Dr. amer H. Taher Chapter four Irrigation& drainage Dr. Sherien F. Engineering مقدمة 4-1 introduction تحتاج جذور النبات الى كل من الماء والهواء لنوها

النسخ

1 مقدمة 4-1 introduction تحتاج جذور النبات الى كل من الماء والهواء لنوها فاذا كان منسوب الماء االرضي مرتفع) أي قريب من سطح التربة فاالراضي الزراعية تصبح متغدقة واالنتاج الزراعي يتأثر ويقل انتاج المحاصيل... وتتفاقم لمشكلة وتتعقد اذا ما تملحت التربة او الماء االرضي. ان ظاهرة تغدق التربة logging) water )تسبب في ملء الفراغات البينية للتربة منطقة الجذر بالماء وانعدام التهوية وذلك بسبب تجمع مياه الري مصحوب بارتفاع الماء االرضي وبسبب االدارة غير الكفؤة للمياه المضافة للتربة. وعندما تكون المياه االرضية قريبة من سطح التربة تتبخر المياه بشكل مستمر وتكون هناك حركة مياه من المياه االرضية بأتجاه سطح التربة بفعل الخاصية الشعرية فتتجمع االمالح على السطح وتصبح التربة ملحية ويصعب عندئذ استصالحها. وعليه لمنع ظاهرة تغدق التربة يتطلب االمر نظام بزل متطور فالبزل يعرف:- Drainage:-is defined as the removal of excess water and salts from adequately irrigated agricultural lands. لذلك فالري والبزل عمليتان متممة احدهما لالخرى للحصول على اعلى انتاج محاصيل... و أول خطوة في عملية استصالح االراضي هو تخفيض منسوب الماء االرضي القريب من سطح التربة. فوائد البزل benefits of the drainage of farm land 1-improves soil structure and increases the soil productivity 2-facilitstes early ploughing and planting 3-incrases the depth of root zone thereby increasing the available soil moisture and plant food 4-increases soil ventilation 5-increases water infiltration into the ground thereby decreasing soil erosion on the surface 6-creates favourable conditions for growth of soil bacteria 42

2 7-leaches excess salts from soil 8-maintains favorable soil temperature 9-improves sanitary and health conditions for the residents of the area. بناء التربة :- هو نظام توزريع حبيبات التربة مع بعضها في نموذج. بنية التربة:- يدعى ببناء التربة... وهو عامل هام في تحديد المسامية. من الوجهة الزراعية فأن بنية التربة تتغير الى االحسن عندما تحرث االرض وتعرض بعد ذلك للشمس والهواء مع تجنب استخدام المكائن الزراعية الثقيلة وهذا التحسن يعني تسهيل عملية تخلخل الماء والهواء الى داخل التربة. انظمة البزل 4-2 Drainage system The design of a drainage system depends upon a number of factors:- 1-geological and soil surveys 2-the properties of the soil especially the permeability should be determined 3-the depth of the water table below the land surface should be ascertained 4-the fluctuations of the water table during the year should be also studied 5-the quantity of ground water should be determined 6-the salts in the soil and water should be ascertained انواع انظمة البزل 4-3 Type of drainage system انظمة البزل السطحي 1-surface drainage system هي عبارة عن مبازل سطحية مفتوحة او مبازل سيول انظمة البزل تحت السطحي 2-sub-surface drainage system وهي عبارة عن مبازل انبوبية تستخدم للتخلص من الماء تحت سطح التربة لغرض منع حدوث ظاهرة التغدق. 43

