آبیاری، اتوماسیون، آبفشان، IRTC، خودکار، به‌صورت، ثبت‌کننده، روش‌های، عمق، شده‌اند.، تاج، بارانی

در کل سطح اراضی آبپاش¬های واقع در انتهای دستگاه بایستی دبی بیشتری را پخش نمایند. در نتیجه با افزایش طول دستگاه شدت‌پخش آبیاری افزایش می¬یابد که موجب می¬شود در اراضی که نفوذپذیری خاک پایین است طول دستگاه به‌شدت کاهش یابد و افزایش هزینه¬های سرمایه¬گذاری را در پی خواهد داشت. بنابراین بهتر است سیستم آبیاری آبفشان دوار در اراضی با نفوذپذیری بالا و خاک¬های متوسط تا سبک مورد استفاده قرار گیرد.
– یکی از مسائل حائز اهمیت در استفاده از دستگاه¬های آبفشان دوار، لزوم استقرار نظام بهره‌برداری مناسب و استفاده از کارشناس فنی آموزش دیده برای امور بهره¬برداری و نگهداری می¬باشد که با توجه به قابلیت اتوماسیون دستگاه و نیروی فنی مورد نیاز محدود، در مقایسه با سیستم¬های آبیاری غیرمکانیزه از مسائل بهره-برداری و نگهداری کمتری برخوردار است.

2-3- اتوماسیون سیستم‌های آبیاری
آنچه که از سیستم‌های مکانیزه آبیاری نسبت به روش‌های سنتی انتظار می‌رود کاهش مصرف آب به شرط کاهش نیافتن سطح بهره‌وری است. سیستم‌های مکانیزه شدیداً به راهبری نیروی انسانی متکی هستند و حضور نیروی انسانی به‌منظور نظارت مستمربر سیستم‌های آبیاری یکی از مهمترین مولفه‌های محدودکننده سطح بهره‌وری سیستم مکانیزه می‌باشد که خطر ناشی از خطای انسانی تعلل و تأخیر در انجام اقدامات را به همراه دارد (قناتیان و همکاران، 1386). با محدود شدن منابع آب و اراضی فاریاب و افزایش حقوق کارگران و قوانین سخت کارگری در کشورهای صنعتی، اندیشه اتوماسیون روش‌های آبیاری تحت فشار جان گرفت. بدین ترتیب علاوه بر ساده‌سازی و کاهش نیروی کارگری، مصرف آب، انرژی و هزینه‌های بهره‌بردای و نگهداری صرفه‌جویی شده و متعاقب آن استهلاک تجهیزات نیز کاهش یافت. اتوماسیون آبیاری تحت فشار می‌تواند در سطح کوچک و اراضی وسیع عملی شود. به‌دلیل عبور آب از شبکه لوله‌ها و استفاده از پمپ، سازگاری آبیاری تحت فشار به اتوماسیون در مقایسه با روش‌های آبیاری سطحی بیشتر است (ولی‌زاده و ملک‌زاده، 1386). اتوماسیون را می‌توان در 3 بخش الف: اتوماسیون جهت برآورد نیاز آبی گیاه و تعیین زمان آبیاری، ب: اتوماسیون در خطوط لوله شبکه جهت کنترل توزیع جریان آب و ج: اتوماسیون در ایستگاه پمپاژ و فیلتراسیون دسته‌بندی کرد (بومن وهمکاران، 2002). اتوماسیون بنابر تقاضای کاربرد دامنه وسیعی دارد یعنی می‌تواند به سادگی با نصب یک تایمر روی پمپ در غیاب کاربر بر حسب زمان یا تغییرات فشار در شبکه پمپ‌ها را یکایک روشن یا خاموش نماید و یا با نصب یک برنامه‌ریز (کنترلر) در ایستگاه پمپاژ و چند شیر خودکار الکتریکی در ابتدای مانفیلد علاوه بر روشن شدن پمپ فرمان باز و بسته شدن شیر خودکار (شروع آبیاری) را صادر نماید. استفاده از انواع سنسور و کامپیوتر باعث شد که شرایط خاک، هوا و گیاه توسط سیگنال از سنسورها به دفتر مرکزی ارسال شده و پس از تجزیه و تحلیل اطلاعات دریافتی برنامه روزهای بعد تهیه شود. استفاده از تجهیزات نرم افزاری، مخابراتی، ماهواره‌ای اتوماسیون را بقدری گسترده ساخته که می‌توان از فاصله دور حتی بین قاره‌ای، برنامه آبیاری را کنترل و پایش نمود (ولی‌زاده و ملک‌زاده، 1386). دستگاه آبیاری بارانی دوار مرکزی (آبفشان دوار) در بین انواع روش‌های آبیاری بارانی بیشترین قابلیت اتوماسیون را داراست (قناتیان و همکاران، 1386).
در روش‌های استاندارد کاربر پس از روشن نمودن پمپ و کلید اصلی در تابلو جهت حرکت دستگاه و همچنین کلید درصد سرعت، سرعت مناسب دستگاه را برای توزیع عمق آب محاسبه شده تنظیم می‌نماید. اخیراً تابلو‌های استاندارد به تابلو‌های دیجیتال رایانه‌ای تبدیل شده‌اند. روی این تابلو موقعیت دستگاه، عمق آب مصرفی، سرعت دستگاه بر حسب درصد و جهت حرکت برای فعالیت‌های مورد نظر دستگاه نشان داده می‌شود (ولی‌زاده و ملک‌زاده، 1386).
استفاده از سیستم خودکار در دستگاه آبیاری بارانی دوار مرکزی به کاربر این اجازه را می‌دهد که چنانچه در یک دایره گیاهان مختلفی کشت شده است و هر یک عمق آبیاری متفاوتی نیاز دارند بدون دخالت کاربر آبیاری مطابق برنامه عملی شود. برای این منظور در تابلوی دیجیتال محدوده هر گیاه با زاویه 0تا 360 درجه وارد می‌‌نماییم مثلاً گیاه اول 0 تا 60 و گیاه دوم 60 تا 120 درجه، سپس عمق آب برای هر یک بر حسب میلی‌متر یا اینچ وارد می‌شود و الی آخر. دستگاه به‌طور خودکار در هر قسمت عمق آب مورد نظر را توزیع می‌نماید. در شکل (2-6)، قابلیت چرخش و تغییر جهت سیستم خودکار آبیاری بارانی دوار مرکزی با نصب تجهیزات مکانیکی و الکترونیکی در نیروی محرکه و چرخ‌ها و کلید فرمان و سوئیچ در جعبه کنترل نشان داده شده است.

