-154096191922

4731847-350621

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال دوم، شماره چهارم، تابستان 1392

ارزیابی برخی توابع انتقالی براي شبیهسازي جریان غیرماندگار آب در خاك

صنم جعفري گیلانده 1، علی رسولزاده 2 و حبیب خداوردیلو 3*

دانشجو کارشناسی ارشد؛ گروه علوم خاك؛ دانشکده کشاورزي؛ دانشگاه ارومیه؛ ارومیه؛ ایران
استادیار گروه مهندسی آب؛ دانشگاه محقق اردبیلی؛ اردبیل؛ ایران
3*) استادیار گروه علوم خاك؛ دانشکده کشاورزي؛ دانشگاه ارومیه؛ ارومیه؛ ایران؛ نویسنده مسئول مکاتبات: [email protected]

تاریخ دریافت: 16/09/1391 تاریخ پذیرش: 24/02/1392

چکیده
بیان کمی ویژگیهاي هیدرولیکی خاك براي هر گونه برنامهریزي در حفاظت از منابع آب و خاك ضروري است. ویژگیهاي هیدرولیکی خاك، وروديهایی مهم براي مدلسازي جریان آب و انتقال املاح در خاك هستند .بدلیل زمانبر و پرهزینه بودن روشهاي مستقیم اندازهگیري این ویژگیها، توابع انتقالی خاك( PTFs) به طور گسترده و موفق براي برآورد آنها استفاده شدهاند. با این حال، تلاشهایی اندك در زمینه ارزیابی کاربردي دقت برآوردهاي حاصل از PTFها در شبیهسازي جریان غیرماندگار آب در خاك صورت گرفته است. در این پژوهش، منحنی رطوبتی یک خاك رسی توسط برخی از PTFهاي محلّّی و جهانی برآورد گردید. منحنی رطوبتی خاك همچنین با روش مستقیم در آزمایشگاه اندازهگیري شد. اعتبار PTFهاي مورد مطالعه از نظر برآورد منحنی رطوبتی خاك بررسی شد. با وارد کردن هر دو پارامترهاي برآورد شده و اندازهگیري شده منحنی رطوبتی به برنامه HYDRUS-1D، جریان آب در این خاك شبیهسازي و دقت کاربردي PTFها از نظر شبیهسازي جریان آب در خاك به طور کمی مقایسه شد. نتایج بدست آمده نشان داد که هر دو PTF جهانی (رزتا) با میانگین مربعات خطاي( RMSE) کمتر از 3-cm3cm 025/0 و برخی PTFهاي منطقهاي( قربانی-1) با 3-RMSE <0/014 cm3cm، میتوانند منحنی رطوبتی خاك سطحی را به گونهاي مناسب برآورد کنند. براي برآورد منحنی رطوبتی خاك زیرسطحی مقدار RMSE براي توابع جهانی بزرگتر از 3-cm3cm 107/0 و براي توابع محلّّی در محدوده 3-cm3cm 356/0 – 036/0 بود. با این حال، براي شبیهسازي جریان آب در خاك، گروه دیگري از PTFها کارآمدتر بودند. مقادیر RMSE تابع قربانی اصلاح شده براي شبیهسازي مقدار رطوبت خاك سطحی و زیرسطحی به ترتیب 025/0 و 055/0 3-cm3cm بود. مقدار RMSE توابع وستن( 1999، 1997) نیز براي خاك سطحی بزرگتر از 149/0 و براي خاك زیرسطحی کوچکتر از 058/0 3-cm3cm بود. مقدار RMSE شبیهسازي شده با منحنی رطوبتی اندازهگیري شده در آزمایشگاه براي خاك سطحی و زیرسطحی بهترتیب 013/0 تا 040/0 3-cm3cm بود. میتوان نتیجهگیري کرد که در ارزیابی اعتبار PTFها باید به نوع کاربردي که قرار است از PTFها داشته باشیم، توجه شود .یک PTF میتواند براي برآورد منحنی رطوبتی خاك دقت کافی داشته باشد ولی براي برآورد گستره خاص (h) حاکم بر فرایند بازتوزیع رطوبت در خاك، دقیق نباشد. استفاده از چنین PTFي میتواند منجر به ایجاد خطاهاي بالایی در شبیهسازي مقدار رطوبت خاك گردد.

