بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد معادله هورتون براي شبيه سازي نفوذ آب در آبياري جويچه اي در خاک سري دانشکده (باجگاه -استان فارس )
چکيده
به طور کلي مدل هاي شبيه سازي آبياري جويچه اي بر پايه خصوصيات هيدروليکي و نفوذ آب در جويچه استوارند. در مدل سازي هاي آبياري جويچه اي که در آن هدف رسيدن به يک معادله پيشروي به صورت نمايي باشد، از معادله نمايي هورتون به صورت گسترده استفاده مي شود. فرم خاصي از معادله هورتون که با استفاده از پارامترهاي مربوط به خصوصيات هيدروليکي خاک مانند هدايت هيدروليکي، طول موئينگي و درصد رطوبت اوليه و اشباع ، ميزان نفوذ را پيش بيني مي کند، ارائه شده است . در اين مطالعه ، اين معادله براي خاک سري دانشکده در دشت باجگاه (ايستگاه تحقيقاتي دانشگاه شيراز) واسنجي وضرايب آن تعيين شد. همچنين صحت نتايج واسنجي معادله نفوذ هورتون (پيش بيني کننده )، با استفاده از نتايج حاصل از اندازه گيري ( معادلات لوئيس -کوستياکوف ) تاييد گرديد. نتايج پژوهش نشان داد که عمده اختلاف مقدار آب نفوذ کرده در روش هاي هورتون و لوئيس -کوستياکوف در زمانهاي پاياني آزمايش رخ ميدهد و استفاده از معادله هورتون ، مقدار آب نفوذ کرده کمتري را نسبت به رابطه لوئيس -کوستياکوف پيش بيني ميکند.
واژه هاي کليدي: آبياري جويچه اي، نفوذ، هورتون ، خصوصيات هيدروليکي خاک، لوئيس -کوستياکوف
١- مقدمه
توسعه هاي اخير در تکنولوژي آبياري سطحي، به طور قابل ملاحظه اي برتري سيستم هاي تحت فشار از نظر بازده آبياري را کاهش داده يا تحت بعضي از شرايط از بين برده است . آبياري جويچه اي يکي از روشهاي آبياري سطحي است و در مناطقي مانندکاليفرنياي آمريکا متداولترين روش آبياري محسوب ميشود[١].
سرعت نفوذ آب در خاک يکي از فاکتورهاي بسيار تاثيرگذار در مديريت و اجراي سيستم هاي آبياري جويچه اي است . نفوذ آب در سطح خاک يکي از حساسترين پارامترهاي هيدروليکي موثر برآبياري سطحي و در عين حال از مشکل ترين پارامترهايي است که بايستي در مزرعه دقيقا تعيين شود. به خصوص اينکه خصوصيات نفوذ آب نسبت به زمان و مکان متغير مي باشد.
در آبياري جويچه اي ، نفوذ آب به صورت دو بعدي بوده و به علت پيچيدگي اين مساله در آبياري جويچه اي محققين از معادلات تجربي مختلف مانند معادله هاي هورتون ١، فيليپ ٢، کوستياکوف ٣ و لوئيس -کوستياکوف براي محاسبه نفوذ استفاده کرده اند.
در مدل سازيهاي آبياري جويچه اي که در آن هدف رسيدن به يک معادله پيشروي به صورت نمايي باشد، از معادله نمايي هورتون به صورت گسترده استفاده مي شود [٢]، که از جمله مي توان به تحقيقات ميل هول ٥[٣] و رنولت و والندر٦[٢] اشاره کرد. فرم خاصي از معادله هورتون که با استفاده ازپارامترهاي مربوط به خصوصيات هيدروليکي خاک، ميزان نفوذ را پيش بيني مي کند، ارائه شده است [٣]. دقت اين معادله ، در حد قابل قبولي مي باشد و I نفوذ تجمعي بر حسب متر به صورت زير محاسبه مي گردد:
که در آن t زمان فرصت نفوذ برحسب ثانيه ، θ∆ تفاضل مقداررطوبت اوليه خاک از مقداررطوبت اشباع خاک، λcطول موئينگي ماکروسکوپيک برحسب متر، χ ضريب تجربي بدون واحد و KS هدايت هيدروليکي اشباع بر حسب متر بر ثانيه مي باشد.
