دیباچه :

کمبود بارش سالانه در مناطق کم  باران و ناهمزمانی آن با دوران رشد گیاهان زراعی، باعث افت راندمان تولید گردیده و کاوش راه هایی برای رفع این مشکل در کانون مطالعات و پژوهشهای کارشناسان قرار گرفته است.

در واقع محدودیت فراهمی آب، یکی از فاکتورهای اولیه استقرار و رشد گیاهان در مناطق خشک و بیابانی جهان به حساب می آید. کمبود آب نقش اساسی در توزیع و یا حذف گیاهان در سطح خاک دارد. مسایل مربوط به نحوه نفوذ آب به درون پیکره خاک و یا تولید رواناب نیز در ارتباط با پراکنش پوشش گیاهی قرار دارد.

فرایند جمع آوری آب شامل جمع کردن و حفظ آب در مناطقی است که در آنها مقدار رواناب نسبت به بارش کمتر است. آب باران حاصله از شیبها که بصورت رواناب جاری میگردد با روشهای مختلفی ذخیره  شده و برای تولید زراعی مورد بهره برداری قرار میگیرد.

در این زمینه، کانون بین المللی پژوهشهای کشاورزی برای مناطق خشک - ایکاردا (International Center for Agricultural Research in the Dry Areas - ICARDA) کارهایی درخور توجه انجام داده و درصدد است تا با بهره گیری از توان علمی و تخصصی کشورهایی که موسوم به کشورهای خشک و نیمه خشک از نظر آب  و هوایی هستند، چاره یاب مشکلات تولید زراعی در این مناطق از جهان باشد.

نگاهی به گذشته :

تمدنهای بیابانی باستانی روشهایی خیلی موثر برای جمع آوری آب در مناطقی چون استرالیا، جنوبشرق آمریکا، آفریقا و خاورمیانه ایجاد و مورد استفاده قرار داده اند. اما هیچکدام به اندازه ناباتانهای ساکن در صحرای نگیو Negev desert (اسراییل و اردن کنونی) در این باره موفق نبوده اند. آنها حدود 2000 سال قبل به شیوه ای حیرت انگیز با استفاده از  آب جمع آوری شده، حدود 700 هزار ایکر زمین در مناطقی که تنها بارش سالانه معادل 80 تا 100 میلیمتر بوده را زیر کشت برده بودند.  پژوهشگران اسراییلی در اوایل دهه 1960 به منظور شناخت این شیوه باستانی جمع آوری آب، مطالعاتی را در منطقه ای موسوم به وادی مشاش انجام دادند.

روشهای مدرن جمع آوری آب در کشورهای آمریکا، چین، استرالیا، مکزیک، اسراییل، سوریه، ترکیه، هندوستان، و ... در حال مطالعه و بکارگیری میباشد. اهداف این روشها متفاوت و شامل: تولید زراعی، مصارف دامداری، مصارف انسانی و غیره است.

نیاز بالای جوامع به تولیدات کشاورزی در دهه های اخیر، بر روند پژوهشها شتاب بیشتری بخشیده و بطور گسترده باعث توجه کشورهای دارای مناطق خشک و نیمه خشک به امر پژوهشهایی از این دست شده است. نتایج این مطالعات برای حالتهای مشابه بسیار حائز اهمیت است.

معرفی سیستم جمع آوری آب با هدف زراعی :

در این روش، هر سیستم دارای یک سطح آبگیر (Catchments) و یک سطح زیر کشت (Cultivated) است. رابطه بین این دو با یک نسبت معین بیان که با مقدار باران و آب مورد نیاز گیاه زیرکشت و سایر عوامل تعیین میگردد. برای طراحی موفق سیستم نیاز به تعیین نسبت سطح آبگیر به سطح زیرکشت داریم.

بیشتر سیستمهای موفق جمع آوری آب بر پایه تعیین دقیق نسبت مورد اشاره طراحی و اجرا شده اند. این حالت در صورتی ممکن است که داده های اساسی چون مقدار باران، رواناب و نیاز آبی محصولات در دست باشد. در هر صورت، محاسبه این نسبت که ارتباط مستقیمی با داده های اساسی دارد، میزان موثر بودن و موفقیت سیستم را تعیین میکند.

