پیش‌بینی تغییرات نیم‌رخ سطح ایستابی بین زهکش‌های دو عمقی در اراضی شالیزاری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبیاری و زهکشی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 استادیار گروه مکانیک بیوسیستم، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

چکیده

برای بهبود بهره­وری شالیزارها و فراهم کردن امکان کشت دوم در اراضی شالیزاری شمال کشور، احداث سیستم­های زهکشی زیرزمینی ضروری می­باشد. یکی از سیستم­های زهکشی، زهکش­های دو عمقی می­باشند که با توجه به هزینه­های کم­تر و امکان زهکشی کنترل شده نصب می­شوند. کارایی این سیستم­های زهکشی و نصب آن­ها، به مقدار زیادی به دانش کافی از جریان آب در خاک و استفاده از روش مناسب طراحی بستگی دارد. در این تحقیق، مدلی تحلیلی برای پیش­بینی نوسانات سطح ایستابی بین دو زهکش زیرزمینی نصب شده در دو عمق مختلف در اراضی شالیزاری ارایه می‌شود. معادله دیفرانسیل حاکم بر جریان در حالت دو بعدی و حالت اصلاح شده با اعمال بار جریان عمودی (به دلیل لایه­بندی خاص خاک) حل شد. نتایج حل با مقادیر سطح ایستابی اندازه­گیری شده در پایلوت اراضی شالیزاری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری واسنجی و ارزیابی شدند. روش اصلاح شده با توجه به در نظر گرفتن اثر مقاومت لایه­ها در مقابل جریان عمودی آب در خاک، پیش­بینی مناسب و دقیق­تری نسبت به روش حل دو بعدی داشت. به طور میانگین، این روش، حداکثر ارتفاع و منحنی سطح ایستابی را به­ترتیب با 3 و 21 درصد اختلاف نسبت به مقادیر اندازه­گیری شده، پیش­بینی کرد. بنابراین، برای طراحی مناسب سیستم زهکشی دو عمقی و بهره­برداری بهتر از آن­ها در اراضی شالیزاری، استفاده از روش اصلاح شده توصیه می­شود. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Prediction of water table dynamics between bi-level subsurface drains in paddy fields

نویسندگان [English]

  • Mehdi Jafari Talukolaee 1
  • Ali Shahnazari 2
  • Mirkhalegh Ahmadi 3
  • Davood Kalantari 4
1 Ph.D. Student of Irrigation and Drainage Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University., Sari., Iran
2 Associate Professor, Water Engineering Department, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources., Sari., Iran
3 Professor, Water Engineering Department, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University., Sari., Iran.
4 Assistant Professor, Mechanics Engineering Department, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University., Sari., Iran
چکیده [English]

Implementation of subsurface drainage in Northern Iran paddy fields is crucial to achieve the feasibility of round-cropping and improve sustainable use of limited soil and water resources. One of the subsurface drainage systems is bi-level system that can be installed because of lower costs than conventional and better control in drains discharge. Installation of this system needs suitable knowledge of designing of subsurface drainage systems due to layered soil of paddy fields. In this study, an analytical solution of two dimensional transient saturated flow of Bear equation to subsurface drainage in a paddy field is presented to investigate the bi-level drainage systems operation. Also, due to importance of vertical head in clay and layered soils, a modified procedure was performed to separately involve vertical head. Validity of the solution has been evaluated by comparing with the field data collected at paddy fields of Northern Iran. The two dimensional solution was not able to reasonably predict the water table profile. But the obtained results indicated that considering the vertical resistance in the media improved the simulated data in the bi-level subsurface drainage systems and provided good representation of water table dynamics. The differences between field data and results were only 21% for modified procedure in comparison with 61% for two dimensional solution. Totally, it would be mentioned that in future work for designing bi-level drainage systems in paddy fields, the vertical head loss should be considered.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bear equation
  • Hardpan layer, Two dimensional solution, Unsteady flow, Vertical head
بهبهانی،س.م.، رحیمی­خوب،ع. 1381. شبیه­سازی جریان ناپایدار دو بعدی آب به­طرف رهکش­ها. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی. 9. 1: 167-161.

حمزه،س.، ناصری،ع. و کشکولی،ح.ع. 1392. تغییرات پروفیل سطح ایستابی و دبی خروجی از زهکش­های پلکانی در یک خاک مطبق. نشریه آب و خاک (علوم صنایع کشاورزی). 27. 1: 13-1.

درزی،ع.، میرلطیفی،س.م.، شاهنظری،ع.، اجلالی،ف. و مهدیان،م.ح. 1391. تاثیر زهکشی سطحی و زیرزمینی بر عملکرد برنج و اجزای آن در اراضی شالیزاری. مجله پژوهش آب در کشاورزی. 26. 1: 70-61.

رحیمی­خوب،ع.، سامانی،ج.م. و بهبهانی،س.م. 1385. مدل ریاضی جریان ناپایدار دو بعدی آب در زهکش­های نصب شده در دو عمق مختلف. همایش ملی مدیریت شبکه­های آبیاری و زهکشی، دانشگاه شهید چمران اهواز. 8 ص.

Ahmad,S., Kashyap,D., Mathur,B.S. 1991. Numerical modeling of two-dimensional transient flow to ditches. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 117.6: 839-851.

