Investigating the Changes of Coefficients of Infiltration Equations and Their functional evaluation under Various Soil Moisture and Bulk Densities

Document Type : Original Article

Authors

Ph.D Student of Irrigation and Drainage, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Urmia University, Iran

Abstract

Infiltration is a key process which can be considered for scheduling, design, management and optimization of irrigation systems. Therefore, it is necessary to choose an appropriate infiltration model to optimize water consumption in agriculture and to study the water cycle on a small and large scale. The purpose of this study was to investigate the sensitivity of the coefficients of Kostiakov, Kostiakov-Lewis and Horton infiltration equations to the simultaneous changes of initial moisture and soil bulk density and its effect on the performance of infiltration equations in different soils. In order to represent the effect of the sensitivity of the coefficients of infiltration equations on the efficiency of those equations at different moisture and bulk densities, first the coefficients of the equations are calculated for all infiltration data (fitting step) and then at a specific moisture and bulk density for each soil are calculated and for the moisture and other densities were used (evaluation step). For this purpose, cumulative infiltration data in eight soil textures, three bulk densities including 1.3, 1.4 and 1.5 g / cm3 and five volumetric moisture levels of 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 and 0.3 was prepared using HYDRUS-1D. Based on the results, sensitivity of the coefficients of infiltration equations to changes in moisture and bulk density from high to low, respectively, the coefficient of the Kostiakov equation (ak), the coefficient of the Kostiakov-Lewis equation (akl), the power of the Kostiakov equation (bk), the coefficient of the Horton equation (bh) And the power of the Kostiakov-Lewis equation (bkl) was obtained. The mean increase of RMSE of the Kostiakov, Kostiakov-Lewis and Horton equations in the evaluation stage was respectively 3.25, 34 and 2.8 times the fitting stage. Therefore, the lowest and the highest sensitivity occurred in the Horton and the Kostiakov-Lewis equations respectively.

