تخمین ضرایب هیدرودینامیکی نفوذ آب در خاک با استفاده از بهینه‌سازی معادلات نفوذ SCS و Horton

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین

2 استادیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان

3 دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین

چکیده

تعیین ضرایب معادله­های نفوذ با دقت مناسب، یکی از مسائل مهم در برنامه‌ریزی‌های آبیاری است. معمولاً برای تعیین این ضرایب از روش آزمایش استوانه­های مضاعف استفاده می­شود که این روش تنها بُعد هیدرواستاتیکی و نقطه­ای نفوذ را در برمی‌گیرد. در این تحقیق، از جویچه‌ای با مقطع سهمی شکل، طول 50 متر، عمق متوسط 12 سانتی­متر و شیب 02/0 به‌منظور شبیه‌سازی یک نهر آبیاری استفاده شد. سه آزمایش با بازه­های طولی 7/4، 20 و 40 متر و دبی ورودی 02/0± 6/0 لیتر بر ثانیه با سه تکرار انجام شد. از این میان برای هریک از بازه‌های طولی، یک آزمایش‌ با حداقل خطای اندازه­گیری انتخاب شد. برای تعیین ضرایب معادلات نفوذ، پس از برداشت هیدروگراف­های ورودی و خروجی آبراهه با استفاده از فلوم اندازه­گیری جریان، هیدروگراف­های خروجی از روش­های هیدرولیکی ماسکینگام-کونژ، اینرسی صفر و موج سینماتیک روندیابی شدند.در نهایت مقادیر دبی نفوذ با توجه به سطح مقطع متوسط جریان در بازه طولی موردبررسی و لحاظ کردن معادلات نفوذ SCS و هورتون تعیین شدند. هیدروگراف­های محاسباتی از اختلاف بین هیدروگراف­های خروجی روندیابی شده و دبی‌های نفوذ به‌دست‌آمد. در نهایت با استفاده از روش حداقل مربعات (LSM) برای هیدروگراف­های خروجی مشاهداتی و محاسباتی، تابع هدف استخراج ‌گردید. نتایج نشان داد  که مقدار متوسط خطای نسبی بین هیدروگراف­های خروجی مشاهداتی و محاسباتی از روش ارائه‌شده کمتر از 5 درصد است. با افزایش طول بازه مورد بررسی، مقادیر دبی نفوذ به دلیل کاهش هد استاتیکی آب، کاهش می‌یابند. راندمان مدل بر اساس معیار نش-ساتکلیف در تمامی طول­ها بیش از 90 درصد بود که دلالت بر این دارد که  استفاده هم‌زمان از معادله هورتون و روش روندیابی اینرسی صفر بهترین نتایج را ارائه می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Estimation of Hydrodynamic Infiltration Coefficients Using Optimization of SCS & Horton Equations

نویسندگان [English]

  • hadi roshani 1
  • majid heydari 2
  • abbas sotoodehnia 3
1 MSc Student of Water Science and Engineering Dept., Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Assistant Professor of Water Science and Engineering Dept., Bualisina University, Hamadan, Iran.
3 Associate Professor of Water Science and Engineering Dept., Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
چکیده [English]

Determination of infiltration equations coefficients with proper accuracy is one of the important issues in irrigation planning. For determination of these coefficients, double-ring test method is usually used which only involves the point and hydrostatic dimension of infiltration. In this research, a parabolic shape furrow was used for simulation of an irrigation furrow with 50 m length, 12 cm depth, and 0.20 m/m bed slope. Three experiments were performed with lengths of 4.7, 20 and 40 m, and inflow of 0.6±0.02 lit/s with three replicates. For each length, a test with the minimum measurement error was selected. To determine the infiltration equations coefficients, input and output hydrographs were measured using flow measurement flume and the output hydrographs were routed by Muskingum-Cunje, Zero-inertia and kinematic wave methods. Finally, the infiltration discharge values were obtained by considering the SCS and Horton infiltration equations and the average flow area in the proposed furrows. Computational hydrographs were obtained from the difference between routed output hydrographs and infiltration discharges. Finally, the objective function was derived using the least square method (LSM) for observational and computational output hydrographs. The results indicated that the mean value of the relative error between the observed and optimized output hydrographs of the proposed method is less than 5 percent. By increasing the length interval, the amounts of infiltration discharges decrease due to the reduction of  static head water. The efficiency of the model for all lengths was more than 90 percent based on the Nash-Sutcliff criterion which indicates that the simultaneous use of the Horton equation and the zero-inertia method provides the best results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • furrow irrigation"
  • " infiltration"
  • " optimization"
  • " flood routing

