ارزیابی کاهش تبخیر از استخرهای ذخیره آب کشاورزی با استفاده از پوشش یونولیتی

با توجه به مشکل خشکسالی و کمبود آب در سال­های اخیر، استفاده کنترل شده از منابع محدود آبی موجود اهمیت ویژه­ای دارد. راهکارهای متعددی به منظور تحقق این امر به کار گرفته شده که یکی از آنها مهار آب­های سطحی و ذخیره­سازی آن در مواقع پرآبی مانند فصل زمستان که کشاورزان آب مازاد در اختیار دارند، می­باشد. یکی از روش­های متداول ذخیره آب در کشورمان، احداث استخرهای ذخیره آب زمستانه است که آب ذخیره شده برای جبران کمبود در تابستان وارد چرخه آبیاری می­شود. اما یک مسئله مهم در خصوص این استخرها بحث تبخیر از سطح آب است که هدف از این تحقیق ارزیابی روشهای فیزیکی کاهش تبخیر از این استخرها با استفاده از قطعات یونولیت می­باشد. به همین جهت تأثیر این نوع پوشش با سطح پوشش 90 درصد در کاهش میزان تبخیر بررسی شده و به کمک­ داده­های تبخیر که مستقیما از تشت­های تبخیر (با پوشش و بدون پوشش) و به مدت 2 ماه در منطقه از شهرستان اردکان استان یزد به صورت روزانه مستقیما اندازه گیری شده و با استفاده از مقادیر میانگین و مجموع میزان تبخیر دو ماهه و مقایسه آنها با یکدیگر، کاهش تبخیر از تشت با پوشش یونولیتی برابر 6/51 درصد بدست آمد که نشان دهنده مناسب بودن این پوشش برای جلوگیری از هدر رفت آب کشاورزی می­باشد.

خشکسالی ده ساله اخیر ایران پدیده­ای است که تاکنون خسارات بسیاری را به منابع آبی ایران و بدنبال آن به کشاورزی و اقتصاد ایران وارد کرده است. با توجه به مشکل کم آبی در اغلب مناطق روستایی استان، برنامه­ریزی برای استفاده بهینه از منابع آب دارای اهمیت ویژه­ای می­باشد. علاوه بر تدابیری که جهت تقویت و تغذیه سفره­های آب زیرزمینی اندیشیده می­شود، منابع آبی محدود موجود از قبیل چشمه، قنات یا چاه که با دبی­های اندک جهت زیر کشت بردن اراضی مورد استفاده قرار می­گیرند، ضرورتت ذخیره­سازی و احداث منابع و استخرهای ذخیره آب و مهمتر از آن حفظ ذخایر ارزشمند آبی با کاهش میزان تبخیر از سطح آب این استخرها را نمایان می­سازد.

لذا، یکی از گزینه­های پیش رو در مناطقی با شرایط فوق الذکر که میزان آب در دسترس کم می­باشد­ و یا اراضی زیر کشت دارای فاصله زیادی از محل تامین آب هستند، ذخیره سازی آب جهت مصرف براساس برنامه همراه با چاره اندیشی در کاهش اثرات تبخیر از سطح آب استخرها می­باشد.