شکل 2-6- قابلیت چرخش و تغییر جهت سیستم خودکار آبیاری بارانی آبفشان دوار

به طور کلی دستگاه آبفشان دوار شامل 2 مجموعه است. مجموعه اول اجزای مکانیکی و شامل قسمت‌های مختلف از نظر سازه‌ای است که وظیفه حرکت روی زمین و انتقال و توزیع آب را بر عهده دارند و مجموعه دوم سیستم الکتریکی دستگاه است که شامل مدارهای الکتریکی جهت ارسال فرمان‌های حرکت، توقف به موتورهای الکتریکی دستگاه است. برای تبدیل مدار الکتریکال آبفشان دوار به آبفشان دواری که قابلیت اتوماسیون را داشته باشد باید کنترل‌کننده دستگاه آبفشان دوار متناسب با نیاز سیستم الکتریکی آبفشان دوار اضافه نمود و اصلاحات در مدار فرمان لازم و ضروری است اما تغییری در سیستم مکانیکی صورت نمی‌گیرد. با صفحه کلید کنترل‌کننده می‌توان برنامه آبیاری را تنظیم نمود. برنامه آبیاری براساس اطلاعاتی که از پکیج هواشناسی، عوامل جوی و سنسورهای رطوبت‌سنج خاک بدست می‌آید تنظیم می‌گردد. انتقال اطلاعات از کنترل‌کننده محلی آبفشان دوار به ایستگاه کنترل مرکزی بسته به موقعیت و فاصله می‌تواند به‌صورت کابلی یا رادیویی (مخابراتی) انجام شود (ولی‌زاده و ملک‌زاده، 1386).

2-3-1- روش‌های مختلف اتوماسیون آبیاری
امروزه با افزایش هزینه‌های کارگری و کمبود آب، اندیشه اتوماسیون در بین محققین و مدیران زراعی در سراسر دنیا رشد چشمگیری داشته است. از جمله روش‌های به‌کار برده شده در راستای اتوماسیون آبیاری در داخل و خارج از کشور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

