بخشی از مقاله
چکیده
در روش آبیاری قطرهای، بررسی چگونگی گسترش آب در خاک با توجه به خصوصیات خاک و دبی قطرهچکان، جهت تعیین تعداد قطرهچکان مورد نیاز برای گسترش مناسب ریشه گیاه در خاک و فاصله مناسب قطرهچکانها جهت ایجاد همپوشانی پیازهای رطوبتی اطراف گیاه و اندازهگیری مقدار آب قرار گرفته در دسترس گیاه و در نتیجه راندمان مصرف آب بسیار مهم میباشد.
هیدرولیک جریان در محیط متخلخل یکی از پیچیدهترین بررسیهای علمی محسوب می شود چرا که محیطی ناشناخته، ناهمگون و بسیار متغیر بستر حرکت سیال میباشد. در این تحقیق به بررسی گسترش پیاز رطوبتی در اثر یک منبع نقطهای در دو بافت خاک - لومی و شنی لومی - در سه دبی مختلف با استفاده از مدل فیزیکی در آزمایشگاه پرداخته شده است و سپس تمامی آزمایشات مذکور با استفاده از مدل Hydrus-2D شبیهسازی شده است. مقایسه نتایج مدل Hydrus-2D و نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که این مدل تا حد قابل قبولی توانایی شبیهسازی پیاز رطوبتی در خاکهای شنی را دارا میباشد و در خاکهای سبک دارای دقت بالاتری نسبت به خاکهای سنگین میباشد.
مقدمه و هدف
تکنولوژی آبیاری قطرهای امکان کنترل بیشتری بر کاربرد آب، کود و علف کشها را فراهم میسازد. افزایش دقت در مصرف آب و مواد شیمیایی میتواند منجر به ذخیره آب، حفظ بیشتر محیط زیست و افزایش محصول گردد. استفاده از تمام پتانسیل تکنولوژی آبیاری قطرهای در گرو بهینهسازی تمام پارامترهایی است که در اختیار کاربر قرار دارد. تعیین عمق و عرض خیسشدگی در زیر قطرهچکانها با توجه به نیازهای گیاه، در افزایش راندمان مصرف آب و همچنین ایجاد شرایط مناسب رشد ریشه گیاه و در نتیجه افزایش تولید محصول، بسیار مهم میباشد.
تاکنون مطالعات آزمایشگاهی و مزرعهای بسیاری به منظور بررسی جریان غیراشباع در خاک انجام شده است. وجود متغیرهای بسیار زیادی که در بررسی جریان در محیط متخلخل مؤثرند از یکسو و عدم امکانات کافی برای تصویربرداری پویا و سه بعدی حرکت آب در محیط متخلخل طبیعی از سوی دیگر باعث شده است که بررسی جریان غیراشباع در محیط متخلخل، یکی از پیچیدهترین جریانها باشد.
تئوری و پیشینه تحقیق
باکینگهام در سال 1907 شروع به توصیف مفاهیم "پتانسیل موئینگی" و "هدایت موئینگی" بر اساس اندازهگیری توانایی خاک غیراشباع در ذخیره و انتقال رطوبت نمود. معادله دارسی برای توصیف حرکت آب در خاک اشباع میباشد. این رابطه همچنین میتواند در خاکهای غیراشباع نیز استفاده شود البته با این شرط که تغییرات هدایت هیدرولیکی با مکش ماتریک لحاظ گردد. معادله جریان در خاک غیراشباع توسط ریچاردز - 1928 - بسط داده شد. این معادله بر فرضیات هدایت موئینگی و ذخیره آب به عنوان تابعی از مکش ماتریک، استوار میباشد.
توزیع مجدد یک بعدی آب در خاک، با روش حل عددی که هنکس و همکاران در سال 1969 ارائه کردند، مورد بررسی دقیقتری قرار گرفت. توسعه و تکامل روش حل شبهتحلیلی معادله غیرخطی فوکر- پلانک با شرح حرکت دو و سه بعدی حرکت آب در خاک در شرایط پایدار و غیرپایدار توسط فیلیپ در سال 1968 مورد بحث قرار گرفته است. توصیف سادهای از نفوذ آب در خاک شنی توسط اسمیت در سال 1967 ارائه گردید. او از مفاهیم نیروی موئینگی و ثقل برای ارائه مطالب خود استفاده نمود. پروفیل رطوبتی خاک پس از قطع جریان در دو حالت، یکی با تبخیر از سطح خاک و دومی در شرایط بدون تبخیر از سطح خاک و در شرایط مزرعه توسط دیویدسون و همکاران در سال 1969 مورد بررسی دقیقتری قرار گرفت و با تئوریهای موجود مقایسه گردید.
