تأثیر کاربری اراضی بر کارآیی برخی از مدل‌های نفوذ آب به خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو

2 هیئت علمی

چکیده

سابقه و هدف: نفوذ آب به خاک یکی از ویژگی‌های کلیدی در طراحی سامانه‌های آبیاری، پژوهش‌های هیدرولوژی، مدیریت منابع آب و حفاظت خاک، طراحی و اجرای پروژه‌های زهکشی و کنترل فرسایش در حوضه‌های آبخیز است. همچنین، سنجش دقیق مقادیر نفوذ آب به خاک با توجه به زمان برای برآورد آب ذخیره شده در ناحیه ریشه گیاه، اهمیت زیادی در طراحی و برنامه‌ریزی‌های آبیاری دارد. به همین خاطر پژوهشگران همواره دنبال ارائه‌ی مدلی مناسب برای بیان کمی نفوذ آب به خاک بودند. به دلیل اهمیت نفوذ آب به خاک، مدل‌های فیزیکی و تجربی گوناکونی به منظور برآورد این فرآیند در دهه‌های گذشته ارائه گردیده است. در پژوهش حاضر، عملکرد مدل‌های نفوذ گرین-آمپت، فیلیپ، هورتون، SCS، کوستیاکوف و کوستیاکوف-لوییز در برآورد نفوذ تجمعی و نیز وابستگی عملکرد آن‌ها به کاربرهای اراضی (زراعی، باغ و مرتع) در مشگین شهر استان اردبیل مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: برای این منظور، داده‌های حاصل از آزمایش‌های نفوذپذیری به روش استوانه مضاعف در 82 نقطه واقع در مناطق متفاوت شهرستان مشگین استان اردبیل انجام شد. خاک‌های مورد مطالعه در رده‌های اریدی سول، اینسپتی سول، انتی سول و مالی سول قرار داشته و نوع کاربری اراضی نیز شامل زراعی، باغ و مرتع بود. بدین‌ترتیب، تعداد نفوذ اندازه‌گیری شده در کاربری‌های زراعی، باغی و مرتعی به ترتیب برابر 37، 25 و 20 نوع خاک بود. پارامترهای مدل‌های یاد شده به روش حداقل مجموع مربعات خطا تعیین گردید. به منظور بررسی دقت و صحت عملکرد مدل‌های مورد بررسی در برآورد نفوذ تجمعی، از آماره‌های ریشه میانگین مربعات خطا(RMSE)، انحراف معیار آماره‌ی RMSE (ُSDRMSE) و ضریب تبیین (R2) استفاده شد.
نتایج و بحث: نتایج نشان داد که در مقایسه با سایر مدل‌ها، برآوردهای نفوذ تجمعی توسط مدل کوستیاکوف-لوییز از روند پایدارتری برخوردار بود و در هر سه کاربری مورد بررسی حایز رتبه‌ی نخست ارزیابی گردید (R2=.997/0، RMSE=206/0 و SDRMSE=201/0). با توجه به نتایج به دست آمده از ارزیابی کلی برآورد نفوذ تجمعی توسط مدل‌های نفوذ مورد بررسی در این پژوهش، مدل‌های کوستیاکوف-لوییز و هورتون به ترتیب در رتبه‌های اول و دوم، مدل‌های گرین-آمپت و سرویس حفاظت خاک آمریکا هر دو رتبه‌ سوم و مدل‌های کوستیاکوف و فیلیپ به ترتیب در رتبه‌های چهارم و پنجم ارزیابی قرار گرفتند. بنابراین، می‌توان گفت از بین مدل‌های نفوذ مورد بررسی، مدل کوستیاکوف-لوییز بهترین مدل برای بیان کمی فرآیند نفوذ آب به خاک است. یکی از دلایل برتری مدل کوستیاکوف-لوییز بیشتر بودن تعداد پارامترهای آن نسبت به مدل‌های SCS، کوستیاکوف، فیلیپ و گرین-آمپت به علت تعیین پارمترهای مدل‌های یاد شده به روش برازش می‌باشد. این ویژگی باعث انعطاف‌پذیری بیشتر این مدل نسبت به سایر مدل می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Land Use on the Performance of selected soil water Infiltration Models