2-3-1-1- اتوماسیون آبیاری با استفاده از روش برنامه‌ریزی آبیاری براساس آستانه زمان- دما
این روش شامل استفاده از ترموکوپل‌های مادون قرمز (IRTCs) از راه دور در بررسی درجه حرارت سایبان محصول، در طول دوره یک روزه است. در این زمینه تروی پیترز و اوت طی تحقیقی در سال 2004 به اتوماسیون کامل دستگاه آبفشان دوار با استفاده از روش برنامه‌ریزی آبیاری براساس آستانه زمان- دما پرداختند. دستگاه آبفشان دوار مورد تحقیق به طول 127 متر با سه برجک بوده که در آزمایشگاه تحقیقاتی حفظ و تولید USDA-ARS در بوشلند تگزاس واقع شده است. تنها نیمی از مزرعه برای آزمایش مورد استفاده قرار گرفته بود و دانه‌های سویا در دوایر متحدالمرکز خارج از نقطه مرکزی کاشته شد. آبیاری در چهار سطح (100%، 66% و 33% نیاز آبی و یک زمین خشک یا بدون آبیاری) به‌صورت شعاعی از مرکز انجام گرفت. برای جلوگیری از حرکت آب درون شیارها، آن‌ها مسدود شده‌اند. دو تکرار برای هر سطح آبیاری در یک الگوی بلوک تصادفی با انتخاب محدوده خط برجک چرخ دوم به‌عنوان خط جداسازی بلوک صورت گرفت. درون هر نیمه دوران سه تکرار وجود داشت که میزان آبیاری در هر کدام به‌صورت جداگانه کنترل شده (از طریق روش TTT) و هر میزان به‌صورت دستی برنامه‌ریزی شد (با استفاده از کمبود آب ذخیره شده در خاک که از طریق مقادیر یافته‌های رطوبت خاک از طریق نوترون پروب محاسبه می‌گردید). دو ردیف اضافی دانه سویا دور لبه داخلی و خارجی محور کاشته شده‌اند تا تأثیرات مرزی را کاهش دهند. حرکت محور و جایگیری آن از راه دور توسط یک رایانه مستقر در ساختمانی در همان نزدیکی کنترل می‌شد که از طریق دو رادیوی مختلف با فرکانس رادیویی (RF) 900 مگاهرتز با هم در ارتباط بوده‌اند (شکل 2-7).