محدودیت منابع آب و خشکسالی های اخیر باعث شده تا کشاورزان نسبت به استفاده مناسب از منابع در اختیار آب کشاورزی دقت بیشتری نموده و سعی نمایند به سوی مصرف بهینه گام بردارند. در این راستا، ذخیره­سازی آب در استخرها یکی از مواردی است که مورد توجه واقع شده و این خود یکی از راهکارهای استفاده بهینه از منابع آبی است ضمن اینکه انتخاب نوع استخر بستگی به شرایط منطقه، دبی منبع آب، حجم آب مورد نیاز، مصالح قابل دسترس و نیز امکانات فرعی و اقتصادی دارد. از دیگر موارد تعیین کننده در انتخاب محل احداث استخر، حجم ابنیه احداثی است که این موضوع از یک طرف به میزان دبی منبع تامین آب و از سوی دیگر به سطح اراضی، مسائل اجتماعی و زیست محیطی در تعیین ابعاد، شکل و حتی نوع سازه موثر است. هرچه عمق استخر بیشتر باشد سطح تبخیر کاهش می­یابد. البته این مسئله به ارتفاع ورودی آب به استخر، وضعیت اراضی پایین دست جهت آبیاری و همچنین روش آبیاری مرتبط می­باشد. عمق استخرها معمولاً بین یک تا پنج متر انتخاب می­شود. با وجود داده­ها و اطلاعاتی که به صورت تئوری در زمینه تبخیر و چگونگی کنترل آن ارائه شده است، اما تلاش گسترده و قابل توجهی در راستای عملیاتی نمودن کنترل و کاهش اثرات تبخیر انجام نگرفته است. صرفه جویی اقتصادی حاصل از کاهش تبخیر به عنوان اساسی­ترین خصیصه در آینده آبیاری و حفظ منابع آب مورد توجه خواهد بود که می­توان به کاربرد دانش کنترل و کاهش تبخیر در استخرهای ذخیره آب کشاورزی اشاره نمود. (فهیمی راد، 1390).

در کشور ایران پتانسیل تبخیر بسیار بالا و قابل توجه می­باشد. طبق آمارهای سازمان هواشناسی در حالیکه متوسط بارش باران در ایران برابر 251 میلیمتر است، از این میزان بارش حدود 0 میلیمتر آن تبخیر می­شود که مشخص است این رقم، بسیار بالا و نگران کننده می­باشد. طبیعی است هر چه بتوانیم به کاهش این میزان تبخیر در مزارع، کانالهای انتقال، سدها، استخرها و …. کمک کنیم به بهبود وضعیت بهره­وری آب در کشور منجر خواهد شد. (کردوانی، 1390).

البته روش­های مختلفی توسط محققین بر روی کاهش تبخیر اعمال شده است که در تحقیقات انجام شده در دانشکده کشاورزی منابع طبیعی گرگان با استفاده از تشت­های تبخیر کلاس A و با مقایسه روشهای فیزیکی و شیمیایی کاهش تبخیر، کاهش میزان تبخیر به روشهای شیمیایی در حدود 55- 40 درصد و روشهای فیزیکی نیز بین 55- 30 درصد بدست آمد (پیری  و همکاران 1389). در خصوص مخازن آبی که در یک صحرای باز و عریان قرار دارند با توجه به این که هوای گرم روی مخازن توسط آب جذب انرژی شده و به افزایش تبخیر می­انجامد می­توان با کاشت گیاهان در اطراف مخازن تا حدی شدت تبخیر را مهار نمود. (قراری و آل محمد 1386).

استفاده از الکل­های استریل الکل، استثاریل الکل برای کاهش تبخیر از منابع بزرگ می­باشند و دوره دوام آنها یک تا دو روز است و استفاده از تک لایه­ها میتواند تبخیر را تا میزان 40 درصد کم کند اگر حد اکثر سرعت جریان باد 8 کیلومتر بر ساعت باشد و میتواند بین 10 تا 20 درصد تبخیر را کاهش دهد اگر حداکثر سرعت جریان باد 30 میزان 33 درصد از تبخیر آب می­کاهد (کاویانپور و همکاران 1388).

از ترکیب هگزادکانول و هیدروکسید کلسیم و اندکی سیلیس نیز ماده­ای تهیه می­شود که به میزان 40 درصد در کاهش تبخیر کارایی دارد (Obrien ، 2006). البته تحقیقات نشان داده است که الکلهای هگزادکانول و اکتادکانول برای کاهش تبخیر از مخازن بزرگ مناسب می­باشند ولی دوام آنها 2-1 روز بیشتر نخواهد بود. (Barens، 2007).

با پخش استیل الکل به عنوان یک پوشش شیمیایی بر روی سد و استخرها و با اندازه گیری مستقیم تبخیر از سطح آب، می­تواند حدود 20 درصد از میزان تبخیر را کاهش داد (Knights ، 2005).

باید در نظر داشت که تبخیر از تشت ممکن است تفاوتهای چشمگیری در برآورد تبخیر نسبت به اندازه گیری مستقیم تبخیر از سطح آبهای آزاد داشته باشد که به مساحت مخازن و میزان سختی آب نیز وابسته است (Ernani ، 2000).

