ارزيابي برخي توابع انتقالي براي شبيه‌سازي جريان غيرماندگار آب در خاك

Evaluating some pedotransfer functions for simulation of transient water flow in soil

بيان كمّي ويژگي هاي هيدروليكي خاك براي هر گونه برنامه ريزي در حفاظت از منابع آب و خاك ضروري است. ويژگي هاي هيدروليكي خاك، ورودي هايي مهم براي مدل سازي جريان آب و انتقال املاح در خاك هستند. بدليل زمان بر و پرهزينه بودن روش هاي مستقيم اندازه گيري اين ويژگي ها، توابع انتقالي خاك (PTFs) به طور گسترده و موفق براي برآورد آنها استفاده شده اند. با اين حال، تلاش هايي اندك در زمينه ارزيابي كاربردي دقت برآوردهاي حاصل از PTFها در شبيه سازي جريان غيرماندگار آب در خاك صورت گرفته است. در اين پژوهش، منحني رطوبتي يك خاك رسي توسط برخي از PTF هاي محلّي و جهاني برآورد گرديد. منحني رطوبتي خاك همچنين با روش مستقيم در آزمايشگاه اندازه گيري شد. اعتبار PTF هاي مورد مطالعه از نظر برآورد منحني رطوبتي خاك بررسي شد. با وارد كردن هر دو پارامترهاي برآورد شده و اندازه گيري شده منحني رطوبتي به برنامه HYDRUS-1D، جريان آب در اين خاك شبيه سازي و دقت كاربردي PTF ها از نظر شبيه سازي جريان آب در خاك به طور كمّي مقايسه شد. نتايج بدست آمده نشان داد كه هر دو PTF جهاني (رزتا) با ميانگين مربعات خطاي (RMSE) كمتر از cm3cm-3 025/0 و برخي PTF هاي منطقه اي (قرباني-1) با cm3cm-3 014/0RMSE < ، مي توانند منحني رطوبتي خاك سطحي را به گونه اي مناسب برآورد كنند. براي برآورد منحني رطوبتي خاك زيرسطحي مقدار RMSE براي توابع جهاني بزرگتر از cm3cm-3 107/0 و براي توابع محلّي در محدوده cm3cm-3 356/0 – 036/0 بود. با اين حال، براي شبيه سازي جريان آب در خاك، گروه ديگري از PTF ها كارآمدتر بودند. مقادير RMSE تابع قرباني اصلاح شده براي شبيه سازي مقدار رطوبت خاك سطحي و زيرسطحي به ترتيب 025/0 و 055/0 cm3cm-3 بود. مقدار RMSE توابع وستن (1999، 1997) نيز براي خاك سطحي بزرگتر از 149/0 و براي خاك زيرسطحي كوچكتر از 058/0 cm3cm-3 بود. مقدار RMSE شبيه سازي شده با منحني رطوبتي اندازه گيري شده در آزمايشگاه براي خاك سطحي و زيرسطحي به ترتيب 013/0 تا 040/0 cm3cm-3 بود. مي توان نتيجه گيري كرد كه در ارزيابي اعتبار PTF ها بايد به نوع كاربردي كه قرار است از PTF ها داشته باشيم، توجه شود. يك PTF مي تواند براي برآورد منحني رطوبتي خاك دقت كافي داشته باشد ولي براي برآورد گستره خاص ?(h) حاكم بر فرايند بازتوزيع رطوبت در خاك، دقيق نباشد. استفاده از چنين PTF ي مي تواند منجر به ايجاد خطاهاي بالايي در شبيه سازي مقدار رطوبت خاك گردد.

Quantitative description of soil hydraulic properties is necessary for any scheduling related to soil and water resources conservation. Soil hydraulic properties are important inputs for simulation of water flow and solute transport in soil. Since direct measurement of these properties is time consuming and costly, pedotransfer functions (PTFs) have been widely and successfully used for their prediction. Yet, little efforts have been made for functional evaluation of PTFs predictions for application in simulating transient soil water flow. In this study, soil water retention curve (SWRC) of a clay soil was predicted, using some selected local and global PTFs. SWRC was also measured in the laboratory by direct method. Validity of studied PTFs in terms of prediction of SWRC was examined. By applying both predicted and measured hydraulic parameters to HYDRUS-1D program for simulation of soil water flow, functional behavior of PTFs was quantitatively compared in terms of simulation of water flow in soil. The obtained results indicated that both the selected global PTFs (Rosetta) with root mean square error (RMSE) < 0.025 cm3cm-3 and some regional PTFs (Ghorbani-1) with RMSE < 0.014 cm3cm-3 can reasonably well predict SWRC of soil surface. For prediction of SWRC of subsurface soil, the RMSE value of global PTFs was larger than 0.107 cm3cm-3 and was ranged from 0.036 to 0.356 cm3cm-3 for the local PTFs. However, for simulation of soil water flow a different set of PTFs was most efficient. RMSE values of adjusted Ghorbani PTF (S-Gh&H (Adj.)) for simulation of water content of surface and subsurface soils were 0.025 and 0.055 cm3cm-3, respectively. RMSE value of Wosten (1997, 1999) PTFs for surface soil was larger than 0.149 cm3cm-3 and for subsurface soil was less than 0.058 cm3cm-3. Simulation with the measured SWRC had RMSE values of 0.013-0.040 cm3cm-3 for surface and subsurface soils, respectively. It can be concluded that when validating PTFs, one should consider the objective for which the PTFs are assessed. A PTF might be accurate enough for predicting SWRC, but not for particular ?(h) range governing the soil water redistribution process. Using such PTFs might lead to large errors in simulating soil water content.