3 المبازل المفتوحة open drains وتصنف الى:- A-shallow surface drains وهي مبازل مفتوحة اعماقها نوعآ ما قليلة تحت سطح االرض وتستخدم لبزل الماء الزائد من عمليات اضافة ماء الري الى الحقول وكذلك تصمم لغرض تصريف ماء االمطار خاللها. الهدف االساس من هذه المبازل لتقليل غور الماء الى التربة وذلك بتقليل زمن بقاء الماء على سطح التربة. المبازل المفتوحة العميقة B-deep open drains وهي مبازل مفتوححة كالمبازل المفتوحة الضحلة ولكن هذه المبازل عميقة... وتستخدم كمصبoutlet لشبكة المبازل المغلقة system) closed drain (الستصالح االراضي النتغدقة كذلك تسخدم كمبزل سطحي. اذا كانت التربة نفاذة بشكل جيد فتستخدم هذه المبازل لتقليل تغدق التربة وبدون استخدام او استعمال المبازل المغلقة الفخارية) (tile drains وتكون المسافة بين المبازل العميقة تتراوح من 750 متر الى 800 متر. 4-4Design and maintenance of open drains ان شبكة المبازل المفتوحة تحتوي على المبازل الحقلية التي تقوم االخيرة بتجميع المياه من سطح التربة لتصب في مبازل مجمعة والتي بدورها تصب في مبازل ثانوية ثم تصب الثانوية في مبازل فرعية وتصب الفرعية في المبازل الرئيسية ثم الى المصب العام. تخطيط شبكة المبازل Layout ان اختيار مسار شبكة المبازل يتبع البزل الطبيعي للمساحة الراد بزلها وعند اخفض الخطوط الكنتورية. يجب ان اليتقاطع مسارات المبازل مع المستنقعات والبرك وان يصب كل مبزل بمبزل اكبر او منخفض Discharge capacity هذا التصميم يخصص للمناطق ذات االلمطار المستمرة The drains are designed to remove excess water from the surface expected from rains in addition to the natural drainage of the area. 44

4 ان حجم المبزل يعتمد على:- 1-Size and topography of the water shed. 2-Intensity of rainfall in the area. 3-Characteristics of soil such as vegetation cover and land use. ان تصريف المبزل يتم حسابه من العالقة التالية:- Q=C A (4-1) Q=discharge (m 3 /sec ) A=the catchment area(km 2 ) C= the discharge coefficient ان قيمة معامل التصريف يعتمد على نوع التضاريس وعلى المعدل السنوي لالمطار وتتراوح قيمته بين 0.8 للمناطق التي يتراوح فيها سقوط االمطار اقل من )25 سم في السنة الى 80( في المناطق المرتفعة والتي معامل البزل( D.C ) Drainage coefficient فيها المعدل السنوي لسقوط االمطار اكثر من) 76 سم.ويؤخذ بمعدل 0.8(. كما يمكن حساب كمية التصريف من معامل البزل Is the rate at which the runoff is to be removed to provide an adequate drainage to ensure good crops? Its depend up on type of area, the crops grown, and the permeability of the soil. An average value of the drainage coefficient of 1 cm/day is usually recommended. Thus discharge = Velocity of flow = 1.16*10 3 cumecs /ha =0.116 cumecs/ ha The velocity of flow in drain should be such that neither scouring nor silting occurs. Manning,s formula can be used to determine the velocity, V= 1 n R2/3 S 1/2 (4-2) 45

5 The velocity of flow can also obtained from Elliot,s formula V=0.15 ( A ) S (4-3) P A= the cross sectional area(m 2 ) P= the wetted perimeter (m) S=the bed fall (cm/km) المقطع العرضي للمبزل section of drains The cross section of surface drains is trapezoidal it is designed as irrigation canal (unlined). The bed width and depth for the design discharge are usually determined by lacey,s formula. The drain bed should be taken below the sub soil water table so that the drain carries the seepage discharge during and after the rains 4-4-4provision of a cunnette As a deep open drain is usually designed for the storm runoff, the discharge is quite small when it is carrying only the seepage discharge A cunnette (i.e a small sub drain in the bed of the main drain) is provided to carry the seepage discharge when there is no storm runoff (fig.4.1) Fig (4-1) If the cunnette is not provided, the seepage discharge flows with a small depth over the entire width of the open drain with a small velocity. it Leeds to silting and the weed growth. 46

