بخشی از مقاله
چکیده
نفوذ آب به خاک و زهآب دو مقوله مهم در بخش کشاورزی میباشند. هدف این پژوهش بررسی توانایی مدل HYDRUS-1D در شبیهسازی نفوذ آب به خاک و زهآب تحت مدیریت آبیاری و کیفیت آب بود. این مطالعه شامل سه مجموعه 24تایی ستون خاک و طرح بلوکهای کامل تصادفی بود. هر مجموعه دارای شش تیمار که شامل سه تیمار کیفیت آب آبیاری در چهار تکرار با دو سطح میزان آب آبیاری شامل آبیاری کامل و آبیاری با تخلیه 30 درصد رطوبت خاک - کم-آبیاری - بودند. با وارد کردن دادههای نفوذ تجمعی و زهآب به مدل HYDRUS-1D، پارامترهای هیدرولیکی خاک با حل معکوس بدست آمد . نتایج نشان داد مدل با دقت بالایی نفوذ آب به خاک و زهآب را شبیهسازی میکند. بنابراین روش حل معکوس میتواند به عنوان یک روش نسبتا سریع و ساده در برآورد پارامترهای هیدرولیکی خاک، با استفاده از دادههای نفوذ و زهآب باشد.
واژه های کلیدی: نفوذ آب به خاک، پارامترهای هیدرولیکی، حل معکوس.
مقدمه
شوری و سدیمی بودن دو نگرانی عمده کیفیت آب آبیاری و خاک در نواحی خشک و نیمه خشک میباشد . - Ayars and Tanji, 1999 - در مناطق خشک و نیمهخشک، به طور اساسی آب آبیاری مناسب برای کشاورزی محدود است و آب زیرزمینی منبع اصلی آبیاری است . - Jalali and Merrikhpour, 2008 - آبشویی مواد شیمیایی از خاک و انتقال آنها به آبهای زیر زمینی باعث آلودگی منابع آبی میشود. همچنین آبشویی کودها و انتقال آنها به خارج از منطقه ریشه باعث کاهش بازده کودها خواهد شد. بنابراین برآورد مقدار کمی انتقال آب در خاک در بسیاری موارد مهم است. متاسفانه برآورد کمی نفوذ آب به خاک و زهآب در مزارع به دلیل وقتگیر و پرهزینه بودن مشکل میباشد.
شیرانی و همکاران - - 1390 برای شبیهسازی حرکت برومید در ستون های دست نخورده خاک از مدل HYDRUS استفاده کردند. نتایج نشان داد مدل HYDRUS پیش-بینی خوبی از غلظت برمید در زهآب را میدهد. تحلیل حساسیت مدل بیشترین حساسیت را به تغییرات رطوبت و کمترین حساسیت را مربوط به ضریب پخشیدگی برمید نشان داد . Goncalves و همکاران - 2006 - از مدل HYDRUS برای ارزیابی خطرات شوری و سدیمی شدن خاک در سه لایسیمتر که با کیفیتهای مختلف آب آبیاری می شدند استفاده نمودند. شوری آب آبیاری - EC - بین 0/4 تا 3/2 دسی زیمنس بر متر و نسبت جذبی سدیم - SAR - بین 1 تا 6 متغیر بود.
نتایج نشان داد که مدل با موفقیت مقادیر رطوبت، شوری و غلظت هر یک از کاتیونهای محلول، نسبت جذبی سدیم و درصد سدیم تبادلی را پیش بینی می نماید. Skaggs و همکاران - - 2004 برداشت آب توسط ریشه و شوری آب زهکش حاصل از آزمایشات لایسیمتری تحت کشت علوفه که با آب های شور آبیاری شده بودند را با نتایج شبیهسازی توسط مدل HYDRUS مقایسه نمودند. آنها گزارش نمودند که همبستگی خوبی بین نتایج مدل و دادههای اندازه گیری شده در دامنه وسیعی از شرایط آزمایشی بدست آمد. آنها نتیجه گرفتند که مدل بسیاری از ویژگیهای جذب آب توسط ریشه در شرایط تنش را پیشبینی نموده و لذا میتواند در طراحی و تحلیل استفاده مجدد از آب شور زهکش مورد استفاده مفید قرار گیرد. هدف اصلی این پژوهش، بررسی قابلیت مدل HYDRUS-1D در شبیهسازی نفوذ آب به خاک و زهآب تحت مدیریت آبیاری و کیفیت آب بود.
مواد و روشها
این مطالعه شامل سه مجموعه 24تایی ستون خاک و طرح بلوکهای کامل تصادفی بود. مجموعهها شامل مجموعه یک، دو و سه بود. پس از انجام اولین، پنجمین و دهمین آبیاری برای مجموعههای 24تایی یک، دو و سه آزمایش نفوذپذیری انجام شد. هر مجموعه دارای شش تیمار که شامل سه تیمار کیفیت آب آبیاری در چهار تکرار با دو سطح میزان آب آبیاری شامل آبیاری کامل و آبیاری با تخلیه 30 درصد رطوبت خاک - کمآبیاری - بودند - جدول . - 1 خاک مورد آزمایش دارای بافت لومشنی بود که ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی آن در جدول - 2 - ارائه شده است.