Keywords

References

ابیانه، م.، خسرایی، ا.، ابراهیمی پاک، ن.، تافته، ا. و جوزی، م. 1398. انتخاب مدل بهینه نفوذ آب در خاک. نشریه مدیریت آب و آبیاری. 9 (2):291-304.
باریده، ر. و بشارت، س. 1396. اندازه­گیری و شبیه­سازی حرکت آب در خاک و جذب آب توسط ریشه در آبیاری جویچه­ای یک‌درمیان. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 11 (2).
جوادی، ع.، مشعل، م. و ابراهیمیان، ح. 1393. تحلیل حساسیت معادلات نفوذ آب به خاک و ضرایب آن‌ها نسبت به رطوبت اولیه و بار آبی. نشریه آب و خاک. 28-5.
جوادی، ع.، مصطفی‌زاده، ب.، شایان نژاد، م. و مصدقی، م. 1396. ارزیابی معادلات نفوذ آب به خاک در شرایط تلفیق کیفیت آب آبیاری، رطوبت اولیه خاک و بار آبی ثابت. پژوهش آب در کشاورزی. 31-3.
دربندی، ص.، آیرملو، ن. و جلیل زاده، م. 1384. ارزیابی حساسیت ضرایب مدل‌های نفوذ به رطوبت اولیه خـاک و تعیـین مدل‌های ریاضی مربوطه. دومین کنفرانس سراسری آبخیزداری و مدیریت منابع آب و خاک. کرمان، سوم و چهارم اسفندماه. 1625-1618.
سپهوند، ع.، طایی سمیرمی، م.، میرنیا، س. ا. و مرادی، ح. ر. 1389. ارزیابی حساسیت مدل‌های نفوذ نسبت به تغییرپذیری رطوبت خاک. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 25 (2) :38 -33.
طالبی، ی.، محمدی، م. و کریمی، س. 1395. تأثیر کاربری اراضی بر خصوصیات نفوذ آب در برخی خاک­های استان اردبیل و زنجان. مدیرت خاک و تولید پایدار. 6 (11): 109-126.
محمد زاده هابیلی، ج. و حیدر پور، م. 1398. اصلاح معادله نفوذ کاستیاکف برای اعمال تأثیر رطوبت اولیه خاک. مجله پژوهش آب ایران. 13-1.
محمدی، ا. و دلبری، م. 1394. حرکت آب و نمک در خاک با استفاده از HYDRUS-1D. مجله دانش آب و خاک. 25 (1).
محمدی، م. و رفاهی، ح. ۱۳۸۴. تخمین پارامترهای معادلات نفوذ توسط خصوصیات فیزیکی خاک. مجله علوم کشاورزی ایران. 36 (6): 1398-1391.
نیشابوری، م.، فاخری فرد، ا.، قرسادی­زاده، د.، صادقیان، ن. و خیری، ج. 1388. ضرایب مدل­های نفوذ فیلیپ، کاستیاکف و کاستیاکف اصلاح‌شده بر مبنای جرم مخصوص ظاهری و رطوبت اولیه خاک. مجله دانش آب و خاک. 1-19.
واعظی، ع. و صالحی، ی. 1398. کارایی مدل­های نفوذ آب به خاک در کاربری­های مختلف زمین در حوزه آبخیز تهم­چای. تحقیقات آب و خاک ایران. 51 (5).
Alagna, V., Iovino, M., Bagarello, V., Mataix-Solera, J. and Lichner, L. 2018. Alternative analysis of transient infiltration experiment to estimate soil water repellency. Hydrological Processes. 33: 661–674.
Basha, H. A. 2011. Infiltration models for semi-infinite soil profiles. Water Resource Res. 47: 192–198.
Dontsova, K. M., Pennington, J. C., Hayes, C., Simunek, J. and Williford, C. W. 2009. Dissolution and transport of 2,4-DNT and 2,6-DNT from M1 propellant in soil. Chemosphere. 77(4): 29-41.
Ebrahimian, H., Liaghat, A. M., Parsinejad, M., Abbasi, F. and Navabian, M. 2012. Comparison of one-and two dimensional models to simulate alternate and conventional furrow fertigation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(10): 929-938.
Farid, H., Mahmoodkhan, Z., Ahmad, I. and Shakoor, A. 2019. Estimation of infiltration models parameters and their comparison to simulate the onsite soil infiltration characteristics. Agricultural and Biological Engineering. 3-12.
Green, W. H. and Ampt, G. A. 1911. Studies on soil phyics. Agricultural Science. 4(1): 1–24. doi:10.1017/S0021859600001441.
Horton, R. E. 1940. An approach towards a physical interpretation of infiltration capacity. Soil Science Society of America. 5: 399-417.
Jacques, D., Simunek, J., Mallants, D. and Van Genuchten, M. 2008. Modelling coupled water flow, salt transport and geochemical reactions affecting heavy metal migration in a podzol soil. Geoderma. 145: 449-461.
Kostiakov, A. N. 1932. On the dynamics of the coefficient of water percolation in soils and the necessity of studying it from the dynamic point of view for the purposes of amelioration. Transactions of the Sixth Committee of the International Society of Soil Science. 1: 7–21.
Mirzaee, S., Zolfaghari, A. A., Gorji, M., Dyc, M. and Ghorbani-Dashtaki, S. 2014. Evaluation of infiltration models with different numbers of fitting parameters in different soil texture classes. Archives of Agronomy and Soil Science. 60(5): 681-693.
Patle, G. T., Sikar, T. T., Rawat, K. S. and Singh, S. K. 2019. Estimation of infiltration rate from soil properties using regression model for cultivated land. Geology, Ecology, and Landscapes. 3(1): 1-13.
Philip, J. R. 1957. Theory of infiltration: 1. The infiltration equation and its solution. Soil Science. 83: 435–448. doi:10.1097/00010694-195706000-00003.
Rahman, G. A., Talaat, A. M. and Zawe, C. 2016. Assessment of infiltration rate for sustainability of reclaimed area in Harare region Zimbabwe. Middle East Journal of Agriculture. 5(1): 1–5.
Richards, L. A. 1931. Capillary conduction of fluid through porous mediums. Physics. 1:318-333.
SCS (Soil Conservation Service). 1972. National engineering handbook, section 4: hydrology. Washington, DC: Department of Agriculture. 762.
Sihag, P., Tiwari, N. K. and Ranjan, S. 2017. Estimation and inter-comparison of infiltration models. Water Science. 31(1): 34-43.
Van-Genuchten, M. 1980. A close-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America. 44: 892–898.
Yiang, M., Shaoyuan, F., Dongyuan, S., Guangyuo, G. and Zailin, H. 2010. Modeling water infiltration in a large layered soil column with a modified Green–Ampt model and HYDRUS-1D. Computers and Electronics in Agriculture. 71: 40–47
Iranian Journal of Irrigation & Drainage
Volume 15, Issue 3 - Serial Number 87
July and August 2021
Pages 521-530

Files

Share

How to cite

Statistics