مدل‌سازی دو بعدی و بررسی تأثیر شیب بر توزیع رطوبت اطراف قطره‌چکان سطحی با روش احجام محدود

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

چکیده

شبیه­سازی عددی یک روش سریع و کم­هزینه برای مطالعه و مدیریت بهینه کاربرد آب در مزرعه است. بدین منظور مدل­­های عددی مختلفی برای تعیین توزیع رطوبت در خاک ارایه شده­ است که اساس کار آن­ها حل عددی معادله عمومی جریان آب در خاک می­باشد. در این تحقیق معادله حاکم بر جریان آب در خاک اطراف قطره­چکان (معادله ریچاردز برای خاک اشباع- غیر­­اشباع) به روش عددی احجام محدود و تکنیک کرنک نیکلسون منفصل سازی شد. دستگاه معادلات حاکم به روش تکراری ژاکوبی حل شد. واسنجی مدل با استفاده از داده­های اندازه­گیری رطوبت اطراف لوله جدار­ نازک آبیاری قطره­ای مدفون شده در عمق 6 سانتی­متری در یک خاک شنی- لومی و هم­چنین مقایسه با نتایج مدل HYDRUS-2Dکه هر دو توسط  (Skaggs et al, 2004)انجام شده است صورت گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد با در نظر گرفتن شرایط مرزی مناسب اطراف قطره­چکان دقت مدل احجام محدود این تحقیق با مدل المان­های محدود HYDRUS-2D کاملاً برابری می­کند و توزیع رطوبت اندازه­گیری شده در مزرعه را با خطای کم­تر از هفت درصد برآورد می­کند. در ادامه با مدل حاضر توزیع رطوبت اطراف قطره­چکان بر روی سطح خاک شیب­دار در شرایط آبیاری و پس از قطع جریان آب بررسی شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

2D- Numerical Modeling and Investigating the Effect of Surface Slop on Water Content Distribution in Surface Drip Irrigation Using Finite Volume Method

نویسنده [English]

  • Rasoul Ghobadian
Associate professor, Department of water Engineering, Razi University, Kermanshah., Iran
چکیده [English]

Numerical simulation is a fast and inexpensive approach to studying optimal management practices. Therefore different model to simulation water content distribution in drip irrigation have been developed in which the general equation of water flow in soil (Richards equation) numerically is solved. In this study 2D equation of saturated-unsaturated flow in soil (2D Richard’s equation) was solved using finite volume method and Crank-Nicolson scheme. The soil hydraulic properties were modeled using the van Genuchten-Mualem relationships. The derived equation set was solved using Jacobi iteration method. Model calibration was done using measured water content distribution around thin-walled drip tubing installed at a depth of 6 cm in irrigated sandy loam soil carried out by Skaggs et al.(2004).   Also present model result compared with the result of HYDRUS-2D. The results show with considering suitable boundary condition around the drip, present finite volume model predictions of water content distribution are found with good agreement by the HYDRUS-2D model and measured data. Also present model predicts the water content distribution with mean error less than 7 percent. After, with calibrated model, water content distribution during and after irrigation was investigated when the drip tube was installed in oriented soil surface. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Trickle Irrigation
  • numerical simulation
  • finite volume method
  • Soil water flow
اژدری،خ. 1387. شبیه­سازی توزیع رطوبت در خاک در سیستم آبیاری قطره­ای با استفاده از مدل HYDRUS 2D. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی. 15. 1 :168-180
افشارجهانشاهی،م.، زارع ابیانه،ح.، نقوی،ه و اسلامی،ا. 1391. بررسی تأثیر دو عمق نصب قطره­چکان با دبی­های یکسان بر توزیع رطوبت در سیستم آبیاری قطره­ای زیرسطحی و شبیه­سازی آن با مدل HYDRUS-2D. فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب. 3. 10: 101-113.
پلنگی،ع و آخوند علی،م.ع. 1387. یک مدل نیمه­تجربی به منظور تخمین ابعاد جبهه رطوبتی در آبیاری قطره­ای، تحت منبع نقطه­ای. علوم و فنون کشاورزی، 12. 44: 85- 95.
شریف نیا،ر.، میرزایی،ف  و لیاقت،ع. 1388. عوامل مؤثر بر شکل خیس­شدگی در آبیاری قطره­ای و اصلاح موقیعت قطره­چکان در اراضی شیب­دار. مجله­ی پژوهشی آب ایران. 3. 5.:9-16
خان محمدی،ن و بشارت،س. 1392. شبیه­سازی جبهه­ی رطوبتی خاک درآبیاری قطره­ای با استفاده از HYDRUS 2D. نشریه حفاظت منابع آب و خاک. 2 . 4:  15-26.
کاظمی،ه و صدرالدینی،س.ع. ا. 1392. تعیین عمق مناسب نصب قطره­چکان­ها در آبیاری قطره­ای زیرسطحی با استفاده از مدل HYDRUS 3D. نشریه  آبیاری و زهکشی ایران. 2.  7 :205-221.
قربانیان،م.، منجزی،م. ابراهیمیان،ح و لیاقت،ع. 1393. ارزیابی مدل­های HYDRUS-2D وSEEP/W در برآورد پیاز رطوبت آبیاری قطره­ای ثقلی سطحی و زیرسطحی. نشریه­ی آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 28. 1 : 179-189.
مصطفی زاده،ب.، موسوی،س.ف و شریف بیان الحق،م.ح. 1377. پیشروی جبهه رطوبتی از منبع نقطه­ای در سطوح شیبدار. نشریه کشاورزی و منابع طبیعی. 2. 3: 22-13.
محمدی،ع.،  بیگلویی،م.، خالدیان،م.،  مریدنژاد،ع و رجبی،ج. 1392. بررسی ابعاد پیاز رطوبتی در اراضی شیبدار. مجله­ی علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی (علوم آب و خاک). 17. 66: 109-120
میزرایی،ف.،  لیاقت،ع.، تیموری،س و امید،م.ح. 1384. نمونه­سازی جبهه رطوبت خاک از منبع تغدیه خطی در آبیاری قطره­ای نواری. مجله تحقیقات مهندسی کشاورزی. 23. 4: 53-59.
Arbat,G., Puig-Bargues,J., Duran-Ros,M., Barragan,J and  Ramirez de Cartagena,F. 2013. Drip-Irriwater: Computer software to simulate soil wetting patterns under surface drip irrigation. Computers and Electronics in Agriculture 98:183–192.
El-Nesr,M., Alazba,A and Simunek,J. 2013. HYDRUS simulations of the effects of dual-drip subsurface irrigation and a physical barrier on water movement and solute transport in soils. Irrigation Science. (2014) 32. 111–125.
Kandelous,M  and Simunek,J. 2010. Comparison of numerical, analytical, and empirical models to estimate wetting patterns for surface and subsurface drip irrigation. Irrigation Science. 28: 435-444
Leij,F.J., Russel,W.B and Lesch,S.M. 1997. Closedform expressions for water retention and conductivity data.   Ground water, 35:848-858‏.
Skaggs,T.H., Trou,T., Šimunek,J and Shouse,P.J. 2004. Comparison of  HYDRUS-2D simulations of drip irrigation with experimental observations. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 130.4:304–310.
Van Genuchten,M.T. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal. 44.5:892-898
Versteeg, H. K., Malalasekera, W. 1995. An introduction to computational fluid dynamics - The finite volume method. Longman Group Ltd. P, 255.