ONTWIKKELING VAN DIE KONSEP 'VLOEI-ENERGIE'

Kruger (1998) definieer die begrip vloei-energie tydens kritiese evaluasie van die ontwerpprosedure van Van Heerden (1987). Boere praat van 'n "vinnige" of "stadige" besproeiing. Kruger (1998) definieer die begrip netto vloei-energie wat verwys na die netto positiewe balans van energie waarmee die tempo van die vorderingsfront as relatief vinnig of relatief stadig getipeer kan word. Hy toon ook aan hoe hierdie netto-vloei- energie die bestuur en ontwerp van 'n vloedbesproeiingstelsel kan be'invloed. Hy toon aan dat die netto-vloei-energie 'n dinamiese faktor is, wat bepaal word deur die gesamentlike uitkoms van 'n aantal faktore.

Waaruemings in die praktyk.

Die boere term "vinnige of stadige" bedding, of besproeiing verwys na die tempo waarteen die vorderingsfront die eindpunt van die bedding bereik tydens verskillende besproeiings deur die loop van 'n seisoen. Die operateur moet dus op Vaalharts die water vinniger of stadiger as normaalweg afsny om te verseker dat die besproeiing korrek plaasvind (OVH 77, Du Rand et al, 1985). Walker en Skogerboe (1987) gee ook 'n soortgelyke voorbeeld van die variasie in die tempo van die vorderingsfront met verskeie besproeiings deur die loop van 'n seisoen. Figuur 5.1 dui die seisoenale variasie in die tempo van die vorderingsfront aan.

Die praktiese waarnemings verwys na die wisseling in die tempo van die vorderingsfront wat voorkom as gevolg van die wisseling van infiltrasietempo van gronde met verloop van 'n seisoen. Die infiltrasie verlaag aanvanklik na die eerste besproeiing weens konsolidasie van die bewerkte grond. Die konsolidasie stabilised- na die tweede besproeiing. Wisseling wat hierna voorkom, kan

grootliks verklaar word aan hand van besproeiingskedulering en vogverbruik deur die gewas, wat nie altyd sinkroniseer nie. Wanneer 'n "droe week", met hoe vogaanvraag dus ervaar word, sal die grondvogstatus daal en die opeenvolgende besproeiing sal "swaar" wees. Daarmee word bedoel dat 'n hoer infiltrasietempo en groter resulterende besproeiing voorkom. Met 'n vaste stroomgrootte, sal die groter infiltrasie dan lei tot stadige vordering van die vorderingsfront. Soortgelyk sal 'n "nat week" aanleiding tot 'n kleiner infiltrasietempo gee, en sal die vorderingsfront dus vinnig vorder. Hierdie tempo waarteen die vorderingsfront beweeg, lewer 'n aanduiding van die netto energie wat op die spesifieke stadium beskikbaar is vir die bogrondse vloei van water. Uit die bespreking is dit duidelik dat die vloei-energie op 'n bepaalde bedding mag wissel deur die loop van 'n seisoen.

Rivola, Klei, Leem T Y D v a n v o r d e r i n g min 10.000 5.000 2,000' 1,000 500 200 100 50 20 10 - i — i — i1 i i i i I

Billings Silty Ciay Loam Perennial Crop Ofj ■ 7apm S0 - O.OZ Perennial Crap Qf | = I6gpm S» * 0.006 Annual Crop Qr. * I7gpm So - O.OI / P 10

CD First Irr. Event © Sixth Irr. Event Note:

50 100 200 500 1000 2000

Voortjielengte, L in voet

Figuur5.1 Seisoenale variasie in die tempo van vorderingsfronte in die VSA, soos aangepas vanaf Walker en Skogerboe (1987)

Met bevestiging van die wisseling in die tempo van vorderingsfronte as 'n algemene waarneming, gekoppel aan die dinamiese infiitrasietempo se wisseling gedurende die seisoen, kan daar ondersoek na die redes vir wisseling van vloei- energie gedoen word.