6 وعليه فأن وجود هذا المبزل الصغير( cunnette )سوف يجعل سرعة الجريان للماء عالية خالله من الماء المترشح فقط ويؤدي ذلك تقليل في نمو االدغال عالوة على ذلك فأن صيانة المبزل تكون بتنظيف هذا الجزء فقط من المبزل الكلي.وبترتيب مقطع المبزل)شكل 4.1 (يكون حامآلللتصاريف في حالتي مبزل سيول االمطار ومبزل الماء المتسرب خالل التربة في اوقات توقف االمطار. البزل تحت السطحي sub-surface drainage وهو عبارة عن انشاء نظام بزل دائمي تحت االرض بواسطة دفن انابيب متعرجة ومثقبة يطلق عليها اسم المبازل الحقلية. الهدف منها السيطرة على المياه الجوفية )الناتج من ارتفاع الماء االرضي او بسبب رشح الماء الزائد من عليات الري(. هذه المبازل بعيدة عن مرأى النظر والتتقاطع مع العمليات الحقلية والتشغل مساحة من ارض المشروع وليس هناك نمو حشائش فيها كما هو الحال في المبازل المفتوحة والتحتاج الى صيانة مثلما في المبازل المفتوحة. المعايير التصميمية للمبازل الحقلية 4-5Design criteria drain specification المواد والقطر 1- material and diameter وهي انابيب بالستيكية متعرجة ومثقبة تستخدم للبزل الحقلي... وتوجد باقطار من 80 ملم الى 160 ملم وبتدرج 20 ملم. والمستخدمة بقطر 10 سم. االنحدار 2-slope A minimum slope of 15cm/100m ia adopted االنحدار االدنى للمبازل الحقلية هو 15 سم /100 متر الطول 3-length عمومآ تكون المسافة بين المبازل المجمعة هي 500 متر لذا يكون الطول للمبزل الحقلي اقل من 250 متر. مانهول 4-manhol اطول مبزل حقلي هو 250 متر.. في بعض الحاالت الطول يزيد عن 300 متر وفي مثل هذه الحالة يتطلب وضع مانهول عند المسافة 250 متر أو اقل. سعة المبزل الحقليequation 5-flow معادلة الجريان في االنابيب البالستيكية المتعرجة مشتقة من معادلة ماننك:- d=0.31 (q A) S (4-4) d=pipe diameter (m) q= drainage rate (m 2 /sec) 47

7 q=q/a A= drained area(m 2 ) S= average hydraulic gradient(m/m) i.e slope of the field drain (m/m) المسافة بين المبازل الحقلية -6 field drains spacing Consider two drains at spacing of B and the resulting drained water table as shown in fig(4-2).an impermeable layer underlies the drain at a depth d. rainfall intensity (or rate of application of irrigation water)is uniform and is equal to ra (m/sec). Fig(4-2)line sketch of drains Hooghoudt equation for either open ditch drains or sub- surface drain is written as:- B 2 = 4k ra (H + d)2 (h + d) 2 (4-5) If q d is the discharge per unit length of drain that enters the drain from two sides of the drain, then q d = ra B q d = 4k B (H + d)2 (h + d) 2 (4-6) In practice, to:- the drain is considered empty (i.e h=0) equation (4-6) then reduces 48

