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.
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:
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:
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.
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.
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.