شبیه سازی حرکت آب در مدل HYDRUS

simulation-hydrus

چه مدل هایی توانایی شبیه­ سازی حرکت آب در خاک را دارند؟ مدل HYDRUS چیست؟ و چه کاربردهایی دارد؟ اینها بخشی از سوالاتی است که در این نوشته به آنها پاسخ خواهیم داد. پس تا آخر همراه ما باشید.

حرکت آب در خاک به عوامل مختلفی از جمله بافت خاک، هدایت هیدرولیکی، شیب هیدرولیکی، اندازه و توزیع خلل و فرج خاک، تخلخل و … بستگی دارد. حرکت آب در خاک به دو صورت اشباع و غیراشباع مطرح است. در  دهه های اخیر، به دلیل افزایش مصرف مواد آلاینده مانند کودهای شیمیایی و علف‌کش‌ها برای افزایش تولید در واحد سطح، پژوهش درباره جریان غیراشباع آب در خاک به عنوان یکی از مهم‌ترین موضوع­های پژوهشی، در زمینه فیزیک خاک و هیدرولوژی مطرح شده است. از طرفی افزایش نگرانی عمومی در مورد آلودگی آب­های زیرزمینی در اثر تخلیه زیرسطحی فاضلاب­های شهری و صنعتی نیز به تحقیقات بیش­تر در محیط­های غیراشباع انجامیده است.

مدل­های عددی در شبیه­ سازی حرکت آب در خاک کاربرد فراوان دارند. این مدل­ها نیازمند وارد کردن مدل جذب به وسیله ریشه در خاک می­ باشند. آب موجود در خاک طی فرآیند نفوذ، برخی املاح خاک را حل کرده و آن‌ها را جابه­ جا می­کند، همانطور که برخی دیگر از نمک­ های خود را در مسیر حرکت بجای می­گذارد. بین این املاح کنش و واکنش­هایی نیز صورت می­گیرد و در نهایت سرنوشت آن­ها در گرو عواملی از قبیل pH خاک، درجه حرارت، پتانسیل اکسیداسیون و احیا، ترکیب و غلظت املاح خاک می­ باشد.

کودهای شیمیایی، سموم و علف­کش­ هایی که در زمین­های کشاورزی مورد استفاده قرار می­گیرند، در اثر آبیاری و بارندگی به درون خاک منتقل می­شوند و ممکن است موجب آلودگی سفره­ های آب زیرزمینی (به دلیل بالا بودن سطح آب زیرزمینی در مناطق شمال کشور)، تخریب ساختمان خاک و مشکلاتی در خصوص سلامتی انسان و دیگر موجودات زنده شوند. به­ هر­ حال، بررسی آلودگی منابع آب و خاک، بررسی پدیده انتقال املاح را می­طلبد. امروزه به علت پیشرفت سریع کامپیوتر در علوم مهندسی، نیاز به استفاده از نرم­ افزارهایی برای مدل­سازی پدیده­ های طبیعی بیش از پیش احساس می­گردد. از جمله پدیده­ های طبیعی جریان آب، گرما و مواد محلول در محیط متخلخل می­باشد که به علت مشکل بودن مطالعات میدانی، نبود امکان عملیات سعی و خطا و بکارگیری یک مدل واقعی به دلیل هزینه بالا و زمان­بر بودن، استفاده از نرم ­افزارهای بسیار قوی مانند HYDRUS روزبه­ روز بیشتر می­گردد.

حتما بخوانید  لوازم خاص سیستم آبیاری بارانی

نرم افزار HYDRUS قادر است حرکت یک، دو و سه بعدی آب، املاح، حرارت، جذب آب توسط ریشه و همچنین رشد ریشه را در شرایط اشباع و غیراشباع در خاک را شبیه­ سازی کند که توسط سیمونک و همکاران (۲۰۰۵) در دانشگاه ریورساید کالیفرنیا بسط داده شد. این مدل شامل حل عددی معادله ریچاردز برای بررسی حرکت آب در خاک و معادلات انتقال- انتشار برای بررسی حرکت املاح و گرما در خاک است. نرم افزار HYDRUS  قادر به شبیه­ سازی در شرایط اشباع و غیراشباع بوده و همچنین توانایی تخمین ویژگی­های هیدرولیکی و انتقال املاح خاک به روش معکوس را دارد.