8 q d = 4k (H+d)2 (d) 2 (4-7) B Or q d = 4kH (H + 2d) B i.e B = 4kH (H + 2d) q d q d = ra. B B= 4kH (H + 2d) rab Or B 2 = 4kH (H + 2d) (4-8) ra وعلية فأن d q معلومة يمكن حساب قيمة المسافة بين المبازل B. The design drain discharge (or the drainage coefficient which is defined as the amount of water that must be removed in a 14- hour period) q d = 0.01 ra B (m3 /sec)per meter length of drain Ra= the average rainfall intensity(m) B= the spacing of the drains (m) ويعبر عنه بمقدار %1 من معدل الشدة المطرية في اليوم وقيمةB تحسب من المعادلة( 4-8 ( وهي كاألتي) 40,60,80,100,120 ( او ) 50,75,100,125 (متر اي مقربة الى اقرب خمسة أمتار. عمق المبزل الحقيقي 7-Depth of field drain معدل عمق المبزل الحقيقي يساوي 2 متر تحت منسوب سطح الماء. وبما أن طول المبزل الحقلي 250 متر لذا يكون عمق المبزل الحقلي 2.2 في المصب و 1.8 متر في النهاية عمق الماء االرضي والشحنة الهيدروليكية 8-water table depth and hydraulic head ان الهدف من عملية البزل هو الحصول على تربة لمنطقة جذر النبات ذات تهوية جيدة وخالية من التراكيز الملحية ويتم ذلك بأن يكون منسوب الماء االرضي تحت منطقة الجذور لنمو النباتات Water table depth=1.2m Hydraulic head= =0.8 m 49

9 i.e hydraulic head = drain depth-water table depth وتقاس حقليآ وتعد من قبل المختصين في تحريات التربة التوصيلة الهيدروليكية عمق الطبقة الصماء 9-Hydraulic conductivity (k) 10-Depth of impermeable layer عمق الطبقة الصماء تلعب دورآ رئيسيآ في حساب المسافات بين المبازل الحقلية لذا يتطلب االمر جمع البيانات الخاصة بها. تخطيط شبكة المبازل الحقلية المخطط ادناه بالرقرقم) 4-3 (يبين مواقع والمسافات بين المبازل الحقلية وكاالتي:- اوآل:- نهاية المبزل الحقلي يبعد عن خط الوسط للقناة المغذية المبطنة بمسافة 15 متر. 11-Drainage layout map ثانيآ:- المسافة بين حافة)محرم(القناة الثانوية والمبزل الحقلي ويرمز له بالرمزld ليس اكبر من نصف المسافةL وا B ثالثآ:-المسافة بين المبزل الحقلي وخط الوسط للمبزل الثانوي ويرمز له بلرمزleتكون بحدود رابعآ:- المبازل الحقلية تكون عمودية على المبزل المجمع B.L=spacing (m) Le=L to (L+30m) خامسآ:- للحفاظ على معدل عمق المبزل الحقلي 2 متر يكون عمق مصب المبزل 2.2 تحت منسوب االرض الطبيعية سادسآ:-المبازل الحقلية توضع في حفرة بعرض 30 سم وتغطي بفلتر حصوي. 50

10 Fig(4-3) location and spacing of field drain L= field drain spacing Root zone depth =1.5m Capacity rise in soil = 0.3m Coefficient of permeability of soil = 1.5*10 4 m/sec Drainage capacity =0.11 m3.ery ynoitauq ypy. sec /km2 Spacing of drains =200m Depth of impervious stratum ground=10m Example (4-1):-determine the location of closed tile drains below ground for the following data:- Solution:- From eq.(4-5) q d = 4k (H+d)2 (d) 2 B q d = m3 106 sec /m H+d=10-( )m =8.2 m K=1.5*10 4 m/sec &B=200m 51

