اندازه‌گیری مستقیم و شبیه‌سازی اثر میزان سیلاب بر نرخ تغذیه به آبخوان در سامانة پخش سیلاب گربایگان

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار/بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی فارس، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

2 کارشناس پژوهشی/ بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی فارس، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

3 استادیار/ بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی فارس، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

4 استادیار/ پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

ارزیابی نرخ واقعی تغذیه به سفره بر اثر روش‌های مختلف استحصال سیل از موارد مهم پژوهشی است. برای آگاهی از میزان تغذیه مصنوعی آب زیرزمینی بر اثر عملیات آبخوانداری سه چاه با عمق تقریبی 30 متر در یکی از نوارهای سامانه پخش سیلاب گربایگان، با قدمت 39 سال، به‌ترتیب در کاربری‌های جنگل دست‌کاشت آکاسیا، زمین بایر، و پوشش مرتعی حفر شد. ویژگی‌های هیدرولیکی لایه غیراشباع خاک در تمام نیمرخ آبخوان به‌صورت میدانی و آزمایشگاهی اندازه‌گیری شد. یکی از چاه‌ها‌ با حس‌گرهای TDR که از پیش برای خاک محل پژوهش واسنجی شده بود تجهیز شد. حس‌گرها در حفره‌هایی که در دیواره چاه (از پیش عایق‌بندی شده) آماده شده بود از سطح تا عمق 30 متر کارگذاری کابل‌های آن‌ها تا بالای چاه کشیده شد. مقدار حجم آب خاک از مرداد 1389 تا خرداد 1399 به‌طور پیوسته یک نوبت در هفته در زمان‌های فاقد رخداد سیل و بارش و یک نوبت در روز در هنگام بعد از رخدادهای سیل و بارش اندازه‌گیری شد. داده‌های بارش و ارتفاع آبگیری نوار تغذیه در کنار چاه مشاهده‌ای یادداشت شد. تغذیه در محیط غیراشباع با روش بیلان آب خاک با کمک داده‌های اندازه‌گیری آب خاک در لایه‌ها ارزیابی شد. مقدار تغذیه با راه‌حل معکوس به‌وسیله مدل‌ Hydrus یک بُعدی شبیه‌سازی شد. نتایج نشان داد که جبهه رطوبتی پس از وقوع سیل در عمق چهار متر جایی‌که یک لایه خاک ریزبافت روی لایه درشت بافت سنگ‌ریزه‌دار قرار دارد، مختل شده است. تفاوت زیاد در میزان هدایت هیدرولیکی دو لایه متوالی سبب تبدیل حرکت جبهه‌ای به حرکت انگشتی در این عمق شده است. اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی جریان با مدل واسنجی شده Hydrus در برابر مقادیر مشاهده‌ای (با RMSE، 3.45 سانتی‌متر و R2، 0.994) نشان داد مدل با موفقیت قادر به تخمین جریان آب پس از وقوع سیل بوده و آماره‌های صحت‌سنجی نتایج نزدیکی به واقعیت ارائه کرده است. نسبت تغذیه بین 26-84 درصد با میانگین 55 درصد برای کل وقایع و 84 - 63 درصد با میانگین 75 درصد برای سیل‌های بزرگ (با ارتفاع ماندابی بیش از 50 سانتی‌متر و در طول بیش از 24 ساعت) بر اثر سیل و بارش را می‌توان یکی از دست‌آوردهای پژوهش حاضر دانست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


پاک‌پرور، مجتبی، چراغی، سیدعلی محمد، مجیدی، علیرضا، قهاری، غلامرضا، و نکوئیان، غلامعلی (1400). مقایسه مدل‌های  Hydrus  و LEACHW در شبیه­ سازی حرکت آب در خاک برای بررسی میزان تغذیه خالص به آبخوان در سامانه گسترش سیلاب ایستگاه کوثر، پروژه تحقیقاتی شماره 940078-001-29-50-4، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، 96صفحه.
 
References
Altafi Dadgar, M., Nakhaei, M., Porhemmat, J., Biswas, A., & Rostami, M. (2018). Transient potential groundwater recharge under surface irrigation in semi arid environment: An experimental and numerical study. Hydrological Processes, 32(25), 3771-3788. doi:10.1002/hyp.13287
Bellot, J., & Chirino, E. (2013). Hydrobal: An eco-hydrological modelling approach for assessing water balances in different vegetation types in semi-arid areas. Ecological Modelling, 266, 30-41. doi:10.1016/j.ecolmodel.2013.07.002
Berend, J.E. (1967). An analytical approach to the clogging effect of suspended matter. Hydrological Sciences Journal, 12(2), 42-55. doi:10.1080/02626666709493523
Bouwer, H. (1986). Intake rate, cylinder infiltrometer. Pp. 825-844. In: Klute, A., Ed., Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, Madison WI, American Society of Agronomy and Soil Science Society of America.
Bouwer, H., & Rice, R.C. (1984). Hydraulic Properties of Stony Vadose Zones. Ground Water, 22(6), 696-705.
Dafny, E., & Šimůnek, J. (2016). Infiltration in layered loessial deposits: Revised numerical simulations and recharge assessment. Journal of Hydrology, 538, 339-354. doi:10.1016/j.jhydrol.2016.04.029
Domínguez-Niño, J.M., Arbat, G., Raij-Hoffman, I., Kisekka, I., Girona, J., & Casadesús, J. (2020). Parameterization of soil hydraulic parameters for hydrus-3d simulation of soil water dynamics in a drip-irrigated orchard. Water, 12(7), 1858. doi:10.3390/w12071858
Elrick, D.E., Reynolds, W.D., 1992. Infiltration from Constant-Head Well Permeameters and Infiltrometers. Pp. 1-24, In: Topp, G.C., Reynolds, W.D., Green, R.E. (Eds.), Advances in Measurement of Soil Physical Properties: Bringing Theory into Practice, SSSA, Madison WI.
Enfield, C., Hsieh, J., & Warrick, A. (1973). Evaluation of water flux above a deep water table using thermocouple psychrometers. Soil Science Society of America Journal, 37(6), 968-970.
Evett, S.R., Schwartz, R.C., Casanova, J.J., & Heng, L.K. (2012a). Soil water sensing for water balance, ET and WUE. Agricultural Water Management, 104, 1-9. doi:10.1016/j.agwat.2011.12.002
Filomena, C., Dolores, F.M., Antonella, S., & Giuseppe, S. (2008). Variation of infiltration rate through karstic surfaces due to land use changes: A case study in Murgia (SE-Italy). Engineering Geology, 99(3–4), 210-227. doi:10.1016/j.enggeo.2007.11.018
Gee, G.W., & Hillel, D. (1988). Groundwater recharge in arid regions. Review and critique of estimation methods. Hydrological Processes, 2(3), 255-266. doi:10.1002/hyp.3360020306
Gee, G.W., & Or, D. (2002). Particle-size analysis. Pp. 255-293, In: Dane, J.H., & Topp, G.C., eds., Methods of Soil Analysis. Part 4: Physical Methods, Madison, WI, American Society of Agronomy.
Grossman, R.B., & Reinsc, T.G. (2002). Bulk density and linear extensibility. Pp. 201-228, In: Dane, J. H., & Topp, G.C., eds., Methods of soil analysis, part4: Physical methods, Madison WI, SSSA Book Ser. 5. SSSA.
Hall, M.J. (2001). How well does your model fit the data?. Journal of Hydroinformatics, 3, 49-55. doi:10.2166/hydro.2001.0006
Hashemi, H., Berndtsson, R., Kompani-Zare, M., & Persson, M. (2013). Natural vs. artificial groundwater recharge, quantification through inverse modeling. Hydrology Earth System Sciences, 17(2), 637-650. doi:10.5194/hess-17-637-2013
Hillel, D., & Baker, R.S. (1988). A descriptive theory of fingering during infiltration into layered soils. Soil Science, 146(1), 51-56. doi:10.1097/00010694-198807000-00008
Hornero, J., Manzano, M., Ortega, L., & Custodio, E. (2016). Integrating soil water and tracer balances, numerical modelling and GIS tools to estimate regional groundwater recharge: Application to the Alcadozo Aquifer System (SE Spain). Science of The Total Environment, 568, 415-432. doi:10.1016/j.scitotenv.2016.06.011
Hosmer, D.W., Jr., S.L., & Sturdivant, R.X. (2013). Assessing the Fit of the Model. Wiley Series in Probability and Statistics.
Hou, L., Wang, X.-S., Hu, B.X., Shang, J., & Wan, L. (2016). Experimental and numerical investigations of soil water balance at the hinterland of the Badain Jaran Desert for groundwater recharge estimation. Journal of Hydrology, 540, 386-396. doi:10.1016/j.jhydrol.2016.06.036
Kawamoto, K., Mashino, S., Oda, M., & Miyazaki, T. (2004). Moisture structures of laterally expanding fingering flows in sandy soils. Geoderma, 119(3–4), 197-217. doi:10.1016/j.geoderma.2003.07.001
Kowsar, S.A. (1991). Floodwater spreading for desertification control: an integrated approach. Desrtification Control Bulliten, 19, 3-18.
