بخشی از مقاله
خلاصه
ضعف در مدیریت و طراحی نامناسب، دلیل اصلی پایین بودن بازده روشهای آبیاری سطحی است. یکی از مؤثرترین روشها در اجرای مدیریت صحیح در زمینه آبیاری سطحی، استفاده از نرمافزارهای کامپیوتری و مدلهای شبیه سازی می-باشد. تحلیل حساسیت مدلهای شبیه سازی میتواند به فهم اینکه هر پارامتر ورودی چه مقدار بر پیش بینی مدل تاثیر میگذارد، کمک کند. هدف از این پژوهش، تحلیل حساسیت مدل WinSRFR نسبت به پارامترهای ورودی مهم و تاثیر تغییر ورودیها بر خروجیهای مدل میباشد. ورودیهای مهم مدل عبارتند از دبی ورودی، زمان قطع جریان، ضریب زبری، پارامترهای نفوذ و شیب طولی کرت. مقادیر پارامترهای ورودی نسبت به حالت اولیه %25± و %50± تغییر و وارد مدل گردید. پارامترهای خروجی در نظر گرفته شده در آنالیز حساسیت شامل زمان پیشروی، زمان پسروی و عمق نفوذ آب در خاک میباشند. مطالعه حاضر نشان داد که حساسیت مدل به طور قابل توجهی با پارامترهای ورودی تغییر میکند و در مجموع مدل در فاز پیشروی به ترتیب به پارامترهایQ، n، a و k ، در فاز پسروی به ترتیب به پارامترهای k، a، Tco و Q و در مورد عمق نفوذ آب در خاک به ترتیب به پارامترهای Q و Tco حساسیت بیشتری نسبت به دیگر پارامترهای ورودی دارند و باید با دقت بیشتری اندازهگیری شوند.
.1 مقدمه
در بسیاری از مناطق جهان بیش از 90 درصد اراضی فاریاب با روشهای سطحی آبیاری میشوند . مشکل عمده روشهای آبیاری سطحی پایین بودن بازده آب آبیاری است که به طور عمده از ضعف مدیریت و طراحی نامناسب ناشی میشود. با توجه به هزینه زیاد سامانههای آبیاری تحت فشار بهبود و اصلاح روشهای آبیاری سطحی امری اجتناب ناپذیر است .[1] یکی از مؤثرترین روشها در اجرای مدیریت صحیح در زمینه آبیاری سطحی، استفاده از نرمافزارهای کامپیوتری و مدلهای ریاضی میباشد که میتواند با شبیهسازی، ارزیابی و طراحی سیستم آبیاری سطحی نیاز به مدیریت صحیح را در زمینهی اجرا برطرف نماید. به کمک نرمافزارهای کامپیوتری و مدلهای ریاضی میتوان همه مراحل یک آبیاری کامل را شبیهسازی و با تغییر پارامترهای طراحی، به یک سیستم آبیاری با راندمان کاربرد و یکنواختی توزیع بالادست یافت. درواقع میتوان با داشتن یک مدل ریاضی مناسب از انجام بسیاری از آزمایشهای مزرعهای پرهیز نمود. زیاد بودن متغیرهای وابسته در آبیاری سطحی و تغییرات زیاد پارامترهایی همچون نفوذپذیری و زبری سطحی، لزوم استفاده از مدل-های ریاضی را مشخص میکند. سرعت بالا، هزینه کمتر، بررسی ترکیبهای مختلف پارامترهای طراحی بدون نیاز به آزمایشهای وسیع و پرخرج مزرعهای و ارزیابی سریع طرحهای جدید آبیاری سطحی در یک محدوده وسیع، از محاسن عمده مدلهای ریاضی در آبیاری سطحی میباشند 2]و.[3 مدلها به طور کلی نیاز به مجموعهای از پارامترهای ورودی مختلف دارند که هر کدام از این پارامترهای ورودی تاثیر متفاوتی بر روی پارامترهای خروجی مدل میگذارد. تحلیل حساسیت مدلهای شبیه سازی میتواند به فهم اینکه هر پارامتر ورودی چه مقدار بر پیش بینی مدل تاثیر میگذارد، کمک نماید. به این معنی که کدام پارامتر ورودی باید دقیقتر اندازهگیری و یا تخمین زده شود و کدام پارامتر را میتوان با دقت کمتر اندازهگیری نمود .[4]
