر زمینی که با نام SGMP معروف است می توان تاثیر انسان از طریق طرح های آبیاری و زهکشی، تغذیه مصنوعی و استخراج آب از چاه را تحلیل کرد. در این مدل منطقه مورد نظر به تعدادی چند ضلعی (پلی گن) 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.



4- 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 واگنینگن 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 مدل یک بعدی است ولی مسایل مربوط به حرکت جانبی و نشت در دامنه تپه ها را نیز می توان با آن حل کرد.



مدل موسوم به SWAP یا سیستم آب، خاک، گیاه، اتمسفر نسخه تکامل یافته مدل های SWATRER و SWACROP می باشد. در این مدل بخش جریان عمودی و غیر اشباع با استفاده از معادلات ریچاردز 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 امکان 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- مونتیت سود جسته است. در سال های دهه 1980 بخش مربوط به شوری آب و خاک نیز به این مدل افزوده شد.





5- 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 آن جمله می توان به DRAINSAL ، SALTMOD و WATSUIT اشاره کرد. مدل DRAINSAL توسط مرکز تحقیقات شوری هندوستان (CSSRI) ارائه گردیده است که برای کسب اطلاعات بیشتر می توان به سایت www.icar.org.inlcssri/cssri.html مراجعه نمود. مدل DRAINMOD در هلند توسعه داده شد و می توان آن را از سایت http://www.ilri.nl دریافت کرد. مدلWATSUIT در مرکز تحقیقات شوری آمریکا تهیه گردیده و اطلاعات مربوط به آن از سایت http://www.ussl.ars.usda.gov/models/watsuit.htm قابل دریافت است.