تحليل عددي و تجربي پيشروي جبهه رطوبتي خاك در آبياري قطره‌اي با استفاده از مدل‌سازي شبكه‌منفذي

Numerical and Experimental Analyses of Soil Wetting Patterns Under Drip Irrigation Using Pore Network Modeling

در سيستم‌هاي جريان دوفازه نظير جريان آب و هوا در محيط متخلخل، مشخصات جريان به توزيع مكاني فازها در فضاي منفذي بستگي دارد. در مقياس منفذي، توزيع فازها توسط نيروهاي كاپيلاري كه به توزيع منافذ، كشش سطحي و مقدار خيس شدگي بستگي دارد، كنترل مي‌شوند. به همين دليل، رابطه بين فشار كاپيلاري و درجه اشباع در شبيه‌سازي جريان آب در محيط متخلخل اهميت زيادي دارد. در اين راستا، مدل‌هاي شبكه‌منفذي ديناميك مي‌توانند نقش حايز اهميتي در پيش‌بيني رابطه فشار كاپيلاري و درجه اشباع داشته باشند. در مطالعه حاضر، نتايج حاصل از مدل‌سازي عددي شبكه‌منفذي كه فضاهاي خالي خاك را به وسيله شبكه‌اي از جسم‌هاي منفذي متصل شده با مجاري منفذي، ارايه مي‌كند، براي محاسبه رابطه ماكروسكوپيك فشار كاپيلاري و درجه اشباع استفاده شده است. سپس با استفاده از رابطه حاصل از مدل‌سازي شبكه‌منفذي و حل عددي معادله ديفرانسيلي ريچاردز با استفاده از تكنيك تفاضلات محدود، پيشروي جبهه رطوبتي در آبياري قطره‌اي شبيه‌سازي شده است. همچنين، پيشروي جبهه رطوبتي حاصل از آبياري قطره اي در يك تانك آزمايشگاهي حاوي خاك شني در سه دبي 2، 4 و 6 ليتر بر ساعت و زمان‌هاي 20، 40، ... و 360 دقيقه از شروع آبياري مورد بررسي قرار گرفت. عملكرد مدل‌سازي شبكه‌منفذي با مقايسه پيشروي جبهه رطوبتي شبيه‌سازي شده با نتايج آزمايشگاهي و شبيه‌سازي شده توسط بسته نرم‌افزاري هايدورس مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج حاصل از مقايسه داده‌هاي آزمايشگاهي با داده‌هاي پيش‌بيني شده با استفاده از پارامترهاي آماري نشان دادند كه مدل شبكه‌منفذي در هر سه دبي مذكور دقت بيشتري نسبت به نرم‌افزار هايدروس دوبُعدي در برآورد عمق جبهه رطوبتي دارد. به استثناي حالت مربوط به كاربرد دبي 2 ليتر بر ساعت، روند مشاهده شده در برآورد عمق جبهه رطوبتي در خصوص شعاع جبهه رطوبتي از قطره‌چكان نيز صادق بوده و مدل شبكه‌منفذي خطاي به مراتب كمتري نسبت به نرم‌افزار هايدروس دوبُعدي در پيش‌بيني شعاع جبهه رطوبتي نشان داد.

In multiphase flow systems of two immiscible fluids like air and water in a porous medium, e.g. an unsaturated soil, the flow properties depend on the amount and the spatial distribution of the phases within the pore spaces. At the pore scale, the phase distribution is controlled by the capillary forces depending on the pore size, surface tension, and wettability. For that reason, the relationship between the capillary pressure and liquid saturation (Pc–Sw relationship) is of high importance for the simulation of water flow in unsaturated soils. In this regard, dynamic pore network models can play a valuable role in predicting capillary pressure-saturation relationship. In the present study, numerical results from a dynamic pore network model which represents the void spaces of an unsaturated soil by a lattice of pores connected by throats are used to determine macroscopic relationships between capillary pressure and fluid saturations. Then using the resulted relationships from the pore network modeling and solving the partial differential Richardsʹ equation using finite difference scheme, wetting patterns of drip irrigation have been simulated. Also, soil wetting patterns resulted from drip irrigation were investigated in laboratory experiments in a sandy soil with three dripper discharges rates of 2, 4 and 6 L.h-1 and different time intervals of 20, 40,… and 360 min. The performance of pore network model was evaluated by comparing the simulated wetting patterns with those of observed and simulated by HUDRUS software package. The results of current research showed that the pore network model for each of above-mentioned discharge rates had higher precision in comparison to HYDRUS model estimates of wetted pattern’s depth. With the exception of discharge rate of 2 L.h1, observed trend has been similar for estimation of wetted pattern’s radius and pore network model showed less error in comparison to HYDRUS model in estimation of wetted pattern’s radius.