لازم به ذکر است که پارامترهای بسیار متغیری در محاسبات و طراحی سیستم دخالت دارند. باران و رواناب بطور مشخص در مناطقی که سیستمهای جمع آوری آب در آنها اجرا میگردد تعیین کننده هستند. در هر صورت در برخی حالتها، لازم است که یک طرح اولیه به دلیل کمبود داده های آزمایشی تغییر داده شود و اغلب برای یکسان سازی اندازه گیرهای میتواند مفید واقع گردد. همانند زهکشهای کات آف برای جلوگیری از هدررفت آب سدها در سالهایی که باران از باران طرح بیشتر باشد.

محاسبه نسبت مساحت آبگیر به مساحت کشت شده، از اصول اولیه سیستم جمع آوری آب به شمار میرود خصوصا در حالتی که رشد گیاهان زراعی مورد هدف باشد.

از سوی دیگر، برآورد نیاز آبی محصولات، عامل اساسی در تعیین ابعاد سطوح آبگیر میباشد. محصولات مختلف در اقلیمهای گوناگون دارای نیاز آبی پایه متفاوت هستند. در واقع سیستم باید پاسخگوی نیاز تکمیلی باشد یعنی آبیاری تکمیلی صورت میگیرد:

آب جمع آوری شده = نیاز تکمیلی محصول به آب (معادله 1)

مقدار آب جمع آوری شده نیز خود فاکتوری از مقدار رواناب سطح آبگیر است لذا خصوصیات کاچمنت در تولید رواناب دارای اهمیت ویژه ای میباشد. همچنین میزان نفوذ عمقی و هدررفت آب به عنوان فاکتوری جداگانه در مقدار رواناب موثر است؛ لذا میتوان به معاله زیر دست پیدا کرد:

مقدار آب جمع آوری شده = مساحت آبگیر  باران طرح ضریب رواناب  فاکتور کارایی (معادله 2)

مقدار آب تکمیلی را نیز میتوان از معادله زیر محاسبه کرد:

مقدار آب تکمیلی = مساحت زیرکشت  ( نیاز آبی محصول  باران طرح) (معادله 3)

و در صورتیکه معادله 2 و 3 را مساوی هم قرار دهیم:

مساحت آبگیر  باران طرح  ضریب رواناب  فاکتور کارایی = مساحت زیرکشت ( نیاز آبی محصول  باران طرح)

که: 

 داده هایی که برای طراحی سیستم به کار میروند عبارتند از:

1-پتانسیل تولید رواناب

2-شرایط خاک سطحی (پوشش، گیاه، کراست، سنگ) 

3-وضعیت شیب زمین

4-ظرفیت نگهداری آب در منطقه ریشه در پروفیل خاک 

دو روش برای تخمین رواناب :

رواناب سطحی به آن قسمت از بارندگی اطلاق می گردد که در روی زمین به طرف آبراهه ها، دریاچه ها یا دریاها به جریان می افتد. طراحی کانالها یا سازه هایی که بتوانند جریانهای آب سطحی را از خود عبور دهند، مستلزم تعیین حداکثر دبی رواناب، حجم رواناب، حجم آب جاری شده و نیز توزیع زمانی دبی آب است.

عوامل موثر بر رواناب را میتوان به عوامل مربوط به بارندگی و عوامل مربوط به حوضه آبریز تقسیم نمود. عوامل بارندگی عبارتند از:

  1ـ مدت بارندگی 

2ـ  شدت توزیع بارندگی

عوامل حوضه آبریز عبارتند از:

1ـ اندازه 

2-شکل حوضه 

3ـ  جهت حوضه

4 ـ  پستی و بلندی

5ـ  وضعیت زمین شناسی

6 ـ  پوشش گیاهی سطح حوضه.