ویتلسکی در سال 2005 مطالعاتی در مورد حرکت آب در خاکهای مرطوب و تأثیر آن بر جبهه رطوبتی، به ویژه لبههای آن در مرز قسمت خشک و مرطوب خاک، انجام داد. هدف ویتهیه و بررسی یک راه حل تقریبی بود تا بتواند دقیقاً محل و توزیع رطوبتی جبهه رطوبتی را با توجه به شرایط مرزی و اولیه در خاک تشریح نماید. نفوذ عمودی آب در یک خاک همگن و نیمه محدود انجام شد و برای این منظور از معادله یک بعدی ریچاردز برای مدل عمودی نفوذ استفاده شده است .
آسولین 2002 برای تعیین "تأثیر میکرودریپر و روشهای متداول آبیاری قطرهای بر توزیع و جذب آب" تحقیقی را در کشور فلسطین انجام داد. مشاهدات مزرعهای نشان داد که آبیاری قطرهای میکرودریپ، باعث افزایش عملکرد محصول میشود. از طرفی شبیهسازیهای عددی که با استفاده از نرم افزار HYDRUS-2D برای یک دوره 28 روزه انجام گرفت، نشان داد که آبیاری قطرهای میکرودریپ منجر به ایجاد پیاز رطوبتی کوچکی میشود که دارای کمترین میزان آب در محورهای افقی و عمودی میباشد.
نرم افزارهای مختلفی تا به حال برای آنالیز گسترش پیاز رطوبتی ارائه گردیده است. این نرم افزارها در حالتهای یک، دو و سه بعدی به حل معادله کاربردی ریچاردز میپردازند که از این میان میتوان به نرم افزارهایPROFLOW ، CMVSFS، VS2Dاشاره نمود.
از آنجا که یک مدل مناسب جهت تخمین چگونگی پیشروی جبهه رطوبتی در آبیاری قطرهای به عنوان یک روش آبیاری جدید و کارا، مورد نیاز میباشد. در این تحقیق به شبیهسازی جبهه رطوبتی با استفاده از مدل عددی HYDRUS-2D پرداخته خواهد شد. مدل HYDRUS-2D یک مدل جامع برای شبیهسازی حرکت آب، املاح و گرما درون خاک است که برای شرایط مختلف خاک و آب ورودی به داخل خاک توانایی شبیهسازی توزیع رطوبت در خاک را دارد؛ همچنین این مدل قادر است خصوصیات هیدرولیکی خاک را به روش معکوس تعیین نماید - سیمونک و همکاران،. - 1999 همچنین این مدل توانایی شبیهسازی جریان اشباع و غیراشباع در خاکهایی با لایهبندی افقی و عمودی را دارا میباشد.
مواد و روشها
برای انجام آزمایش از یک جعبه مکعب مستطیل شکل به ابعاد 400*75*100 سانتیمتری با دیواره های شیشهای استفاده گردید که این جعبه با خاکهای با بافت مختلف - لومی و شنی لومی - پر شد. این جعبه امکان اندازهگیری جبهه رطوبتی را در دو جهت فراهم میساخت. همچنین به منظور ایجاد دبیهای بسیار کم و ثابت در آزمایشگاه، از یک سیستم پمپاژ و صافی و قطرهچکان استفاده شد که سیستم پمپاژ مجهز به دستگاه تنظیم فشار بود که در شکل 1 نمایی از اجزای این سیستم نشان داده شده است.
شکل -1 نمایی از فلوم، منبع آب و منبع تأمین فشار مورد استفاده در آزمایشات.
به علت نفوذپذیری بسیار کم درخاکهای با بافت متوسط و سنگین، دبی قطرهچکان میبایست کمتر از یک لیتر در ساعت طراحی میشد. بدین منظور از قطرهچکانهایی با دبیهای بسیار کم و یکنواخت تا میزان 85 میلیلیتر در ساعت در آزمایشگاه استفاده گردید. به منظور ایجاد منبع خطی با دبیهای کم نیز از قطرهچکانهایی با فواصل یکسان استفاده گردید .
جهت بررسی شکل دو بعدی پیاز رطوبتی، قطرهچکان را در گوشه مدل آزمایشگاهی و برای بررسی ابعاد پیاز رطوبتی در اثر منبع خطی، قطرهچکان خطی در وسط اضلاع جعبه قرار داده شد. ترسیم شکل پیاز رطوبتی به روش تصویربرداری حین انجام آزمایشات با استخراج تصاویر و رقومی کردن آنها با استفاده از نرم افزار Auto CAD انجام شد. اشلهای نصب شده بر روی فلوم جهت ترسیم جبهه رطوبتی در زمانهای مورد نظر به منظور تعیین مقیاس اندازهگیری در تصاویر استخراج شده استفاده گردید که در شکل 2 نمایش داده شده است.
شکل -2 نمونهای از تصاویر مورد استفاده جهت استخراج ابعاد پیاز رطوبتی.
در این تحقیق دو نوع خاک با بافت لومی و شنی لومی مورد مطالعه قرار گرفت. بافت خاک مورد استفاده در مدل فیزیکی به روش الک کردن و در آزمایشگاه مؤسسه تحقیقات آب و خاک سازمان تحقیقات و آموزش کشاورزی تعیین شد.