معادله ریچاردز برای حل معادلات حاکم بر جریان آب در خاک در نرم افزار HYDRUS به صورت زیر می باشد:

simulation-hydrus1

که در آن θ درصد رطوبت حجمی (L3L-3)، h بار فشار آب در خاک (L)، t زمان (T) ، k هدایت هیدرولیکی (LT-1)، z جهت عمودی را نشان می­دهد. همچنین Sa نشان دهنده مقدار جذب آب توسط ریشه از خاک می­باشد (L3L-3T-1). این نرم­ افزار از ۶ معادله برای تعیین خصوصیات هیدرولیکی خاک استفاده می­کند. این معادلات شامل مدل­های ون گنوختن، ون گنوختن با در نظر گرفتن هوای ورودی در مکش ۲- سانتی­متر، ون گنوختن اصلاح شده، بروکس- کوری، مدل توزیع لوگ نرمال کوسوگی و دورنر می­باشد. معمول­ترین آنها رابطه ون گنوختن-معلم به شرح زیر است:

simulation-hydrus2

simulation-hydrus3

simulation-hydrus4

simulation-hydrus5

که در آن sθ رطوبت اشباع (L3L-3)، θr رطوبت باقیمانده (L3L-3)، Ks هدایت هیدرولیکی اشباع (LT-1)،  ɑ معکوس مقدار هوای ورودی (L-1) و m و n و L پارامترهای وابسته به خاک هستند که به دلیل وقت­گیر و هزینه­ بر بودن، اندازه­ گیری مستقیم آنها امکان­پذیر نبوده و معمولاً با روش­های گوناگون تخمین زده می­شوند.

حتما بخوانید  مدیریت راندمان کاربرد آب در آبیاری سطحی

یکی از روش­های تعیین این پارامترها استفاده از مدل Rosetta می­باشد. برنامه Hydrus با Rosetta Lite بصورت دینامیکی مرتبط شده است که در آزمایشگاه شوری ایالات متحده بصورت مستقل ایجاد شد. روزتا توابع پدوترانسفر را اجرا می­کند که پارامترهای نگهداشت آب ون­گنوختن (۱۹۸۰) و هدایت هیدرولیکی اشباع (Ks) را به روش سلسله مراتبی از طریق کلاس بافت خاک، توزیع بافت خاک، چگالی ظاهری و یک یا دو نقطه نگهداشت آب به عنوان ورودی پیش­ بینی می­کند. روزتا پارامترهای هیدرولیکی خاک را برای توابع تحلیلی که ون گنوختن (۱۹۸۰) در مورد ۱۲ کلاس بافت مثلث بافت خاک USDA ایجاد نمود، فراهم می­ آورد.

مدل HYDRUS

 پس از تعریف پارامترهای مورد نیاز مدل از جمله اطلاعات منحنی رطوبتی خاک (با استفاده از نرم افزار Rosetta)، مشخصات ریشه گیاه و شرایط اولیه خاک از نظر رطوبت، مدل قادر به شبیه سازی حرکت آب در خاک خواهد بود.

5 دیدگاه ها

  1. سمانه می‌گه:

    سلام
    میشه یه سایت یاکتاب یاهرچیزی که نرم افزارهایدروس یک بعدی روگام به گام آموزش بده معرفی کنید؟
    ممنونم

  2. سجاد می‌گه:

    با سلام
    در صورت امکان در مورد شبیه سازی تراز آبهای زیرزمینی در نرم افزار مادفلو و آموزش مادفلو
    مطلب بگذارید با تشکر

  3. ستاره می‌گه:

    باسلام و خسته نباشید
    ببخشید یه سوال داشتم ممنون میشم اگر پاسخ بدین:
    پدیده تاق زنی در سدهای خاکی چیه ؟؟

  4. معاذ می‌گه:

    خیلی ممنون

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *