Damla Sulamada Lateral ve Manifold Boru Çaplarm ı n Belirlenmesinde Grafiksel Yöntem

Transkript

1 TARIM BILIMLERI DERGISI 1999, 5 (1), Damla Sulamada Lateral ve Manifold Boru Çaplarm ı n Belirlenmesinde Grafiksel Yöntem Osman YILDIRIM Halit APAYDIN Geli ş Tarihi : Özet : Bu çal ışmada, damla sulama sistemlerinde, kabul edilebilir düzeyde e ş su dağı l ı m ı sağlamak amac ıyla, lateral ve manifold boru çaplar ı n ı n belirlenmesine yönelik grafiksel çözümler haz ı rlanm ışt ı r. Christiansen e ş da ğı l ı m katsay ı s ı n ı n, lateral boru hatlar ı için Cu %98 ve manifold boru hatlar ı için C % 97.5 koşullar ı n ı sağlayan boru çaplar ı n ın seçilmesi önerilmi ştir. Farkl ı boru çapian için Co e ş dağı l ı m katsay ı.s ı n ı n doğrudan bulunabileceği grafikle ı. verilmi ştir. Anahtar Kelimeler : Damla sularria, lateral, manifold, e ş dağı l ım katsay ısı, grafiksel yöntem Graphical Method for Determining Lateral and Manifoid Pipe Diameters in Drip irrigation Abstract : In this study, graphical solutions were prepared for determining lateral and manifold pipe diameters to obtain an acceptable water distribution in drip inigation. It was suggested that pipe diameters should be chosen when Christiansen's uniformity coeff ıcient, C, was equal or greater than 98% and 97.5% for lateral and manifold pipe Iines, respectively. Design charts which uniformity coefficient could be directly found were giyen for different lateral and manifold pipe diameters. Key Words : Drip irrigation, lateral, manifold, uniformity coefficient, graphical method Giri ş Damla sulama sistemlerinde bir i şletme birimi, üzerinde damlat ıc ı lann bulunduğu çok say ıda!atar& boru hatt ı ve laterallerin ba ğland ığı manifold boru hatt ından olu şur. Lateral ve manifold boru hatlar ı boyunca olu şan yük kay ı p- lar ı ve eğimden kaynaklanan yükseklik farklar ı nedeniyle, her bir damlat ıc ı ya da lateral giri şindeki bas ı nç yükleri farkl ı l ı k gösterir. Şekil 1 den izleneceği gibi, lateral üzerinde i. damlat ıc ı n ın ya da manifold üzerinde i. lateralin giri ş bas ı nc ı ; +h +h 1-1 ı-1 - g olmaktad ır. Burada; hi damlat ı c ı ya da lateral giri ş bas ınc ı (m), : (i-1). damlat ı c ı ya da lateral giri ş bas ı nc ı (m), hf : 0-1). boru bölümünde olu şan yük kay ı plar' (m) ve hg : (i-1). boru bölümünde e ğimden kaynaklanan yükseklik fark ı (m) dir. Bunun yan ında i. damlat ıc ı ya da lateralin debisi ise; =kht (1) (2) eşitliği ile elde edilmektedir. Bu e şitlikte; qi : damlat ıc ı ya da lateral debisi (L/h), k : ak ı yolu kesit alan ı ve yap ım biçimine bağ l ı katsay ı, hi : damlat ıc ı ya da lateral giri ş bas ınc ı (m) ve x : ak ış rejimine ba ğ l ı üs de ğeridir. Damlat ı c ı ak ış yolunda laminar ak ım ko şullar ında x = 1 ve türbülansl ı ak ı m koşullar ında x = 0.5 değerlerine yakla şmakta, lateral giri şinde türbülansl ı ak ı rn söz konusu oldu ğundan x=0.5 al ı nabilmektedir. Damla sulamada, kabul edilebilir düzeyde e ş su da ğı l ımı sa ğlamak amac ıyla, i şletme biriminde damlat ıc ı debileri aras