ارزیابی روش استوانه های دوگانه در اندازه گیری نفوذ عمودی آب به خاک در بافت های مختلف با استفاده از نرم افزار HYDRUS

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم خاک،دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 گروه خاکشناسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد

3 بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی اصفهان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، اصفهان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: نفوذپذیری یکی از پارامترهای مهم خاک می‌باشد، که بر روی بسیاری از فرآیندهای هیدرولوژیکی حوزه‌های آبخیز تاثیرگذار است. اهمیت نفوذ سبب شده تا روش‌های صحرایی و آزمایشگاهی مختلفی به منظور اندازه گیری این فرایند مورد استفاده قرار گیرد. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری نفوذ آب به خاک وجود دارد که اساس کلیه آنها بر اندازه‌گیری جریان عمودی آب به خاک استوار است. یکی از روش‌های استاندارد اندازه‌گیری نفوذ آب به خاک، روش نفوذسنج‌های استوانه-دوگانه است. در این روش فرض بر آن است که استوانه خارجی مانع از ایجاد جریان جانبی و بوجود آوردن جریان کاملا عمودی در خاک می‌شود. لذا پژوهش حاضر به منظور ارزیابی روش نفوذسنج استوانه دوگانه در اندازه‌گیری نفوذ عمودی آب به خاک در مقایسه با داده‌های نفوذ عمودی واقعی شبیه‌سازی شده با استفاده از نرم‌افزار HYDRUS-1D انجام گرفته شد.
مواد و روش: در این پژوهش، داده‌های نفوذ آب به خاک در چندین منطقه از کشور با بافت‌های مختلف با استفاده از روش نفوذسنج استوانه دوگانه اندازه‌گیری شد، سپس شرایط نفوذ آب به خاک در محیط نرم‌ا‌فزار HYDRU-1D برای مناطق مورد نظر، شبیه‌سازی و داده‌های نفوذ عمودی آب به خاک به روش حل مستقیم معادله ریچاردز استخراج شدند. جهت کمی کردن پارامترهای هیدرولیکی در معادله ریچاردز از مدل ون‌گنوختن-معلم استفاده گردید. بدین منظور پارامترهای هیدرولیکی مدل ون‌گنوختن-معلم با استفاده از روش حل عددی معکوس در نرم‌افزار HYDRUS، برای خاک هر منطقه بهینه سازی شد و مورد استفاده قرار گرفت. ارزیابی داده‌های اندازه‌گیری شده با استفاده از آماره‌های میانگین خطا (ME)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، ضریب تبیین (R2) و ریشه میانگین مربعات نرمال شده (NRMSE) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج مقایسه داده‌های شبیه‌سازی شده با استفاده از نرم‌افزار هایدروس با داده‌های اندازه‌گیری‌شده از طریق آزمایش استوانه‌های دوگانه نشان داد که نفوذ اندازه‌گیری‌شده در روش استوانه‌های دوگانه بسیار بیشتر از نفوذ عمودی آب به خاک است. نفوذ اندازه‌گیری شده در تمام بافت‌ها دارای اختلاف زیادی نسبت به داده‌های شبیه‌سازی شده بود. در روش استوانه دوگانه کمترین میزان خطا در اندازه‌گیری نفوذ آب به خاک ، در بافت لوم شنی که یک بافت سبک می‌باشد مشاهده شد. مقادیر آماره‌های ضریب تبیین، ریشه میانگین مربعات خطا، میانگین خطا و ریشه میانگین مربعات نرمال‌شده (R2، RMSE، ME و NRMSE) در این بافت به ترتیب برابر با 87/0، 51/8، 45/4-، 18/0 بود.
نتیجه‌گیری: در اندازه‌گیری نفوذ آب به خاک به روش استوانه‌های دوگانه اندازه استوانه‌های مورد استفاده و همچنین فضای بافری بین دو استوانه از اهمیت زیادی برخوردار است. بنابراین استفاده از استوانه‌هایی با اندازه‌های متفاوت بر مقادیر نفوذ نهایی تاثیرگذار است. روش نفوذسنج استوانه دوگانه در بافت شنی از خطای پایین‌تری نسبت به بافت‌های سنگین برخوردار است و سهم نفوذ جانبی در این بافت کمتر می‌باشد. بنابراین نفوذسنج استوانه دوگانه در بافت‌های سبک از دقت بالاتری برخوردار است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of double-ring infiltrometers method for measuring the vertical infiltration in different soil textures using HYDRUS

نویسندگان [English]

  • asma Mousavi dehmurdi 1
  • shoja ghorbani dashtaki 2
  • parisa mashayekhi 3
1 Soil science, Faculty of agriculture, Shahrekord University, shahrekord, iran
2 Department of Soil Science, Faculty of agriculture, Shahrekord University, shahrekord, iran
3 Soil and Water Research Department, Isfahan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center. Agricultural Research, Education and Extension organization (AREEO), Isfahan, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Infiltration is one of the important parameters of the soil, which affects many hydrological processes in the watersheds. The importance of the Infiltration has led to various laboratory methods used to measure this process. Various methods have been developed for measuring the infiltration, which are based on the measurement of the vertical flow of water to the soil. One of the standard methods for measuring infiltration, is double-ring infiltrometers method. In this method, it is assumed that the external cylinder prevents lateral flow and creates a completely vertical flow in the soil. Therefore, the present study was conducted to evaluate the double-ring infiltrometers method for measuring the vertical infiltration compared to actual vertical infiltration data simulated using HYDRUS-1D software.
Materials and methods: In this study, in order to evaluate the double- ring infiltration data, infiltration was measured in several regions with different soil textures by double- ring infiltrometers. Then, HYDRUS-1D numerical model was used to simulate infiltration and the vertical infiltration data were obtained through forward solution of the Richards equation. van Genuchten-Mualem model was used to quantitatively soil hydraulic properties of the Richards equation. In order to the hydraulic parameters of van Genuchten-Mualem model were optimized using inverse modeling in the HYDRUS, for each region's soil Assessment of measured data was performed using mean error (ME), root mean square error (RMSE), coefficient of determination (R2) and normalized mean square root (NRMSE).
Findings: Comparison of simulated and measured infiltration data showed that double ring infiltration data is much higher than the simulated vertical infiltration data. The measured infiltration data in all soil texture was much different from that of simulated data. The lowest error in the measurement of vertical infiltration was observed in sandy loam soil that is a light texture. The values of coefficient of determination, root mean square error, mean error and normalized mean square root (R2, RMSE, ME and NRMSE) were 0.87, 8.51, -4.45, and 0.18 respectively in this texture.
Conclusion: In measuring the infiltration of a double-rings, the size of the cylinders used, as well as the buffer index, is of great importance. Therefore, the use of cylinders of different sizes influences on the final infiltration values. The double-ring infiltrometers method has a lower error in the Sandy texture than heavy texture and the contribution of lateral infiltration is less in this texture. Therefore, the double-ring infiltrometers has a higher accuracy in light texture.

کلیدواژه‌ها [English]

  • HYDRUS-1D
  • infiltration
  • Richards equation
  • simulation
1.Ahuja, L.R., EL-Swaify, S.A., and Rahman, A. 1976. Measuring hydrologic properties of soil
with a double-ring infiltrometer and multiple-deph tensiometers. Soil Science Society of
American. 40: 4. 494-499.
2.Alley, W.M. 2009. Groundwater Resources: Sustainability, Management and Restoration.
Groundwater. 47: 4. 479-479.
3.Chowdary, V.M., Rao, M.D., and Jaiswal, C.S. 2006. Study of infiltration process under
different experimental conditions. Agricultural Water Management. 83: 69-78.
4.Cook, F.J. 2002. The twin-ring method for measuring saturated hydraulic conductivity and
sorptivity in the field. P 108-118, McKenzie, N. Coughlan, K. and H. Cresswell (ed.), Soil
physical measurement and interpretation for land evaluation. CSIRO Publishing.
5.Droogers, P., Akbari, M., Torabi, M., and Pazira, E. 2000. Exploring field scale salinity using
simulation modeling, Example for Rudasht area, Esfahan Province, Iran. IAERI-IWMI
Research Reports. 2: 16.
6.Duiker, S.W., Flanagan, D.C., and Lal, R. 2001. Erodibility and Infiltration characterstics of
fire major soils of southwest Spain. Catena. 45: 2. 103-121.
7.Essig, E.T., Corradini, C., Morbidelli, R., and Gonindraju, S. 2009. Infiltration and deep
flow over sloping sirfaces: Comparison of numerical and experimental results. J. Hydrol.
374: 1. 30-42.
8.Fatehnia, M., Tawfiq, K., and Abichou, T. 2014. Comparison of the methods of hydraulic
conductivity estimation from mini disk infiltrometer. Elec. J. Geotech. Engin. 19: 1047-1063.
9.Gregory J.H., Dukes, M.D., Miller, G.L., and Jones, P.H. 2005. Analysis of Double-Ring
Infiltration Techniques and Development of a Simple Automatic Water Delivery System.
Applied Turfgrass Science. 2: 1. 0-0.
10.Ho, R. 2006. Handbook of Univariate and Multivariate Data Analysis and Interpretation with
SPSS, CRC Press.
11.Huang, J., Wu, P., and Xining, Z. 2013. Effects of rainfall intensity, underlying surface and
slope gradient on soil infiltration under simulated rainfall experiments. Catena. 104: 93-102.
12.Lai, J., and Ren, L. 2007. Assessing the size dependency of measured hydraulic conductivity
using double-ring infiltrometers and numerical simulation. Soil Sci. Soc. Amer. J.
71: 6. 1667-1675.
13.Lai, J., Luo, Y., and Ren, L. 2010. Buffer index effects on hydraulic conductivity
measurements using numerical simulations of double-ring infiltration. Soil Sci. Soc. Amer. J.
74: 5. 1526-1536.
14.Mashayekhi, P., Ghorbani-Dashtaki, S., Mosaddeghi, M.R., Shirani, H., Panahi, M., and
Nouri, M.R. 2017. Estimation of soil hydraulic parameters using double-ring infiltrometer
data via inverse method. Iran. J. Soil Water Res. 47: 4. 829-838. (In Persian)
15.Mashayekhi, P., Ghorbani-Dashtaki, S., Mosaddeghi, M.R., Shirani, H., Panahi, M., and
Nouri, M.R. 2017. Inverse Estimation of the Soil Water Retention Curve Parameters Using
Double-Ring Infiltration Data. Applied Soil Research. 4: 2. 26-37.
16.Mashayekhi, P. 2016. Estimation of soil hydraulic properties using double-ring infiltrometer
data via inverse solution. Ph.D. dissertation, Univercity of Shahrekord, Faculty of
Agriculture. 148p.
17.Mashayekhi, P., Ghorbani-Dashtaki, S., Mosaddeghi, M.R., Shirani, H., and Mohammadi
Nodoushan, A.R. 2016. Different scenarios for inverse estimation of soil hydraulic
parameters from double-ring infiltrometer data using HYDRUS-2D/3D. International
Agrophysics. 30: 2. 203-210.
18.Menziani, M., Pugnaghi, S., and Vincenzi, S. 2007. Analytical solutions of the linearized Richards
equation for discrete arbitrary initial and boundary condition. J. Hydrol. 332: 1. 214-225.
19.Motevalizade, M., Ghahreman, B., Davary, K., and Ghandehari, A. 2012. Infiltration
modeling using Hydrus-1D in SabzevarJovein plain. M.Sc. dissertation, Ferdowsi University
of Mashhad. (In Persian)
20.Mukheibir, P. 2008. Water resources management strategies for adaptation to climateinduced impacts in South Africa. Water Resources Management. 22: 9. 1259-1276.
21.Parchami Araghi, F., Mirlatifi, S.M., Ghorbani-Dashtaki, Sh., and Mahdian, M.H. 2010.
Evaluating Some Infiltration Models under Different Soil Texture Classes and Land Uses.
Iran. J. Irrig. Drain. 4: 2. 193-205. (In Persian)
22.Pollalis, E.D., and Valiantzas, J.D. 2015. Isolation of a 1D infiltration time interval under
ring infiltrometers for determining sorptivity and saturated hydraulic conductivity:
numerical, theoretical and experimental approach. J. Irrig. Drain. Div. 141: 2.
23.Rawls, W.J., and Brakenseik, D.L. 1985. Prediction of soil water properties for hydrologic
modeling. P 293-299, In Watershed management in the eighties. ASCE.
24.Reynolds, W.D., Elrick, D.E., and Youngs, E.G. 2002. Ring or cylinder infiltrometers
(vadose zone). P 818-826, In: Dane, J.H. and G.C. Topp (eds), Methods of soil analysis:
Physical methods. SSSA Wiconsin, USA.
25.Richards, L.A. 1931. Capillary conduction of liquids through porous mediums. J. Appl.
Physic. 1: 5. 318-333.
26.Santos, F.L., Reis, J.L., Martins, O.C., Castanheria, N.L., and Serralherio, R.P. 2003.
Comparative assessment of infiltration, runoff and erosion of sprinkler irrigation soils.
Biosystems Engineering. 86: 3. 355-364.
27.Šimůnek, J., Šejna, M., and van Genuchten, M.Th. 1999. The HYDRUS-2D software
package for simulating the two-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in
variably saturated media, version 2.0, IGWMC-TPS-70, International Ground Water
Modeling Center, Colorado School of Mines, Golden, Colo. 230p.
28.Šimůnek, J., van Genuchten, M.Th., and Šejna, M. 2011. The HYDRUS Software Package
for Simulating Two- and Three-Dimensional Movement of Water Heat. and Multiple Solutes
in Variably-Saturated Media, Technical Manual. Version 2.0. PC Progress. Prague. Czech
Repulic. 230p.
29.Swartzendruber, D., and Youngs, E.G. 1974. A Comparison of physically-based infiltration
equations. Soil Science, an Interdisciplinary Approach to Soil Research, 117: 3. 165-167.
30.Wakindiki, I.I.C., and Ben-Hur, M. 2002. Soil Mineralogy and Texture Effects on Crust
Micromorphology, Infiltration, and Erosion. Soil Sci. Soc. Amer. J. 66: 3. 897-905.
31.Wang X.P., Cui, Y., Pan, Y.X., Li, X.R., Yu, Z., and Young, M.H. 2008. Effects of rainfall
characteristics on infiltration and redistribution patterns in revegetation-stabilized desert
ecosystems. J. Hydrol. 358: 1. 134-143.
32.Wu, L., Pan, L., Roberson, M., and Shouse, P.J. 1997. Numerical evaluation of ringinfiltrometers under various soil conditions. Soil Science, an Interdisciplinary Approach to
Soil Reserch. 162: 11. 771-777.
33.Zareabyaneh, H. 2006. Dynamics of mass transfer in laminated and nonlaminated soils.
Ph.D. dissertation, Tabriz University, Irrigation department, Agriculture faculty. 184p.
(In Persian)