چکیده [English]

Background and objectives: Soil water infiltration is one of the key properties for designing irrigation systems, hydrological studies, water resources management, drainage projects and soil conservation practices in watershed scale. Also, an accuracy assessment amount of infiltration considering the time for estimation of stored water in the root zone plant is great important in the design and planning irrigation. For this purpose, researchers always drift suitable model for quantity expression of infiltration water to soil. The importance of infiltration has caused to develop different physical and empirical models to estimate the process. In this study, the performance of Green and Ampt, Philip, Horton, Soil Conservation Service (SCS), Kostiakov and Kostiakov-Lewis infiltration models under different land uses were evaluated
Materials and Methods: Studied soils were in the order of Aridisol, Inseptisol, Entisol and Mollisol and were in the land use of including agronomy, gardens and grassland. The number of measured infiltration in land use of agronomy, garden and grassland were 37, 25 and 20 types of soil, respectively. For this purpose, the infiltration data were obtained by double rings method from 82 point of in different region of Meshkin, Ardabil province. The parameters of these models were then obtained, using least square optimization method. In order to evaluate the accuracy of the models, the root mean square error (RMSE), standard deviation of RMSEs (SDRMSED) and R2 statistics were calculated.
Results and Discussions: The results showed that compared with other models, estimation of the cumulative infiltration Kostiakov-Lewis model has been consistent trend in all three land use ranked first (R2=0.997, RMSE=0.206 and SDRMSED=0.201). Considering obtained from total evaluation, estimation of cumulative infiltration by infiltration models in this study were as Kostiakov-Lewis and Horton models in first and second rank, Green-Ampt and SCS model in third rank and Kostiakov and Philip in fourth and fifth rank, respectively. So, we can say that the infiltration models examined, Model Kostiakov-Lewis is the best model for quantifying the process of infiltration. One reason for the excellence of Kostiakov-Louis model was great number of parameters than SCS, Kostiakov, Green-Ampt and Philip models and the fitting method is to determine the parameters mentioned models. This feature makes more flexible of this model than other model.
s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s ss s s s s sd s s s s s

کلیدواژه‌ها [English]

