شبیه‌ﺳﺎزی پروفیل رطوبتی خاک در آبیاری قطره‌ای با مدل HYDRUS-2D

نویسندگان

1 استادیار بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان کرمانشاه، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی،

2 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان، ایران.

3 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

10.22125/iwe.2021.138338

چکیده

مدیریت آبیاری قطره‌ای نیازمند داشتن اطلاعات مناسب از توزیع افقی و عمودی رطوبت در خاک ناحیه ریشه است. در این پژوهش توزیع رطوبت خاک تا 72 ساعت پس از آبیاری قطره‌ای براساس ضرایب منحنی مشخصه رطوبتی برآوردی از سه روش متفاوت در مدل Hydrus-2D شبیه‌سازی شد. این سه روش شامل برآورد منحنی مشخصه رطوبتی از روش‌های حل معکوس با داده‌های منحنی مشخصه رطوبتی (IS1)، حل معکوس با داده‌های رطوبت خاک پس از آبیاری (IS2)، و رزتا بود. برای تعیین دقت مقادیر رطوبت شبیه‌سازی شده با مقادیر اندازه‌گیری شده از آماره‌های ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و ضریب تبیین (R2) استفاده شد. نتایج حاصل نشان داد آماره‌های  RMSE و R2 برای برآورد منحنی مشخصه رطوبتی در روش‌های IS1، IS2، و رزتا به‌ترتیب 008/0 و 999/0، 153/0 و 958/0، 125/0 و 977/0 به‌دست آمد. دقت روش‌های IS1 به اطلاعات منحنی مشخصه رطوبتی، رزتا به برخی خصوصیات زودیافت خاک و IS2 به رطوبت خاک پس از آبیاری وابسته بود. میانگین آماره‌های RMSE و R2 در شبیه‌سازی توزیع افقی رطوبت برای روش‌های IS1، IS2، و رزتا به‌ترتیب 6/4 و 9941/0، 8/2 و 9951/0، 5/5 و 9905/0 حاصل شد. میانگین این آماره‌ها نیز در شبیه‌سازی توزیع عمودی رطوبت برای روش‌های ذکر شده به‌ترتیب 6/4 و 9830/0، 4/4 و 9928/0، 4/5 و 9932/0 به‌دست آمد. در پایان کاربرد روش IS1 به‌دلیل زمان و هزینه کمتر شبیه‌سازی‌ها و امکان انجام آن قبل از طراحی سیستم آبیاری قطره‌ای توصیه شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Soil Moisture Profile in Drip Irrigation with HYDRUS-2D Model

نویسندگان [English]

  • Mehdi Jovzi 1
  • Narjes Mahdavi Moghaddam 2
  • Hamid Zare Abyaneh 3
1 Assistant Professor of Soil and Water Research Department, Kermanshah Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Kermanshah, Iran
2 Graduated Master Student, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
3 Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Drip irrigation management requires proper information on the horizontal and vertical distribution of moisture in the soil of the root zone. In this study, soil moisture distribution was simulated up to 72 hours after drip irrigation by coefficients of soil water characteristic curve with three different methods in the Hydrus-2D model. These methods were included estimating the soil water characteristic curve of inverse solution methods with soil water characteristic curve data (IS1), inverse solution with soil moisture data after irrigation (IS2), and Rosetta. To determine the accuracy of the simulated moisture values with the measured values, RMSE and R2 were used. The results showed that RMSE and R2 for estimating the soil water characteristic curve in IS1, IS2, and Rosetta methods were obtained 0.008 and 0.999, 0.153 and 0.958, 0.125 and 0.977, respectively. The accuracy of IS1 methods depended on the information of the soil water characteristic curve, Rosetta depended on some early soil properties, and IS2 depended on soil moisture after irrigation. Average RMSE and R2 in the simulation of horizontal moisture distribution for IS1, IS2, and Rosetta were obtained 4.6 and 0.9941, 2.8 and 0.9951, 5.5, and 0.9905, respectively. Also, the mean of these statistics in simulating the vertical distribution of moisture for the mentioned methods were 4.6 and 0.9830, 4.4 and 0.9928, 5.4 and 0.9932, respectively. Finally, the use of IS1 method was recommended due to the shorter time and cost of simulations and the possibility of performing it before the design of the drip irrigation system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic coefficients
  • Inverse solution
  • Rosetta program
  • Soil Water Characteristic Curve
  • Van Genutchen model
افشار جهانشاهی، م.، ح. زارع ابیانه، ه. نقوی و ا. اسلامی. 1391. بررسی تاثیر دو عمق نصب قطره‌چکان با دبی‌های یکسان بر توزیع رطوبت در سیستم آبیاری قطره‌ای زیرسطحی و شبیه‌سازی آن با مدل HYDRUS-2D. فصلنامه مهندسی آبیاری و آب، سال 3، شماره 10، ص 113-101.
پوریزدان‌خواه، ه. و م. خالدیان. 1391. بهبود کارآیی مدل HYDRUS-2D در اثر اعمال تغییرات زمانی پارامترهای هیدرولیکی خاک. مجله آب و خاک، جلد 26، شماره 6، ص 1449-1440.
دهقانی سانیج، ح.، ح. حاجی آقابزرگی و ا. کنعانی. 1398. کاربرد مدل HYDRUS-2D در بررسی تغییرات رطوبت خاک زیر درختان پسته با سیستم قطره‌ای زیر‌سطحی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، جلد 13 شماره 6، ص 1549-1538.
باقری، ح.، ح. زارع ابیانه، پ. افراسیاب و ع. افروزی. 1394. بررسی دقت روش‌های مختلف در تعیین ضرایب شبیه منحنی رطوبتی ون‌گنوختن. مجله مهندسی منابع آب، جلد 8، شماره 24، ص 52-41.
حیدری، ز.، م. فراستی و ر. قبادیان. 1397. بررسی اثر دبی بر الگوی خیس‌شده تحت آبیاری قطره‌ای سطحی و شبیه‌سازی با مدل HYDRUS-2D. فصلنامه مهندسی آبیاری و آب، سال 8، شماره 32، ص 144-132.
رمضانی، م.، ب. قنبریان علویچه، ع. لیاقت و ش. صالحی خشکرودی. 1390. برآورد توابع انتقالی به منظور تخمین منحنی مشخصه رطوبتی خاک‌های شور و شور - سدیمی. مجله مدیریت آب و آبیاری، جلد 1، شماره 1، ص 110-99.
رمضانی، م.، ش. صالحی خشکرودی، ع. لیاقت و م. غلامی سفید کوهی. 1392. برآورد منحنی مشخصه رطوبتی خاک با استفاده از اندازه‌گیری دو نقطه‌ای. مجله پژوهش آب در کشاورزی، جلد 27، شماره 3، ص 346-337.
محمدی، ا. و م. دلبری. 1394. شبیه‌سازی حرکت آب و نمک در خاک با استفاده از نرم‌افزار HYDRUS-1D. مجله دانش آب و خاک، جلد 25، شماره 1، ص 78-67.
نقوی، ه.، م. حسینی‌نیا، ش. کریمی و م. ایراندوست. 1391. توانایی مدل HYDRUS-2D در شبیه‌‌سازی توزیع رطوبت در خاک تحت سیستم آبیاری قطره‌ای زیرسطحی. مجله علوم آب و خاک، جلد 16، شماره 61، ص 69-59.
نوروزیان، ز.، ع. صدرالدینی، ا. ناظمی و ر. دلبر حسن نیا. 1395. بررسی تجربی و عددی توزیع رطوبت خاک در آبیاری قطره‌ای زیر سطحی در خاک‌های لایه‌ای مسطح و شیب دار. دانش آب و خاک، جلد 26، شماره 2، ص 27-13.
Autovino, D., G. Rallo and G. Provenzano. 2018. Predicting soil and plant water status dynamic in olive orchards under different irrigation systems with hydrus-2d model performance and scenario analysis. Agricultural Water Management, 203: 225-235.
 Carsel, R.F. and R.S. Parrish. 1988. Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics. Water Resources Research, 24 (5): 755-769.
Chotpantarat, S., Ch. Limpakanwech, W. Siriwong, S. Siripattanakul and Ch. Sutthirat. 2011. Effects of soil water characteristic curves on simulation of nitrate vertical transport in a thai agricultural soil. Sustainable Environment Research, 21 (3):187-193.
 Emami, H., and A.R. Astaraei. 2012. Effect of organic and inorganic amendments on parameters of water retention curve, bulk density and aggregate diameter of a saline-sodic soil. Journal of Agricultural Science and Technology, 14:1625-1636.
Hopmans, J.W., J. Simunek, N. Romano, and W. Durner. 2002. Simultaneous determination of water transmission and retention properties: inverse model. In J.H. Dane and G.C. Topp. Eds., Methods of soil analysis, Part 4 - Physical Methods, Soil Science Society of America, WI, pp. 963-1004.
Karandish, F., A. Darzi and J. Simunek. 2017. Application of HYDRUS (2D/3D) for Predicting the Influence of Subsurface Drainage on Soil Water Dynamics in a Rainfed‐Canola Cropping System. Irrigation and Drainage, 67 (2): 29-39.
Kozak, E., Y. Pachepsky, C. Slawinski and R.T. Walszak. 2008. Using support vector machines to develop pedotransfer functions for water retention of soils in Poland. Soil Science Society of America Journal, 72:1243-1247.
Okamoto, K., K. Sakai, Sh. Nakamura, H. Cho, T. Nakandakari and Sh. Ootani. 2015. Optimal choice of soil hydraulic parameters for simulating the unsaturated flow: a case study on the island of miyakojima, japan. Journal of Water, 7(10): 5676-5688.
Rawls, W. J., D. L. Brakensiek and K.E. Saxton. 1982. Estimation of soil water properties. Transactions of the ASAE, 25(5): 1316–1320.
Simunek, J., M. Sejna and M.Th. Van Genuchten. 1999. The HYDRUS-2D software package for simulating the two dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media. Version 2.0, IGWMCTPS70, Int. Ground Water Modeling Center, Colorado School of Mines, Golden, Co.
Simunek, j., N.J. Jarris, M.Th. Van Genuchten and A. Gardenas. 2003. Review and comparison of model for describing non-equilibrium and preferential flow and transport in the vadose zone. Journal of Hydrology, 213: 14-35.
 Siyal, A.A. and T.H. Skaggs. 2009. Measured and simulated soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation. Agricultural Water Management, 96 (6):893–904.
unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44:892–898.
Xu, Y. and Y. Xueyi. 2013. Estimating parameters of Van Genuchten model for soil water retention curve by intelligent algorithms. Applied Mathematics and Information Sciences, 5:1977-1983.
 Zhang, J., Z. Wang and X. Luo. 2018. Parameter Estimation for Soil Water Retention Curve Using the Salp Swarm Algorithm.Water, 10: 1-11.