شبیه‌سازی عملکرد زهکش زیرزمینی ترانشه‌دار در مقیاس مدل فیزیکی اراضی شالی‌زاری با مدل HYDRUS-2D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی گروه مهندسی آب دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان و عضو وابسته گروه آب و محیط زیست پژوهشکده حوضه آبی دریای خزر دانشگاه گیلان

چکیده

زهکشی ضعیف در اراضی شالی‌زاری که دارای خاک با بافت سنگین می‌باشند نه‌تنها امکان برداشت مکانیزه برنج را در زمان وقوع بارش با مشکل مواجه می‌کند، بلکه عامل تجمع املاح در خاک و سدیمی شدن آن در هنگام استفاده از آب‌های نامتعارف در طولانی مدت می‌شود. هم‌چنین این اراضی قادر به رفع شرایط ماندابی در فصل مرطوب نبوده و کشت دوم گیاهان را دچار محدودیت می‌کند. بنابراین استفاده از سامانه زهکشی مناسب در اراضی شالی‌زاری با هدف کنترل شوری و رفع غرقاب خاک ضرورت دارد. نصب زهکش زیرزمینی در ترانشه شن و ماسه منجر به ایجاد شرایط متخلخل بهتر اطراف لوله زهکش و در نتیجه بهبود عملکرد زهکشی می‌شود. انتخاب هندسه بهینه ترانشه به لحاظ فنی و اقتصادی نیازمند توانمندی در خصوص شبیه‌سازی حرکت آب در خاک و ترانشه به سمت زهکش است. در این مطالعه به‌منظور بررسی عملکرد زهکش زیرزمینی ترانشه‌دار با پوشش شن و ماسه در اراضی شالی‌زاری از مدل شبیه‌سازی HYDRUS-2D استفاده شد. به‌منظور واسنجی مدل HYDRUS-2D، مدل فیزیکی زهکش زیرزمینی ترانشه‌دار قابل کنترل‌ در اراضی شالی‌زاری ساخته و گیاه برنج در مخزن آن کشت شد. در طول دوره رشد از محلول خاک و هم‌چنین در زمان انجام زهکشی میان و پایان‌فصل از زه‌آب نمونه‌برداری انجام شد. سپس در آزمایشگاه هدایت‌الکتریکی (EC) نمونه‌ها اندازه‌گیری شد. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که مدل دقت مناسبی در شبیه‌سازی حرکت آب و غلظت کل املاح زه‌آب و پروفیل خاک دارد. مقادیر شاخص‌های آماری R2، RMSE و nRMSE در بخش اعتبارسنجی برای بار آبی به‌ترتیب برابر 982/0، 8/2 سانتی‌متر و 55/4 درصد و در بخش غلظت به‌ترتیب برابر 419/0، 035/0 میلی‌گرم بر سانتی‌متر مکعب و 56/10 درصد به‌دست آمد. هم‌چنین نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که پارامترهای هدایت هیدرولیکی اشباع خاک و ضریب انتشارپذیری طولی با ضریب حساسیت به‌ترتیب 6/2 سانتی‌متر بر روز و 47/0 سانتی‌متر اثرگذاری بیش‌تری بر حرکت آب و املاح دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Trenched Subsurface Drainage Performance in a Physical Model scale Paddy Fields with HYDRUS-2D Model

نویسندگان [English]

  • Fatemeّ Mohammadpoor 1
  • Maryam Navabian 2
1 MSC Student of Water Eng. Dep., Agricultural Sciences Faculty, University of Guilan
2 Associated Prof. of Water Eng. Dep., Agricultural Sciences Faculty, University of Guilan and and Dept. of Water Eng. and Environment, University of Guilan. Rasht, Iran
چکیده [English]

Poor drainage system in paddy fields with heavy texture soils not only makes it difficult to harvest rice mechanically at the time of rainfall, but also the use of non-conventional Waters (drainage water reuse) or increased salinity of irrigation water in long-term solute accumulation Soil and its sodification. Also, such lands are not able to eliminate the conditions of waterlogging in wet season and limited the second crop cultivation. Therefore, to avoid salinizing and remove the waterlogging problem in paddy fields the construction of drainage system is necessitated. Installation of subsurface drainage in sand and gravel trench results in better porous conditions around the drainage pipe and thus improves drainage efficiency. Selecting the optimum trench geometry from a technical and economic point of requires simulation abilities. In this study, HYDRUS-2D simulator model was used to evaluate the performance of trenched subsurface drainage with sand and gravel envelope in paddy fields. In order to calibrate the HYDRUS-2D model, a physical model of controllable trenched subsurface drainage was constructed in paddy fields and the rice plant was cultivated in its tank. In the growth period, soil solution in various depths and distances from drain and the drain water of mid and end season drainage was sampled. The electro conductivity (EC) of samples were measured in laboratory. Simulation results showed that the model has a good accuracy in simulating water movement, total dissolved solid of drain water and solute of soil solution. R2, RMSE and nRMSE in water movement validation were obtained 0.982, 2.8 cm and 4.55 percent, respectively and in the solute transfer validation stage part were obtained 0.419, 0.035 mg/cm3 and 10.56 percent, respectively. The results of sensitivity analysis also showed that soil saturated hydraulic conductivity parameters and longitudinal diffusivity coefficient with sensitivity coefficient of 2.6 cm/day and 0.47 cm had more effect on water and solute movement respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 2-D modeling
  • Controlled drainage
  • Drainage rate
  • Salinity
  • Water Table
معماری، ن. 1397. ارزیابی مدل هایدروی دو بعدی در شبیه‌سازی عملکرد زهکش زیرزمینی در کشت باقلا به عنوان کشت دوم اراضی شالی‌زاری. پایان نامه کارشناسی ارشد گرایش آبیاری و زهکشی دانشگاه گیلان.
موذنی، س.م.ر.، نوابیان، م.، و اسمعیلی ورکی، م. 1395. ارزیابی عملکرد زهکش زیرزمینی در کشت دوم اراضی شالی‌زاری (مطالعه موردی تریتیکاله) در مقیاس مدل فیزیکی. مجله تحقیقات خاک و آب. 47 (2): 397-405.
موذنی، س.م.ر. 1394. شبیه‌سازی و بهینه‌سازی عمق زهکش زیرزمینی برای کشت دوم اراضی شالی‌زاری در مقیاس مدل فیزیکی. پایان نامه کارشناسی ارشد گرایش آبیاری و زهکشی دانشگاه گیلان.
مومن‌نژاد، ز. 1396. مقایسه عملکرد مدل‌های DRAINMOD و SWAP برای شبیه‌سازی زهکشی کنترل شده زیرزمینی در مقیاس مدل فیزیکی اراضی شالی‌زاری. پایان نامه کارشناسی ارشد گرایش آبیاری و زهکشی دانشگاه گیلان.
Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D., and Smith, M. 1998. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Rome 300. D05109.
AminSalehi, A., Navabian, M., Esmaeili Varaki, M. and Pirmoradian, N. 2017. Evaluation of HYDRUS-2D model to simulate the loss of nitrate in subsurface controlled drainage in a physical model scale of paddy fields. Paddy and Water Environment Engineering. 15 (2): 433-442.
Belmans, C., Wesseling, J. G., and Feddes, R. A. 1983. Simulation model of the water balance of a cropped soil: SWATRE. Journal of hydrology. 63: 271-286.
Brooks, R. H. and Corey, A. T. 1964. Hydraulic properties of porous media and their relation to drainage design. Transactions of the ASAE. 7(1): 26-38.
Darzi-Naftchali, A., Karandish, F. and Simunek, J. 2018. Numerical modeling of soil water dynamics in subsurface drained paddies with midseason drainage or alternate wetting and drying management. Agricultural Water Management. 197: 67-78.
Durner, W. 1994. Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure. Water Resources Research. 30 (2): 211-223.
Feddes, R. A., Kowalik, P. J., and Zaradny, H. 1978. Simulation of field water use and crop yield. Simulation monographs. Pudoc, Wageningen. 9-30.