شکل 2-7- تنظیمات کنترلی آبفشان دوار خودکار

یکی از رادیوها قسمتی از سامانه کنترل از راه دور آبفشان دوار (ایستگاه پایه) می‌باشد که توسط صنایع والمونت ساخته شده است. این رادیو توسط یک رادیوی ثانویه که در نقطه مرکزی محور کار گذاشته شده بود، با محور ارتباط برقرار کرده و اجازه اعلام وضعیت و ارسال دستورات را به صفحه کنترل محور می‌داد. سامانه دوم دارای یک رادیوی علمی کمپبل با RF400 بود که با رادیوهای مشابه متصل به یک ثبت‌کننده کار گذاشته شده بر روی محور و یک ثبت کننده مجزا در زمین ارتباط برقرار می‌کرد. ثبت‌کننده نصب شده بر روی آبفشان دوار داده‌ها را از روی 16 ترموکوپل مادون قرمز (IRTC) (مدل اگزرژن IRt/c.JR-10) که به خرپاهای محور متصل بوده‌اند، جمع‌آوری می‌کرد تروکوپل‌‌های مادون قرمز روی طرف پیش‌رونده محور نصب شده‌اند و محور تنها مجاز به آبیاری در یک جهت می‌باشد بنابراین حسگرها با تاج مرطوب برخورد نخواهند داشت. IRTC ها دارای میدان دید باریکی می‌باشند (نسبت فاصله به اندازه نقطه مشاهده 10 به 1 بوده) و طوری جهت‌دهی شده‌‌اند که به‌صورت موازی با بازوی آبفشان دوار (عمود بر ردیف‌های محصولات) روبروی نقطه میانی هر کرت آبیاری متحدالمرکز را نشانه رفته‌اند. برای کاهش اثرات مربوط به زاویه حسگر، یک IRTC ثانویه تقریباً به همان نقطه از جهتی دیگر نشانه رفته است. میانگین این دو اندازه‌گیری برای هر کرت مورد استفاده قرارگرفت. وانجورا و همکاران (1995) گزارش داده‌اند زمانی‌که دماهای تاج توسط یک حسگر در موقعیت‌های هم‌سو، یا با دو حسگر که به یک ردیف از جهات متضاد نشانه رفته‌اند، اندازه‌گیری شد، کمتر از oC 5/0 با یکدیگر تفاوت داشته‌اند. استفاده از دو حسگر در موقعیت‌های گفته شده امکان استفاده به موقع از فنون زمان‌بندی آبیاری را فراهم کرد، چرا که در زوایای باز (حاده) میزان کمتری از خاک بین ردیف‌ها در میدان دید حسگر قرار داشت. همچنین امکان این وجود دارد که مقادیر بزرگتری از تاج محصول توسط حسگرها دیده شود و میانگین آن‌ها ثبت گردد. با این روش از خطاهای عدم تنظیم ترموکوپل‌های مادون قرمز (IRTC) بر روی ردیف‌ها در حالی که محور دور زمین می‌گردد نیز پرهیز خواهد شد. IRTCهای روی محور به یک تبدیل چند به یک (کمپبل تحقیقاتی AM25T) واقع در برجک دوم متصل شده‌اند و در نتیجه به یک ثبت‌کننده (کمپبل تحقیقاتی CR10X) واقع در سومین و آخرین برجک می‌رود. هر یک از IRTC ها دمای تاج را با فاصله‌های 10 ثانیه‌ای محاسبه می‌کردند و میانگین هر یک دقیقه ثبت می‌شده است. یک آرایش گسسته 16تایی IRTC ها (مدل اگزرژن IRt/c.2-T-80) در مکان‌های ساکن نصب شده‌‌اند و به یک ثبت‌کننده مجزا در مزرعه متصل شده‌اند. هر IRTC در موقعیت هم سو روی ردیف محصول کاملاً نزدیک تاج نصب شده‌اند تا خاک را در میدان دید خود نداشته باشند. این IRTC ها با ارتفاع متغیر تاج تنظیم شده‌اند. یک IRTC در هر دو سطح آبیاری خودکار و دستی نصب شده است. این IRTC ها نیز از طریق یک تبدیل چند به یک (کمپبل تحقیقاتی AM25T) به یک ثبت‌کننده (کمپبل تحقیقاتی CR21X) متصل شده‌اند. ثبت‌کننده هم میانگین 5 دقیقه‌ای قرائت‌های هر IRTC را ثبت می‌کرده که با فواصل زمانی 10 ثانیه‌ای جمع‌آوری شده‌اند. هر IRTC به‌طور مجزا با استفاده از یک جسم سیاه (نقطه سیاه امگا، مدل BB701) قبل از شروع فصل کالیبره (واسنجی) شده است. یک قاعده چندجمله‌ای ثانویه با نتایج واسنجی تطبیق داده شده و هر IRTC به‌صورت انفرادی توسط نرم‌افزار تحلیل داده نصب شده بر روی رایانه کنترلی واقع در ساختمانی در نزدیکی اصلاح شده است.
یک دریافت‌کننده GPS (گارمین، مدل 16HVS) متفاوت اصلاح شده بر روی برآمدگی بعد از برجک آخر نصب شده است. جملات خروجی NMEA (انجمن ملی علم الکترونیک دریانوردی) با استفاده از پروتکل RS-232 توسط ثبت‌کننده نصب شده روی محور خوانده می‌شدند. موقعیت به‌صورت طول و عرض جغرافیایی خوانده می‌شده و به یک موقعیت X-Y براساس متر نسبت به نقطه مرکز محور آبفشان با استفاده از الگوریتم داده شده توسط کارلسون (2003) تبدیل می‌شد. با این حال، موقعیت‌یابی بسیار ناپایدار بود (انحراف معیار تقریباً 4 مرتبه بزرگ‌تر از مقدار مقرّر شده بود) و از این رو که محور کوتاه بود، میزان دقت 3-5 متر گفته شده بر روی این دریافت‌کننده برای دقت کنترل مورد نیاز ناکافی بود (o4/1-o3/2 خطا در موقعیت زاویه محور). به این ترتیب، موقعیت گزارش شده توسط تصمیم گیرنده محور به اندازه 5 درجه خارج (انحراف) داشت. بنابراین زاویه تصمیم گیرنده به‌صورت ریاضیاتی با استفاده از یک موج سینوسی شکل متناسب با خطا به‌وسیله روش کوچک‌ترین مربعات خطا اصلاح شد. این به معادله تصحیح (معادله 2-1) انجامید که در ذیل قابل مشاهده است:

که در آن سینوس در رادیان‌ها محاسبه می‌شود و
Pa= موقعیت حقیقی آبفشان دوار (درجه)
Pr= موقعیت گزارش شده توسط تصمیم گیرنده (درجه)
در طول یک مورد آبیاری خودکار، محور بر روی لبه طرح ایستاد، 10 دقیقه صبر کرد تا آب زهکشی شود، و سپس به طور خشک از روی طرح آبیاری دستی عبور کرد. بعد از آن نیز محور برای طرح آبیاری خودکار بعدی دوباره به کار خواهد افتاد و به همین روش ادامه می‌دهد تا اینکه تمام قطاع‌های آبیاری خودکار آبیاری شوند. عمق کاربردی 20 میلی¬متر در هر بخش آبیاری