تحلیل حساسیت نرم‌افزار Hydrus نسبت به داده‌های ورودی در شبیه‌سازی حرکت آب و جذب ریشۀ گیاه مرجع چمن

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار/گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، پژوهشکده مدیریت آب، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد/ گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

3 استاد/گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، پژوهشکده مدیریت آب، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

4 دانشیار/ گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، پژوهشکده مدیریت آب، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

پیش‌بینی دقیق حرکت آب در خاک و جذب ریشه در راستای ایجاد شرایط رطوبتی بهینۀ منطقۀ ریشه برای عملکرد بهتر گیاه اهمیت بسیار زیادی دارد. در این پژوهش، حرکت آب در خاک و جذب ریشه به‌صورت هم‌زمان با استفاده از نرم‌افزار HYDRUS-3D شبیه‌سازی شد. برای این منظور، گیاه چمن در سه لایسی‌متر با بافت خاک یکسان کشت شد. آبیاری هر سه روز یک بار در ساعت ۱۰ صبح انجام شد. رطوبت اعماق ۵، ۱۵، ۲۵، ۴۰، ۶۰ و ۸۰ سانتی‌متر، هر روز ساعت ۱۰ صبح و عصر اندازه‌گیری شد. حجم آب زهکشی خارج شده از لایسی‌مترها در روزهایی که آب از لایسی‌متر زهکش می‌شد، اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری‌ها در یک دورة ۸۱ روزه انجام شد. ویژگی‌های فیزیکی خاک در آزمایشگاه نیز اندازه‌گیری شدند. در این پژوهش، از نرم‌افزار HYDRUS-3D جهت شبیه‌سازی آب زهکش شده از لایسی‌متر، مقادیر جذب ریشۀ روزانه، رطوبت اعماق مختلف خاک، برآورد منحنی مشخصۀ آب خاک و منحنی هدایت هیدرولیکی استفاده شد. نتایج نشان داد که مقادیر بارندگی در برآورد حجم آب زهکشی شبیه‌سازی شده و اختلاف آن با حجم آب زهکشی اندازه‌گیری شده تأثیر به‌سزایی دارد. در تمامی شبیه‌سازی‌ها، حداقل و حداکثر خطای نسبی به‌ترتیب 0/79 تا 35/1 درصد به‌دست آمد. با افزایش رطوبت اولیه و هدایت هیدرولیکی خاک خطای نسبی بین دادۀ زهکشی اندازه‌گیری شده و برآورد شده افزایش و با افزایش رطوبت اشباع و رطوبت باقیمانده در خاک کاهش می‌یابد. حجم تجمعی آب زهکشی اندازه‌گیری و برآورد شده در کل دوره به اندازه 28/5 درصد باهم اختلاف دارند. مقادیر جذب ریشه (حداقل 5/0 و حداکثر 5/3 لیتر در یک دور آبیاری) نشان داد که در مرحله سوم رشد جذب ریشه حداکثر مقدار را دارد و با مقایسه جذب ریشة واقعی و پتانسیل که اختلاف ناچیزی دارند هیچ تنشی به گیاه وارد نشده است. از مقایسۀ منحنی مشخصه اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده می‌توان نتیجه گرفتکه مدل دقت بالایی در تخمین منحنی مشخصه آب خاک دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