مدل آبیاری WinSRFR ، یک مدل کامپیوتری برای تحلیل و شبیهسازی آبیاری سطحی است که در سال 2004 با همکاری مرکز تحقیقات کشاورزی مناطق خشک - ARS - بخش تحقیقات وزارت کشاورزی آمریکا - USDA - توسعه داده شده است. مدل مذکور از جملهی مدلهای کامپیوتریی است که کاربرد زیادی در طراحی و مدیریت آبیاری سطحی داشته و بر اساس دو مدل ریاضی اینرسی-صفر و موج کینماتیکی و به روش حل عددی محاسبات را انجام میدهد .[5] در مدل WinSRFR امکان برآورد میزان آب نفوذیافته از راه معادلات مختلف از جمله کوستیاکف، کوستیاکف- لوئیز - کوستیاکف اصلاحشده - ، تابع شاخهای، گرین- امپت و خانواده نفوذ NRCS وجود دارد. این مدل تحلیلکننده قادر است تا دامنه راه-حلهای منجر به عملکرد تقریبا بهینه را تجسم کند و راهحلی برگزیند که همخوانی بیشتری با محدودیتهای اجرایی داشته باشد .[6] . - Bautista et al., 2009a - صحت عملکرد مدل اینرسی-صفر با توجه به دادههای مزرعهای مربوط به آبیاری کرتها، نوارها و جویچهها توسط فرانگمیر و رامسی و الیوت و واکر اثبات گردید 7]و.[8 ابراهیمیان و لیاقت عملکرد سه مدل ریاضی هیدرودینامیک، اینرسی-صفر و موج کینماتیک در نرمافزار SIRMOD را برای آبیاری جویچهای و نواری مورد بررسی قرار دادند که بر اساس نتایج آنها اختلاف ناچیزی بین مدلهای هیدرودینامیک و اینرسی-صفر در تخمین زمانهای پیشروی و پسروی، نفوذپذیری و رواناب در هردو روش آبیاری جویچهای و نواری به دستآمد .[9] مجدزاده و همکاران دقت شبیهسازی مدل-های SIRMOD و SRFR را براساس دادههای مزرعهای برداشت شده و برای دبیهای مختلف جریان پیوسته جویچهای در خاک سیلتی لومی را بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که برای آبیاری با جریان پیوسته مدل SRFR زمان پیشروی، متوسط عمق نفوذ و توزیع یکنواختی را بهتر از مدل SIRMOD پیشبینی میکند .[10] سیاری و همکاران دقت شبیه سازی مدلها ریاضی اینرسی-صفر و موج کینماتیک با استفاده از مدل WinSRFR را بر اساس دادههای مزرعهای مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که روش موج کینماتیک به دلیل فرض یکنواخت بودن جریان در طول جویچه، دقت کمتری از روش اینرسی-صفر دارد .[11]
سلطانی محمدی و همکاران حساسیت شبیه سازی آبیاری نواری را با استفاده از مدل SIRMOD نسبت به پارامترهای ورودی را مورد ارزیابی قرار دادند. پارامترهای ورودی به مدل عبارت بودند از شیب طولی نوار، ضریب زبری،دبی ورودی و پارامترهای نفوذ. آنها مقادیر این پارامترها را %50 ± تغییر دادند و به مدل وارد کردند. پارامترهای خروجی در نظر گرفته شده در آنالیز حساسیت شامل زمان پیشروی، زمان پسروی و مقدار رواناب بود. نتایج نشان داد که در مجموع مدل در فاز پیشروی به Q، k و a ، در فاز پسروی به a، n، s0 و در مورد رواناب به Q در مقایسه با دیگر پارامترها حساسیت بیشتری دارد .