شبیه‌سازی و ارزیابی الگوی توزیع رطوبتی خاک در آبیاری زیرزمینی کوزه‌ای

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، گروه مهندسی آب، دانشگاه زابل، زابل، ایران

2 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه زابل، زابل، ایران

3 عضو هیأت علمی مرکز تحقیقات تالاب بین‌المللی هامون، دانشگاه زابل، زابل، ایران

4 محقق مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی زابل، زابل، ایران

چکیده

با توجه به محدودیت منابع آب در مناطق خشک جهان، استفاده از روش­های نوین آبیاری با راندمان بالا در کشاورزی امری ضروری است. یکی از راه­های افزایش بهره­وری آب، استفاده از روش آبیاری زیرزمینی کوزه­ای است. با این­حال طراحی درست این سامانه­ها نیاز به اطلاعات کافی از نحوه توزیع جریان آب به صورت افقی و عمودی دارد. هدف از این مطالعه بررسی عمقی الگوی توزیع رطوبت در خاک تحت سامانه آبیاری کوزه­ای با استفاده از منبع آب آبیاری با ارتفاع 1، 5/1و 2 متر در مقاطع زمانی مشخص می­باشد. این پژوهش در قالب بلوک­های کامل تصادفی و در سه تکرار انجام گرفت. اندازه­گیری رطوبت حجمی خاک تا عمق 1 متر توسط رطوبت سنج TDR صورت پذیرفت. کوزه­ها دارای قطر6 سانتی­متر و ارتفاع 45 سانتی­متر بودند واز طریق لوله­های پلی اتیلن 16 میلی­متری به­هم وصل شدند. شبیه­سازی حرکت آب در خاک به­وسیله نرم­افزار HYDRUS-2D انجام شد و در نهایت نتایج حاصل از شبیه­سازی با نتایج حاصل از اندازه­گیری­های میدانی مقایسه گردید. نتایج نشان داد مدل می­تواند روند تغییرات رطوبت را با دقت به نسبت خوبی شبیه­سازی کند. در زمان­های اولیه آبیاری، شبیه­ساز رطوبت را بیش­تر از مقادیر واقعی برآورد کرد. در فاصله 30 سانتی­متر از محور عمودی کوزه تغییرات رطوبتی چندان نبود و مدل نیز این امر را تصدیق کرد. بهترین همبستگی مربوط به فاصله 10 سانتی­متری از محور عمودی کوزه با مقادیر ME، RMSE و R2 به ترتیب برابر 0015/0 سانتی­متر، 018/0 سانتی­متر و 95/0 می­باشد. یافته­ها نشان داد شبیه­سازHYDRUS-2D ، از کارایی مناسبی برای شبیه­سازی توزیع رطوبت در آبیاری کوزه­ای متخلخل رسی برخوردار است.هم­چنین مشاهده شد که توزیع رطوبت در نیم­رخ خاک تحت منبع با ارتفاع 5/1 و 2 متر، تفاوت چندانی با هم ندارد و افزایش ارتفاع منبع تأثیری روی شعاع رطوبتی خاک ندارد و تنها افزایش هزینه­ها را در پی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation and Evaluation of Soil Moisture Distribution Pattern under Pitcher underground Irrigation System

نویسندگان [English]

  • Azad Aghaii 1
  • Peyman Afrasiab 2
  • Mehdi Keikha 3
  • Gholam Ali Keikha 4
1 Former M Sc. Student of Irrigation and Drainage, Department of Water Engineering, Faculty of Water and Soil, University of Zabol., Zabol., Iran
2 Assistant professor, Department of Water Engineering, Faculty of Water and Soil, University of Zabol, Zabol, Iran
3 Scientific staff of Hamoon International Wetland Research Institute, University of Zabol, Zabol, Iran
4 Researcher in Agriculture and Natural Resources Research Center, Zabol, Iran
چکیده [English]

Due to the limited water resources in arid regions, using modern irrigation methods with high efficiency in agriculture is essential. One of the methods for increasing water use efficiency is the pitcher underground irrigation method. A proper design of these systems requires the enough information about water flow distribution pattern in both horizontal and vertical directions. Since the field experiments for detecting soil moisture distribution pattern is very hard and time consuming, analytical methods can be used to reasonably estimate the distribution of moisture in the soil though soil water flow equations having soil water factors. The aim of this study was to investigate the moisture distribution pattern in soil using three different heights of irrigation water source (i.e. 1, 1.5 and 2 meters) in the certain time intervals. This study was done in a randomized complete blocks design with three replications. Volumetric soil moisture content within 1m-soil profile was measured by TDR. Simulation of water movement in soil was performed by HYDRUS-2D and the simulated values were compared with the measured values at the end. The results show that the model can simulate moisture variation trend with a relatively good accuracy. In the early stage of irrigation, simulator overestimated the moisture content. Moisture variation was not too much at distance 30 cm from vertical axis of the pitcher. This was confirmed by HYDRUS-2D simulated values.
The best simulation results were obtained for the 10 cm distance from the vertical axis of pitcher where ME, RMSE and R2 were 0.0015, 0.018 and 0.95, respectively. Moreover it was observed that there is no significant difference between soil water distribution pattern obtained for two water supply elevations of 1.5 and 2 m above the soil surface. The results indicated that HYDRUS-2D can effectively use to simulate soil water distribution pattern under a porous clay pitcher irrigation system

کلیدواژه‌ها [English]

  • HYDRUS-2D
  • Moisture distribution pattern
  • Pitcher irrigation
  • Simulation
اژدری،خ. 1385. شبیه­سازی رطوبت در خاک در سیستم آبیاری قطره­ای با استفاده از مدلHYDRUS-2D. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی. 1. 15:14-1.

