بهبود کارایی مدل تولر-اُر برای منحنی مشخصه آب خاک با بهینه‌سازی پارامترهای توزیع اندازۀ منافذ خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 دانشجوی دکتری گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

مدل‌های زیادی برای توصیف منحنی مشخصه خاک تا به امروز توسعه یافته است که عموما بر پایه فرض هندسه منافذ به صورت مجموعه­ای از لوله­های موئین استوانه­ای شکل می­باشد. در مدل‌های بر پایه لوله­های موئین، فرض بر آنست که 1- در یک رطوبت مشخص، قسمتی از منافذ به صورت کامل اشباع بوده، در حالی که منافذ با اندازه بزرگتر کاملا خشک می­باشند، 2- در این مدل‌ها، اثر سطح ویژه و نیروهای جذب سطحی نادیده گرفته می­شود. مدل تولر-اُر از معدود مدل‌های فیزیکی  است که هر دو جزء نیروهای موئینگی و جذب سطحی را در یک هندسه جدید متشکل از یک منفذ مرکزی و شکاف­های متصل به آن برای منافذ خاک، توصیف می­کند. با این حال، مدل اصلی تولر-اُر از دقت مناسبی در ناحیه رطوبتی­های میانی برخوردار نیست که علت عمده آن، محدودیت عمده تابع احتمالاتی بکار رفته برای توصیف منافذ خاک می­باشد. در پژوهش حاضر نسخه بهبود یافته­ای از مدل تولر-اُر بر مبنای حل عددی ارائه می­گردد که دارای قابلیت استفاده از توزیع گاما با ضریب شکل اختیاری و توزیع ویبال می­باشد. نتایج بدست آمده از مدل بهینه شده برای چهار خاک با بافت متفاوت، حاکی از بهبود قابل توجه در نسخه جدید نسبت به مدل اولیه تولر-اُر به ویژه در رطوبت­های میانی است که در این ناحیه مدل اولیه تولر-اُر از دقت مناسبی برخوردار نمی­باشد. همچنین نسخه بهبود یافته از یک الگوریتم بهینه­سازی سراسری استفاده می­کند که جواب­های نهایی منحصر به فرد و مستقل از حدس اولیه می­باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance Enhancement of the Tuller-Or model for Soil Water Characteristic Curve Via Optimization of The Soil Pore Size Distribution Parameters

نویسندگان [English]

  • Marzieh Zare Sourmanabad 1
  • Sarem Norouzi 2
  • Farhad Mirzaei 3
  • Hamed Ebrahimian 3
1 M.Sc. Student, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Ph.D. Candidate, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Associate Professor, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Models to explain water characteristic curve and liquid distribution in partially saturated porous media are abundant, mostly based on the “bundle of cylindrical capillaries” (BCC) representation of pore-space geometry. The assumptions in the BCC model are that 1- certain pore sizes are completely filled by liquid whereas larger pores are completely empty at a given saturation level and 2- the surface area and adsorbed liquid films are ignored. Tuller-Or (TO) model is among the few physical-based models that considers both the capillary and adsorption phenomena via introducing a new pore space geometry with angular central pores attached to slit-shape pores. However, the original TO model fails to describe experimental data in the intermediate saturation range because of the limited flexibility of the probability distribution invested for describing the pore size space. In this study a new enhanced form of TO model was proposed which is based on the numerical solution and is capable of using Gamma distribution for pore size distribution with arbitrary shape factor and |Weibull distribution. The results obtained from the optimized model for soils with different textures showed significant improvement compared to the original model, especially in mid-range saturations whereas the original TO model shows low accuracy. The new enhanced version also includes a global search algorithm for fitting the TO model that provides unique set of fitting parameters that are independent of initial guesses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil Water Retention Curve
  • Adsorption and capillarity
  • Weibull pore size distribution
Assouline, S., Tessier, D., & Bruand, A. (1998). A conceptual model of the soil water retention curve. Water Resources Research, 34(2), 223-231.
Durner, W. (1994). Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure. Water resources research, 30(2), 211-223.
Khlosi, M., Cornelis, W. M., Douaik, A., van Genuchten, M. T., & Gabriels, D. (2008). Performance evaluation of models that describe the soil water retention curve between saturation and oven dryness. Vadose Zone Journal, 7(1), 87-96.
Lebeau, M., & Konrad, J. M. (2010). A new capillary and thin film flow model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resources Research, 46(12).
Leij, F. J., Russell, W. B., & Lesch, S. M. (1997). Closed-form expressions for water retention and conductivity data. Ground water, 35(5), 848.
Mualem, Y. (1976a). A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water resources research, 12(3), 513-522.
Mualem, Y. (1976b). catalogue of the hydraulic properties of unsaturated soils.
Or, D., & Wraith, J. M. (1999). Temperature effects on soil bulk dielectric permittivity measured by time domain reflectometry: A physical model. Water Resources Research, 35(2), 371-383.
Or, D., & Tuller, M. (1999). Liquid retention and interfacial area in variably saturated porous media: Upscaling from single‐pore to sample‐scale model. Water Resources Research, 35(12), 3591-3605.
Othmer, H., Diekkrüger, B., & Kutilek, M. (1991). Bimodal porosity and unsaturated hydraulic conductivity. Soil Science, 152(3), 139-150.
Pachepsky, Y. A., Shcherbakov, R. A., Varallyay, G., & Rajkai, K. (1984). On obtaining soil hydraulic conductivity curves from water retention curves. Pochvovedenie, 10, 60-72.
Peters, A., & Durner, W. (2008). A simple model for describing hydraulic conductivity in unsaturated porous media accounting for film and capillary flow. Water Resources Research, 44(11).
Philip, J. R. (1977). Unitary approach to capillary condensation and adsorption. The Journal of Chemical Physics, 66(11), 5069-5075.
Ross, P. J., & Smettem, K. R. (1993). Describing soil hydraulic properties with sums of simple functions. Soil Science Society of America Journal, 57(1), 26-29.
Sadeghi, M., Ghahraman, B., Ziaei, A. N., Davary, K., & Reichardt, K. (2012). Invariant solutions of Richards' equation for water movement in dissimilar soils. Soil Science Society of America Journal, 76(1), 1-9.
Tuller, M., & Or, D. (2005). Water films and scaling of soil characteristic curves at low water contents. Water Resources Research, 41(9).
Tuller, M., & Or, D. (2001). Hydraulic conductivity of variably saturated porous media: Film and corner flow in angular pore space. Water Resources Research, 37(5), 1257-1276.
Tuller, M., Or, D., & Dudley, L. M. (1999). Adsorption and capillary condensation in porous media: Liquid retention and interfacial configurations in angular pores. Water Resources Research, 35(7), 1949-1964.
Ugray, Z., Lasdon, L., Plummer, J., Glover, F., Kelly, J., & Martí, R. (2007). Scatter search and local NLP solvers: A multistart framework for global optimization. INFORMS Journal on Computing, 19(3), 328-340.