مدل‌سازی ابعاد پیاز رطوبتی خاک تحت سامانه آبیاری قطره‌ای پالسی به‌روش آنالیز ابعادی و مقایسه با مدل عددی HYDRUS-2D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی و مدیریت آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه مهندسی و مدیریت آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 دانشیار پژوهش،مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی ، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، البرز، ایران

4 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد گروه مهندسی و مدیریت آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

طراحی، بهره­برداری و مدیریت بهینه سیستم­های آبیاری قطره­ای نیازمند کاربرد ترکیب مناسبی از پارامترهایی مانند دبی قطره­چکان­ها، فاصله بین قطره­چکان­ها و لاترال­های آبیاری، عمق توسعه ریشه و ویژگی­های هیدرولیکی خاک است که مطابق با الگوی رشد ریشه در خاک باشند تا آب و مواد غذایی به­مقدار نیاز در اختیار گیاه قرار گیرد. مدل­سازی ابعاد پیاز رطوبتی اطراف یک قطره­چکان آبیاری ساده­تر و کاربردی­تر از اندازه­گیری­های آزمایشگاهی یا مزرعه­ای است، بنابراین در پژوهش حاضر یک مدل تجربی برای برآورد ابعاد پیاز رطوبتی تحت سیستم آبیاری قطره­ای پالسی با روش آنالیز ابعادی ارائه شد. مدل تجربی توسعه یافته شامل معادلاتی براساس دبی قطره­چکان، هدایت هیدرولیکی اشباع خاک، حجم آب کاربردی و نسبت پالس آبیاری برای برآورد ابعاد پیاز رطوبتی می­باشد. آزمایش­های لازم برای تعیین حداکثر عمق و عرض پیاز رطوبتی در زمان­های مختلف پس از شروع آبیاری در یک خاک رسی انجام گردید. تیمارهای مدیریت پالسی در سه سطح (دو، سه و چهار پالس آبیاری) و زمان­بندی قطع جریان در دو سطح (یک و سه برابر زمان وصل جریان) اعمال شدند. مقادیر عمق و عرض پیاز رطوبتی برآوردی توسط مدل تجربی و عددی HYDRUS-2D با مقادیر مشاهداتی مورد مقایسه قرار گرفتند. پارامتر ضریب تعیین (R2) برای مقادیر اندازه­گیری شده و برآوردی عمق و عرض پیاز رطوبتی در مدل تجربی 94/0 و 93/0 و در مدل عددی 95/0 و 97/0 به­دست آمد که حاکی از دقت مناسب هردو مدل در برآورد ابعاد پیاز رطوبتی است. هم­چنین نتایج آنالیز آماری آزمون تی­استیودنت نشان داد که با احتمال 5/99 درصد اختلاف معنی­داری بین مقادیر برآوردی مدل تجربی و مقادیر مشاهداتی وجود ندارد. مقادیر آماره­های RMSE، ME و EF حاکی از دقت بالاتر مدل عددی HYDRUS-2D در برآورد ابعاد پیاز رطوبتی بود، ولی باتوجه به سهولت کاربرد و نیاز به پارامترهای ورودی کم­تر استفاده از مدل تجربی در طراحی سیستم­های ­آبیاری قطره­ای پالسی توصیه می­شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling Soil Wetting Patterns under Pulsed Drip Irrigation by Dimensional Analysis Method and Comparison with HYDRUS-2D Numerical Model

نویسندگان [English]

  • sanaz mohammadi 1
  • Seyed Majid Mirlatifi 2
  • Hossein Dehghanisanij 3
  • iman hajirad 4
  • Mehdi Homaee 2
1 PhD Student, Water Management and Engineering Department, Collage of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Water Management and Engineering Department, Collage of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Associate Researcher, Agricultural Engineering Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Alborz, Iran
4 Graduated Student, Water Management and Engineering Department, Collage of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran
چکیده [English]

The optimal design, operation and management of drip irrigation systems relies significantly on selection of a suitable combination of emitter discharge rate, emitter and lateral spacing, root depth and soil hydraulic properties that should be in consistent with root growth pattern in the soil for delivering required amount of water and nutrition to the plant. Modeling soil wetting pattern is more practical and easier than the conducting laboratory or field measurements. In this study, an empirical model was developed to predict the dimensions of the wetting pattern under pulsed drip irrigation using dimensional analysis method. The main inputs of the proposed model are emitter discharge rate, saturated hydraulic conductivity, total volume of applied water and pulse ratio.  Experimentations included determination of the maximum depth and width of the wetting pattern after water application under different combination of pulses in a clay soil. The treatments were consisted of three pulses (P2, P3, P4) and two Off-Time durations (T1, T2). The predicted values of wetted depth and width by the empirical model and the HYDRUS-2D model were compared with the observations. The coefficient of determination parameter for the measured and estimated wetting pattern dimensions that obtained from empirical model was 0.94 and 0.93 and for numerical model was 0.95 and 0.97, which indicates good accuracy of the models. The results of the T-test analysis indicated that the empirical and numerical model simulated values were not significantly different (with a probability of 99.5%) from the observed ones. Although, on the basis of RMSE, ME and EF parameters the HYDRUS-2D model performance was better than the proposed empirical model but due to the simplicity of use and requiring less number of input parameters, it is recommended to use the developed empirical model to predict the wetting pattern as required in the design of drip irrigation systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Buckingham’s theorem
  • Off-Time
  • Pulsed Management
  • Wetted Depth
  • Wetted Zone

مراجع

Al-Ogaidi, A. A., Wayayok, A., Rowshon, M. K., and Abdullah, A. F. (2016). Wetting patterns estimation under drip irrigation systems using an enhanced empirical model. Agricultural Water Management, 176, 203-213.
Amin, M. S., and Ekhmaj, A. I. (2006, September). DIPAC-drip irrigation water distribution pattern calculator. In 7th International micro irrigation congress (Vol. 1016).
Dasberg, S., and Or, D. (1999). Practical applications of drip irrigation. In Drip irrigation (pp. 125-138). Springer, Berlin, Heidelberg.
Eskandari Tadavani, Z., Delghandi, M., Azhdari, K., Hosseini, S. H., & Dorostkar, V. (2020). Prediction of wetting patterns under surface drip irrigation using numerical and empirical models. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 14(1), 321-330.
Hopmans, J. W., and Bristow, K. L. (2002). Current capabilities and future needs of root water and nutrient uptake modeling. Advances in agronomy, 77, 103-183.
Ismail, S. M., EL-Abdeen, T. Z., Omara, A. A., and Abdel-Tawab, E. (2014). Modeling the soil wetting pattern under pulse and continuous drip irrigation. American-Eurasian Journal Agricultural & Environment Science, 14(9), 913-922.
Kandelous MM, Liaghat A, Abbasi F (2008) Estimation of soil moisture pattern in subsurface drip irrigation using dimensional analysis method. J Agri Sci 39(2):371–378 (in Persian).
Kandelous, M. M., and Šimůnek, J. (2010a). Comparison of numerical, analytical, and empirical models to estimate wetting patterns for surface and subsurface drip irrigation. Irrigation Science, 28(5), 435-444.
Kandelous, M. M., and Šimůnek, J. (2010b). Numerical simulations of water movement in a subsurface drip irrigation system under field and laboratory conditions using HYDRUS-2D. Agricultural Water Management, 97(7), 1070-1076.
Karimi, B., Sohrabi, T., Mirzaei, F., and Ababaei, B. (2015). Developing equations to predict the pattern of soils moisture redistribution in surface and subsurface drip irrigation systems using dimension analysis. Journal of Water and Soil Conservation, 21(6), 223-237.
Karimi, B., & Karimi, N. (2019). Simulation of the advance Velocity of the Wetting Front in pulse Drip Irrigation Systems by nonlinear regression model. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 13(5), 1374-1387.
Karmeli, D., and Peri, G. (1974). Basic principles of pulse irrigation. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 100(3), 309-319.
Li, J., Zhang, J., and Rao, M. (2004). Wetting patterns and nitrogen distributions as affected by fertigation strategies from a surface point source. Agricultural Water Management, 67(2), 89-104.
Lubana, P. P. S., Narda, N. K., & Brown, L. C. (2004). Application of a hemispherical model to predict radius of wetted soil volume under point source emitters for trickle irrigated tomatoes in Punjab state, India. In 2004 ASAE Annual Meeting (p. 1). American Society of Agricultural and Biological Engineers.
Malek, K., and Peters, R. T. (2011). Wetting pattern models for drip irrigation: new empirical model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 137(8), 530-536.
Mirzaee, F., Alkasir, Z., and Moini, A.R. (2020). Modeling for Estimating Soil Moisture Dimensions in Drip Irrigation in Layer Soil Using Dimensional Analysis Method. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 14(2), 570-578.
Mohammadbeigi, A., Mirzaei, F., and Ashraf, N. (2017). Simulation of soil moisture distribution under drip irrigation pulsed and continuous in dimensional analysis method. Journal of Water and Soil Conservation, 23(6), 163-180.
Schwartzman, M., and Zur, B. (1986). Emitter spacing and geometry of wetted soil volume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 112(3), 242-253.
Singh, D. K., Rajput, T. B. S., Sikarwar, H. S., Sahoo, R. N., and Ahmad, T. (2006). Simulation of soil wetting pattern with subsurface drip irrigation from line source. Agricultural water management, 83(1-2), 130-134.
Subbaiah, R. (2013). A review of models for predicting soil water dynamics during trickle irrigation. Irrigation Science, 31(3), 225-258.
Thorburn, P. J., Cook, F. J., and Bristow, K. L. (2003). Soil-dependent wetting from trickle emitters: implications for system design and management. Irrigation Science, 22(3), 121-127.
zandi, S., Boroomand Nasab, S., Ainechee, G. (2020). Estimating soil moisture pattern under subsurface drip irrigation using dimensional analysis method. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 14(2), 626-636.
 
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 52، شماره 7
مهر 1400
صفحه 1903-1913

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار