بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
راهنماي نصب و اجراي مدل SWAP
چکيده
مدل SWAP براي شبيه سازي عملکرد محصول , زهکشي , جريان آب , املاح و گرما در خاک, مديريت آب در کشت آبي و بيلان آب در سيستم هاي هيدرولوژيکي کاربرد دارد. اساس مدل ارتباط فيزيکي پارامترهاي خاک, آب , اتمسفر و گياه است و از اطلاعات مختلف اقليم , آب , خاک و گياه استفاده مي کند. اولين نسخه اين مدل توسط فدس در سال ١٩٧٨ توسعه يافت که بررسي ارائه شده در مورد نسخه d2.07 مدل است که قابل کاربرد در ويندوزهاي ٩٥, ٩٨, ٢٠٠٠, NT و XP است . بخش مرکزي مدل بر اساس جريان عمومي آب در محيط هاي اشباع و غير اشباع است که با معادله ريچاردز تشريح مي شود و شبيه سازي با ترکيب يک تابع نزولي نيمه تحليلي انجام مي - گيرد. اين مدل به منظور شبيه سازي و پيش بيني عملکرد محصول و جريان آب و املاح در سيستم هاي هيدرولوژيکي کشاورزي در کشورهاي مختلف مورد ارزيابي قرار گرفته و نتايج خوبي در مقايسه با اندازه گيري هاي مزرعه اي داشته است . در اين مقاله نصب , راه - اندازي , ورودي هاي مورد نياز، روش کار و نمونه اي از نتايج نسخه جديد مدل در محيط ويندوز بررسي خواهد شد.
واژه هاي کليدي : مدل SWAP، جريان آب در خاک، شبيه سازي ، زهکشي ، عملکرد محصول.
مقدمه
از جمله مشکلات اساسي که همواره مانع بزرگي در برابر پيشرفت کشاورزي در جهان بوده است ، شوري آب و خاک است . اين مشکل سبب خارج شدن قسمت بزرگي از اراضي حاصلخيز از چرخه کشاورزي جهان گرديده است و اثرات مخرب آن در مناطق خشک و نيمه خشک بسيار حادتر بوده است . کشور ايران با ميانگين بارندگي ٢٥٠ ميليمتر در سال که حتي از يک سوم متوسط بارندگي در سطح دنيا کمتر مي باشد، نيز يکي از مناطق مذکور است .
آب آبياري اگر کيفيت بالايي هم داشته باشد مقداري املاح به خاک منتقل مي کند. اما مشکل اصلي شور شدن خاک در اثر مديريت نادرست آبياري بوجود مي آيد. آب آبياري همواره مقداري نمک به صورت حل شده به همراه دارد. پس از آبياري و تعرق از سطح گياه و تبخير از سطح خاک انجام مي گيرد و به همين دليل نمک در خاک تجمع پيدا مي کند.
تلاشي که براي کاهش تجمع نمک در خاک انجام مي پذيرد به کار بردن آب آبياري اضافي براي آبشوييي اين نمکها از ناحيه ريشه مي باشد که اين عمل در بسياري از موارد منجر به بوجود آمدن مشکل ماندابي شدن زمين به دليل صعود آب زير زميني مي شود.
آزمايشهاي صحرايي براي تعيين و تحليل مديريتهاي مختلف آبياري با آب شور مفيد هـستند. امـا محـدوديتهاي قابـل تـوجهي نيـز دارنـدک مهمترين محدوديت اين است که اعتبار آزمايشها با شرايط فيزيکي و منطقه اي که آزمايش در آن انجام مي شود محدود مي گردد. همچنين آزمايشهاي صحرايي معمولأ کوتاه مدت هستند و يا طي مدت زمان چند ساله انجام مي شوند و فاکتور اصلي در مـسائل مـرتبط بـا شـوري ، يعني عوامل بلند مدت را در نظر نمي گيرند. اين عوامل مي توانند تجمع تدريجي اما ثابت و پيوسته نمک در ناحيه ريشه و آبهاي زير زميني ، و يا تغييرات سطح آب زيرزميني باشند. محدوديت ديگر اين است که تعداد سناريـوهايي که توسط آزمايشهاي صـحرايــي بررســي مـيشـوند با ملاحظات عملي مـانند ورودي هاي آزمايش و هزينه هاي بالا، محدود مي گردند. از مدلهاي شبيه سازي مي تـوان بـه عنـوان طـرح توسعه يافته اي از آزمايشهاي صحرايي براي غلبه بر اين محدوديتها استفاده کرد. امروزه مدلهاي شبيه سازي معتبري بـراي پاسـخگويي بـه مسائل مربوط به شوري توسعه يافته اند. يکي از اين مدلها مدل SWAP (خاک ، آب ، اتمسفر و گياه ) مي باشد که توانايي شبيه سـازي رشـد محصولات و انتقال آب و نمک در مقياس صحرايي را دارد[5]. مدل SWAP نسخه اصلاح شده اي از مدلهاي SWATR،SWATRE و SWACROP است . اين مدل براي شبيه سازي توازن آب و مواد محلول در يک خاک کشت شده با انواع مختلـف شـرايط مـرزي شـامل امکان زهکشي و مديريتهاي مختلف آبياري بکار برده مي شود. شرح تصويري اين مدل در رابطه با پارامترهاي بـيلان آبـي در شـکل (١) و فلوچارت جريان اصلي بين زيرسيتمها در شکل (٢) نشان داده شده است . اين مدل شامل يک برنامه اصلي است کـه بـه چنـد زيـر برنامـه متصل بوده و از آنها براي انجام کارهاي تعيين شده استفاده مي شود. هر زير مدل شامل يک برنامه اصلي است که اين برنامـه از بخـشهاي استاندارد ساخته شده و زيربرنامه هاي ديگر را فراخواني مي کند [9].
