تخمين منحني مشخصه با پس ماند رطوبتي به روش معكوس و مدل هاي اسكات و معلم در دو خاك مختلف

Estimating Soil Water Retention Curve Including Hysteresis Using Inverse Modeling and Scottʹʹs and Mualemʹʹs Models in two Different Soils

حركت آب در خاك هاي غيراشباع معمولاً توسط پديده پس ماند رطوبتي تحت تاثير قرار مي گيرد. اما اغلب در توصيف انتقال آب و املاح، از اين پديده صرف نظر مي شود. هدف از اين تحقيق، تخمين پس ماند رطوبتي در مقياس لايسيمتري در دو خاك لوم سيلتي و لوم شني و مقايسه مدل تجربي اسكات و مدل مفهومي معلم بود. سه لايسيمتر خاك دست نخورده (با قطر حدود 80 سانتي متر و ارتفاع 105 سانتي متر) از هر كدام از خاك-هاي مورد مطالعه تهيه و حركت آب در خاك براي شرايط مرزي مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. هر يك از لايسيمترها به وسايل اندازه گيري مختلف براي اندازه گيري رطوبت خاك، مكش ماتريك و شدت جريان خروجي مجهز شدند. در هريك از لايسيمترها، 4 آزمايشِ پيوسته جريان غيراشباع آب در خاك انجام شد. ويژگي هاي هيدروليكي خاك با و بدون لحاظ پس ماند رطوبتي به روش معكوس توسط مدل WAVE و الگوريتم جستجوي مختصات چندگانه عمومي (GMCS-NMS) تعيين شدند. پس ماند رطوبتي با استفاده از مدل تجربيِ اسكات و مدل مفهومي معلم نيز مدل سازي شد. نتايج اندازه گيري شده و مدل سازي هاي عددي حاكي از وقوع پس ماند رطوبتي در هر دو خاك بود. تاثير پس ماند رطوبتي در خاك-هاي مورد مطالعه بر مولفه هاي مختلف حركت آب در خاك (مكش ماتريك، رطوبت خاك و شدت جريان) متفاوت بود. منحني مشخصه رطوبتي، مكش ماتريك و رطوبت خاك به شدت در دو خاك مورد مطالعه تحت تاثير پس ماند رطوبتي قرار گرفتند. ولي شدت جريان خروجي در هر دو خاك نسبت به پس ماند رطوبتي حساسيت كمتري داشت. در مجموع، مدل تجربي اسكات بهتر از مدل مفهومي معلم در مطالعه پس ماند رطوبتي در دو خاك مورد آزمايش موفق بود.

Water movement in unsaturated soils is commonly affected by hysteresis which is often ignored in the mathematical description of water flow and solute transport. In this study, hysteresis in soil water retention curve was quantified at lysimeter scale in sandy loam and silty loam soils and results of the Scott’s and Mualem’s models were compared. Three undisturbed soil monoliths (80 cm diameter by 105 cm height) were collected for each soil and water movement was studied for various boundary conditions. Monoliths were equipped with different measuring devices to monitor soil water contents, pressure heads, and outlet water fluxes. Four unsaturated steady state water flow experiments were conducted on each monolith. Hydraulic properties were determined by inverse method using the WAVE model and a global multilevel coordinate search inversion algorithm. First soil hydraulic parameters in the soil water retention and hydraulic conductivity functions were estimated neglecting hysteresis and compared with the functions obtained using approaches considering hysteresis. Hysteresis was simulated using the simple empirical model proposed by Scott and using the universal conceptual model of Mualem. Results of measured and modeling data indicated that hysteresis was observed in both soils. The effect of hysteresis was different on various components of water flow (i.e., pressure head, water content, and water flux) in two studied soils. Water retention curves, pressure head, and water content were significantly influenced by hysteresis in both soils. The Scottʹs model considerably improved pressure head estimates in the silty loam soil and Mualemʹs model somewhat improved the soil water content estimates in the sandy loam soil. Outlet water fluxes in both soils were less sensitive to hysteresis. In general, the simple hysteretic model of Scott was more successful in studying hysteresis in both studied soils.