Ahmadi,M.Z. 1999. Use of piezometers to find the depth to impermeable layer in the design of drainage systems. Hydrological Sciences Journal. 44.1: 25-31.

Bear,J. 1972. Dynamics of Fluids in Porous Media. Elsevier, New York, 764 pp.

Bear,J. 1979. Hydraulics of ground water. McGraw-Hill, New York, N.Y. 567 pp.

Bouwer,H., Van Schilfgaarde,J. 1963. Simplified method of predicting fall of water table in drained lands. Trans. ASAE. 6.4: 288-291 and 296.

Chu,S.T., De Boer,D.W. 1976. Field and laboratory evaluation of bi-level drainage theory. Transation. ASAE. 19.3: 478-481.

Cooke,R.A., Badiger,S., Garcia,A.M. 2001. Drainage equations for random and irregular tile drainage systems. Agricultural Water Management. 48: 207-224.

Dagan,G. 1965. Steady drainage of two layered soil. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Division. ASCE. 91: 51-64.

Darzi-Naftchali,A., Mirlatifi,S.M., Shahnazari,A., Ejlali,F., Mahdian,M.H. 2013. Effect of subsurface drainage on water balance and water table in poorly drained paddy fields. Agricultural Water Management, 130: 61– 68.

Darzi-Naftchali,A and Shahnazari,A. 2014. Influence of subsurface drainage on the productivity of poorly drained paddy fields. European Journal of Agronomy. 56: 1-8.

De Boer,D.W., Chu,S.T. 1975. Bi-level subsurface drainage theory. Trans. ASAE. 18.4: 664-667.

Dieleman,P.J. 1974. Deriving soil hydrological constants from field drainage tests. In: Drainage Principle and Application, vol. III, Survey and Investigations, International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI) Wageningen, the Netherlands: 329-350.

FAO. 2014. FAO Statistical Year Book. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Bangkok, 195.

Garg,K.K., Das,B.S., Safeeq,M., Bhadoria,P.B.S. 2009. Measurement and modeling of soil water regime in a lowland paddy field showing preferential transport. Agricultural Water Management. 96: 1705–1714.

Grismer,M.E., Tod,I.C. 1991. Drainage of clay overlaying artesian aquifer. I: Hydrologic assessment. Journal of Irrigation and Drainage Engineering Division, American Society of Civil Engineers. 117.2: 255-270.

Hussein,M.H. 2015. Drainage Design Equation for Egyptian Vertisols. International Journal of Current Engineering and Technology. 5.4: 2550-2556.

Jung,K.Y., Yun,E.S., Park,K.D., Lee,Y.H., Hwang,J.B., Park,C.Y., Ramos,E.P. 2010. Effect of subsurface drainage for multiple land use in sloping paddy fields. In: 19th Congress of Soil Science, Soil Solutions for a Changing World, Brisbane, Australia.

Kacimov,A.R. 2000. Comment on the paper “An analytical solution for design of bi-level drainage systems” by A.K. Verma, S.K. Gupta, K.K. Singh, H.S. Chauhan. Agricultural Water Management. 46:193-200.

Kirkham,D., Van der Ploeg,R.R., Horton,R. 1997. Potential theory for dual depth subsurface drainage of ponded land. Water resources research. 33.7: 1643-1654.

Kumar,R., Bhakar,S.R., Singh,P.K. 2013. Evaluation of hydraulics characteristics and management strategies of subsurface drainage system in Indira Gandhi Canal Command. Agric Eng Int: CIGR Journal. 15.2: 1-9.

Liang,X.Q., Chen,Y.X., Li,H., Tian,G.M., Ni,W.Z., He,M.M., Zhang,Z.J. 2007. Modeling transport and fate of nitrogen from urea applied to a near-trench paddy field. Environmental Pollution J. 150: 313-320.

Nash,J.E., Sutcliffe,J.V. 1970. River flow forecasting through conceptual models-Part 1: A discussion of principles. Journal of Hydrology. 10: 282-290.

Ritzema,H.P. 1994. Drainage Principles and Applications. ILRI Publication 16, Second Edition (Completely Revised). The Netherlands. Chapter 8. Pp 263-304.

Sabti,N.A. 1989. Linear and nonlinear solution of the Boussinesq equation for the bi-level drainage problem. Agricultural Water Management. 16, 269-278.

Singh,B., O’Callaghan,J.R. 1978. Non-steady Drainage in a Layered Soil. Journal of agricultural Engineering Research.23, 417-427.

Singh,P.K., Singh,O.P., Jaiswal,C.S., Chauhan, H.S. 1999. Subsurface drainage of a three layered soil with slowly permeable top layer. Agricultural Water Management. 42, 97-109.

Toksoz,S., Kirkham,D. 1971. Steady drainage of layered soils. Part I. Theory. Journal of Irrigation and Drainage. Division. ASCE. 97.1: 1-18.

Verma,A.K., Gupta,S.K., Singh,K.K., Chauhan,H.S. 1998. An analytical solution for design of bi-level drainage systems. Agricultural Water Management. 37: 75-92.

Willmott,C.J., Robeson,S.M., Matsuura,K. 2012. A refined index of model performance. International Journal of Climatology. 32: 2088–2094.