بخشی از مقاله
مقدمه
تعیین دقیق موقعیت جبهه مرطوب در خاک غیر اشباع در مسایل ژئوتکنیکی و زیستمحیطی مثل انتقال املاح، از اهمیت بالایی برخوردار است. پیشروی جبهه مرطوب در خاک نوعی حرکت غیراشباع محسوب شده و اهمیت زیادی در مسایل آبیاری و زهکشی، هیدرولوژی و حرکت املاح در خاک داشته و با رابطه ریچاردز بیان میشود. لذا حل عددی و یا تحلیلی این معادله میتواند راهی برای تعیین موقعیت جبهه مرطوب شود.
نداشتن اطلاعات جزئی در مورد خواص هیدرولیکی خاک، هزینه بر بودن و زمان بر بودن طرح، تعیین موقعیت جبهه مرطوب در خاک مزرعه را با مشکل مواجه می سازد. روابط پیچیده در مرزهای جبهه مرطوب و فقدان اطلاعات کافی از شرایط مرزی نیز اجرای مطمئن مدل هایی را که بر اساس رابطه ریچاردز اجرا می شوند با مشکل مواجه می-سازد. بنابراین استفاده از این مدل ها در بسیاری شرایط غیر قابل اجرا می شود. نظر به اهمیت تعیین موقعیت جبهه رطوبتی در خاک، در این پژوهش، تحقیقات صورت گرفته در این راستا مورد بررسی قرار گرفته است.
تعیین جبهه رطوبتی با استفاده از تعیین میزان رطوبت خاک
تعیین میزان رطوبت خاک یکی از بهترین راهکارهای تعیین وضعیت جبهه رطوبتی در خاک میباشد. بدین منظور میتوان وضعیت رطوبت را با استفاده از روشهای مستقیم چون تعیین نسبت جرمی رطوبت، درصد حجمی رطوبت و یا با استفاده از روشهای غیرمستقیم چون استفاده از نوترونمتر، دستگاه تابش گاما و یا استفاده از روش انعکاس سنجی زمانی تعیین نمود. امروزه به دلیل دشواریهای نمونهبرداری با استفاده از اوگر در تعیین میزان رطوبت خاک و همچنین خطرات ناشی از کاربرد دستگاه نوترونمتر و تابش گاما، استفاده از تکنیک انعکاس سنجی زمانی - Time Domain Reflectometry, TDR - بر پایه ثابت دیالکتریک خاک از جایگاه ویژهای برخوردار شده است. سهولت اندازهگیری و امکان دادهبرداری پیوسته از جمله مزایای این روش میباشد.
یکی از ابزارهای جدید در تعیین وضعیت جبهه رطوبتی در خاک Full Stop WFD - Water Front Detector - می باشد NPSI Factsheet - ، - 2007 - شکل -1الف - . اولین ورژن این وسیله در سال 2004 اختراع شد. این وسیله بیشتر برای مدیریت آبیاری و تعیین عمق آب نفوذ یافته به خاک به منظور تشخیص زمان آبیاری مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از موثرترین عوامل در کارایی این وسیله، عمق نصب آن می باشد که البته در آبیاری های مختلف با هم فرق دارند.
این عمق در آبیاری بارانی 40 و برای آبیاری قطرهای 60 سانتیمتر گزارش شده است NPSI Factsheet - ،، . - 2007 از جمله مزای دیگر این دستگاه علاوه بر تعیین موقعیت جبهه مرطوب، تعیین کیفیت آب آبیاری بعد از عبور از منطقه ریشه است Stirzaker - ، Wells . - 2005 و همکاران - 2007 - روشی برای اندازه گیری عمق پیشروی جبهه مرطوب در خاک های مختلف تحت یک بارش مصنوعی را با استفاده از یک نفوذ سنج مخروطی1 ساده و ارزان ارایه کردند - شکل . - 2 این دستگاه اغلب برای تعیین قدرت خاک، تراکم خاک و مقاومت مکانیکی ظاهری خاک در برابر رشد ریشه به کار برده شده است Perumpral - ، . - 1987 مقادیر استانداردهای این دستگاه به وسیله - 2006 - ASAE ارایه شده است.
با توجه به اینکه میزان مقاومت خاک ارتباط محکمی با میزان تری خاک دارد Hillel - ، - 1980، لذا میتوان از دادههای این دستگاه برای تعیین میزان رطوبت خاک استفاده نمود. این روش در شرایطی که ناهمگنی بیولوژیکی مثل ریشهها و... دارند، قابل استفاده نمیباشد. شکل : - 1 - الف- نمایش Full Stop WFD و ب- قرائت کیفیت آب آبیاری نمونه برداری شده با دستگاه در مزرعه یکی از مهمترین کاربردهای تعیین جبهه رطوبتی درخاک، تعیین حجم خیس شده زیر یک قطرهچکان در سیستم آبیاری فطرهای میباشد. مدلهای تجربی، فیزیکی و نیمه تجربی بسیاری در این راستا ارایه شده است. Acar و همکاران - 2009 - جهت توسعه مدل پیشروی جبهه رطوبتی، از شکل 3 برای یک تصور فیزیکی از حجم جبهه مرطوب استفاده کردند. در این شکل a نصف پبیشتری پیشروی افقی، Voz حداکثر فاصله عمودی طی شده و b و h فواصل نشان داده شده در شکل -3الف می باشد.
شکل : - 3 - الف- مدل فیزیکی Acar و همکاران، 2009 ب- مدل فیزیکی سه بعدی Elmaloglou و . - 2009 - Malamos Schwartzman و - 1986 - Zar یک روش ساده و نیمه تجربی را برای تعیین ابعاد هندسی جبهه مرطوب در خاک ارایه کردند. در مدل ایشان فرض شده که این ابعاد به نوع خاک، دبی قطره چکان در واحد طول لاترال و مقدار کل آب وارد شده به خاک بستگی دارد. به منظور لحاظ کردن نوع خاک، هدایت هیدرولیکی آن وارد مدل گردید. ایراد روش این است که مدل مذکور، موقعیت جبهه مرطوب را تنها به صورت تابعی از هدایت هیدرولیکی اشباع خاک بیان می کند. به این ترتیب، اگرچه بسیاری از پیچیدگی های مربوط به حل های عددی ساده می-شود، اما کاربرد مدل را تنها به شرایط بررسی جبهه مرطوب در زیر قطره چکان ها محدود میسازد.
Singh و همکاران - 2006 - با اصلاح مدل Schwartzman و - 1986 - Zar به ارایه یک مدل نیمه تجربی با استفاده از آنالیز ابعادی برای تعیین مشخصات هندسی خاک خیس شده تحت آبیاری قطره ای با لاترالهای نصب شده در عمق مشخصی از خاک پرداختند. Elmaloglou و Malamos در سال 2009، به بررسی چگونگی تعیین عمق و شعاع پیشروی جبهه مرطوب در خاک زیر قطره چکان ها با ارایه یک مدل غیر خطی پرداختند. علت غیر خطی بودن مدل لحاظ کردن میزان تبخیر از سطح خاک و جذب آب توسط ریشه می باشد. در این تحقیق از راوابط ون گنوختن برای توصیف خواص هیدرولیکی خاک استفاده شده است. شکل -3 ب مدل فیزیکی به کار برده شده در این تحقیق را نشان می دهد.
Healy و Warrick، 1988، تکنیکی برای تخمین جبهه رطوبتی متغیر با زمان در زیر یک قطره چکان در سطح خاک پرداختند. در این مدل، ساده سازی با استفاده از مفاهیمی چون محیط همگن، عدم لحاظ تبخیر و تعرق و رطوبت اولیه یکنواخت در خاک صورت گرفته است. علاوه بر مدلهای تجربی و مفهومی، با استفاده از حل عددی معادله ریچاردز، مدلهای عددی بسیاری نیز توسعه داده شده است که یکی از پرکاربردترین و قویترین این مدلها، مدل HYDRUS میباشد Ajdari - ، 2008، saintenoy، . - 2006 علی رغم تحقیقات بسیاری که در راستای تعیین موقعیت جبهه رطوبتی در زیر یک قطرهچکان انجام شده، تنها در تعداد محدودی از این مطالعات شبیه سازی جبهه رطوبتی با لحاظ نمودن تاثیر تبخیر و تعرق - Warrick et al., 1979; Jurry et al., 1991; Wu et al., 1999; - Elmaloglou and Malamos, 2005 و شرایط منقطع جریان - Levinetal, 1979; Cote et al., 2003; - Mostaghitmi, 1981; Elmaloglou and Diamantopoulos, 2007 پرداختند.
عوامل موثر بر پیشروی جبهه رطوبتی در آبیاری قطرهای
Thabet و - 2008 - Zayani به بررسی اثر دبیهای مختلف قطرهچکان در آبیاری قطرهای روی الگوی پیشروی جبهه مرطوب پرداختند. نتایج نشان داد دبی بالاتر، پیشروی عمودی و مورب بیشتری را باعث میشود. این در حالیست که در مدت زمانهای آبیاری بالاتر میزان پیشروی عمودی جبهه رطوبتی مستقل از دبی شدهاست. همچنین در زمانهای بالاتر، منحنی تمایل به مماس و ثابت شدن در مقدار معلومی دارد. Elmaloglou و - 2007 - Diamantopoulos با استفاده از مدل ارایه شده به وسیله Elmaloglou و - 2006 - Malamos که قادر به تخمین موقعیت جبهه مرطوب با لحاظ اثر جذب آب توسط ریشه و تبخیر از سطح می باشد، اثر دبی و عمق آب اعمال شده به خاک را روی مشخصه های جبهه مرطوب مورد بررسی قرار دادند.
در این راستا، دو نوع خاک از کلاس USDA 12 انتخاب و خواص هیدرولیکی آن با استفاده از روابط ون گنوختن - 1980 - تعیین شد. آبیاری با دبی های 2 و 4 لیتر بر ساعت و عمق آب 30 میلیمتر در دو حالت مداوم و منقطع انجام شد. نتایج نشان داد نفوذ عمودی جبهه مرطوب در دبی کمتر عمیقتر بوده و در همین مدت با دبی ثابت، آبیاری منقطع عمق نفوذ بیشتری را منتج میشود. اما در زمان های طولانی تر این اختلاف بین آبیاری منقطع و پیوسته ناچیز میشود. بعلاوه نتایج بدست آمده موید این مطلب است که نفوذ عمقی در خاک شن لومی بیشتر از لوم سیلتی میباشد. آبیاری منقطع باعث کاهش بین 0/8 تا %3 نفوذ زیر منطقه ریشه شود. نتایج مطالعات Singh و همکاران - 2006 - نشان داد عمق جبهه پیشروی با افزایش عمق نصب لاترال افزایش مییابد. افزایش دبی نیز اثر مشابه بر عمق و عرض جبهه مرطوب داشت.