هدف از اين تحقيق ، واسنجي معادله پيش بيني کننده نفوذ هورتون در خاک سري دانشکده با استفاده از خصوصيات هيدروليکي خاک مربوط به زمان و مکان آزمايش مورد نظر و مقايسه نتايج حاصل از منحني هاي نفوذ و سرعت نفوذ آب در خاک با استفاده از ضرايب معادله نفوذ لوئيس -کوستياکوف ارائه شده توسط افشار چمن آباد[٤] با منحني هاي به دست آمده از معادله هورتون براي نوبت هاي مختلف آبياري جويچه اي در خاک سري دانشکده است .
٢- مواد و روش ها
محاسبات اين پژوهش بر اساس نتايج تحقيقات افشارچمن آباد [٤] بدست آمده است . آزمايشات مربوطه در ايستگاه صحرايي بخش آبياري دانشکده کشاورزي دانشگاه شيراز واقع در باجگاه (استان فارس ) انجام شده است . نوع محصول گندم و کاشت آن در اواسط مرداد ماه سال ١٣٧٤ به طور دستي صورت گرفته است . در اين پژوهش از نتايج مربوط به روش آبياري جويچه اي معمولي، براي شدت جريان هاي ورودي ٠.٨ و ١.١ ليتر بر ثانيه استفاده شده است . فاصله جويچه ها ٦٠ سانتي متر و طول آنها ١٠٠ متر مي باشد. در طي فصل رشد، شدت جريان مورد استفاده در هر جويچه مربوط به هر تيمار و هر نوبت آبياري ثابت بود. جويچه هاي مورد آزمايش از ابتداي جويچه به فاصله هاي ١٠ متري ميخ کوبي شدند، و در محل هر ايستگاه يک خط کش براي اندازه گيري عمق آب نصب گرديد. قبل از شروع هر آزمايش از عمق ٠ تا ١٥ سانتي متر در فاصله هاي ٥٠ متري در طول جويچه نمونه برداري خاک براي تعيين مقدار آب خاک به روش وزني انجام شده و براي اعماق بيشتر از نوترونمتر استفاده گرديده است . شدت جريان خروجي از جويچه توسط فلوم مثلثي (WSC) فايبر گلاس (ساخت موسسه تحقيقات فني ومهندسي کشاورزي سازمان تات ) اندازه گيري شد. اندازه گيري ها براي هفت نوبت آبياري در طول فصل رشد اجرا شده است [٤]. ضرايب معادله نفوذ لوئيس -کوستياکوف در تحقيقات افشارچمن آباد [٤] به دو روش مختلف بدست آورده شده است .
در اين پژوهش از نتايج تعيين ضرايب معادله لوئيس -کوستياکوف به روش اسکالوپي و همکاران ١ [٥] استفاده شده است ، نتايج اين روش دقيق تر از روش واکر و اسکوگربو٢ [٦] است [٤]. Z مقدار آب نفوذ کرده برحسب متر مکعب بريک متر طول جويچه توسط معادله لوئيس -کوس ياکوف به صورت زير محاسبه مي شود:
که در آن k عدد ثابت تجربي برحسب متر بر دقيقه به قوه عدد ثابت تجربي بدون بعد،f٠ شدت نفوذ پايه بر حسب متر مکعب بر دقيقه بر متر طول جويچه و t زمان نفوذ برحسب دقيقه مي باشد.
در اين پژوهش با توجه به منحني هاي پيشروي و پسروي، مقدار دقيق زمان پيشروي و پسروي در ابتدا، انتها و وسط جويچه تعيين گرديده و سپس با محاسبه تفاضل آنها و ميانگين گيري ، متوسط مقدار فرصت نفوذ براي هر نوبت آبياري در هر جويچه محاسبه گرديد. با توجه به ضرايب معادله نفوذ لوئيس -کوستياکوف و همچنين عرض جويچه ، ميزان نفوذ تجمعي محاسبه و سپس ميزان عمق نفوذ آب در خاک بر حسب ميلي متر تعيين شد.