Frey, S. K., Hwang, H. T., Park, Y. J., Hussain, S. I., Gottschall, N., Edwards, M., and Lapen, D. R. 2016. Dual permeability modeling of tile drain management influences on hydrologic and nutrient transport characteristics in macro porous soil. Journal of Hydrology. 535: 392-406.
Goel, A., and Tiwari, P. 2013. Review of computer based software tools for salinity management in agricultural lands. Journal of Indian Water Resources Society, 33 (4): 24-32.,
Jamieson, P. D., Poeter, J. R. and Wilson D.R. 1991. A test of the computer simulation model ARCWHEAT1 on wheat crops grown in New Zealand. Field Crops Research. 27: 337-350.
Kosugi, K. 1996. Lognormal distribution model for unsaturated soil hydraulic properties. Water Resource Research. 32 (9): 2697-2703.
Phogat, V., Skewes, M., Cox, J., Alam, J., Grigson, G. and Simunek, J. 2013. Evaluation of water movement and nitrate dynamics in a lysimeter planted with an orange tree. Agricultural Water Management. 127: 74-84.
Phogat, V., Yadav, A.K., Malik, R.S., Kumar. S. and Cox, J. 2010. Simulation of salt and water movement and estimation of water productivity of rice crop irrigated with saline water. Paddy Water Environ. 8 (4): 333-346.
Rice, E.W., Baird, R.B., and Eatonو A.D. 2017. Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association, American Water Works Association. Water Environment Federation. 277 pages.
Ritzema, H. P., Nijland, H. J., and Croon, F. W. 2006. Subsurface drainage practices: From manual installation to large-scale implementation. Agricultural water management. 86(1-2): 60-71.
Salo, H., Warsta, L., Turunen, M., Nurminen, J., Myllys, M., Paasonen-Kivekas, M., Alakukku, L. and Koivusalo, H. 2017. Simulating 3-D water flow in subsurface drain trenches and surrounding soils in a clayey field. Soil and Tillage Research. 168: 20-32.
Savage, M.J. 1993. Statistical aspects of model validation, Presented at a workshop on the field water balance in the modeling of cropping systems, University of Pretoria, South Africa.
Smedema, L.K. and Rycroft, D.W. 1983. Land Drainage: Planning and Design of Agricultural Drainage Systems. Batsford, London, 376 pp.
Simunek, J. and Van Genuchten, M. Th. 1996. Estimating unsaturated soil hydraulic properties from tension disc infiltrometer data by numerical inversion. Water Resources Research. 32 (9): 2683-2696.
Simunek, J., Senja, M. and van Genuchten, M. Th. 1999. The HYDRUS-2D V. 2 software package for simulating water flow and solute transport in two-dimensional variably saturated media. US Salinity Laboratory. Agricultural Research Service, US Departement of Agriculture, Riverside, Calif.
Šimůnek, J., van Genuchten, M. Th. and Šejna, M. 2008. Modeling subsurface water flow and solute transport with HYDRUS and related numerical software packages. Numerical Modeling of Hydrodynamics for Water Resources – Garcia-Navarro & Playán (eds), Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-44056-1 95.
Tan, X., Shao, D. and Liu, H. 2014. Simulating soil water regime in lowland paddy fields under different water managements using HYDRUS-1D. Agricultural Water Management. 132: 69-78.
Tao, Y., Wang, S., Xu, D. and Qu, X. 2016. Experiment and analysis on flow rate of improved subsurface drainage with ponded water. Agricultural Water Management. 77: 1-9.
Van Genuchten, M. Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils 1. Soil Science Society of America journal. 44 (5): 892-898.
Vlotman, W., Willardson, L.S., and Dierickx, W. 2001. Envelope Design for Subsurface Drain. Wageningen, ILRI, s.a. ILRI Publ. 56, 358 pages.
Vogel, T. and Cislerova, M. 1988. On the reliability of unsaturated hydraulic conductivity calculated from the moisture retention curve. Transport in Porous Media. 3 (1): 1-15.
Warsta, L., Karvonen, T., Koivusalo, H., Paasonen-Kivekäs, M., and Taskinen, A. 2013. Simulation of water balance in a clayey, subsurface drained agricultural field with three-dimensional FLUSH model. Journal of hydrology. 476: 395-409.
Willmott, C.J. 1982. Some comments on the evaluation of model performance. Bulletin of the American Meteorological Society. 63: 1309-1313.
Yao, R. J., Yang, J. S., Zhang, T. J., Hong, L. Z., Wang, M. W., Yu, S. P. and Wang, X. P. 2014. Studies on soil water and salt balances and scenarios simulation using SaltMod in a coastal reclaimed farming area of eastern China. Agricultural Water Management. 133: 115-123.