  • Double Ring
  • Infiltration models
  • Landuse
  • Performance
  • Meshkin
1.Arab, A.I., Mudiare, O.J., Oyebode, M.A., and Idris, U.D. 2014. Performance evaluation of
selected infiltration equations for irrigated (FADAMA) soils in Southern Kaduna Plain,
Nigeria. Bas. Res. J. Soil Environ. Sci. 2: 4. 1-18.
2.Bybordi, M. 1993. Soil physics. Tehran Univ. Press, 671p.
3.Dagadu, J.S., and Nimbalkar, P.T. 2012. Infiltration Studies of Different Soils under Different
Soil Conditions and Comparison of Infiltration Models with Field Data. Inter. J. Adv. Engin.
Technol. 3: 2. 154-157.
4.Fakher Nikcheh, A., Vafakhah, M., and Sadeghi, S.H.R. 2014. Evaluation of different
cumulative infiltration model performance in different land use and soil texture, using
rainfall simulator. J. Water Soil Know. 3: 1. 183-193.
5.Fakuri, T., Emami, H., and Ghahreman, B. 2013. Estimation of cumulative penetration of
water into the soil using the particle size distribution in different agricultural land uses.
J. Water Res. Agric. 26: 4. 379-390.
6.Gee, G.H., and Bauder, J.W. 1986. Particle size analysis. P 383-411, In: A. Klute (Ed.),
Methods of Soil Analysis. Physical Properties. SSSA, Madison, WI.
7.Ghorbani Dashtaki, S., Homaee, M., Mahdian, M., and Kouchakzadeh, M. 2009. Sitedependence
performance of infiltration models. Water Resource Management. 23: 2777-2790.
8.Ghorbani Dashtaki, S., Homaee, M., and Mahdian, M.H. 2010. Effect of Land Use Change on
Spatial Variability of Infiltration Parameters. Iran. J. Irrig. Drain. 4: 193-205.
9.Green, W.H., and Ampt, C.A. 1911. Studies on soil physics, I. Flow of air and water through
soils. J. Agric. Sci. 4: 1-24.
10.Haverkamp, R., Rendon, L., and Vachaud, G. 1987. Infiltration equations and their
applicability for predictive use. P 142-152, In: Y.S. Fok (Ed.), Infiltration Development and
Application. Honolulu, Hawaii.
11.Horton, R.E. 1940. Approach toward a physical interpretation of infiltration capacity.
Soil Sci. Soc. Am. J. 5: 339-417.
12.Karami, B., Golabi, M., and Dhumal, K.N. 2012. Determination Coefficients of Infiltration
Equations: Case Study of Shavoor Plain in Khuzestan Province. Inter. J. Appl. Engin. Res.
7: 1. 55.69.
13.Kavoosi, S.M., Vafakhah, M., and Mahdian, M.H. 2013. Evaluation of some equations of
infiltration of water into soil in different land use, Kojoor catchments. J. Irrig. Water Engin.
4: 13. 1-13.
14.Kostiakov, A.V. 1932. On the dynamics of the coefficient of water percolation in soils and
on the necessity for studying it from a dynamics point of view for purposes of amelioration.
Transactions of the Sixth Commission of International Society of Soil Science, part A,
Pp: 17-21.
15.Larsson, M., and Eliasson, S. 2006. The Influence of Land-Use Change, Root Abundance
and Macrospores on Saturated Infiltration Rate-a Field Study on Western Java, Indonesia.
Water Resources Engineering (http://www.uppsatser.se/uppsats_7/7c6b162347.php).
16.Lewis, M.R., and Milne, W.E. 1938. Analysis of border irrigation. Agric. Eng.
19: 6. 267-272.
17.Naderianfar, M., Ghahreman, B., Sajadi, S.K.A., Faalian, A., and Mohamadi, J. 2013.
Scaling and surveying spatial variations of water infiltration in to soil on basin scale in
Marghak of Shahrekord. J. Soil Res. 27: 4. 605-618.
18.Parchami Araghi, F., Mirlatifi, S.M., Ghorbani Dashtaki, S., and Mahdian, M.H. 2010.
Evaluating Some Infiltration Models under Different Soil Texture Classes and Land Uses.
Iran. J. Irrig. Drain. 4: 193-205.
19.Parlange, J.Y., and Haverkamp, R. 1989. Infiltration and Ponding Time. P 95-126,
In: H.J. Morel-Seytoux (Ed.), Unnsaturatrd flow in hydrologic modeling, theory and
practice. Kluwer Academic, Boston.
20.Philip, J.R. 1957. The theory of infiltration. 1. The infiltration equation and its solution.
Soil Science. 83: 345-357.
21.Porhemmat, J., and Nazaripooya, H. 2016. An investigation and evaluation of infiltration
models in rangeland soil cover, case study: Gonbad basin in Hamedan Province. Watershed
Engineering and Management. 7: 4. 458-468.
22.Rawls, W.J., Ahuja, L.R., Brakensiek, D.L., and Shirmohammadi, A. 1993. Infiltration and
soil water movement. P 5.21-5.23, In: D.R. Maidment (Ed.), Handbook of Hydrology.
McGraw-Hill, New York.
23.Sonaje, N.P. 2013. Modeling of Infiltration Process-A Review. Ind. J. Appl. Res.
3: 9. 226-230.
24.US Department of Agriculture, Natural Resources and Conservation Service. 1974. National
Engineering Handbook. Section 15. Border Irrigation. National Technical Information
Service, Washington, DC, Chapter 4.
25.Zolfaghari, A.A., Mirzaee, S., and Gorgi, M. 2012. Comparison of different models for
estimating cumulative infiltration. Inter. J. Soil Sci. 7: 3. 108-115.