11 = ((8.22 ) d2 ) : D= 7.74m Hence the drains should be located at =2.26m below the ground المبازل السطحية Surface drainage وهي عبارة عن شبكة من المبازل المفتوحة تقوم بجمع المياه من المبازل الحقلية الى المبازل المجمعة ومنه الى المبازل الثانوية ثم المبازل الفرعية ثم المبازل الرئيسية في مساحة المشروع االروائي وتبزل في النهاية الى المصب العام. المصب العام( drain outfall ):-وهو مبزل كبير مفتوح يستلم المياه من عدد من المبازل الرئيسية لمشاريع عديدة. المبزل الرئيسي( drain -:(main وهو المبزل الذي يجمع مياه البزل لمساحة المشروع وينقلها الى المصب العام وتصب فيه عدد من المبازل الفرعية والثانوية. المبازل الفرعية( drains branch ):-وهي مبازل مفتوحة كبيرة تصب فيها عدد من المبازل الثانوية وتنقل المياه الى المبازل الرئيسية. المبازل الثانوية( drains -:(secondary وهي مبازل مفتوحة ايضآ وتنقل مياه المبازل المجمعة الى المبازل الفرعية أو المبزل الرئيسي. المبازل المجمعة( drains collector ):-وهي عبارة عن مبازل مفتوحة تنقل مياه الى المبازل الثانوية او الفرعية بعد تجميعها من الحقول بواسطة المبازل الحقلية. وقد تم التطرق اليها في الفصل الثالث الفقرة) 3-4 (من حيث تخطيط الشبكة او ترقيمها. 4-6Hydraulic design of open drains. A-Design equation The manning equation is used to design the cross section V= 1 n R2/3 S 1/2 (4-9) Q=VA Q = A n R2/3 S 1/2 Q= discharge (m 3 /sec ) A=cross section area(m 2 ) P=wetted perimeter (m) 52

12 R=hydraulic radius = A/P(m) S=longitudinal slope of water surface (m/m) n= manning,s roughness coefficient B-Side slope ويؤخذ في الحاالت االعتيادية 1.5:1 أما في حالة الترب غير المستقرة كالترب الرميلية فأن انحدار جوانب المبزل تكون 2:1 أو 2.5:1. على فرض ان جريان المياه في المبازلflow uniform C-longitudinal slope اي يكون فيه عمق الجريان اليتغير على طول المقطع لذا فأن منسوب الماء يوازي منسوب قاع المبزل وعادة يكون انحدار المبزل الطولي موازيآالى انحدار مستوى االرض الطبيعية لتقليل اعمال الحفريات... األ ان اقل انحدار طولي يكون 20cm/km واعلى انحدار طولي 250cm/km وبما ان المبازل الثانوية والفرعية والرئيسية تحمل اضافة الى مياه البزل مياه االمطار وكذلك مياه المهارب والسيول لذا فمن المحتمل ان تكون الترسبات مشكلة يجب تالفيها وتوفير سرعة في المبازل لتالفي الترسبات أو تأكل في المبازل. i-the lacey equation for non silting velocity is used 2 f=2.46v min /Dm F= lacey silt factor between (0.4 to 1.0) V min = minimum velocity to avoid siltation Dm= mean depth وان اقل سرعة بموجب (4-10) Dm= A W s A=cross section area of drain Ws= width of water surface ii-kennedy equation for non-silting in drains V min = C 2 D 0.64 (4 11) 53

13 ادنى سرعة لمنع الترسبات V min =Minimum permissible velocity معامل يعتمد على نوع الترسبات C 2 =Coefficient D=depth of water in drain ان االنحدار الطولي المسموح به يعتمد على تصريف المبزل والجدول رقم )4-1( يوضح ذلك. Table (4-2) maximum bed slope for major drains discharge (m 3 /sec ) Max. bed slope cm/km cm/km cm/km cm/km وعلى العموم في منطقة وسط وجنوب العراق ليس باألمكان الحصولل على شبكة مبازل بحيث تكون السرع فيها اقل من السرع المسموح بها الن االراضي منبسطة في تلك المناطق مما يؤثر على الناحية االقتصادية للمشروع لذا فمن المحتمل ان تكون السرع اقل من السرع المسموح بها. D-Roughness coefficient E B - D ratio لتصاميم المبازل فقد تم استخدام قيمة معامل خشونة 0.03=n عند اعداد تصاميم المبازل تؤخذ نسبة عرض القعر الى عمق الماء بنظر االعتبار... ففي المبازل الصغيرة باالمكان اخذ نسبة بين 1.5 الى 2 B D وفي المبازل اما االبعاد القياسية للمبازل اما اقل عرض قعر للمبازل المجمعة عرض السداد والمحالمات الداخلية للمبازل i.e B D B D = 3 = الكبيرة Minimum bed width=1 m Minimum bed width=0.8m f-bank and berm width 54

14 ان سداد المبازل والمحرمات الداخلية ( berm )تستعمل عادة كطرق للمراقبة وكذلك ألغراض الصيانة وعند وجود طريق مبلط محاذي للمبزل فيكون ارتفاع هذا الطريق 0.5 متر عن االرض الطبيعية والجدول رقم) 4-2 (يبين عرض السداد للمبازل المفتوحة. نوع المبزل المبازل المجمعة المبازل الثانوية والفرعية والرئيسية المبازل الثانوية والفرعية والرئيسية ارتفاع البزل اقل من 5 متر اقل من 5 متر اكثر من 5 متر عرض السداد 5 متر 5 متر 5 متر عرض الberm 4 متر 4 متر الكتف االول بعرض 5 متر والثاني بعرض 4 متر االنحدار الخارجي لسداد المبازل g-outer slopes يكون االنحدار الخارجي لسداد المبازل 2:1 لكال الجهتين نصف قطر االنحناءbend h-radius of curve or The radius of curve (at the center line of the drain) =10Ws حيثWsيمثل عرض سطح الماء ان نصف قطر االنحناء يجب ان اليقل عن 50 متر للمبازل المجمعة والمبازل الثانوية الصغيرة واليقل عن 100 متر للمبازل الفرعية والرئيسية. منسوب مياه البزل i-water level على العموم يكون منسوب الماء في المبازل امجمعة 2.5 متر أوطأ من منسوب االرض الطبيعية عندما يكون عمق المبازل الحقلية 2 متر على ان يكون اقل فرق منسوب بين مذب المبزل الحقلي ومنسوب الماء في المبزل المجمع اليقل عن 0.2 متر. ولما كان عمق المبزل الحقلي في نهايته 2.2 متر لذا يكون عمق المبزل المجمع هو:- m2.5 +عمق الماء 55

15 4-7open collector drains 1-Design equation المبازل المجمعة V= 1 n R2/3 S 1/2 Q=VA 2-longitudinal slope S min =20cm/km S max =250cm/km 3-roughness coefficient N= bed width B=0.8m 5-water level in collector drain=g.l side slope 1.5(H):1(V) 7-discharge in collector drain Q=10 I.g( 100 Ea ) cropped area (4 12) Ew Q= discharge in the collector drain(m 3 /sec ) Ig= gross water requirement at farm turout(mm/month) Ea= field application efficiency Ew= water course conveyance efficiency 8-Cross section of collector drain 56

16 Cross section area A = (B+ZD)D ( m 2 ) Wetted perimeter P= B+2D Z (m) Hydraulic radius R=A/P (m) مسائل في هندسة البزل about 2000ha of land at the rate of 3(m 3 /sec). Drainage coefficient= discharge in 24 hours period area of watershed = = m, = 1.296cm Q2:-Determine the increase in drainage coefficient, if discharge rate of open ditch constructed for draining the watershed area of 1500 ha land is increased from 3.5 Q1:- Calculate drainage coefficient for design of open ditch to drain an area of Solution:- Solution:- (m 3 /sec) Drainage coefficient at discharge Q, (3.5cm)= =0.02m =2cm Drainage coefficient at discharge Q, (10.5cm) = =0.06m,= 6.0cm Therefore, increase in drainage coefficient =6-2=4.0cm 57

17 Example (1):-determine the diameter corrugated field drain required to drain an area of 2.5 ha (250m*100m) Drainage rate q =3mm/day(0.003m/day), slope of field drain=15cm/100m d=0.31(q A) S Solution:- d=pipe diameter (m) q=drainage ratem 3 /sec/m 2 q= =3.472*10 8 m/sec A=250*100m 2 S= = m/m d=0.31*(3.472* ) d=0.0746m=74.6mm use d=80mm 58