تهیه ستونهای خاک
ستونها از جنس لوله پلیکا به ارتفاع 60 سانتیمتر و قطر 25 سانتیمتر بود. انتهای هر ستون خاک توسط یک توری و یک پارچه ضخیم پوشانده شده بود تا از جابجایی خاک و خروج ذرات ریز خاک جلوگیری شود. ستونها تا عمق 40 سانتیمتر و با خاکی با چگالی ظاهری - طبیعی - 1/58 گرم بر سانتیمتر مکعب با ویژگیهای ارائه شده در جدول 2 پر شدند. پس از پرکردن ستونها از خاک با چگالی ظاهری مورد نظر، ستونها از پایین اشباع شدند. سطح ستونها به مدت 48 با پلاستیک پوشانده شد و پس از 48 ساعت وزن ستونها برای تعیین درصد رطوبت زراعی اندازهگیری شد.
آبیاری
از سه حالت کیفیت آب آبیاری شامل آب شور و سدیمی کم، شور و سدیمی متوسط و شور و سدیمی زیاد استفاده شد. سه کیفیت آب آبیاری با افزودن مقدار مورد نیاز دو نمک کلریدسدیم و کلریدکلسیم به آب مقطر ساخته شدند. در هر آبیاری رطوبت خاک به حد ظرفیت زراعی رسانده میشد. دور آبیاری برای آبیاری کامل به صورت روزانه بود و مقدار آب آبیاری بر اساس میزان تخیله روزانه رطوبت خاک نسبت به رطوبت ظرفیت زراعی تعیین میشد. دور آبیاری برای آبیاری باتخلیه رطوبتی خاک برابر30 درصد بر اساس میزان تخلیه 30 درصد رطوبت خاک نسبت به رطوبت ظرفیت زراعی محاسبه میگردید.
آزمایشهای نفوذپذیری پس از انجام اولین، پنجمین و دهمین آبیاری برای مجموعههای 24تایی یک، دو و سه آزمایش نفوذپذیری انجام شد. زمان انجام آزمایش نفوذپذیری برای مجموعهها در حالت 30 درصد تخلیه رطوبت خاک انجام شد. به عنوان مثال در مجموعه دو، پس از اینکه پنجمین آبیاری برای تیمارهای کمآبیاری انجام شد، آبیاری تمامی تیمارها قطع میشد و زمانی که رطوبت خاک به تخلیه 30 درصد میرسید، آزمایش نفوذپذیری انجام میشد. آزمایش نفوذپذیری با بار آبی ثابت پنج سانتی-متر برای هر یک از سه مجموعه یک، دو و سه به ترتیب برای زمانهای 100، 140 و 140 دقیقه با استفاده از دستگاه ستون ماریوت انجام میشد. در حین انجام آزمایش نفوذپذیری، زهآب ستونهای خاک نیز جمعآوری و حجم آنها تعیین میشد.
واسنجی پارامترهای هیدرولیکی خاک در مدل آزمایشگاهی با مدل HYDRUS-1D
در این پژوهش برای مدلسازی یکبعدی فرآیند نفوذ از مدل HYDRUS-1D نسخه 4/16 استفاده گردید. در ابتدای فرآیند واسنجی پارامترهای هیدرولیکی خاک نیاز به انتخاب تکرار برتر هر تیمار بود. در نتیجه برای بررسی اعتبار هر آزمایش و نیز تعیین بهترین تکرار از آمارهی آلفای کرونباخ استفاده گردید . - Ho, 2006 - به منظور تعیین بهترین تکرار آزمایش با این روش، مقدار آماره آلفا کرونباخ در صورت حذف هر یک از تکرارها با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفت. بدین ترتیب، تکراری که با حذف آن، مقدار این آماره کاهش بیشتری یافت، به عنوان بهترین تکرار انتخاب شد. پس از انتخاب تکرار برتر هر تیمار از مدل هیدرولیکی ونگنوختن-معلم برای واسنجی پارامترهای هیدرولیکی خاک و شبیهسازی نفوذ در شرایط مختلف استفاده شد. برای واسنجی مدل از دادههای نفوذ تجمعی و زهآب استفاده شد.
شاخصهای ارزیابی
برای ارزیابی شبیهسازی عددی انجام گرفته از ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - و درصد خطای نسبی مطلق - AE - استفاده گردید - جوادی و همکاران، : - 1393
در روابط فوق، =Pi مقدار شبیهسازی شده، =Oi مقدار اندازهگیری شده و =n تعداد دادههای اندازهگیری شده است. مقادیر آمارههای ریشه میانگین مربعات خطا همواره مثبت بوده و بهترین حالت عملکرد زمانی است که مقدار آنها به صفر نزدیک شود. آماره خطای نسبی مطلق - AE - هر چه کوچکتر باشد نشاندهنده صحت شبیهسازی دادهها است.
نتایج و بحث
نتایج مقایسه آماری بین دادههای نفوذتجمعی و زهآب شبیهسازی شده به روش حل معکوس و دادههای اندازهگیری شده از طریق ستونهای خاک نشان داد که تخمین همزمان تمام پارامترهای معادله ونگنوختن -معلم احتمال ناپایداری در حل معکوس را افزایش میدهد و مدل به پاسخ منحصرد به فردی نمیرسد. مشابه نتایج سایر پژوهشگران، واسنجی مدل هیدرولیکی ونگنوختن-معلم با استفاده مدل HYDRUS نشان داد که دو پارامتر پارامتر شکل - L - و رطوبت باقیمانده - r - کمترین تاثیر را بر دقت واسنجی میگذارد . - Simunek et al, 1998; Hopmans et al, 2002 and Mashayekhi et al, 2016 - بنابراین با ثابت نگه داشتن مقادیر پارامتر شکل - L=0.5 - و رطوبت باقیمانده r 0.0459 - - ، از چهار پارامتر رطوبت اشباع خاک s - - ، هدایت هیدرولیکی اشباع - Ks - و پارامترهای شکل - و - n برای واسنجی مدل هیدرولیکی استفاده شد. در جداول 3 تا 5