شکل (١)ارتباط پارامترهاي بيلان آبي در سيستم خاک، آب ، اتمسفر و گياه
شکل (٢) فلوچارت جريان اصلي آب بين زيرسيستمها
در پژوهشي در يک منطقه نيمه خشک در شمال غربي هند، مدل SWAP براي فرموله کردن مسائل آبياري با آب شور در کشت متناوب گندم و پنبه به کار گرفته شد[11]. تحقيقي در کشور استراليا به کمک SWAP در ارتباط با شبيه سازي حرکت آب و نمک در زهکش تنبوشه اي در زمين آبياري شده با آب شور تحت يک سناريوي مديريت تعادل آب و نمک انجام گرفت [10] مطالعه اي در کشور لهستان نشان داد که مدل SWAP توانايي پيش بيني شرايط آب خاک در خاک هاي زراعي باير کم عمق محتوي کود گياهي را دارد[3]. تحقيقي در رابطه با محاسبه بيلان آب در غرب ترکيه بوسيله SWAP انجام گرفت [6]. تحقيقي در منطقه زاراکوزا اسپانيا به منظور مقايسه مقادير تبخير و تعرق به روشهاي پنمن ‐ مانتيث و پريستلي تيلور با مقدار شبيه سازي شده توسط SWAP انجام شد[2]. در پژوهشي در اتريش شبيه سازي مقدار آب خاک در طول فصل رويش تحت شرايط خاک مختلف بوسيله مدلهاي CERES WOFOST و SWAP با هم مقايسه گرديد[7]. در تحقيقي در هند از ترکيب مدل شبيه سازي سنجش از دور و الگوريتم ژنتيک بهينه براي تعيين گزينه مناسب مديريت آب در آبياري با مقايسه با مقادير بدست آمده از SWAP استفاده شد[14]. در پژوهشي در هلند جريانهاي هيدرولوژيکي طرح اثر جنگل کاري روي تخليه آب و آبشويي نيتروژن با استفاده از مدل SWAP محاسبه شد[13]. دقت مدل به تعداد وروديهاي اندازه گيري شده در مزرعه آزمايشي بستگي دارد. اگرچه اين مدل توانايي شبيه سازي همه جانبه مانند عملکرد محصولو نحوه حرکت آب و املاح در خاکو انتقال گرما و ...را دارد اما با محدوديتهايي روبروست . از جمله محدوديتهاي مدل تعداد ورودي هاي زياد آن است . دلايل قابل توجه استفاده از مدل SWAP، شبيه سازي عملکرد محصول و نحوه حرکت آب و املاح در پروفيل خاک، تحت شرايط اقليمي و مديريتهاي آبياري متفاوت است .
مواد و روشها
مدل SWAP در ويندوزهاي ٩٥و ٩٨و ٢٠٠٠و NT و XP با حداقل ظرفيت ١٥ مگابايت قابل اجرا است . SWAP يک مدل شبيه سازي خاکو آب و اتمسفر و گياه بوده و يک بعدي و هيدرولوژيکي و با پايه فيزيکي است . SWAP با ترکيب يک تابع نزول نيمه تحليلي قادر به شبيه سازي حرکت آب و املاح در انواع شرايط محيطي و خاکهاي گوناگون است . نسخه هاي متعددي از برنامه در دسترس است که هر کدام قادر به انجام کارهاي معين مي باشند. برنامه هاي اضافه شده به SWAP نيز کاربردهاي مختلفي دارند. به عنوان مثال برنامه Poseidon که توسط Jan Wesseling (١٩٩٨) به مدل اضافه شده قادر به نمايش گرافيکي ميانگين بالاترين و پايينترين سطوح آب زيرزميني در روال زهکشي توسعه يافته است . تمام گزارشهاو برنامه ها و مثالهاي مرتبط با SWAP درسايت اينترنتي گروه توسعه SWAP با آدرس www.alterra.nl.models.swap يا www.swap.alterra.nl قابل دسترسي است . نصب برنامه بسيار ساده است .