Min, L., Shen, Y., & Pei, H. (2015). Estimating groundwater recharge using deep vadose zone data under typical irrigated cropland in the piedmont region of the North China Plain. Journal of Hydrology, 527, 305-315. doi:10.1016/j.jhydrol.2015.04.064
Moriasi, D.N., Arnold, J.G., Van Liew, M.W., Bingner, R.L., Harmel, R.D., & Veith, T.L. (2007). Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 50(3), 885-900. doi:10.13031/2013.23153
Nash, J.E., & Sutcliffe, J.V. (1970). River flow forecasting through conceptual models part I: A discussion of principles. Journal of Hydrology, 10(3), 282-290. doi:10.1016/0022-1694(70)90255-6
Naylor, S., Letsinger, S.L., Ficklin, D.L., Ellett, K.M., & Olyphant, G.A. (2016). A hydropedological approach to quantifying groundwater recharge in various glacial settings of the mid-continental USA. Hydrological Processes, 30(10), 1594-1608. doi:10.1002/hyp.10718
Pakparvar, M., Cornelis, W., Gabriels, D., Mansouri, Z., & Kowsar, S.A. (2016a). Enhancing modelled water content by dielectric permittivity in stony soils. Soil Research, 54(3), 360-370. doi:10.1071/SR15154
Pakparvar, M., Cornelis , W., Pereira, L.S., Gabriels, D., Hosseinimarandi, H., Edraki, M., & Kowsar, S.A. (2014). Remote sensing estimation of actual evapotranspiration and crop coefficients for a multiple land use arid landscape of southern Iran with limited available data. Journal of Hydroinformatics, 16(6), 1441-1460. doi:10.2166/hydro.2014.140
Pakparvar, M., Hashemi, H., Rezaei, M., Cornelis, W. M., Nekooeian, G., & Kowsar, S.A. (2018). Artificial recharge efficiency assessment by soil water balance and modelling approaches in a multi-layered vadose zone in a dry region. Hydrological Sciences Journal, 63(8), 1183-1202. doi:10.1080/02626667.2018.1481962
Pakparvar, M., Walraevens, K., Cheraghi, S.A. M., Ghahari, G., Cornelis, W., Gabriels, D., & Kowsar, S.A. (2016b). Assessment of groundwater recharge influenced by floodwater spreading: an integrated approach with limited accessible data. Hydrological Sciences Journal, 62(1), 147-164. doi:10.1080/02626667.2016.1183164
Radcliffe, D.E., & Ŝimùnek, J. (2010). Soil physics with Hydrus modeling and application. Boca Raton, FL, CRC Press, 373 pages.
Reynolds, W.D., Elrick, D.E., & Youngs, E.G. (2002). Ring or Cylinder Infiltrometers (Vadose Zone), Pp. 818-826, In: Dane, J.H., & Topp, G.C., eds., Methods of soil analysis, part4: Physical methods, Madison WI, SSSA Book Ser. 5. SSSA.
Samani, Z., Cheraghi, A., & Willardson, L. (1989). Water Movement in Horizontally Layered Soils. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 115, 449-456.
Scanlon, B.R., Keese, K.E., Flint, A.L., Flint, L.E., Gaye, C.B., Edmunds, W.M., & Simmers, I. (2006). Global synthesis of groundwater recharge in semiarid and arid regions. Hydrological Processes, 20(15), 3335-3370. doi:10.1002/hyp.6335
Šimůnek, J., Šejna, M., Saito, H., Sakai, M., & van Genuchten, M.T. (2013). The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. version 4.16, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, USA.
Solone, R., Bittelli, M., Tomei, F., & Morari, F. (2012). Errors in water retention curves determined with pressure plates: Effects on the soil water balance. Journal of Hydrology, 470–471, 65-74. doi:10.1016/j.jhydrol.2012.08.017
Stafford, M.J., Holländer, H.M., & Dow, K. (2022). Estimating groundwater recharge in the assiniboine delta aquifer using HYDRUS-1D. Agricultural Water Management, 267, 107514. doi:10.1016/j.agwat.2022.107514
Stephens, D.B., & Knowlton, R. (1986). Soil water movement and recharge through sand at a semiarid site in New Mexico. Water Resources Research, 22(6), 881-889. doi:10.1029/WR022i006p00881
Tonkul, S., Baba, A., Şimşek, C., Durukan, S., Demirkesen, A.C., & Tayfur, G. (2019). Groundwater recharge estimation using HYDRUS 1D model in Alaşehir sub-basin of Gediz Basin in Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 191(10), 610. doi:10.1007/s10661-019-7792-6
Touhami, I., Andreu  J.M., Chirino, E., Sánchez, J.R., Pulido-Bosch, A., Martínez-Santos, P., Moutahir, H., & Bellot, J. (2013). Comparative performance of soil water balance models in computing semiarid aquifer recharge: Hydrological Sciences Journal, 59(1), 193-203. doi:10.1080/02626667.2013.802094
Von Freyberg, J., Moeck, C., & Schirmer, M. (2015). Estimation of groundwater recharge and drought severity with varying model complexity: Journal of Hydrology, 527, 844-857. doi:10.1016/j.jhydrol.2015.05.025
Westenbroek, S.M., Engott, J.A., Kelson, V.A., & Hunt, R.J. (2018). SWB Version 2.0-A soil-water-balance code for estimating net infiltration and other water-budget components. U.S. Geological Survey, 6-A59, 118 pages.