بخشی از مقاله
چکیده
مدلهای عددی در شبیهسازی حرکت آب در خاک کاربرد فراوان دارند. مدل HYDRUS یکی از مدلهای پیشرفته است که در شبیهسازی حرکت آب، جذب ریشه و انتقال املاح کاربرد فراوان دارد. در این تحقیق حرکت آب در خاکهای آبدوست و آبگریز حرارت دیده در دماهای مختلف با استفاده از نرم افزار Hydrus 1D شبیهسازی و مقایسه گردید.
نتایج نشان داد آبگریزی بر حرکت عمودی آب در خاک تأثیر قابل ملاحظه ای نداشت. به عبارتی دیگر اگرچه تیمار T300 خاصیت آبگریزی بالایی داشت اما درشتی بافت خاک در این تیمار باعث شد در زمان ثابت، پیشروی آب در آن بیشتر از تیمارهای آبدوست با درصد شن کمتر باشد. بنابراین در حرکت آب در خاک درشتی بافت خاک بر خاصیت آبگریزی غلبه و سرعت پیشروی را تسریع نمود.
مقدمه
بررسی و شبیهسازی حرکت آب، بخار، گرما و املاح در خاک از اهمیت وپژهای برخوردار است. در این راستا بکارگیری مدلهای پیشرفته کامپیوتری، با هدف استفاده درست از منابع آب، گام موثری در یک طراحی مناسب بوده و بررسی را دقیقتر مینماید. شبیهسازی عددی راه حل مؤثر در بهینه سازی مدیریت آب درمزرعه میباشد - کوت وهمکاران، . - 2003 HYDRUS 1D نمونهای از مدلهای پر کاربرد میباشد و به عنوان ابزاری مناسب جهت شبیهسازی حرکت آب و املاح در خاک مورد استفاده قرار میگیرد. از مزایای این مدل توانایی آن در بیلان جرمی، در گامهای مختلف زمانی میباشد.
مدل HYDRUS به شکل یک، دو و سه بعدی توسط سیمونک و همکاران در آزمایشگاه شوری خاک آمریکا، در دانشگاه کالیفرنیا طراحی گردید. شبیهسازی حرکت آب در خاک بستگی به خصوصیات هیدرولیکی خاک دارد بنابراین با توجه به بافت و مشخصات هیدرولیکی حرکت آب در خاک نیز تغییر میکند. این مدل شامل حل عددی معادله ریچاردز برای بررسی حرکت آب در خاک و معادلات انتقال-پخشیدگی برای بررسی حرکت املاح و گرما در خاک است.
در مدل HYDRUS 1D حرکت یک بعدی آب در خاک با استفاده از حل عددی رابطه ریچاردز به صورت زیر بیان میشود.: که در آن h بار فشاری آب خاک، t زمان، Z عمق خاک، K هدایت هیدرولیکی، C گنجایش ویژه خاک میباشد که به وسیله شیب G /GK منحنی نگهداشت آب خاک تقریب زده شده است. مقدار رطوبت حجمی خاک میباشد. بنابراین میتوان آن را - در شرایط یک بعدی - به فرم زیر نیز بیان کرد.
در این مدل برای توصیف مشخصات هیدرولیکی خاک نظیر منحنی رطوبتی وهدایت آبی غیراشباع روابط متعددی تعریف شده است. این توابع قادر هستند که اطلاعات نگهداری آب خاک را با دقت بیشتری بدست آورند. بیشتر این توابع از نظر ریاضی خیلی پیچیده هستند که باعث میشود به سختی جزو مدلهای پیشبینی کننده توزیع اندازه منافذ برای هدایت هیدرولیکی ثبت شوند. یک معادله کاربردی و مناسب معادله ونگنوختن-معلم - 1980 - میباشد.
r میزان آب باقیمانده، s میزان آب اشباع [L3/L3]، Ks هدایت هیدرولیکی اشباع [L/T] ، پارامتر تجربی است که به طور معکوس متناسب با مکش در نقطه عطف میباشد [L-1]، n شاخص توزیع اندازه منافذ و l پارامتر اتصال منافذ که برای بیشتر خاکها برابر 0.5 در نظر گرفته میشود. به نظر میرسد m=1-1/n بهترین نتیجه را برای بیشتر خاکها - نه همه خاکها - بدست میدهدمعمولاً. هنگامیکه شرطهای m=1-1/n و m=1-2/n برای این دسته از دادههای ناقص به کار میرود نتایج استوارتری بدست میآیدپارامترهای. هیدرولیکی خاک عموماً از برازش منحنی به معادلات نگهداشت آب و نفوذ با استفاده از دادههای آزمایشی بدست میآید.
- ونگنوختن و همکاران، 1991 به نقل از اوموتو و گامبه . - 2009 هیدراس یک بعدی برای شبیهسازی جریان آب و آبشویی کلیفرمها و برماید در شش لایسیمتر با خاک دست نخورده - با ابعاد 70 سانتی متر عمق و 50 سانتی متر قطر - تحت شرایط مزرعهای توسط جیانگ و همکاران، - 2010 - به کار برده شد. شیرابه فاضلاب همراه با برماید به درون لایسیمترها به صورت اسپری و آبیاری غرقابی تزریق شد. میزان آب خاک در چهار عمق خاک در طول 171 روز اندازهگیری و آبشویی از کف نیز جمعآوری شد.