حجم کل فايلهاي SWAP نسخه d٢٠٧ حدود ٧ مگابايت است و برنامه پس از نصب بر روي درايو اصلي رايانه نصب مي شود. براي نصب برنامه کافي است فايل فشرده شده SWAPD.ZIP٢٠٧ را باز کرده و عمليات نصب را انجام داد. اين نسخه نرم افزار علاوه بر برنامه اصلي و شامل داده هاي ورودي اضافي و مثالها و رابط گرافيکي کاربر است . فايل اجرايي برنامه پس از کامل شدن نصب و به صورت ميانبر (Shortcut) روي صفحه کاري (Desktop) قرار مي گيرد. بخش مرکزي اين برنامه بر اساس جريان عمومي آب در محيط هاي اشباع و غير اشباع است که با معادله شناخته شده ريچاردز تشريح مي شود[8]
رطوبت حجمي خاک (متر مکعب بر متر مکعب )و
t زمان (روز)و
h پتانسيل ماتريک خاک (سانتيمتر)و
z فاصله عمودي از سطح خاک که به سمت بالا مثبت است (سانتيمتر)و
k هدايت هيدروليکي به عنوان تابعي از رطوبت حجمي خاک (سانتيمتر در روز) و
S بيانگر جذب آب توسط ريشه گياه (عکس روز) که با معادله زير محاسبه مي گردد
Tpot تعرق پتانسيل (سانتيمتر در روز)
zr عمق ريشه (سانتيمتر) و
يک فاکتور کاهش دهنده است که به عنوان تابعي از کمبود آب و اکسيژن مي باشد.
مدل SWAP از ٥ زير مدل اصلي ساخته شده که هر زير مدل محاسبات مربوط به يک بخش را برعهده داشته و خروجي هر زير مدل در واقع يکي از ورودي هاي مدل اصلي است . زير مدلهاي مذکور عبارتند از
هواشناسي (METEO)، گياه (CROP)، خاک (SOIL)، آبياري (IRRIGATION) و برنامه زمانبندي (TIMER). در طول عمليات شبيه - سازي زير مدلهاي METEO،SOIL و TIMER همواره فعالند و زير مدلهاي CROP و IRRIGATION توسط TIMER فعال و غير فعال مي شوند.در نوار ابزار برنامه گزينه هاي ورودي و اجراو خروجي و ابزارو برنامه هاي سودمندو خروج و راهنماي برنامه در دسترس هستند که هر کدام شامل بخشهاي متعددي است . وروديهاي برنامه بايد به صورت "فايل " آماده شوند. به عنوان مثال براي شبيه سازي يک خاک کشت نشده و کاربر بايد حداقل فايلهاي ورودي زير را آماده کندک فايل اطلاعات کلي (KEY*)و داده هاي هواشناسي روزانه (YYY*)و توصيف پروفيل خاک (SWA*)و توابع هيدروليکي خاک (SOL*) و شرايط مرزي تحتاني (BBC*). در صورتيکه شبيه سازي خاک کشت شده مدنظر باشد حداقل فايلهاي تقويم کشت (CAL*) و داده هاي رشد گياه (CRP*) نيز مورد نياز است . کل فايلهاي ورودي مورد نياز SWAP موارد زير هستندک فايل کليدي و فايل هواشناسي با داده هاي روزانه و فايل هواشناسي با داده هاي بارش تفصيلي و فايل آبياري هاي ثابت و فايل ضوابط زمانبندي آبياري و فايل برنامه تناوب کشت و فايل داده هاي گياهي براي مدل تفصيلي گياه و مدل تفصيلي چمن و مدل ساده گياهي و فايل توصيف پروفيل خاکو فايل خصوصيات هيدروليکي خاک براي لايه خاک مشخص و فايل داده هاي زهکشي (گزينه زهکشي پايه )و فايل داده هاي زهکشي (گزينه زهکشي توسعه يافته )و فايل شرايط مرزي پايين و فايل پارامترهاي انتقال محلول و فايل پارامترهاي انتقال گرماي خاک. جدول (١) ارتباط بين گزينه هاي منوي ورودي و فايلهاي ورودي مورد نياز SWAP را نشان مي دهد
فايل اطلاعات کلي (KEY*)
فايل اطلاعات کلي در منوي کليد شامل زير منوهاي صفحه عمومي و صفحه زمانبندي و صفحه زير اجراو صفحه گزينه هاي اجرايي و صفحه گزينه هاي خروجي و راهنماست که هرکدام از صفحات امکان انتخاب گزينه هاي مختلفي را براي کاربر فراهم مي کند.
فايل هاي منوي هواشناسي (YYY.*) و (R.YYY*)
فايل داده هاي روزانه در منوي هواشناسي شامل صفحات داده هاي هواشناسي روزانه و محاسبات و تبديلات و راهنماست . فايل بارش تفصيلي در منوي هواشناسي شامل داده هاي بارش تفصيلي و تنظيمات اطلاعات بارندگي است .
فايل هاي منوي آبياري (IRG.*) و (CAP.*)