در اینجا دو روش برای تعیین حداکثر رواناب که به منظور طراحی سازه های آبخیزداری به کار می روند ارائه شده است. به دلخواه میتوان هریک از این روشها را به کار برد یا آنکه از هر دو روش استفاده کرد و یکی به عنوان کنترل دیگری به کار گرفته شود.

1 ـ تعیین مقدار حداکثر جریان (دبی) رواناب بوسیله روش استدلالی

با این روش مقدار جریان رواناب برای طرح تاسیسات به صورت معادله زیر توصیف می گردد:

q= CiA

که در آن q : حداکثر جریان رواناب ( فوت مکعب در ثانیه) ،C ضریب جریان رواناب، i شدت بارندگی برای یک دروه بازگشت مشخص و برای زمانی معادل "زمان تمرکز" Time of concentration حوضه (اینچ در ساعت) و A سطح حوضه (ایکر) میباشد. زمان تمرکز یک حوضه عبارت است از مدت زمان لازم برای آن که آب بتواند از دورترین نقطه (از نظر مدت جریان آب) حوضه جریان پیدا کرده و به محل خروجی حوضه برسد. فرض میشود که وقتی مدت بارندگی مساوی زمان تمرکز باشد، تمام نقاط حوضه همزمان در جریان خروجی دخالت داشته باشند. جدول ویژه ای برای تخمین زمان تمرکز حوضه وجود دارد. ضریب جریان رواناب بدون بعد بوده و عبارت است از نسبت حداکثر مقدار رواناب به شدت بارندگی.

مقدار تقریبی ضریب رواناب برای شرایط مختلف پستی و بلندی، خاک و پوشش گیاهی در جداولی آماده شده است.

2 ـ دبی اوج رواناب با استفاده از روش سازمان حفاظت خاک

یکی ار راههای تخمین دبی اوج رواناب، استفاده از روش SCS است. در این روش به جای ضریب رواناب که در فرمول استدلالی استفاده میشد، از ضریبی به نام ضریب یا شماره منحنی استفاده میشود. در این رابطه، جدولی بر اساس برخی شرایط هیدرولوژیکی تهیه شده است. باید توجه داشت که ضریب رواناب و شماره منحنی هر کدام مستقلا به دست آمده اند و بین آنها ارتباطی وجود ندارد. در هر حال هر دوی آنها با نفوذپذیری خاک نسبت معکوس دارند.

در روش SCS ابتدا متوسط وزنی شماره منحنی حوضه محاسبه میشود. با داشتن وسعت حوضه و بارندگی 24 ساعته گراف مشخصی که مربوط به آن شماره منحنی باشد انتخاب و دبی اوج رواناب محاسبه می شود. در انتخاب گراف باید توجه داشت که شیب زمین و تیپ بارندگی نیز در نظر گرفته شوند.

هیدروگرافهای رواناب :

هیدروگراف ارائه گرافیکی یا جدولی شدت رواناب نسبت به زمان است. برای آنکه جریان رواناب ایجاد شود باید خاک در ابتدا اشباع باشد. به ویژه در حوضه هایی که جریان رواناب در اثر آبهای سطحی است نه آبهای زیرزمینی. در صورتی که بارندگی با شدت ثابت ادامه داشته باشد دبی رواناب به تدریج افزایش یافته تا سرانجام به نقطه ثابتی برسد. کلیه عواملی که به آنها اشاره گردید در شکل منحنی هیدروگراف موثرند.

هیدروگراف از نظر روندیابی سیل در مخازن و آبراهه ها و پیشبینی اوج سیلابها بسیار حائز اهمیت است. مثال بسیار بارز در این مورد، تعدیل هیدروگراف رواناب رودخانه سن لورانس در آمریکا است که در واقع محل خروجی دریاچه های پنجگانه است. حداکثر دبی این رودخانه بیش از 20 درصد بزرگتر از حداقل دبی آن نیست. حال آنکه حداکثر دبی جریان رودخانه میسوری 2900 درصد بزرگتر از حداقل آن است. البته استخرهای کوچک، اثر تعدیل کننده چندانی ندارند. هیدروگراف اطلاعات زیادی در مورد حجم رواناب و دبی اوج به ما میدهد.