شبیهسازی در شرایط طبیعی آب و هوایی و آبیاری به صورت اسپری با مدل تک تخلخل موفقیت آمیز بود. زمانی که فاضلاب به صورت غرقابی تزریق و جریان ترجیحی ایجاد میشد مدل انتقال متحرک- غیر متحرک مناسبتر بود. تافته و سپاسخواه - 2012 - مدل HYDRUS 1D را برای شبیهسازی آب و آبشویی نیترات در آبیاری شیاری پیوسته و متناوب ارزیابی کردند و نشان دادند HYDRUS 1D قادر به شبیهسازی نفوذ عمقی آب و آبشویی نیترات است و حتی زمانی که جریان در سطح خاک به صورت دو بعدی است، این نرمافزار دارای دقت بسیار خوبی میباشد.
اسکگز و همکاران - 2004 - برای مقایسه دادههای واقعی حرکت آب در خاک تحت سیستم آبیاری قطرهای و دادههای شبیهسازی شده از نرمافزار HYDRUS 2D استفاده کردند و نشان دادند که میزان رطوبت در خاک با دادههای شبیهسازی شده توسط نرمافزار مطابقت بسیار خوبی دارد. هنر و همکاران - 1389 - حرکت آب و خصوصیات فیزیکی خاک در یک سیستم آبیاری فارو را با استفاده از مدل HYDRUS شبیهسازی و ارزیابی کردند. در این راستا محاسباتی در ارتباط با تغییرات پارامترهای مختلف خاک انجام دادند و به کمک این پارامترها، منحنی مشخصه رطوبتی خاک مشخص و ارتباط بین رطوبت، مکش و سایر پارامترها را مورد بررسی قرار دادند.
آبگریزی و تأثیر حرارت بر آن
به طور کلی خاکهای خشک به دلیل اثرات متقابل نیروهای دگردوستی و همدوستی بین ذرات خاک و آب، تمایل به جذب آب دارند، این خاکها آبدوست - Hydrophilic - نامیده می شوند - اعلامنش و همکاران، . - 1386 اما بعضی از خاکها با گذشت زمان خصوصیات آبگریزی در آنها گسترش مییابد و به آب اجازه نفوذ نمیدهند، این خاک ها آبگریز - Hydrophobic - نامیده میشوند - قیوم، . - 2000 در واقع مقاومت خاک به مرطوب شدن برای دورههای زمانی چند دقیقهای، چند ساعته و حتی بالاتر را آبگریزی خاک گویند - ذوالفقاری و حاج عباسی، . - 1387 آبگریزی خاک در هیدرولوژی اهمیت چشمگیری دارد.
در حقیقت آبگریزی خصوصیتی است که در رشد گیاهان، هیدرولوژی سطحی و زیر سطحی و فرسایش خاک تأثیرگذار است - دوار و همکاران، . - 2000 مطالعات نشان داده آبگریزی موجب پاشیدگی ذرات خاک در اثر ضربه قطره باران و فرسایش آبی و بادی خاک میشود. همچنین آبگریزی موجب کاهش ظرفیت نفوذ خاکها، افزایش جریان سطحی و فرسایش خاک و غیر یکنواختی الگوی رطوبتی و آبشویی مواد شیمیایی کشاورزی میشود - شاکسبی و همکاران، 1993 و ریتسما و همکاران، . - 1997
ارتباط بین فرسایش خاک با آبگریزی عموماً به واسطه ارتباط معکوس آن با رطوبت خاک تحلیل میشود به نحوی که در برخی از اوقات صرفاً یک خشکی کوتاه مدت بین رگبارها منجر به ایجاد این پدیده در خاک میشود - سایر و همکاران، 2006 به نقل از صادقی . - 1386 بیشتر گزارشها اثر آبگریزی بر کاهش ظرفیت نفوذ خاک - ایمسون و همکاران، 1992 و وان دام و همکاران، - 1990 و افزایش رواناب - کرک فورد و همکاران، 1991؛ مک گی و پوسنر 1981 و ویتر و همکاران، - 1991 را نشان میدهد.
یکی از عواملی که موجب آبگریزی خاک میشود، حرارت دادن است. آتش، مواد آلی را کاهش - آلوزیس و همکاران، - 2004، چگالی ظاهری را افزایش - اندرو و همکاران، 2001 و دوار - 2004، بافت خاک را تغییر - اولری و گراهام، - 1993 و بر آبگریزی خاک تأثیر میگذارد - دبانو، . - 2000 دما یک نقش اساسی در ایجاد این تغییرات ایفا میکند - بادیا و مارتی، . - 2003 حرارت دادن خاک موجب میشود مواد آلی بخار شده و در بین ذرات خاک محبوس و در آنجا سرد شود. این تبخیر در دمای خاصی روی میدهد - دبانو، . - 2000b در واقع حرارت دادن باعث فرآیندهای شیمیایی در مواد آلی میشود که این فرآیندها سبب ایجاد آبگریزی در خاک میگردد.