ابراهیمی، ف.، و رئوف، م. (1394). تاثیر سطوح مختلف ورودی نرم‌افزار Rosetta در تخمین ویژگی‌های هیدرولیکی خاک با استفاده از نرم‌افزار Hydrus-2D و اثر تغییر کاربری اراضی بر آن‌ها. آبیاری و زهکشی ایران، 2(9)، 303-313.
ابراهیمی، ف.، و رئوف، م. (1395). اثر تغییر کاربری اراضی بر هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاک در شرایط غیرماندگار و ارزیابی برخی اطلاعات جهانی. پژوهش های خاک، 30(3)، 319-328.
ابطحی، س.، و بشارت، س. (۱۳۹۰). استفاده از نرم‌افزار Hydrus در شبیه‌سازی حرکت و حذب آب در خاک برای گیاه چغندر قند. نخستین کنفرانس ملی هواشناسی و مدیریت آب کشاورزی، دانشگاه تهران.
اکبری باصری، ز. (1395). مدل­ سازی هم‌زمان جریان آب خاک و جذب ریشه در لایسی‌متر. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه محقق اردبیلی.
اکبری باصری، ز.، رئوف، م.، رسول ­زاده، ع.، و عزیزی مبصر، ج. (1396). واسنجی دو مرحله‌ای بلوک گچی. دومین همایش ملی صیانت از منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه محقق اردبیلی.
برزگر، ع. (۱۳۸۹). فیزیک خاک پیشرفته. ویرایش دوم، انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، ۴۱۵ صفحه.
بشارت، س.، بهمنش، ج.، رضایی، ح.، و حسین‌نیا، د. (۱۳۹۳). ارزیابی نرم‌افزار Hydrus 2D در نفوذ آب به خاک با استفاده از اندازه‌گیری­ های آزمایشگاهی در لایسی‌متر وزنی. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 21(5)، 297-306.
رسول ­زاده، ع.، و رئوف، م. (1392). مبانی و روش­ های آبیاری. چاپ دوم، انتشارات عمیدی، 285 صفحه.
رئوف، م. (1398). تعیین ضریب گیاهی چغندرقند با استفاده از لایسی‌متر در دشت اردبیل و مقایسه آن با داده‌های جهانی فائو. پژوهش آب در کشاورزی. 33(2)، 175-188.
رئوف، م. (1400). تاثیر پارامترهای ورودی نرم‌افزار Hydrus 3D روی شبیه‌سازی هم‌زمان حرکت آب و جذب ریشه چغندرقند. مهندسی آبیاری و آب ایران، 10(46)، 377-390.
شمسایی، ا. (۱۳۷۸). هیدرولیک جریان در محیط­ های متخلخل (جلد 1). چاپ دوم، انتشارات مرکز نشر دانشگاه صنعتی امیر کبیر (پلی‌تکنیک تهران)، 351 صفحه.
 
