ارایه رابطه‏ ای جامع برای نفوذ آب در خاک بر پایه روش مقیاس‏ سازی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب- دانشکده کشاورزی-دانشگاه فردوسی مشهد

2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

3 استادیار دانشگاه یوتا

چکیده

نفوذپذیری از مهم­ترین پارامترهای فیزیکی خاک است، که نقش مهمی در چرخه هیدرولوژی ایفا می‏کند. تغییرپذیری مکانی خاک­ها در تحلیل مسایل مربوط به جریان آب در خاک، در سطوح بزرگ مانند حوضه آبریز کاری بسیار مشکل و پرهزینه است. استفاده از روش‏های مقیاس‏سازی راه­حلی کاربردی در رابطه با مسایل تغییرپذیری خاک‏ها می‏باشد. بعد از ارایه نظریه محیط­های متشابه، روش‏های مقیاس‏سازی برای غلبه بر مشکل تغییرپذیری خاک‏ها ارایه شدند. در این تحقیق، معادله ریچاردز در گستره وسیع رطوبتی (رطوبت اشباع تا مقدار باقی­مانده رطوبت) برای خاک­های شنی حل شد و با استفاده از مقیاس‏سازی نتایج حاصل از حل این معادله، مقادیر نفوذ تجمعی مقیاس‏شده ارایه شد. این مقادیر با شکل سه­جمله­ای معادله فیلیپ تقریب زده شد و با استفاده از مدل­های رگرسیونی، به ازای هر جمله از این معادله، رابطه‏ای تجربی برای نفوذ آب در خاک ارایه شد. سپس با استفاده از دو خاک شنی و رسی و در رطوبت مشخص، عملکرد رابطه­ی تجربی برای دو سناریوی زمان مقیاس­شده 1/0 و 01/0 که شامل زمان­های کوتاه و طولانی می­باشند سنجیده شد. از میان چهار سناریوی موجود، بیش­ترین مقدار خطای جذر میانگین مربعات برابر 0053/0 برای خاک رسی و برای زمان­های طولانی به­دست آمد. علت بالا بودن این معیارنسبت به سایر سناریوها، تاثیر نیروی ثقل در زمان­های طولانی محاسبه شده بود که شرط کاربرد روش مقیاس­سازی مورد استفاده در پژوهش، عدم تاثیر نیروی ثقل بر نیروی مویینگی می­باشد. همچنین، رابطه نفوذ ارایه شده با مقایسه داده­های مزرعه‏ای اندازه‏گیری شده توسط بری و همکاران (Barry et al., 1995) روی خاک شنی با ارتفاع ثابت آب روی سطح خاک و بوهنه و همکاران (Bohne et al.,1993) که با استفاده از شبیه­ساز باران، آزمایش نفوذ را انجام دادند، روی دو خاک رسی در شرایط کشت شده و بدون پوشش مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که رابطه مذکور قادر است تخمین قابل­قبولی (با بیش­ترین خطای جذر میانگین مربعات 3%) نسبت به مقادیر اندازه­گیری شده نفوذ آب در خاک ارایه دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Comprehensive Approach to Water Infiltration Based on the Scale Method

نویسندگان [English]

  • Marjan Ghoochanian 1
  • bijan Ghahreman 2
  • ali naghi Ziaee 2
  • morteza Sadeghi 3
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad
2 Professor Department of Water Engineering ,College of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Respectively
3 Research Assistant Professor Utah State University
چکیده [English]

 Infiltration is one of the most important physical parameters of the soil, which plays an important role in the hydrological cycle. The locaton variability in analyzing issues of water flow in the soil, at large levels such as the catchment area, is very difficult and costly. The use of scaling methods is a practical solution to the problems of soil variability. After presenting the theory of similar environments, scaling methods were proposed to overcome the problem of soil variability. In this research, the Richards equation was solved in a wide range of moisture (saturated moisture up to the remaining moisture content) for sandy soil, and the scale of accumulated penetration values ​​was presented using the scaling of the results of solving this equation. These values ​​were approximated with the triple-form of the Philip equation and, using regression models, for each sentence of this equation, an empirical relation was established for water penetration in soil. Then, using two sandy soils and clay in a specific moisture, the experimental effect was measured for both scaled time scales of 0.1 and 0.01 which included short and long periods. Then, using two sandy soils and clay in a specific moisture, the experimental Efficiency was measured for both scaled time scales of 0.1 and 0.01 which included short and long periods evaluated. Of the four available scenarios, the highest mean square error value was obtained at 0.0053 for clay and for long periods of time. cuase to the fact that this criterion was high in relation to other scenarios, the effect of gravity was calculated in long periods of time. The condition of applying the scaling method used in the research is not the effect of gravity on the capillary force. Also, the influence of the proposed relationship with the comparison of field data measured by Barry et al. (1995) on a sandy soil with a fixed height of water on the soil surface of Boehne et al. (1993) using the Rain simulator , Conducted penetration tests on two clay soils under cultured and uncoated conditions was evaluated.      The results showed that the aforementioned relationship can provide an acceptable estimate (with the highest root mean square error of 3%) compared to the measured values of water penetration in the soil. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Infiltration
  • Philips three-dimensional equation
  • Richards equation
  • scaling
Barry,D.A., Parlange,J.Y., Haverkamp,R and Ross,P.J. 1995. Infiltration under ponded conditions: 4. An explicit predictive infiltration formula. Soil Science. 160 .1: 8-17.
Brooks,R.H and Corey,A.T. 1964. Hydraulic properties of porous media. Hydrology. Paper 3. Colorado State University., Fort Collins.
Reichardt,K., Nielsen,D.R and Biggar,J.W. 1972. Scaling of horizontal infiltration into homogeneous soils. Soil Science Society of America Journal. 36: 241-245.
Sadeghi,M., Ghahraman,B., Davary,K., Hasheminia,S.M and Reichardt,K. 2011. Scaling to generalize a single solution of Richards' equation for soil water redistribution. Scientia Agricola. 68.5: 582-591.
Sposito,G and Jury,W.A. 1985. Inspectional analysis in the theory of water flow through unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal. 49: 791-798.
Van Genuchten,M.T. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal. 44: 892-898.
Warrick,A.W and Amoozegar-Fard,A. 1979. Infiltration and drainage calculations using spatially
scaled hydraulic properties. Water Resources Research. 15: 1116-1120.
Wu,L and Pan,L. 1997. A generalized solution to infiltration from single-ring infiltrometers by
scaling. Soil Science Society of America Journal. 61: 1318-1322.
Youngs,E.G and Price,R.I. 1981. Scaling of infiltration behavior in dissimilar porous materials, Water Resources Research. 17: 1065-1070