شبيه‌سازي نفوذ آب در خاك با استفاده از نرم‌افزار Hydrus1D و داده‌هاي صحرايي

Simulation of water infiltration in the soil using HYDRUS-1D software and field data

سابقه و هدف: در پژوهش حاضر از نرم‌افزار هايدروس يك بعدي براي برآورد پارامترهاي هيدروليكي مدل ون‌گنوختن معلم ‌‌‌‌‌‌و شبيه‌سازي نفوذ آب در خاك در چهار ايستگاه اطراف دانشگاه گنبد كاووس، درياچه مصنوعي، كلاله و نگين‌ شهر با بافت خاك لوم به روش معكوس، استفاده شد. مواد و روشها‌: براي اين منظور سه گزينه با تعداد متفاوت پارامترهاي هيدروليكي انتخاب شده براي فرايند بهينه‌سازي تعريف شد. در گروه اول تنها از داده‌هاي نفوذ‌ تجمعي اندازه‌گيري ‌شده به عنوان ورودي نرم‌افزار استفاده شد. در گروه دوم مقدار رطوبت خاك اندازه‌گيري‌شده در پتانسيل ماتريك 0/3 اتمسفر(FC) ( و در گروه سوم از ميزان رطوبت در مكش 15 اتمسفر (PWP) به عنوان داده‌هاي تكميلي براي حل‌ معكوس در كنار داده‌هاي نفوذ‌ تجمعي، استفاده شد. پس از بهينه‌سازي پارامترهاي هيدروليكي خاك، با استفاده از نرم‌افزار هايدروس تغييرات نفوذ با زمان شبيه‌سازي شد. يافته ها: در ايستگاه كلاله مقدار بهينه پارامتر رطوبت اشباع (sø)، رطوبت باقيمانده (rø) و عكس مكش ورود هوا به خاك(α) به ترتيب برابر 0/34، 0/033 و 0/014 به دست آمد. در ايستگاه نگين‌شهر مقدار بهينه پارامتر مكش ورود هوا به خاك (α)‌، شكل منحني رطوبتي (n) و هدايت هيدروليكي اشباع خاك (ks) به ترتيب 0/006، 1/42 و 0/014 سانتي متر بر دقيقه به دست آمد. در ايستگاه درياچه مصنوعي مقدار بهينه پارامتر عكس مكش ورود هوا به خاك (α)‌، شكل منحني رطوبتي (n) و هدايت هيدروليكي اشباع خاك (ks) به ترتيب 0/015، 1/39 و 0/016 سانتي‌متر بر دقيقه به دست آمد. در ايستگاه دانشگاه مقدار بهينه پارامتر هدايت هيدروليكي اشباع خاك (ks) و عكس مكش ورود هوا به خاك (α) به ترتيب برابر 0/013 سا نتي‌متر بر دقيقه و 0/008 به دست آمد. پس از بهينه سازي پارامتر‌هاي هيدروليكي خاك، با استفاده از نرم‌افزار هايدروس تغييرات نفوذ با زمان شبيه‌سازي شد. نتايج نشان داد كه نرم‌افزار هايدروس نفوذ‌تجمعي را به خوبي شبيه‌سازي كرده است و با گذشت زمان ميزان نفوذ را كمي بيشتر از داده‌هاي مزرعه اي پيش‌بيني نموده است. در ايستگاه كلاله بين داده‌هاي نفوذ مزرعه‌اي و نرم‌افزار هايدروس با ضريب R2 بالا (0/98) و RMSE كم (9/11 سانتي‌متر) همبستگي بيشتري وجود داشت و داده‌هاي پيش‌بيني شده توسط نرم‌افزار تقريبا" با داده‌هاي مزرعه‌اي برابر بود. در ايستگاه نگين‌شهر تفاوت داده‌هاي مزرعه‌اي و نرم‌افزار هايدروس بيشتر بود. نتيجه گيري: با توجه به نتايج به دست آمده، نرم‌افزار هايدروس داده‌هاي نفوذ را كمي بيشتر از ميزان واقعي پيش‌بيني كرده است. در همه ايستگاه‌ها مقدار R2 بالا بوده كه نشان‌دهنده همبستگي متوسطي بين داده‌هاي مزرعه‌اي و نرم‌افزار هايدروس مي باشد.

Background and objectives: In the present study, HYDRUS 1D software was used to estimate the hydraulic parameters of the Van Genuchten- Moalem model and simulation of water infiltration in soil of four stations of Gonbad University, Artificial Lake, Kalaleh and Negin Shahr with loam soil texture by reverse method. Materials and methods: For this purpose, three groups with a different number of hydraulic parameters selected for the optimization process were defined. In the first group, only the cumulative penetration data measured as software input was used. In the second group, the soil moisture content measured at 0.3 atmospheres (FC) and in the third group, the amount of moisture in the 15 atmospheric suction (PWP) as supplementary data for the inverse solution along with the data cumulative infiltration was used. After optimization of hydraulic parameters of soil, change of water infiltration with time simulated by HYDRUS 1D. Results: In kalaleh station, optimized parameters øs, ø r and α value 0.34, 0.027 and 0.014 obtained. In neginshar, optimized parameters α, n and ks parameters 0.0075, 1.52 and 0.012cm/min obtained. In Artificial Lake optimized parameters α, n and ks parameters 0.011, 1.39 and 0.016 cm/min obtained. In Gonbad university station optimized parameters value ks and α value 0.011cm/min and 0.005 obtained. After optimizing the hydraulic parameters of the soil, using HYDRUS software, water infiltration simulated with time. The result showed that Hydrus software predicted the data to be slightly higher than the actual amount. The results showed that at all stations, the R2 value is high, indicating a high correlation between field data and Hydrus software. In the kalaleh station, there was a greater correlation between field infiltration data and Hydrus software with high R2 coefficient (0.997) and the predicted data by the software was approximately with field data was equal. an‎d at Negin shahr station, the difference between field data and Hydrus software simulated data was higher. Conclusion: At all stations, the R2 value is high, indicating a high correlation between field data and Hydrus software. In the kalaleh station, there was a greater correlation between field infiltration data and Hydrus software and the predicted data by the software was approximately with field data was equal. At Negin shahr station, the difference between farm data and Hydrus software was higher. According to the results Hydrus software simulated cumulative infiltration well and with over time, the infiltration rate was slightly higher than field data.