.2 Teoretiese beredenering van vloei-energie konsep

2.2.1 Vloei in 'n ondeurlaatbare kanaal:

Water vloei van as gevolg van potensiele energie—met ander woorde van hoog na laag en dam op in enige waterpas vlak. Die tempo van vloei of spoed word bepaal deur energie absorberende en energie gewende faktore. Tydens vloei is daar wrywing of vloeiweerstand. Energie word "geabsorbeer" deur die vloeiweerstand. Vloeiweerstand is afhanklik van vloeidiepte en vloeispoed. Teen

lae vloeispoed (lae Froude getal) is vloei egalig en geleidelik veranderend". Sleur of wrywing teen die wande van die geleier vertraag vloeispoed naby die wandoppervlak. Hoe verder van die wandoppervlak, hoe groter raak die vloeispoed.

Indien daar geen uitlate in die kanaal is nie, is

vloei in = vloei uit (Massa behoud)

en

vloei-energie = drukstandverskil - wrywingstand (Energie behoud)

5.2.2.2 Infiltrasie in 'n besproeiingsbedding.

In 'n besproeiingsbedding vind daar infiltrasie plaas. Infiltrasie vind in twee stappe plaas.

• Eerstens is daar 'n vinnige absorberings proses, 'n sponseffek, Genoem "sorptivity"(Philip, 1957a). Tydens die proses word lug verplaas soos wat water in die grond indring, hoofsaaklik as gevolg van gravitasiekragte. Die grond raak oorversadig met water. Soms kan uitborrelende lug gehoor en gesien word. Indien daar op die grond getrap word, sak die voetspore eenvoudig weg in die gesuspendeerde oornat grond. Die proses begin met beweging van die vorderingsfront en eindig met beweging van die afdrogingsfront. Dit vind dus plaas tydens die kontaktyd tussen grond en water.

• Tweedens vind 'n herverspreiding van vog plaas. Gravitasiekragte veroorsaak afwaartse vogbeweging, terwyl kapillere kragte 'n suigkrag in alle rigtings meebring. Hierdie proses begin tydens benatting (beweging van vorderingfront) maar voltooi eers na etlike ure of dae.

Infiltrasie is afhanklik van die tipe grond, die fisiese toestand (as gevolg van of bewerking, of herkonsolidasie, of kompaksie van die grond), en die vogspanning

(of vogstatus) in die grond. Infiltrasietempo neem af met tyd tydens 'n besproeiing. Dus tempo van absorbering en aanvang van kapillere kragte neem af gedurende die kontaktyd.

In lae infiltrasietempo gronde (0.1 IF tot 1.5 IF soos tipies in die VSA) is dit praktyk om die infiltrasie in twee komponente te beskryf, naamlik die basiese infiltrasie tempo (f0) en die absorberende komponent wat 'n funksie van tyd is.

Meting van die verband word gedoen deur die uitvloei uit'n bedding of voortjie te bepaal (as basis virfo) wanneer die uitvloeitempo gestabiliseer het:

Z = kTa+f0 (Philip, 1957b)

By hoe infiltrasie tempo gronde (2.0 - 4.0 IF) het Strelkof en Katapodes (1977) gevind dat die basiese infiltrasietempo nie van groot belang is nie. Onder SA toestande waar water 'n skaars hulpbron is sou die meting van gestabiliseerde uitvloei (f0) meestal onprakties wees weens die uitvloei van water aan die

onderpunt van die beddings, en word die Kostiakof-Lewis-verband dus as volg aanvaar:

Z = kTa geldig vir gebruik in SIRMOD. T word gemeet in minute.

en

Z = aTb geldig vir gebruik in OPTIVLOED-2.2. T word gemeet in

sekondes.

(Tabel 3.3, Hoofstuk 3, lewer die waardes om infiltrasie te bereken soos dit in hierdie studie gebruik is.)