براي محاسبه ميزان نفوذ تجمعي با استفاده از معادله پيش بيني کننده نفوذ هورتون ( معادله (١) )، پارامتر هاي معادله به صورت زير تعيين شد:
مقدار رطوبت اوليه با استفاده از اندازه گيري هاي انجام شده براي اعماق مختلف در مزرعه و با توجه به حداکثر عمق نفوذ آب در خاک، در زمان فرصت نفوذ هر يک از آبياري ها محاسبه شد.
درصد رطوبت اشباع طبق رابطه اي که توسط ورکن و همکاران ١ [٧] ارائه شده است ، به صورت زير محاسبه گرديد :
که دراين رابطه clay مقدار رس برحسب درصد ، BD :چگالي ظاهري خاک بر حسب گرم بر سانتيمتر مکعب است .
مقدار هدايت هيدروليکي نزديک به اشباع توسط افشار [٤]، به وسيله تک استوانه و با روش رينولدز و الريک ٢[٨] اندازه گيري شد. در اين پژوهش هدايت هيدروليکي نزديک به اشباع با استفاده ازميانگين گ ري ي آن براي سه نقطه از جويچه در هر دبي محاسبه شد. پارامتر مهم ديگر طول موئينگي ماکروسکوپيک است ، که مطابق نتايج آزمايشِ تعيين هدايت هيدروليکي نزديک به اشباع با استفاده از روش تک حلقه در خاک سري دانشکده ، ١٣ سانتي متر تعيين شد (اطلاعات منتشر نشده ، سپاسخواه ) و در اين پژوهش از آن استفاده گرديد.
پارامتر بسيار تاثيرگذار ديگري که در اين رابطه وجود دارد، χ است ، که پارامتري تجربي بوده و به بافت خاک بستگي دارد و از طريق واسنجي به دست مي آيد. ميل هول [٣] مقدار اين پارامتر را در خاک هاي رسي سنگين زماني که بيشترين ترک را داشته باشد ٤٠ و چنانچه داراي ترک هاي کم يا بدون ترک باشد ١٥ گزارش کرد.
٣- نتايج و بحث
مقايسه نفوذ تجمعي و سرعت نفوذ روش هورتون با روش لوئيس -کوستياکوف : در ابتدا با استفاده از معادلات (١) و (٢) به ترتيب منحني هاي مربوط به معادله نفوذ تجمعي هورتون و لوئيس -کوس ياکف رسم شد و همچنين با مشتق گيري از اين معادلات ، منحني هاي سرعت نفوذ دو روش نيز رسم گرديد.
در اين مرحله ، از ضرايب معادله لوئيس کوستياکوف و نيز خصوصيات هيدروليکي خاک براي دبي ١.١ ليتر بر ثانيه استفاده شد. با برازش و مقايسه منحني هاي نفوذ، واسنجي انجام شد و مقدار ١٧ براي پارامتر χ در خاک مورد آزمايش تعيين شد. نتايج براي نوبت هاي مختلف آبياري در شکل (١) نشان داده شده است .
نتايج نشان داد که در زمانهاي پاياني آزمايش به تدريج ، اختلاف مقدار آب نفوذ کرده در دو روش بيشتر آشکار مي شود و استفاده از معادله هورتون ، مقدار آب نفوذ کرده و سرعت نفوذ کمتري را نسبت به رابطه لوئيس -کوستياکوف پيش بيني مي کند. از آنجا که رابطه مورد استفاده يک تابع نمايي بوده و پارامتر χ در قسمت توان آن قرار دارد، اين پارامتر مقدار خميدگي منحني نفوذ را تعيين مي کند که ميزان تاثير آن در قسمت هاي ابتدايي نمودار بيشتر است . به علاوه با افزايش اين پارامتر، مقدار نفوذ بيشتري