[12] تقی زاده و همکاران مدل آبیاری سطحی WinSRFR را با استفاده از اطلاعات مزرعهای بر اساس دو روش حل اینرسی-صفر و موج کینماتیک مورد واسنجی و ارزیابی قرار دادند. تحلیل حساسیت نشان داد که مدل بیشترین حساسیت را به ترتیب نسبت به دبی ورودی، زمان قطع جریان و پارامترهای نفوذ دارد .[13] در پژوهشی دیگر دبی ورودی و پارامترهای نفوذ در مدل آبیاری سطحی WinSRFR مورد تحلیل حساسیت قرار گرفت. به این منظور خاکهای بازه 0,7-1 در ردهبندی NRCS انتخاب گردیدند. نتایج نشان داد که با افزایش شماره خانواده خاک در رده-بندی NRCS زمان پیشروی افزایش و نسبت زمان پیشروی به زمان قطع جریان کاهش مییابد. همچنین با افزایش دبی، زمان پیشروی و قطع جریان کاهش پیدا میکند .[6] هدف اصلی این پژوهش، مطالعه حساسیت مدل WinSRFR در شیبه سازی، با توجه به تغییرات ورودیهای مهم با استفاده از روش اینرسی- صفر و همچنین ارزیابی اینکه بین پارامترهای ورودی مختلف کدام تاثیر بیشتری بر خروجی-های مدل از قبیل زمان پیشروی، زمان پسروی و عمق نفوذ آب در خاک دارند، میباشد.
.2 مواد و روشها
جهت بررسی اثر تغییر پارامترهای ورودی آبیاری کرتی بر زمان پیشروی، زمان پسروی و عمق نفوذ آب در خاک از مدل کامپیوتری WinSRFR استفاده شد. ورودیهای مهم در مدل WinSRFR برای آبیاری کرتی شامل دبی ورودی، زمان قطع جریان، شیب، طول و عرض کرت، ضریب زبری مانینگ و ضرایب معادله نفوذ کوستیاکف میباشند که به جز طول و عرض نوار و زمان قطع جریان دیگر پارامترهای ممکن است در حین اندازهگیری با خطای معنی داری همراه شود که بر نتایج موثر است. بنابراین لازم است در آنالیز حساسیت در نظر گرفته شوند تا تاثیرشان بر مدل بررسی گردد. مقادیر اولیه ورودی به مدل WinSRFR در جدول 1 ارائه شده است.
شاخص حساسیت : حساسیت مدل به پارامترهای ورودی عبارت است از نسبت تغییرات در پارامتر خروجی مدل با توجه به تغییر در مقدار آن پارامتر در حالیکه پارامترهای ورودی دیگر ثابت نگهداشته شود.
=N تعداد نقاط در یک پارامتر خروجی - به طور مثال در طول کرت 100 متری،10 ایستگاه انتخاب گردید - = Xni مقدار جدید خروجی برای i امین نقطه مقدار تغییر یافته پارامتر ورودی
= Xci مقدار خروجی برای i امین نقطه در مقادیر کنترل = مقدار قدر مطلق تغییر در پارامتر ورودی شاخص حساسیت - SI - برابر است با درصد تغییر پارامتر خروجی مدل، به ازای یک درصد تغییر در پارامتر ورودی مدل. به عنوان مثال SI=0.5 به این معنی است که به ازای یک درصد تغییر در پارامتر ورودی به طور میانگین %0,5 پارامتر خروجی افزایش پیدا میکند.
در این تحقیق هر یک از پارامترهای ورودی به میزان %25 ± و %50 ± تغییر داده شدند. سپس باثابت نگهداشتن پارامترهای ورودی دیگر، پارامتر جدید وارد مدل گردید. سپس با استفاده از نرم افزار WinSRFR و به کارگیری مدل اینرسی- صفر، جریان آب در آبیاری کرتی شبیه سازی گردید. در نهایت تاثیر هر پارامتر بر روی زمان پیشروی، زمان پسروی و عمق نفوذ آب در خاک با استفاده از معادله 1 مشخص گردید.