3 Vloei in 'n besproeiingsbedding:

By die bopunt (nulpunt) van die bedding geld normale kanaalvloei wanneer die stroom water in die bedding ingekeer word. Soos die voorpunt van die benattings

(vorderings) front die benatte kanaal verleng, geld daar egter 'n onttrekking van water weens infiltrasie. Die infiltrasietempo is die hoogste waar die water die grond pas benat het, en neem af na die bopunt (nulpunt) waar die grond reeds vir 'n tyd benat is.

Wanneer die verlangde kontaktyd by die bopunt (nulpunt) van die bedding benader word (met voldoende vordering om die onderpunt effektief te benat), sal die water afgesny word, sodat daar na verstryking van die kontaktyd begin word met die afdroging van die bedding. In ideale omstandighede sal die afdroging presies begin wanneer die ideale kontaktyd verstryk het (Figuur 4.25, Hoofstuk 4) In die praktyk sal 'n mate van oorbesproeiing egter normaalweg by die bopunt (nulpunt) plaasvind (Figuur 4.26, Hoofstuk 4)

Die vraag is nou egter om die posisie van die vorderingsfront vas te stel. Met ander woorde, hoe ver het die vorderingsfront beweeg tydens die verloop van die kontaktyd? Logies sal die infiltrasietempo, waardeur water heeltyd uit die stelsel verwyder is, 'n groot invloed he aangesien die kleiner wordende stroom al stadiger sal vloei. Ook logies sal 'n groter vloeiweerstand en kleiner helling die vloeispoed vertraag.

Gestel die tempo en totale afstand wat die vorderingsfront binne die kontaktyd sou beweeg, word bepaal deur die Netto Positiewe Vloei-energie in die stelsel. Dan behoort die vraag oor die vorderingsfront deur die analise van vloei-energie beantwoord te kan word.

5.2.2.4 Vloei-energie by Vloedbesproeiing:

Vloei-energie, of die energie beskikbaar vir die vloei van water word by elke inkrementele punt van die beddinglengte verteenwoordig deur die drukstand (of vloeidiepte) wat by die punt voorkom tydens die verloop van die besproeiing. Die drukstand is aanvanklik nul, neem dan soos die bedding benat word, toe tot 'n maksimum waarde (Figuur 4.18, Hoofstuk 4) Soos die bedding afdroog neem die drukstand weer af na nul (Figuur 4.19, Hoofstuk 4) Vir die geval waar die

bedding op die onderpunt geblok word sodat water opdam, geld andersoortige toestande.

Die totale energie wat tydens 'n besproeiing heers kan nie vernietig word nie, maar gaan oor vanaf die potensiele en kinetiese energie wat die stroom water by die bopunt van die bedding besit het (Figuur 4.17, Hoofstuk 4), na die potensiele energie en wrywings verliese wat die ge'infiltreerde water tydens die infiltrasie / absorpsie proses oorhou (Figuur 4.19, Hoofstuk 4).

Dus

A Potensiele Energie + A Kinetiese Energie + Wrywing = 0

Volume toegedien uit posisie 1

Qu*Tco

\ By Helling (So) en Vloeiweerstand (n)

Volume geabsorbeer deur besproeiing na posisie 2

Zreq x L '■

Figuur 5.2: Voorstelling van totale vloei-energie by vloedbesproeiing

In Figuur 5.3 kan gesien word dat die water tydens die besproeiing van posisie 1 na posisie 2 beweeg. In Suid-Afrika vind hierdie beweging normaal binne die verloop van die kontaktyd plaas. (Figuur 4.25, Hoofstuk 4). Dus is die gemiddelde spoed waarteen die ideale vorderingsfront moet beweeg naastenby bekend:

V =±

Om die leiwater as 'n vorderingsfront te laat beweeg, is daar potensiele energie of drukstand in die stelsel nodig. Daar is, soos in enige hidrouliese stelsel, drukstand komponente wat die stelsel-energie verhoog en komponente wat die energie absorbeer of verlaag.