کاربرد توزیعی مدل SWAP برای مدل‌سازی زراعی- هیدرولوژیکی زیرروزانه یک سیستم زراعی با زهکشی زیرزمینی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار بخش تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل (مغان)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه آبیاری و زهکشی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

3 استادیار، عضو هیات علمی دانشگاه هرمزگان، دانشکده کشاورزی، گروه مهندسی آب، بندرعباس، ایران.

چکیده

با وجود قابلیت بالای مدل‌های زراعی- هیدرولوژیکی مزرعه مقیاس در شبیه‌سازی اندرکنش رشد گیاه با انتقال آب و املاح در سیستم‌های زراعی، کاربرد آن‌ها در شرایط واقعی مزارع وسیع کشت نیشکر استان خوزستان به‌دلیل ناهمگنی مکانی برنامه‌ریزی آبیاری در سطح مزارع، تعدد پارامترهای مجهول مدل، دشواری مشخص‌سازی شرایط اولیه و مرزی و نیز نیاز مبرم به داده‌های واسنجی متعدد با چالش‌های عدیده‌ای مواجه است. هدف از این پژوهش، عملی ساختن کاربرد مدل‌سازی زراعی- هیدرولوژیکی در شرایط واقعی بهره‌برداری از مزارع وسیع مجهز به سیستم‌(های) زهکش سطحی/زیرزمینی است. به‌این منظور، از طریق کاربرد نسخه تصحیح شده‌ای از مدل SWAP و گونه‌ یکپارچه‌سازی شده الگوریتم بهینه‌سازی رفتار جمعی اجزا (UPSO)، یک طرح مدل‌سازی زراعی- هیدورولوژیکی ریچاردزبنیان به‌شیوه توزیعی با قابلیت واسنجی زیرروزانه توسعه یافت. مدل توسعه یافته در یکی از مزارع کشت و صنعت نیشکر امام خمینی (ره) (شعیبیه) با زهکشی زیرزمینی و کشت نیشکر (رقم CP48-103) طی بازه زمانی 28/4/1389 تا 20/9/1390 (به‌مدت 481 روز) مورد کاربرد قرار گرفت. نتایج حاکی از عملکرد قابل قبول مدل در شبیه‌سازی رطوبت خاک، عمق سطح ایستابی و جریان زه‌آب خروجی (با آماره ضریب راندمان، EF، مدل به‌ترتیب، برابر با 901/0، 827/0 و 877/0 طی مرحله واسنجی و آماره EF به‌ترتیب، برابر با 514/0، 798/0 و 672/0 طی مرحله صحت‌سنجی)، شبیه‌سازی نیم‌رخ غلظت املاح آب خاک و شوری زه‌آب خروجی از سیستم زهکش زیرزمینی )با آماره ریشه میانگین خطای نرمال شده، NRMSE، به‌ترتیب، برابر با 039/0 و 096/0 در مرحله واسنجی و آماره NRMSE به‌ترتیب، برابر با 154/0 و 046/0 طی مرحله صحت‌سنجی) و شبیه‌سازی شاخص سطح برگ، عملکرد نی و عملکرد ساکارز (با آماره EF به‌ترتیب، برابر با 995/0، 999/0 و 972/0 در مرحله واسنجی) بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Distributed Application of SWAP Model for Intra-Daily Simulation of an Agricultural System with Subsurface Drainage

نویسندگان [English]

  • Farzin Parchami-Araghi 1
  • Fatemeh Samipour 2
  • Adnan Sadeghi-Lari 3
1 Assistant Professor, Agricultural Engineering Research Department, Ardabil Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Ardabil, Iran
2 Department of Irrigation and drainage engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tarbiat Modares, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Department of Agriculture, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
چکیده [English]

Despite the high capability of field-scale agro-hydrological models to simulate plant growth interactions with water and solute transport in agricultural systems, their application to real conditions of large sugarcane fields in Khuzestan province faces many challenges, including spatial heterogeneity of irrigation scheduling across the field, the difficulty of determining initial and boundary conditions as well as several unknown model parameters, and data–intensiveness of calibration procedure. This work aimed to implement the agro-hydrological modeling under real operational conditions of large fields with surface/subsurface drainage. In this work, a distributed agro-hydrological modeling scheme was developed through the application of a modified version of the SWAP model and an improved variant of the Unified Particle Swarm Optimization (UPSO) algorithm with capability of sub-daily calibration and simulation of controlled drainage. The developed model was applied to a sugarcane field with subsurface drainage with planted sugarcane (CP48-103 cultivar) in Imam Khomeini Sugarcane Agro-industrial company farms, during 2010-07-19 to 2011-12-11 (481 days). The results revealed the reasonable performance of the developed modeling scheme in retrieving the measured soil moisture, groundwater level, subsurface drainage outflow (with an EF of 0.901, 0.827, and 0.877 for calibration dataset; and 0.514, 0.798, and 0.672 for validation dataset, respectively), soil water solute concentration, subsurface drainage outflow salinity (with a NRMSE of 0.039 and 0.096 for calibration dataset; and 0.154 and 0.046 for validation dataset, respectively), Leaf Area Index, cane yield, and sucrose yield (with an EF of 0.995, 0.999, and 0.972, respectively).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inverse modeling
  • sugarcane
  • Unified Particle Swarm Optimization
  • Unsaturated hydrology