ı ndaki farkl ı l ı k düzeyi belirli bir s ı n ı r ı a şmayacak biçim-de manifold ve lateral boru çaplan seçilmektedir. E ş su da ğı l ım düzeyinin ifadesinde değ i şik yakla şı mlar yap ı lmaktad ır. örneğin, baz ı ara şt ırmac ı lar; qinax gnıııı (3) q ifadesini önermekte ve bu de ğerin lateral boru hatt ı boyunca % 10 u, i şletme birimi için ise % 20 yi geçmedi ği ko şulda kabul edilebilir düzeyde e ş bir su da ğı l ımın ın sağlanaca ğı n ı belirtmektedirler (Goldberg vd. 1976, Perold 1977, Howell and Barinas 1980, Korukçu 1980). Ifadede; qmax : en I Ankara Only. Ziraat Fak. Tar ımsal Yap ı lar ve Sulama Bölümü - Ankara

2 YiLDIRIM, O ve H. APAYDIN, "Damla sulamada lateral ve manifold boru çaplannin belirlenmes nde grafiksel yöntem" 25 yüksek damlat ıc ı debisi (Uh), gmin : en dü şük damlat ıc ı debisi (Uh) ve go : ortalama damlatic ı debisi (Uh) t ır. Ancak, Wu ve Gitlin (1974), Perold (1977) ve Korukçu (1980) belirli damlat ıc ılar aras ı ndaki debi farkl ı l ığı yerine tüm damlat ıcılar aras ındaki debi farkl ı l ığın! temel alan; Cu =100 1 Aqo Q1.852 qo ı Christiansen (1942) e şdağı l ım katsay ısına] daha sa ğ l ı kl ı sonuç verece ğini belirtrni şlerdir. E şitlikte; Cu : Christiansen e şda ğı l ım katsay ısı (%),Ago : her bir damlat ıc ı ya da lateral debisinin ortalamadan olan mutlak sapmalann ın ortalamas ı (Un) ve go: ortalama damlat ıc ı ya da lateral dahisi (L/h) t ır. 3 nolu ifadede %10 s ın ı r ı Cu = c/098 e ve clio 20 s ı n ır ı Cu = /095 e kar şı l ık gelmektedir (Christiansen 1942, Perold 1977). Wu ve Gitlin (1974), damla sulama lateralleri için Cu a. %95 de ğerini uygun bulmalar ına kar şın, damla yönteminin yayg ın olarak topraktaki nem eksikli ğine duyarl ı bitkilerin sulanmas ında kullan ılmas ı ve bitki besin maddelerinin sulama suyuna kar ışt ı r ılarak uygulanmas ı nedenleri ile bu koşulun lateral boyunca yeterli düzeyde e ş su dağı l ı m ı sağlamayaca ğı n ı savunan Perold (1977) Cu % 98 ve Korukçu (1980) Cu %97.5 ko şullar ın ı önermi şlerdir. ilk aşamada, lateral ya da manifold boru hatt ı sonundaki damlat ıc ı ya da lateral debisi bilinmedi ği için her bir debinin hesaplanmas ı ve Cu eşda ğı l ım katsay ıs ıran elde edilmesi oldukça güçtür ve baz ı deneyim-yan ı lg ı işlemlerini gerektirmektedir. Bunu göz önüne alan baz ı araşt ı rmac ılar Cu e şda ğı l ım katsay ıs ı n ın doğrudan bulunabilece ğ i grafiksel çözümler geli ştirmişlerdir (Wu ve Gitlin 1974, Perold 1977, Korukçu 1980). Ancak, bu grafikler ço ğunlukla belirli boru çap ı için haz ırlanm ışt ır. Damla sulama lateral ve manifold boru hatlar ında yük kay ı plann ın belirlenmesinde yayg ı n olarak; = KL c1.852 D4.871 (5) (4) Materyal ve Yöntem Bu çal ışmada, damla sulama i şletme biriminde su da ğı l ım düzeyinin ifadesinde, (4) nolu e şitlikle verilen Christiansen Cu e ş da ğı l ım katsay ıs ı kullan ılm ış ve değ işik çapl ı PE lateral ve PVC manifold boru hatlar ı için laa katsay ı n ın doğrudan bulunabilece ği grafiklerin haz ı r- lanmas ı amaçlanm ışt ı r, Bunun için öncelikle (1), (2) ve (4) nolu eşitliklerin çözümünü kapsayan bir bilgisayar program ı oluşturulmu ştur. Lateral ve manifold boru hatlar ı için program girdileri Çizelge 1 ve 2 de verilmi ştir. Bu çizelgelerdeki değerler, uygulamada yayg ı n olarak kullan ı - lan boru cinsi ve çaplar ı, i şletme bas ı nc ı ve damlat ıc ı debilerine göre seçilen (2) nolu e şitiikteki k ve x de ğerlerini ve ayr ıca boru hatt! e ğimlerini kapsamaktad ır. (1) nolu e ş itlikteki yük kay ı plar ı, (5) nolu Hazen-VVilliams e ş itliği ile hesaplanmi ş ve sürtünme katsay ıs ı C = 130 al ı nm ışt ı r (Howell ve Hiler 1974). Böylelikle, Çizelge 1 ve 2 de verilen tüm kombinasyonlarda, farkl ı damlat ıc ı ya da lateral say ı s ı için Cu = %90 de ğerine kadar e şdağ il ı m katsayilar ı hesaplanm ışt ı r. E şda ğı l ım katsay ı s ı grafikleri Wu ve Gitlin'de (5) verilen ilkelere göre haz ı rlanm ışt ır. Bu amaçla, bir dik koordinat sistemi gözönüne al ı nm ış ve I. bölümde hf/ho ve hg/ho boyutsuz parametreleri için Cu e ş da'ğ' ı l ım katsay ı lar ı, Il. bölümde Uho ve hg/ho boyutsuz parametreleri için lateral ya da manifold e ğımieri, IV. bölümde ise L/ho ve hf/ho boyutsuz parametreleri için Q lateral yada manifold debileri i şaretlenmi ştir (Şekil 2). Manifold boru hatlar ı için ho i şletme bas ı nc ı yerine h ı lateral giri ş debileri kullan ılm ışt ır. Her bölümde e ş olan değerler birle ştirilerek eş dağı l ım katsay ısı, eğim ve debi e ğri ya da doğ rular ı elde edilmi ştir. Grafiklerin olu şturulmas ı SURFER bilgisayar program ı ile yap ı lm ışt ı r. Şekil 2 deki dik koordinat sisteminde; L : lateral(veya rrıanifold) uzunlu ğu (m), ho : lateral üzerinde ortalama damlat ıc ı bas ı nc ı (işletme bas ı nc ı, m), : manifold üzerinde ortalama lateral giri ş bas ınc ı (m), hf : lateral (manifold) boyunca olu şan yük kay ıplar! (m), hg : lateral (manifold) boyunca e ğimden kaynaklanan yükseklik fark ı (m), Q : Lateral (manifold) debisi (Uh), Cu : Christiansen eşda ğı l ım katsa-y ıs ı (%) ve S : Lateral (manifold) e ğ imi (%) değerlerini göstermektedir. Hazen-Williams e ş itliği kullan ı lmaktad ır. E şitlikte; hf : yük kay ıplar! (m), K : birim çevirmelerini kapsayan katsay ı, L : boru uzunlu ğu (m), Q : debi (Uh), C : Hazen-Williams sürtünme katsay ısı ve D : boru iç çap ı (mm) dir. Baz ı ara ş- t ı rmac ılar, damla sulama lateral ve manifold boru hatlar ı nda kullan ı lan PE ve PVC borular için C = 150 de ğerini önermelerine kar şın (Wu ve Gitlin 1974, Bresler 1978, Howell and Barinas 1980, Wu vd. 1983), damlat ıc ı ve lateral ba ğlant ı giri şlerinin boru çapint daraltmas ı nedeniyle C katsay ı s ı n ın daha dü şük al ınmas ı gerektiğini sa iunan Howell ve -Hiler (1974), yerse! kay ıplar] da kapsayacak biçimde bu de ğeri aras ı nda ölçmüşler ve C = 130 al ı nmas ın ı önermi şlerdir. Benzer sonucu Korukçu (1980) da elde etmi ştir. Bulgular ve Tart ışma Debi değ işimi - eşda ğı l ım katsay ıs ı ili şkisi Lateral ya da manifold boru hatt ı boyunca, (3) nolu eşitlikle verilen maksimum ve minimum debi fark ı n ı n ortalama debiye oran ı [(qmax-gmin)/go] ile (4) nolu e şitlikle verilen Christiansen Cu e şdağil ım katsay ı s ı aras ı ndaki ili şki ara şt ı r ılm ış ve bu ili şkinin yaln ızca eğime bağ l ı olarak önemli düzeyde de ğ i ştiği bulunmuştur. Şekil 3 ten izlenece ği gibi, eğimsiz ya da bay ır yukar ı eğim koşulunda (gmax-gminygo = 0.10 için Cu = % 97.5 ve

3 26 TARIM B İ L İ MLERi DERGISi 1999, Cilt 5, Say ı 1 hn q n Şekil 1. Lateral ya da manifold boru hatt ı boyunca bas ı nç yükü ve debi da ğı l ı m ı (qmax-qnfio)/qo = 0.20 için Cu = % 95.1 olmaktad ır. Bu de ğerler Korukçu'nun (1980) bulgulanyla ayn ıd ır. Ancak,./0 5 bay ı r a şa ğı eğim koşulunda Cu değerleri, s ıras ıyla, % 97.9 ve % 95.8'e kadar artmaktad ır. B ı.mun yan ı nda, Keller ve Karmeli (1975), damla sulama sistemlerinde bir işletme birimindeki bas ı nç yükü de ğ işiminin % 55 inin lateral boru hatt ı ve % 45 inin manifold boru hatt ı boyunca olmas ı n ı dnermektedir. Bu yakla şımdan hareketle ve ak ı- ca i şletme biriminde en çok (qmax-gmin)/qo = 0.20 olduğunda kabul edilebilir düzeyde e ş su dag ı l ımm ın sağlanaca ğ' ı (Goldberg vd. 1976, Perold 1977, Howeli and Barinas 1980, Korukçu 1980) ko şulu göz önüne alinarak, (qmaxqmin)/qo boyutsuz parametresinin lateral boru hatlar ı ıçin 0.09 ve manifold boru hatlar ı için 0.11 değerlerini geçmemesi gerekti ği söylenebilir. Bu de ğerlere kar şı l ık gelen ortalama Cu e şda ğışı m katsay ı lar ı, s ı ras ıyla; 4)/0 98 ve % 97.5 tir (Şekil 3). Sonuç olarak bu çal ışmada, damla sulama sistemlerinde kabul edilebilir düzeyde e ş su da ğı l ı m ı için, Cu % 98 ko şulunu sa ğlayan lateral boru çap ı ve Cu?. / ko şulunu sağlayan manifold boru çap ı n ı n seçilmesi önerilmi ştir. Eşdag ı i ı m katsay ıs ı grafikleri Bu çal ışmada elde edilen Christiansen Cu e şda ğı l ı m katsay ısı grafikleri, lateral boru hatlar ı için Şekil 4 ve Şekil 5, manifold boru hatlar ı için ise Şekil 6 da verilmi ştir. Grafiklerin kullan ı lmas ı nda, en küçük boru çap ı ndan ba şlanarak, sol üst bölümde Uho (ya da UN) boyutsuz parametresinden lateral ya da manifold debisine (Q, Uh) kadar dik ç ı k ı l ı r ve buradan sa ğa doğru sa'ğ üst bölüme geçecek biçimde paralel çizilir. Sonra, sa ğ alt bölümde yine Uho (ya da LA') boyutsuz parametresinden eğim derecesine (S, /0) kadar paralel çizilir ve buradan yukar ı doğru dik ç ı k ı l ı r. Dikin sa'ğ üst bölümde daha önce çizilen paralelin kesim noktas ı ndan Christiansen Cu ( /0) e şda ğı l ım katsay ı s ı okunur. Bu amaçla, bay ır a şa ğı eğimde düz çizgili e ğrilerden, bay ır yukar ı eğimde ise kesik çizgili do ğ-rulardan yararlan ı l ı r. Lateral boru hatlar ı için Cu % 98 ve manifold boru hatlar ı için Cu % 97.5 ise grafi ğe ili şkin boru çap ı uygundur. Aksi durumda, bir büyük boru çap ına ait grafi ğe geçilir.bu grafı klerden, lateral ya da manifold boru hatt ı boyunca olu şan toplam yük kay ı plar' (hf) da elde edilebilir. Bu amaçla, kullan ı lan grafi ğin sağ' üst bölü-münde çizilen paralelin dü şey ekseni kesti ği noktadan hf/ho ya da hf/hi boyutsuz parametresi okunur. I şletme bas ı nc ı (ho) bilindi ğinden ve a şa ğı da aç ı klanaca ğı gibi lateral giri ş bas ı nc ı (h1) hesap!anabildi ğinden hf yük kay ı plar ı bulunur. Lateral ve manifold giri ş bas ı nc ı Damla sulama sistemlerinin tasar ı m ı ve i ş letilmesinde lateral ve manifold giri ş bas ı nçlar ı n ı n bilinmesine gerek vard ır. Bu de ğerlerin hesaplanmas ında i şleme lateral boyunca ortalama bas ı nç yüküne e şde ğer olan i şletme bas ı nc ından (ho) ba şlan ı r. Bunun için lateral ve manifoid boru hatt ı boyunca ortalama bas ı nç yükünün oluştu ğu nokta bilinmelidir. Boru hatt ı boyunca bu noktan ın yeri e ğim derecesine ba ğ l ı olarak de ğ i şmektedir. Christiansen (1942) e şda ğı l ım katsay ısın ı n daha sa ğ l ı kl ı sonuç verece ğini belirtmi şlerdir. Bu çal ışmadan elde edilen sonuçlara göre, lateral giri ş bas ı nc ı n ı n; = ho + ± Loh, ve manifold giri ş bas ı nc ı n ı n; (6)

4 YILDIRIM, O. ve H. APAYDIN, " mla sulamada lateral ve manifold boru çapiann ı n b lirienme6inde grafiksel yöntem" 27 h, + E0 ± Lohg e ş itlikleri ile hesaplanabilece ğ i bulunmu ştur. Bu e şitliklerde; hi : lateral giri ş bas ı nc ı (m), hm : manifold giri ş bas ı nc ı (m), ho : i şletme bas ı nc ı (lateral boyunca ortalama damiat ıc ı bas ı nc ı, m), Eo : boyutsuz yük kayb ı oran ı(lateral yada manifold boru hatt ında ba şlang ıçtan itibaren ortalama damlat ıc ı yada lateral giri ş bas ı nc ın ın olu ştu ğu noktaya kadar meydana gelen yük kay ı plar ı n ı n (7) toplam yük kay ıplanna oran ı, m), Lo : boyutsuz uzunluk oran ı &ter& yada manifold boru hatt ında ortalama damlat ıc ı yada lateral giri ş bas ınc ının oluştuğu noktan ı n başlang ıca olan mesafesinin toplam uzunlu ğa oran ı, m), hf : lateral yada manifold boru hatt ı boyunca olu şan yük kay ı plar ı (m) ve ha : lateral yada manifold boru hatt ı boyunca eğimden "kaynaklanan yükseklik fark ı (i şareti bay ır a şağı eğimde - ve bay ır yukar ı eğimde + al ın ır)(m) değerlerini göstermektedir. Bu e şitliklerdeki E0 ve Lo boyutsuz parametreleri Çizelge 3 te verilmi ştir. Çizelge 1. Lateral boru hatlar ı için program girdileri Boru Boru d ış --" k--- x atera sonunia ı a era eg ım ı cinsi çap ı (mm) çap ı (mm) aral 1 (m) değeri değeri damlat ıc ı bas ınc ı (m) (%) PE 16 f4.0 - o t ı ı D (4 atm) (-)* (-) (-) (-) (-) (+) (+) (+) 2.50 (+) 5.00 (+) *(-) Bay ı r a şağı e ğim, (+) bay ı r yukar ı eğ im Çizelge 2. Manifold boru ha lar ı için program girdileri :oru c ı ns ı :oru ış oru IÇ a era ara ı - x an ıfölfeöffırri.a ı Man ıfold çap ı (mm) çap ı (mm) (m) değeri değeri damlat ıc ı bas ı nc ı (m) e gimi ( /0) Sert ı ıt Ilo PVC (-)* (6 atm) (-) (-) (-) (-) 0.25 (+) 0.50 (+) 1.00 (+) 2.50 (+) 5.00 (+) (-) Bay ı r a şağı eğim, (+) bay ı r yukar ı eğim Çizelge 3. Lateral ve manifold boru hatlari için E, ve L boyutsuz parametreleri Lateral ya da manifold eğimi, S (%) Boyutsuz yük kayb ı oran ı, Eo -- Boyutsuz uzunluk oran ı, Lo 0.00 (eğ imsiz) (bay ı r a şağı eğ im) " " ' " " " " " " '' (bay ı r yukar ı eğ im) " ' " " " " " 5.00 " " ".

5 28 TARIM BILIMLERI DERGISI 1999, Cilt 5, Say ı 1 hf / ho ( hf / ht C u L / ho ( L / hg /ho hg/hl S L / ho ( L / ht ) Şekil 2. Grafiklerin çizilmesinde göz önüne al ı nan dik koordinat sistemi a40 E-ğ irnsiz o /0 5 bay ır a şa ğı eğ im x 5 bay ır yukar ı e ğirn 0.30 o o 0.20 %5 bay ır aşa ğı o Eğimsiz yada bay ır yukar ı e ğim - c E 1 er 0.10 ı ı I 'g E I 4 ı cr i k ı... I- t I I, ı O J L-1 J , Cu eşda ğı t ı m katsay ıs ı 1 %) Şekil 3. (ch,.,.-q,,)/qo boyutsuz parametresi-q, e şda ğı l ı m katsay ı s ı iliş kisi

6 hf/ho L /ho X= 0.6 L/holo O YILDIR IM, O. ve H. APAYDIN, " Damla sulamada laterai ve manifold boru çaplann ın beli 5 cı, R 10 L/ ho X=0.7 L/ho Şekil mm d ış çapl ı PE (4 atm) lateral boru hatlar ı için eşdağı l ım katsay ısı grafıkleri CO

7 M Liho X= 0 5 Şekil mm d ış çapl ı PE (4 atm) lateral boru hatlar ı için eşdag ı l ım katsay ıs ı grafikleri TARIM BI LI MLERI DER GI SI 1 999, Cilt 5, S ay ı 1

8 /ht L/ht Ç ı o 7?e, 60 O.9?0 0.6 L/ht hf/ht ıo I Q a 0, s L/N 10 L /hi, hf/ht YILD IRI M, O. ve H. APAYDI N, " t)amia sularnada lateral ve marlifold boru çaplarinin belirlenmesi nde grafiksel yö ntem" Şekil 6. De ğ işik çapl ı sert PVC (6 atm) manifold boru hatlar ı için eşdağı l ı m katsay ısı grafikleri

9 32 TARIM BILIMLERI DERGISI 1999, Cilt 5, Say ı 1 Kaynaklar Bresler, E Analysis of Trickle Irrigation With Application to Design Problems. Irrig. Sci., 1(1);3-17. Christiansen, J.E lrrigation by Sprinkling. Univ. Calif. Agr. Exp. Sta. Bul. 670, USA, 124. Goldberg, D. Gornat, B. and Rimon, D Drip Irrigation. Drip Irrig. Sci. Publ., Kfar Shmaryahu, Israel. Howell, T.A. and Barinas, A.B Pressure Losses Across Trickle Irrigation Fittings and Emitters. Transactions of the ASAE, 17(5); Howell, T.A. and Hiler, E.A Trickle lrrigation Lateral Design. Transactions of the ASAE, 17(5); Keller, J. and Karmeli, D Trickle Irrigation Design Parameters. Transactions of the ASAE, 17(4); Korukçu, A Damla Sulamas ında Yan Boru Uzunluklann ın Saptanmas ı Üzerinde Bir Araşt ı rma. Ank. Only. Zir. Fak. Yay ı nlar ı 742, Ankara, 75. Perold, R.P Design of Irrigation Pipe Laterals. ASCE, Jour. Irrig. Drain. Div., 103(1R2) Wu, I.P. and Gitlin, H.M Drip Irrigation Design Based on Uniformity. Transactions of the ASAE, 17(3); Wu, I.P., Saruwatari, C.A. and Gitlin, H.M Design of Drip Irrigation Lateral Length on Uniform Slopes. lrrig. Sci., 4(2);