واژه هاي کلیدي: ارزیابی کاربردي؛ توابع انتقالی خاك؛ جریان آب در خاك؛ مدلهاي شبیهسازي

67640448057832

سال

دوم

/

شماره

4
/

تابستان

سال

دوم

/

شماره

4

/

تابستان

-2438348768

مقدمه
جریان غیر اشباع آب در خاك اهمیت زیادي در مسایل آبیاري و زهکشی، هیدرولوژي و حرکت املاح در خاك دارد. از ویژگیهاي مهم در بخش غیراشباع خاك، منحنی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی غیراشباع هستند که بیان کمی آنها براي استفاده در مدلسازي جریان آب و املاح در خاك ضروري است. با این حال، اندازهگیريهاي مستقیم این ویژگیها وقتگیر و پرهزینه است و به تجهیزات آزمایشگاهی ویژه و تکنسینهاي خبره نیاز دارد .بنابراین در سالهاي اخیر استفاده از روشهاي غیرمستقیم مانند توابع انتقالی خاك(PTF) براي برآورد منحنیرطوبتی (خداورديلو 1381؛ 2010 ,.Ghorbani Dashtaki et al؛ 2011 ,.Khodaverdiloo et al) و هدایت هیدرولیکی گسترش یافته است (یعقوبی و رسولزاده، 1388).
توابع انتقالی خاك، توابعی رگرسیونی کاملاً تجربی هستند که ویژگی هاي زودیافت خاك مانند داده هاي بافت و ساختمان خاك و میزان مواد آلی را به خصوصیات دیریافت خاك مانند ویژگی هاي هیدرولیکی تبدیل می کنند (1999 Larson and Pierce,). تفاوت بین PTFها منجر به تقسیم آنها به دو گروه کلّّی PTFهاي کلاسی و PTFهاي پیوسته شده است.PTFهاي کلاسی مقادیري میانگین و تقریبی از ویژگیهاي و پارامترهاي دیریافت براي کلاس-هاي بافتی ویژه ارایه میدهند .PTFهاي پیوسته ویژگی هاي خاك مانند فراوانی نسبی ذرات، درصد مواد آلی و جرم ویژة ظاهري خاك را به عنوان متغیرهاي رگرسیونی در نظر می گیرند و ممکن است براي برآورد هر نقطۀ دلخواه از روابط θ-h-K یا پارامترهاي موجود در مدلهاي مربوط به این روابط به کار روند .این PTFها، خود به دو گروه نقطه اي و پارامتریک تقسیم میشوند .PTFهاي نقطه اي مقدار رطوبت در یک پتانسیل یا مقدار هدایت هیدرولیکی در یک رطوبت را برآورد می کنند .PTFهاي پارامتریک، پارامترهاي معادلات تجربی- تئوریکی روابط (θ(h و یا (K(θ را به ویژگیهاي خاك ارتباط میدهند که میتوان با انتقال این توابع به معادلات ذکر شده مقادیر θ یا K را در هر مقدار از h یا θ به دست آورد. این روش در مدل سازي انتقال آب و املاح در خاك برتري دارد، زیرا نتایج به دست آمده از آن بر خلاف روش قبلی، تابعی پیوسته از روابط θ(h) و یا K(θ) است( Bouma, 1989؛Wosten,
1997). توابع انتقالی پارامتریک عموماٌ دقت کمتري دارند که موجب میشود کاربران در استفاده از آنها تردید نمایند .با این حال، برخی پژوهشها نشان میدهند که اگر دقت و اعتبار این توابع از جنبه رطوبتهاي برآورد شده یا شبیه سازي رفتارهاي خاك از طریق استفاده از این توابع ارزیابی گردد، نتایجی متفاوت از دقت و یا اعتبار خود توابع پارامتریک حاصل میشود( 2004 ,.Schaap et al؛ خداوردیلو و همکاران ،1390؛ نوري و همکاران (الف) ،1391؛ نوري و همکاران (ب) ،1391). با این حال، روش ارزیابی اخیر کمتر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. توابع انتقالی را میتوان با مجموعه دادههایی با مقیاسهاي گوناگون از جمله منطقهاي، ملّّی و بین المللی ایجاد کرد. برخی از توابع بینالمللی مثل رزتا و سویلپار کاربردي گسترده یافتهاند. با این حال عموماً PTFها ابزاري براي درونیابی هستند و براي منطقهاي که در آن ایجاد شدهاند نتایج بهتري ارایه میدهند .Nemes et al (2003)، از سه سري پایگاه اطلاعاتی مختلف استفاده کرده و براي هر پایگاه اطلاعاتی 11 نوع تابع انتقالی با وروديهاي متفاوت ایجاد کردند. اعتبار توابع انتقالی ایجاد شده براي استفاده در خاكهایی که در ایجاد توابع انتقالی استفاده نشده بودند، ارزیابی گردید. نتایج نشان داد که توابع انتقالی با مقیاس بینالمللی، دقت مناسبی دارند و میتوان از آنها به جاي توابع انتقالی ملّّی یا منطقهاي و حتی به جاي اندازه-گیري مستقیم استفاده کرد .