در استفاده از پوششهای معلق و شناور و اندازه گیریهای میدانی بر روی سدهای مخزنی و مخازن آب آشامیدنی جهت کاهش تبخیر، باید به این نکته توجه کرد که برای حفظ کیفیت آب و سلامت آبزیان در مخازن بیش از یک کیلومتر مربع، مطالعات باید یکساله انجام پذیرد (Xi Yao et al ، 2010). با بررسی اثر میدان مغناطیسی روی کاهش تبخیر آب نشان داده شده است که این میدان باعث کاهش هدایت الکتریکی آب و متناسب با شدت جریان باعث افزایش میزان تبخیر آب (حتی پس از تقطیر) شده ضمن آنکه بر روی کیفیت آب نیز تأثیرگذار می­باشد. (Hulisz et al ، 2007).

در این مقاله با کمک داده­های مختلف اندازه گیری شده در محل مورد تحقیق (بخش عقدا از توابع شهرستان اردکان) میزان کاهش تبخیر آب با استفاده از پوشش یونولیتی مورد سنجش قرار داده شده است.

مواد و روش­ها

موقعیت محل تحقیق:

منطقه مورد تحقیق و مطالعه در یکی از استان­های کویری کشور ایران یعنی استان یزد (شکل 1) و در بخشی از بخشهای شهرستان اردکان (شکل 2) به نام بخش عقدا و در دهستان مجاور آن نارستان (شکل 3) واقع شده است. بخش عقدا یکی از بخشهای شهرستان اردکان دارای وسعتی معادل 3535 کیلومتر مربع در شمال- غرب شهرستان با مرکزیت روستای عقداء واقع گردیده است. بخش عقدا از سمت شمال و غرب به شهرستان نائین، از سمت جنوب به شهرستانهای میبد و صدوق و از سمت شرق به بخش مرکزی شهرستان اردکان محدود می­شود.

روش انجام تحقیق

روش انجام مشاهدات در این تحقیق براساس تجربیات و اصولی است که در مراکز مهم  تحقیقاتی نیز اعمال می­شود. از جمله روشهای اندازه گیری تبخیر در ایستگاههای تحقیقاتی هواشناسی، کاربرد تشت تبخیر کلاس A می­باشد که از نوع گالوانیزه به ابعاد قطر 1210 میلیمتر و عمق 250 میلیمتر بوده و در روی سکویی که 15 سانتیمتر از زمین ارتفاع دارد مستقر می­شود و برای جلوگیری از مصرف آب داخل تشت توسط حیوانات روی آن را با توری فی می­پوشانند (قراری و آل محمد ، 1386).

ساده­ترین، متداول­ترین و عملی­ترین روش برای تعیین مقدار تبخیر، استفاده از تشتک تبخیر است. منظور از تشتک تبخیر یک ظرف استوانه­ای شکل است که معمولا از آهن گالوانیزه بدون رنگ ساخته شده که آن را از آب پر نموده و در معرض تابش اشعه خورشید قرار می­دهند و مقدار تبخیر را بر حسب ارتفاع اندازه می­گیرند. در کشورهای مختلف از ابعاد متفاوتی برای تشتک تبخیر استفاده می­نمایند. برای نمونه در شوروی سابق و بعضی از کشورهای بلوک شرق، از تشتک­هایی استفاده می­کنند که مساحت آنها 3000 سانتیمتر مربع است. در آمریکا از تشتک تبخیر استاندارد که توسط اداره هواشناسی آن کشور پیشنهاد شده است که از نوع کلاس A شکل 4 می­باشد. (محمدی، 1381).

برای اندازه گیری مقدار تبخیر از یک خط کش مدرج که در کنار تشتک نصب شده و یک قطعه ف که در انتها به قلاب سوزنی شکل وصل است و روی خط کش بالا و پایین می­رود، استفاده می­شود. مقدار تبخیر روزانه از اختلاف ارتفاع آب در روز قبل و روز اندازه گیری، با توجه به تصحیحی که برای بارندگی لازم است (اگر در روز اندازه گیری، بارندگی اتفاق افتاده است ارتفاع بارش را به اختلاف ارتفاع اضافه می­نمایند) محاسبه می­گردد.

شکل 4: نمونه­ای از تشت تبخیر کلاس A

تشتک­های تبخیر رادر موقعیت­های مختلفی از نظر محل استقرار قرار می­دهند که به ترتیب تشتک زمینی (Sunken pan)، تشتک تبخیر سطحی (surface pan) و تشتک تبخیر شناور (Floating pan) می­نامد. اطراف تشتک تبخیر سطحی باید محیطی آزاد و باز وجود داشته باشد که از جریان طبیعی هوا، باد، جلوگیری ننماید و به علاوه در هیچ زمانی در معرض سایه درختان و یا ساختمان­ها و احیاناً سایه کوه قرار نگیرد. برای کار گذاشتن این تشتک­ها از قطعات چوبی تراورس مانند، استفاده می­شود تا تشتک، در تماس مستقیم با خاک قرار نگیرد. در این نحوه قرار دادن تشتک، تبادل حرارتی از دیواره­های تشتک به حجم آب صورت می­گیرد. این تشتک­ها از متداول­ترین نوعی است که همواره استفاده می­شود.

برای تبدیل آمار و ارقام مربوط به تشتک بخیر، به نتایج قابل استفاده در دریاچه شد. در دریاچه سد، از ضریبی استفاده می­شود که اصطلاحاً به ضریب تشتک معروف است. بر حسب تعریف، ضریب تشتک عبارت است از نسبت بین مقدار تبخیر در دریاچه و مقدار تبخیری که از تشتک تبخیر، به جو انتقال یافته است. با توجه به این مطلب که همواره مقدار تبخیر از تشتک بیشتر از تبخیر از سدها و دریاچه­ها است، ضریب تشتک همواره عددی کمتر از یک است و در بهترین شرایط به حد و حدود 95 درصد می­رسد. مقادیر ضریب تشتک برای تشتک کلاس A آمریکایی در محدوده­ای حول عدد 77 /0 پراکنده شده­اند، که بعضی از این مقادیر که توسط محققان اندازه گیری شده به شرح ذیل می­باشد.

(1971) Allen & Crow      ضریب 76 درصد

(1972) Ficke                    ضریب 76 درصد

(1984) Duru                     ضریب 79 درصد

میانگین ضریب تشت =  77 درصد

لازم به ذکر است که از این به بعد تا برای اختصار از کلمه تشت» استفاده خواهد شد: تشت Ao ، تشت Au .

با توجه به اینکه هدف اصلی بررسی و ارزیابی کاهش تبخیر با استفاده از پوشش فیزیکی یونولیتی می­باشد، بنابراین داده­های تشت تبخیر، بدون هیچگونه پوششی با نامهای که از میانگین آنها به نام Ao به عنوان ورودیها در نرم افزار استفاده شده و داده­های با پوشش یونولیتی و با نام ورودی Au به نرم افزار معرفی گردید. سطح پوشش تشتهای یوتولیت 90 درصد در نظر گرفته شده و اندازه گیری­ها روزانه بوده و به مدت 62 روز از 11 فروردین 1392 تا 10 خرداد 1392 ادامه داشت.

داده­های مشاهداتی از تشتهای تبخیر و اطلاعات دریافتی از هواشناسی شامل موارد زیر می­باشند:

1- میزان تبخیر از تشت بدون پوشش (Ao) شامل سه نمونه و همراه با میانگین داده­ها

2- مقادیر تبخیر از سه تشت با پوشش یونولیتی (Au) با سطح پوشش 90 درصد همراه با میانگین داده­ها 10 درصد باقی مانده جهت حفظ محیط زیست آبزیانی که معمولا در استخرها پرورش داده می­شوند تا بخش از نور خورشید به سطح و داخل آب نفوذ یابد (مدیریت شیلات جهاد کشاورزی، 1390)