Abtahi, S., & Besharat, S. (2011). The use of Hydrus software in simulating the movement and absorption of water in the soil for the sugar beet plant. First National Conference on Meteorology and Agricultural Water Management, Tehean, Iran (in Persian).
Akbari Baseri, Z. (2017). Simultaneous Modeling of Soil Water Flow and Root Water Uptake in Lysimeter. M.Sc. Thesis, University of Mohaghegh Ardabil, Ardabil, Iran (in Persian).
Akbari Baseri, Z., Raoof, M., Rasoulzadeh, A., & Aziz Mobaser, J. (2018). Two-stage calibration of gypsum block. The second National Conference on Protection of Natural Resources and Environment, Ardabil, Iran (in Persian).
Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., & Smith, M. (2006). Crop Evapotranspiration Guidelines For Computing Crop Water Requirements. Final report of FAO Irrigation and Drainage, Paper NO. 56.
Barzegar, A. (2010). Advanced soil physics. 2sd edition: Shahid Chamran University Press,  415 pages (in Persian).
Besharat, S., Behmanesh, J., Rezayi, H., & Dalir, R. (2014). Evaluation of Hydrus-2D for soil water infiltration by using laboratory measurements in the weighing lysimeter. Journal of Water and Soil Conservation, 21(5), 297-306 (in Persian).
Brooks, R.H., & Corey, A.T. (1969). Properties of porous media affecting fluid flow. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 72(2), 61-88.
Cote, C.M., Bristow, K.L., Charleworth, P.B., & Cook, F.J. (2003). Analysis of soil wetting and solute transport in sub-surface trickle irrigation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 22(3-4), 143-156.
Ebrahimi, F., & Raoof, M. (2015). Effect of different Rosetta predictive model on soil hydraulic properties estimation using HYDRUS-2D and effect of land use changing on them. Journal of Irrigation and Drainage, 2 (9), 303-313 (in Persian).
Ebrahimi, F., & Raoof, M. (2016). Evaluation of global soil databases in extracting soil hydraulic conductivity curve and effect of land use change in unsteady state flow. Soil Research, 30(3), 319-328 (in Persian).
Er-Raki, S., Ezzahr, J., Merlin, O., Amazirh, A., Ait Hssaine, B., Kharou, M.H., Hkabba, S., & Chehbouni, A. (2021). Performance of the HYDRUS-1D model for water balance components assessment of irrigated winter wheat under different water managements in semi-arid region of Morocco. Agricultural Water Management, 244, 151-164.
Herkelrath, W.N., Miller, E.E., & Gardner, W.R. (1977). Water uptake by plants: I. Divided Root Experiments. Soil Science Society of America Journal, 41, 1033-1038.
Kang, S., Zhang, F., & Zhang, J. (2001). A simulation model of water dynamics in winter wheat field and its application in a semiarid region. Agricultural Water Management, 49, 115-129.
Kosugi, K. (1996). Lognormal distribution model for unsaturated soil hydraulic properties. Water Resources Research, 32(9), 2697-2703.
Li, K.Y., De Jong, R., & Biosvert, J. B. (2001). An exponential root water- uptake model with water stress compensation. Journal of Hydrology, 252, 189-204.
Mansell, R.S., Liwang, M., Ahuja, L.R., & Bloom, S.A. (2002). Adaptive grid refinement in numerical models for water flow and chemical transport in soil: A review. Vadose Zone Journal, 1, 222–238.
Meshkat, M., Warner, R.C., & Workman, S.R. (1999). Modeling of evaporation reduction in drip irrigation system. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 125(6), 315-323.
Molz, F.J., & Remson, I. (1970). Extraction term models of soil moisture use by transpiring plants. Water Resources Research, 6, 1346-1356.
Mualem, Y. (1976). A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resources Research, 12(3), 513-522.
Raoof, M. (2019). Determination of sugar beet crop coefficient using lysimeter in Ardabil Plain and its comparison with FAO Global Data. Water Research in Agriculture, 33(2), 175-188 (in Persian).
Raoof, M. (2022). Effect of Hydrus 3D input parameters on simultaneous simulation of water movement and sugar beet root water uptake. Irrigation and Water Engineering, 10(46), 377-390 (in Persian).
Raoof, M., Sadraddini, A.A., Nazemi, A.H., & Marofi, S. (2009). Estimating saturated and unsaturated hydraulic conductivity and sorptivity coefficient in transient state in sloping lands. Journal of Food, Agriculture & Environment, 7 (3&4), 861-864.
Rasoulzadeh, A., & Raoof, M. (2014). Principals and Methods of Irrigation. 2sd edition: Amidi Publication, 285 pages (in Persian).
Salazar, O., Wesstrom, I., & Joel, A. (2008). Evaluation of Drainmod using saturated hydraulic conductivity estimated by a pedotransfer function model. Agricultural. Water Management, 95, 1135-1143.
Schmitz, G.H., Shutze, N., & Petersohn, U. (2002). New strategy for optimizing water application under trickle irrigation. Journal of Irrigation and Drainage, 128(5), 287-297.
Shamsayi, A. (2000). Flow hydraulics in porous media (volume one). 2sd edition: Publications of Amir Kabir University of Technology Publishing Center (Tehran Polytechnic), 351 pages (in Persian).
Simunek, J., & Hopmans, J. W. (2009). Modeling compensated root water and nutrient uptake. Ecological Modeling, 220(4), 505-521.
Siyal, A.A., & Skaggs, T.H. (2009). Measured and simulated soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation. Agricultural Water Management, 96, 893-904.
Van Genuchten, M.Th. (1980). A close-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society American Journal Journals, 44, 892–898.
Vogel, T., & Cislerova, C.M. (1988). On the reliability of unsaturated hydraulic conductivity calculated from the moisture retention curve. Transport in Porous Media, 3, 1-15.
Vrugt, J.A., Hopmans, J.W., & Simunek, J. (2001a). Calibration of a two-dimensional root water uptake model. Soil Science Society American Journal Journals, 65, 1027–1037.
Vrugt, J.A., Van Wijk, M.T., Hopmans, J.W., & Simunek, J. (2001b). One, two, and three dimensional root water uptake functions for transient modeling. Water Resources Research, 37, 2457–2470.
Wagner, B., Tarnawski, V.R., Hennings Müller, V., Wessolek, U., & Plagge, R. (2001). Evaluation of pedo-transfer functions for unsaturated soil hydraulic conductivity using an independent data set. Geoderma, 102, 275-297.
Yadau, B.K., & Mathur, Sh. (2008). Modeling soil water uptake by plants using non linear Dynamic root density distribution function. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 134(4), 430-436.
Zeng, W., Lei, G., & Zha, Y. (2018). Sensitivity and uncertainty analysis of the HYDRUS-1D model for root water uptake in saline soils. Crop and Pasture Science, 62(2), 83-94.