Ghorbani و همکاران (2009)، 234 نمونه خاك رابا توزیع اندازه ذرات متفاوت به صورت تصادفی جمعآوري کردند و براي ایجاد PTFها، دو گروه از متغیرهايورودي را به کار بردند: 1) توزیع اندازه ذرات و جرمویژهظاهري 2) جرمویژه ظاهري، میانگین و انحراف معیار هندسی .ایشان دو نوع PTF نقطهاي و دوPTF پارامتریک، براي برآورد منحنی رطوبتی ایجاد کردند. همچنین، دقت PTFهاي ایجاد شده را با توابع رزتا1 مقایسه کردند. نتایج نشان داد که وروديهاي گروه دوم 65 تا90 درصد تغییرات پارامترهاي α و θs در مدل ون گنوختن را تبیین کردند. در نهایت این محققین نشان دادند PTFهاي ایجاد شده، ویژگیهاي هیدرولیکی خاك را بهتر از رزتا برآورد میکنند .
Saxton و همکاران (1986) از ویژگیهاي زود یافت خاك مانند بافت خاك براي بدست آوردن هدایت هیدرولیکی غیراشباع K(θ) و منحنی رطوبتی خاك h(θ) استفاده کردند .ایشان توابعی انتقالی بدست آوردند که می-توان با استفاده از آنها تابعی پیوسته و دقیق از هدایت هیدرولیکی و منحنی رطوبتی آب خاك براي محدوه اي گستردهاي از بافت خاك استفاده کرد.
Islam و همکاران (2006) از سه روش رگرسیونی ،شبکه عصبی مصنوعی (رزتا) و برازش بهینه به مقادیر اندازهگیري شده توسط نرم افزار RETC، براي برآورد مشخصات هیدرولیکی خاك (منحنی هدایت هیدرولیکی غیر اشباع و منحنی رطوبتی خاك) استفاده کردند. آنها ،سپس این مشخصات را به مدل هیدرولوژیکی MIKE SHE وارد کردند و شبیهسازي رطوبت خاك را به مدت سه سال بررسی کردند. نتایج نشان داد روش رگرسیونی نتایج مختلفی نسبت به دو روش رزتا و RETC داشته و حساس به درصد بالاي شن و رس میباشد .
Salazar و همکاران (2008)، جریان زهکشی را بااستفاده از هدایت هیدرلیکی اشباع برآورد شده توسط رزتا ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که مقادیر شبیهسازي جریان زهکشی با استفاده از هدایت هیدرولیکی اشباع برآورده شده با رزتا، با مقادیر شبیهسازي جریان زهکشی با استفاده از هدایت هیدرولیکی اشباع اندازهگیري شده در آزمایشگاه در خاك هاي بافتهاي درشت مشابه میباشد .
همچنین، در بیشتر مطالعات انجام شده در ایران منحنی رطوبتی برآورد شده با توابع انتقالی، با منحنی رطوبتی اندازهگیري شده (شاخه خشک شدن) مقایسه گردیده است. در صورتی که شاخه خشک شدن بیشتر در فرآیندهایی مثل زهکشی کاربرد دارد در حالیکه در مدل کردن مسایل آبیاري و انتقال املاح، شاخه تر شدن به فیزیک مسئله نزدیکتر است. مقایسه منحنی رطوبتی برآورد شده ،با منحنی اندازهگیري شده ممکن است نتیجه مناسبی در پی داشته باشد ولی به علّتّ پدیده پسماند، حرکت آب و املاح را با دقت مناسبی شبیهسازي نکند. لذا در این پژوهش، افزون بر ارزیابی دقت توابع انتقالی مختلف در برآورد منحنی رطوبتی، کارآمدي برآوردهاي حاصل از برخی توابع انتقالی با مقیاس منطقهاي و بین المللی در مدل کردن تغییرات رطوبت در خاك توسط برنامه -HYDRUS Dبررسی گردید .

مواد و روشها
5125968045641

سال

دوم

/

شماره

4
/

تابستان

سال



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید