برآورد پارامترهای منحنی مشخصه رطوبتی خاک با استفاده از حل عددی معکوس فرایند نفوذ آب به خاک در استوانه‌های-دوگانه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری/دانشگاه شهرکرد

2 عضو هیات علمی دانشگاه شهرکرد

3 دانشیارگروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان

4 4- دانشیار گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ولی عصر رفسنجان

5 5- استادیار گروه آبیاری و فیزیک خاک موسسه تحقیقات خاک و آب کرج

6 6- دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد

چکیده

آگاهی از منحنی مشخصه رطوبتی برای شبیه‌سازی جریان آب و پدیده‌های انتقال در کشاورزی و هیدرولوژی ضروری است .در پژوهش حاضر از نرم‌افزار HYDRUS-2D/3D برای برآورد پارامترهای منحنی مشخصه رطوبتی در سه بافت متفاوت خاک به روش معکوس، با استفاده از داده‌های نفوذسنج استوانه‌های-دوگانه، استفاده شد. برای این منظور، آزمایش نفوذ آب به خاک از طریق استوانه‌های-دوگانه در سه منطقه با بافت‌های مختلف رس سیلتی، لومی و لوم شنی در سه تکرار انجام شد. در هر منطقه نمونه‌های دست‌خورده و دست‌نخورده خاک از سه عمق (0-10، 10-30 و 30-60 سانتی‌متر) برداشت شده و برخی ویژگی‌های فیزیکی خاک مانند بافت، چگالی ظاهری، درصد رطوبت اولیه و درصد رطوبت اشباع در این نمونه‌ها اندازه‌گیری شد. همچنین منحنی مشخصه رطوبتی خاک با استفاده از دستگاه جعبه شن برای مکش‌های کمتر از 100 سانتی‌متر و دستگاه صفحه‌ فشار برای مکش‌های 100 تا 15000 سانتی‌متر اندازه‌گیری شد و پارامترهای مدل ون‌گنوختن با برازش این مدل بر داده‌های اندازه‌گیری‌شده‌ منحنی مشخصه رطوبتی خاک توسط نرم‌افزار RETC به‌دست آمد. دقت و قابلیت اطمینان روش معکوس در تعیین پارامترهای منحنی مشخصه رطوبتی خاک در مقایسه با روش آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس ارزیابی‌های آماری صورت گرفته، منحنی مشخصه رطوبتی که از طریق پارامترهای هیدرولیکی برآوردشده به روش حل معکوس به دست آمد با منحنی مشخصه رطوبتی به دست آمده از طریق برازش مدل ون‌گنوختن بر داده‌های اندازه-گیری‌شده به کمک برنامه RETC، هم‌خوانی بسیار خوبی داشت به طوری که شاخص‌های ضریب همبستگی پیرسون (r) (-)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSD) (m3 m-3)، اختلاف میانگین‌ها (MD) (m3 m-3)، و قدر مطلق خطای میانگین‌ها (AMD) (m3 m-3) برای پارامترهای تخمینی در این روش، به ترتیب برابر با 988/0، 036/0، 008/0 و 012/0 بود. در این روش هم‌خوانی خوبی بین میزان رطوبت شبیه‌سازی‌شده و اندازه‌گیری‌شده در نیم‌رخ خاک دیده شد ( 936/0R2=).

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Inverse estimation of the soil water retention curve parameters using double-ring infiltration data

چکیده [English]

Quantitative knowledge of soil water characteristic curve is crucial for modeling water flow and transport processes in agriculture and hydrology. In this study, HYDRUS2D/3D software was used to estimate the hydraulic parameters of van Genuchten-Mualem model via inverse modeling using double-ring infiltrometers. Double-ring infiltration experiment was conducted in three sites with different soil textures (i.e., silty clay, loam and sandy loam) with three replications. Disturbed and undisturbed soil samples were also collected from three depths (0−10, 10−30 and 30−60 cm) per each soil and some soil physical properties such as bulk density, texture, initial water content and saturated water content were measured. Soil water retention curve was determined for the matric suctions lower than 100 cm H2O by sand box, and for the matric suction range 100−15000 cm H2O using pressure plate. The van Genuchten model with Mualem’s restriction was fitted to the soil water retention data by RETC software. The accuracy and reliability of the HYDRUS predictions were evaluated. The results showed that inverse estimation of soil hydraulic parameters provided a reliable alternative method for determining the soil water retention curve at horizon/field scale. The soil water retention curves obtained from the RETC fitting had very good correspondence with those derived from inverse modeling; the efficacy parameters of inverse estimation (i.e., Pearson’s correlation coefficient (r), root of mean squared differences (RMSD, m3 m-3), absolute value of mean differences (AMD, m3 m-3) and the mean difference (MD, m3 m3)) were 0.988, 0.036, 0.012 and 0.008, respectively. Also there was a good agreement between the water content values measured in the soil profile and those predicted by HYDRUS (R2= 0.936).

کلیدواژه‌ها [English]

  • van Genuchten parameters
  • Inverse modeling
  • Soil water retention curve
  • HYDRUS-2D/3D
  • Double-ring infiltrometer
Abbasi F., Simunek J., Feyen J., van Genuchten M.Th., and Shouse P.J. 2003. Simultaneous inverse estimation of soil hydraulic and solute transport parameters from transient field experiments: homogeneous soil. Transactions of American Society of Agricultural and Biological Engineers, 46(4): 1085–1095.

Alletto L., Pot V., Giuliano S., Costes M., Perdrieux F., and Justes E. 2015. Temporal variation in soil physical properties improves the water dynamics modeling in a conventionally-tilled soil. Geoderma, 243(244): 18–28.

Blake G.R., and Hartge K.H. 1986. Bulk density. In: Methods of Soil Analysis. Part 1, 2nd, Klute A. (Eds.), Agronomy. Monograph. 9. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp. 363–375.

Fuladipanah M. 2012. Sensitivity analysis of one dimensional hydrodynamic fully coupled model. Middle-East Journal of Scientific Research, 12 (11): 1471–1476.

Ghorbani Dashtaki S., Homaee M., Mahdian M.H., and Kouchakzadeh M. 2009. Site-dependence performance of infiltration models. Water Resources Management, 23: 2777–2790. (In Persian)

Ghorbani Dashtaki S., Homaee M., and Khodaverdiloo H. 2010. Derivation and validation of pedotransfer functions for estimating soil water retention curve using a variety of soil data. Soil Use and Management, 26: 68–74.

Gribb M.M., Forkutsa I., Hansen A., Chandler D.J., and McNamara J.P. 2009. The effect of various soil hydraulic property estimates on soil moisture simulations. Vadose Zone Journal, 8(2): 321–331.

Hopmans J.W., Šimůnek J., Romano N., and Durner W. 2002. In: Methods of Soil Analysis: Part 4, Klute A., (Eds.), Physical Methods. Published by: Soil Science Society of America, pp. 963–1008.

Kelishadi H., Mosaddeghi M.R., Hajabbasi M.A., and Ayoubi S. 2014. Near-saturated soil hydraulic properties as influenced by land use management systems in Koohrang region of central Zagros, Iran. Geoderma, 213: 426–434.

Khodaverdiloo H., Homaee M., van Genuchten M.Th., and Ghorbani Dashtaki S. 2011. Deriving and validating pedotransfer functions for some calcareous soils. Journal of Hydrology, 399: 93–99.

Klute A. 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, 2nd Eds. Monograph. 9. Soil Science Society of America, Madison, WI, 1188 pp.

Marquardt D.W. 1963. An algorithm for least squares estimation of non-linear parameters. Journal of Industrial and Applied Mathematics, 11: 431–441.

Mashayekhi P., Ghorbani Dashtaki S., Mosaddeghi M.R., Shirani H., and Mohammadi Nodoushan A.R. 2016. Different scenarios for inverse estimation of soil hydraulic parametersfrom double-ring infiltrometer data using HYDRUS-2D/3D. International Agrophysics, 30. doi: 10.1515/intag-2015-0087.

Mirzaee S., Zolfaghari A.A., Gorji M., Miles Dyck M., and Ghorbani Dashtaki S. 2013. Evaluation of infiltration models with different numbers of fitting parameters in different soil texture classes. Archives of Agronomy and Soil Science, 10(4): 1-13.

Mosaddeghi M.R., and Mahboubi A.A. 2011. Point pedotransfer functions for prediction of water retention of selected soil series in a semi-arid region of western Iran. Archives of Agronomy and Soil Science, 57(4): 327–342.

Mualem Y. 1976. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resources Research, 12(3): 513–522.

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. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 141(2): 1-10.

Rashid N.S.A., Askari M., Tanaka T., Šimůnek J., and van Genuchten M.Th. 2015. Inverse estimation of soil hydraulic properties under oil palm trees. Geoderma, (241–242): 306–312.

Rocha D., Abbasi F., and Feyen J. 2006. Sensitivity analysis of soil hydraulic properties on subsurface water flow in furrows, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 132(4): 418–424

Ritter A, Hupet F, Carpena RM, Lambot S and Vanclooster M. 2003. Using inverse methods for estimating soil hydraulic properties from field data as an alternative to direct methods. Agricultural Water Management, 59: 77–96.

Simunek J., Wendroth O., and van Genuchten M.T.H. 1998. Parameter estimation analysis of the evaporation method for determining soil hydraulic properties. Soil Science Society of America Journal, (62): 894–905.

Simunek J., Sejna M., and van Genuchten M.T.H. 1999. HYDRUS-2D software for simulating water flow and solute transport in two-dimensional variably saturated media. Version 2.0. International Ground Water Model Center, Colorado School of Mines, Golden.

Simunek J., van Genuchten M.Th., and Sejna M. 2012. HYDRUS: model use, calibration, and validation. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 55(4): 1261–1274.

Tiago B., Ramos M.C., Goncalves J.C.M., van Genuchten M.Th., and Pires F.P. 2006. Estimation of soil hydraulic properties from numerical inversion of tension disk infiltrometer data. Vadose Zone Journal, 5(2): 684–696.

van Genuchten M.Th. 1980. A closed–form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44(5), 892–898.

Vereecken H., Weynants M., Javaux M., Pachepsky Y., Schaap M.G., and van Genuchten M.Th. 2010. Using pedotransfer functions to estimate the van Genuchten–Mualem soil hydraulic properties: A review. Vadose Zone Journal, 9:795–820.