مراجع

Abasizadeh, M., Mahdavi, M. and Salajghe, A. (2010). Evaluation of hydrologic routing methods in DEZ river. Natural geographic journal. (In Farsi)
Abbasi, F., Simunek, J., van Genuchten, M. T., Feyen, J., Adamsen, F. J., Hunsaker, D. J., Strelkoff, T. S. and Shouse, P. (2003). Overland water flow and solute transport: model development and field-data analysis. Irrigation and Drainage Engineering journal. 129(2), 71-81. (In Farsi)
Alizadeh, A. (2002). Applied hydrology. RAZAVI publication. (In Farsi)
Allen, JB. And Brand, HJ. (1968). How cracks and initial moisture content affect infiltration in Sharkey clay. Agric Engin (49), 589-594.
Bahrami, M., Boroomand Nasab, S. and Naseri, A. (2009). Comparison of Muskingum – Cunge model with irrigation hydraulic models in estimation of furrow irrigation advance phase. Iranian Journal of lrrigation and drainage. 2(3),  40-49. (In Farsi)
Chaudhry, M.H. (2008). Open_Channel Flow. New York: Springer Science.
Chow, V. T. (1959). Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill. New York.
Ebrahimian, H., and Liaghat, A. (2011). Field evaluation of various mathematical models for furrow and border irrigation systems. Soil and Water Research, 6(2), 91-101. (In Farsi)
Habibikhaveh, M., Montazer, AA. and Behbahani, MR. (2008). Sensitivity analysis of infiltration parameters with different estimation methods in furrow irrigation. Second seminar on improvement of surface irrigation systems, Karaj, Iran. (In Farsi)  
Haverkamp, R.‚ Rendon, L. and Vachaud, G. (1987). Infiltration equations and their applicability for predictive use. In: Fok Y. (ed). International Conference on Infiltration Development and Application, 6-8 January, Honolulu, Hawaii, USA, pp. 142- 152.
Hillel, D. (1988). Environmental soil physics Acad. Press. UK.
Mahmoodian shoushtari, M. (2008). Open channel flow principles. chamran university publication. (In Farsi)
Moradi, H., Vafakhah, M. and Akbari, A. (2007). Evaluation of routing by Muskingum and Muskingum-cunge method in LIGHVAN River. Journal of Sciences and Technology of Agriculture and Natural Resources. 41(b). (In Farsi)
Nasseri, A., Neyshabouri, MR., Fakherifard, A., Mogaddam, M. and Nazem, AH. (2004). Fieldmeasured furrow infiltration function. Turk. J Agric 28, 93-99 (In Farsi)
Neshat, A. and Parehkar, M. (2007). The comparison of methods for determining the vertical infiltration rate. J. Agric. Sci. Natur. Resour. 14(3). (In Farsi)
Ojaghloo, H., Ghobadinia, M., Majdzadeh, B., Sohrabi, T. and Abbasi, F. (2008). Estimation of infiltration parameters for flow simulation in furrow irrigation. Second seminar on improvement of surface irrigation systems, Karaj, Iran. (In Farsi)  
Rawls, WJ. (1993). Infiltration and soil water movement. In: Maidment D.R. (ed). Handbook of Hydrology. McGraw-Hill, New York, USA, Chapter 5, pp. 1/5- 51/5.
Shayannejad, M., Akbari, N. and Honarbakhsh, A. (2014). Comparing of linear Muskingum method with HEC-RAS model for flood routing in rivers. Journal of ecology, 2. (In Farsi)
Salahzadeh, H. (2010). Principles of geotechnical engineering, 2nd ed. Iran University of science and technology publishing center. (In Farsi)
U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation. (2001). water measurement manual, Washington DC: U.S. Government printing Office.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 50، شماره 1
فروردین و اردیبهشت 1398
صفحه 201-213

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار