شبيه‌سازي شوري خاك تحت منبع خطي در يك خاك ناهمگن و در شرايط غيرماندگار

Simulation of heterogeneous soil salinity under unsteady condition from a line source

سابقه و هدف: محدوديت منابع آب در برخي مناطق، موجب كاربرد آب‌هاي نامتعارف و استفاده از سامانه‌هاي آبياري با راندمان بالا نظير آبياري قطره‌اي شده است. عدم مديريت صحيح در مصرف منابع آب، منجر به افزايش تجمع نمك در سطح خاك گرديده است. به سبب محدوديت‌هاي اجرايي مانند بالابودن هزينه و زمان‌بر بودن آزمايش‌هاي مزرعه‌اي، استفاده از مدل‌هاي شبيه‌ساز براي مطالعه سناريوهاي مختلف مديريتي توصيه مي‌شود. هدف پژوهش حاضر بررسي حركت نمك در مقياس مزرعه‌اي و حالت غيرماندگار براي يك خاك سنگين ناهمگن با برآورد همزمان پارامترهاي هيدروليكي و انتقال املاح خاك به روش حل معكوس توسط مدل HYDRUS-2D مي‌باشد. مواد و روش‌ها: سامانه آبياري قطره اي نواري به‌عنوان منبع خطي اجرا شد و با شوري‌هاي 279/1، 5/2 و 5 دسي‌زيمنس بر متر آبياري انجام گرديد. 48 ساعت پس از اتمام آبياري، نيم‌رخ خاك تا عمق 40 سانتي‌متري حفر گرديد و شبكه‌بندي با ابعاد 10 × 10 سانتي‌متر انجام شد. براي بررسي وضعيت املاح، نمونه‌برداري از زير تِيپ و فاصله افقي 20 سانتي‌متري از جانب تِيپ براي تعيين شوري عصاره اشباع خاك (ECe) صورت گرفت. مقادير ECe مشاهده‌اي حاصل از آزمايش‌هاي ميداني و شبيه‌سازي شده با مدل توسط آماره‌هاي nRMSE و CRM مقايسه شدند. يافته‌ها: شوري خاك شبيه‌سازي‌شده اندكي كم‌تر از مقادير مشاهده‌اي به‌دست آمد. همچنين مشاهده گرديد كه بيش‌ترين مقدار شوري در لايه سطحي خاك وجود دارد؛ بنابراين اين امر مي‌تواند نشان‌دهنده لزوم آبشويي نمك‌ها در مواردي هم‌چون مراحل اوليه رشد گياه كه حساسيت به شوري بيش‌تر است، باشد. براساس برآورد حل معكوس توسط مدل HYDRUS، ضريب انتشارپذيري طولي (DL) بين 57/24 تا 56/39 و ضريب انتشارپذيري عرضي (DT) بين 1298/0 تا 2680/5 به‌دست آمد. اين تفاوت‌هاي مشاهده شده در ضرايب انتشارپذيري در شوري‌هاي مختلف مي‌تواند ناشي از ناهمگني خاك و تغييرات مكاني زياد پارامترهاي انتقال در خاك باشد. محدوده nRMSE براي زير تِيپ بين 79/2 تا 49/18 درصد و براي جانب تِيپ بين 08/3 تا 20 درصد به‌دست آمد كه در رده عالي تا خوب قرار مي‌گيرد. محدوده CRM در زير تِيپ 049/0- تا 097/0 و در جانب تِيپ 065/0- تا 081/0 به‌دست آمد. نتيجه‌گيري: علي‌رغم وجود بافت خاك سنگين و ناهمگن در منطقه مورد مطالعه، طبق شاخص‌هاي آماري محاسبه شده، مدل توانست با برآورد پارامترهاي هيدروليكي و انتقال املاح به روش حل معكوس با كيفيت قابل‌قبولي شبيه‌سازي شوري را انجام دهد؛ بنابراين مي‌توان از اين مدل به‌عنوان ابزاري مناسب، براي طراحي و مديريت آبياري قطره‌اي نواري با آب شور و لب‌شور استفاده كرد.

Background and Objectives: Limitation of water resources has led to unusual waters applications and the use of high-efficiency irrigation systems such as drip irrigation in some areas. The mismanagement of water resources has caused the high accumulation of salts in the soil. Due to the executive limitations of field experiments such as high cost and time-consuming, using simulator models for studying different management scenarios is recommended. Purpose of this research is evaluation of the salt transport in heterogeneous heavy soil and unsteady conditions with estimating hydraulic and solute transport parameters using inverse solution with the HYDRUS-2D model. Materials and Methods: Drip irrigation system was applied as a line source and was done with water salinity of 1.279, 2.5 and 5 dS/m. Soil profiles were drilled to 40cm depth and networking with dimensions of 10 × 10 cm was performed. 48 hours after irrigation. In order to check the status of solute, sampling from beneath the tape and horizontal distance of 20 cm from the tape was used to determine the salinity of the soil saturation extract. ECe observed values of field experiments were compared with ECe simulated values using statistical indices i.e. nRMSE and CRM. Results: Simulated soil salinity values were slightly lower than the observed values. Also it was observed that the maximum amount of salinity was in the surface layer of soil, which could indicate the need for salt leaching in cases such as the early stages of plant growth which is more sensitive to salinity. According to HYDRUS model estimations, ranges of longitude dispersion coefficient (DL) and transverse dispersion coefficient (DT) were between 24.57-39.56 (cm) and 0.1298-5.2680 (cm), respectively. These differences in coefficients of different may be due to the soil heterogeneity and the high spatial variability in soil transformation parameters. Ranges of nRMSE for beneath the tape and the horizontal distance were between 2.79-18.49% and 3.084-20%, respectively. Simulations placed in good to excellent category. Ranges of CRM for beneath the tape were between -0.049 and 0.097 and the horizontal distance were between -0.065 and 0.081. Conclusion: Despite heavy soil texture and soil heterogeneity in the study area and according to statistical indices i.e. nRMSE and CRM, HYDRUS-2D model could estimate satisfactorily the hydraulic and the solute transport parameters using inverse solution and simulated salinity with good quality; Thus, this model can be used as a suitable tool for the design and management of drip irrigation with saline and brackish water.