باستانی،ش. 1374. آبیاری با استفاده از لوله­های کوزه­ای سفالی. موسسه تحقیقات جنگل­ها و مراتع کشور . 1-20.

زبردست قازان­علی،س و شفیعی مقدم،ع. 1388. آبیاری سفالی، راهکار مناسب برای بهینه­سازی مصرف آب. دومین همایش ملی اثرات خشکسالی و راهکارهای مدیریت آن.

کریمی گوغری،ش. ایراندوست،م. و حسینی نیا،م. 1390. شبیه­سازی الگوی توزیع رطوبت و تبخیر در آبیاری قطره­ای زیر­سطحی در یک خاک شنی. مجله مهندسی منابع آب. 4: 49- 60 .

نقوی،ه.، حسینی­نیا،م.، کریمی گوغری،ش و ایراندوست،م. 1391. توانایی مدل HYDRUS-2D در شبیه­سازی توزیع رطوبت در خاک تحت سیستم آبیاری قطره­ای زیرسطحی. مجله علوم و منابع طبیعی. علوم آب و خاک. 61 : 68-59.

Anonymous. 1997. Source book of alternative technologies for fresh water augmentation in Latin America and the Caribbean. International Environmental Technology Centre, United Nations Environment Programmed (UNEP), Washington, DC, USA.

Ashrafi,S., Gupta,A., Singh,M.B., Izumi,N. and Loof,R. 2002. Simulation of infiltration from porous clay pipe in subsurface irrigation. Hydrological Sciences Journal, 47:2. 253–268.

Assouline,S. 2002. The effects of micro drip and conventional drip irrigation on water distribution and uptake. Sol Science Society of American Journal, 66:1630-1636.

Bainbridge,D.A. 2001. Buried clay pot irrigation: little-known but very efficient traditional method of irrigation. Agricultural Water Management, 48:79–88

Batchelor,C., Lovell,C and Murata,M. 1996. Simple micro irrigation techniques for improving irrigation efficiency on vegetable gardens. Agricultural Water Management, 32: 37–48

Cote,C.M., Bristow,K.L., Charlesworth,P.B., Cook,F.L and Thorburn,P.J. 2003. Analysis of soil wetting and solute transport in subsurface trickle irrigation. Irrigation Science, 22: 143-156.

Gee,G.W. and Or,D. 2002. Particle-size analysis. In: Dane, J H.and Topp G C (Eds) Methods of Soil Analysis, Part 4- Physical Methods. Agronomy Monograph, Vol. 9. Pp. 255-293. ASA and SSSA, Madison, WI.

Kandelous,M.M and Simunek,J. 2010. Comparison of numerical, analytical, and empirical models to estimate wetting patterns for surface and subsurface drip irrigation. Journal of Irrigation Science, 97:1070-1076.

Lazarovitch,N., Warrick,A.W., Furman,A and Simunek,J. 2007. Subsurface water distributions from drip irrigation described by moment analysis. Vadose Zone Journal, 6: 116–123.

Patel,N and Rujput,T.B.S. 2008. Dynamics and modeling of soil water under subsurface drip irrigated onion. Agricultural Water Management, 95: 1335-1349.

Qiaosheng,S., Zuoxin,L., Zhenying,W and Haijun,L. 2007. Simulation of the soil wetting shape under porous pipe sub-irrigation using dimensional analysis. Irrigation and Drainage, 56: 389–398.

Schaap,M.G., Leij,F.J and van Genuchten,M. Th. 2001. Rosetta: A computer program for estimating Soil hydraulic parameters with hierarchial pedotransfer functions. Journal of Hydrology, 251:163- 176.

Simunek,J., Sejna,M and van Genuchten,M Th. 1999. The HYDRUS-2D software package for simulating two dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably saturated media, Version 2.0. Rep. IGCWMC-TPS-53, p 251, Intl. Ground Water Modeling Center, Colo. School of Mines, Golden, CO.

Simunek,J., Sejna,M and van Genuchten,M. Th. 2006. The HYDRUS software package for simulating two- and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media, Technical Manual, Version 1.0, PC Progress, Prague, Czech Republic, p. 241.

Singh,D.K., Rajput,T.B.S., Singh,D.K., Sikarwar,H.S., Sahoo,R.N and Ahmad,T. 2006. Simulation of soil wetting pattern with subsurface drip irrigation from line source. Agricultural Water Management, 83: 130-134.

Siyal,A.A and Skaggs,T.H. 2009. Measured and simulation soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation. Agricultural Water Management, 96: 893-904.

Siyal,A.A., van Genuchten,M.Th and Skaggs,T.H. 2009. Performance of Pitcher Irrigation Systems. Soil Science, 174: 312- 320.

Skaggs,T.H., Trout,T.J., Simunek,J and Shouse,P.J. 2004. Comparison of HYDRUS- 2D simulation of drip irrigation with experimental observations. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 4: 304-310.

van Genuchten,M.Th. 1980. A close-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Sol Science Society of American Journal, 44: 892–898.

Willmott,C.J. 1982. Some comments on the evaluation of model performance. Bulletin American Meteorological Society, 63.11: 1309–1313.

Wolff,P and Stein,T.M. 1999. Efficient and economic use of water in agriculture possibilities and limits. Natural Resources and Development, 49/50: 151-159.