معمولا در فصل زمستان آب به استخرها وارد شده و در حال ورود و خروج می­باشد و از دهه اول فروردین دیگر آبی به استخرهای ذخیره وارد نمی­شود و تا شروع دهه دوم خرداد نیز این راکد بودن آب ادامه دارد و از این زمان به بعد به تدریج آبهای ذخیره شده وارد چرخه آبیاری شده که اوج خروجی آن در تیرماه و مرداد می­باشد، بنابراین در طول این مدت دو ماهه راکد بودن آب موضوع کاهش تبخیر دارای اهمیت ویژه­ای می­باشد (مدیریت آب و خاک جهاد کشاورزی، 1389). در جدول شماره­های 1 و 2 داده­ای اندازه گیری شده از تشتهای تبخیر بدون پوشش و با پوشش یونولیتی نمایش داده شده­اند (تبخیر از تشت بدون پوشش (AO) و تبخیر از تشت با پوشش یونولیت (Au).

جدول 1: مقادیر عددی تبخیر از تشت­ ها (اولین روز اندازه گیری از 11/1/92 می­باشد).

جدول 2: میانگین داده­های تشت­های Ao ، Au

نتایج و بحث

با محاسبه مجموع میزان تبخیرها در طول مدت مشاهدات برای هر یک از نمونه­های بدون پوشش و با پوشش و محاسبه نسبت و درصد هر یک از مقادیر نسبت به یکدیگر میتوان درصد کاهش تبخیر تشت­های پوشش دار را محاسبه نمود:

بنابراین:

یعنی میزان تبخیر تشت یونولیتی، 484/0 تبخیر بدون پوشش است.

در نتیجه میزان کاهش برابر است با: که با تبدیل به درصد میزان کاهش تبخیر تشت با پوشش یونولیتی Au نسبت به تشت بدون پوشش Ao برابر است با 6/51 درصد.

پس با این وجود میزان کاهش تبخیر یا پوشش یونولیتی برابر است با 6/51 درصد.

– با توجه به نتیجه بدست آمده از داده­های تشت­های تبخیر با توجه به مجموع سطوح استخرهای ذخیره آب در بخش عقدا که 10000 مترمربع خواهد شد، میزان تبخیر از سطح این استخرها برابر با  ،  یا حدود  مترمکعب در روز خواهد شد که در ماه حدود 3400 مترمکعب و در سال حدود 40800 مترمکعب تبخیر بدست می­آید. اما با نصب همین پوشش ساده یونولیتی و کاهش 62/51 درصدی تبخیر سالانه از هدر رفت 21000 مترمکعب آب جلوگیری شده است. قابل عنوان است که در این سالهای خشکسالی، جهاد کشاورزی برای خرید و حمل جهت رساندن آب به باغات در معرض خشک شدن و همچنین احشام دامداران طبق یکی از قراردادهای سال 1392 به ازای هر تانکر 10 متر مکعبی 000/800 ریال پرداخت نموده است.

با یک حساب سر انگشتی ارزش حفظ این میزان آب حاصل از کاهش تبخیر با یونولیت در این بخش و دهستان نیمه کویری برابر است با : 2100 = 10/21000 یعنی معادل 2100 تانکر آب که با احتساب هر تانکر 800 هزار ریال مبلغی حدود 2100 * 000/800 = 000 / 000/ 680 / 1 ریال و با احتساب قیمت هر متر مربع یونولیت10000 ریال در سطح 10000 مترمربع استخر با پوشش 90 درصد هزینه کسر شده معادل 000/000/90 ریال بدست می­آید که مبلغ خالص برابر است با 000/000/590/1 ریال.

پس به ازای هر هکتار استخر ذخیره آب کشاورزی با استفاده از پوشش یونولیتی می­توان 000/000/590/1 ریال صرفه جویی کرد.

پیشنهادات:

* ساخت استخرهای ذخیره آب کشاورزی با توجه به مازاد بودن آب زمستانه یک ضرورت می­باشد اما با توجه به شدت تبخیر زیاد در ایران و خصوصا مناطق کویری مثل یزد تلاش در خصوص کاهش تبخیر از سطح استخرها نیز اجتناب ناپذیر خواهد بود.

با توجه به در دسترس بودن و به صرفه بودن قطعات یونولیتی و عدم انجام واکنش های شیمیایی بر آب کشاورزی یکی از گزینه های مهم در پوشش دار نمودن سطح استخرها استفاده از این قطعات به صورت شناور می­باشد.