مدل سازی زهکشی خشک تحت کاشت گیاه جو به منظور بررسی حرکت آب و املاح خاک

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, due to the financial difficulties and decrease of the quantity and quality of water resources, researchers are investigating various aspects of the dry drainage system. This study was carried out to investigate the effect of dry drainage on soil water and solute traort. In the experimental stage a physical model with 1 m width of the irrigated and fallow areas was used to investigate dry drainage for 84 days. Soil water content, salinity and the concentrations of different solutes were measured. At the end of the experiment, the soil surface salinity of the irrigated and fallow areas were 145 and 270% more than initial values. Sodium, potassium, calcium, magnesium, nitrate and chloride concentrations and SAR value at the soil surface of the fallow area were 210, 125, 410, 115, 1070, 160 and 126% more than initial values, respectively. While at this time, corresponding values at soil surface of the irrigated area were 125, 105, 226, 130, 384, 135 and 97% more than initial values, respectively. In second stage, soil hydraulic and solute traort parameters were calibrated and validated using HYDRUS-2D under different assumptions. Results showed that, considering the difference between soil hydraulic parameters of the irrigated and fallow area along with the simultaneous effect of water and salinity stresses using multiplicativity approach increased the accuracy of the simulation. Statistical indices of ME , MAE , RMSE and R 2 for simulating soil water content in the whole experiment time were 0.002, 0.012, 0.016 ( cm 3 .cm -3 ) and 0.907 and for soil salinity were -0.201, 0.222, 0.301 ( dS/m ) and 0.867, respectively. In the third stage, 54 scenarios were simulated involving a combination of different situations including groundwater table depth, atmospheric conditions and the ratio of the irrigated and fallow areas width, both in daily and three-day irrigation intervals. Each situation contained three values, one equal to corresponding value which was tested in the experimental stage and two others ±20% around that. Based on results of the different simulated scenarios, 20% decrease of initial groundwater table depth caused to decrease of average of unsaturated soil water content of the irrigated area and increase of average of groundwater table depth by 5.56 and 18.14%, respectively during the simulation time. Increase of the irrigation interval from 1 to 3 caused to increase of average of the unsaturated soil salinity of the irrigated area and average of the groundwater salinity by 7.36 and 3.56%, respectively. Furthermore, 20% increase of the ratio of the irrigated and fallow areas width caused to decrease of average groundwater table depth by 9.23%. Although dry drainage system had least risk of the groundwater contamination, due to multiple factors affecting on performance of the dry drainage system, more research about different aspects of this system are recommended. Key Words Fallow area, HYDRUS-2D, multiplicativity approach, Physical model, Water and Salinity stress.

نظر به کاهش کمی و کیفی منابع آب در سال های اخیر و وجود مشکلات مالی، پژوهشگران در حال بررسی جنبه های مختلف سیستم زهکشی خشک به عنوان روشی با نیاز کمتر به آب، هزینه اجرا و نگهداری برای کاربرد در مناطق خشک هستند. در این سیستم زمین به نوار های کاشت و آیش تقسیم می شود. نوار های کاشت آبیاری شده و آب و املاح اضافی به خاک منطقه آیش انتقال می یابند. آگاهی از میزان و چگونگی انتقال آب و املاح مختلف برای مدیریت صحیح منطقه آیش به منظور پایداری این سیستم ضروری است. همچنین این مسئله برای ارزیابی پیش از اجرای پروژه های تصفیه و بازیافت نمک جمع آوری شده از سطح خاک منطقه آیش و افزایش بهره وری اقتصادی این سیستم اهمیّت دارد. هدف این پژوهش بررسی اثر زهکشی خشک بر چگونگی حرکت آب و املاح در خاک بود. این پژوهش در سه مرحله، مطالعه آزمایشگاهی با استفاده از یک مدل فیزیکی، واسنجی، تحلیل حساسیّت و صحت سنجی پارامتر های هیدرولیکی و انتقال املاح خاک با استفاده از مدل عددی HYDRUS-2D و شبیه سازی سناریو های مختلف با استفاده از مدل عددی واسنجی شده، انجام گرفت. مرحله آزمایشگاهی به منظور مدل سازی شرایط زهکشی خشک با استفاده از یک مدل فیزیکی با عرض منطقه کاشت و آیش برابر یک متر، تحت کاشت گیاه جو و به مدت 84 روز در فضای باز انجام شد. شوری آب آبیاری در طول دوره آزمایش ثابت و برابر dS/m 3 و دور آبیاری یک روز بود. بافت خاک مورد استفاده لومی و عمق تثبیت سطح ایستابی 60 سانتی متر بود. در طول دوره آزمایش نمونه برداری از نقاط مختلف مدل فیزیکی طی 4 مرحله با فواصل 21 روز انجام شد. رطوبت، شوری و غلظت یون های مختلف اندازه گیری و نسبت جذب سدیم ( SAR ) محلول خاک محاسبه و تغییرات آن ها بررسی شد. در پایان آزمایش مقدار شوری سطح خاک منطقه آبیاری و آیش به ترتیب به 145 و 270 درصد مقدار اولیّه در زمان شروع آزمایش رسیده بود. شکل نیمرخ غلظت سدیم و کلسیم مشابه و با نیمرخ غلظت پتاسیم و منیزیم متفاوت بود. در انتهای دوره آزمایش غلظت سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، نیترات، کلرید و مقدار SAR در سطح خاک منطقه آیش به ترتیب به 210، 125، 410، 115، 1070، 160 و 126 درصد مقدار اولیّه رسیده بود. در حالی که در این زمان مقادیر نظیر در سطح خاک منطقه آبیاری به ترتیب به 125، 105، 226، 130، 384، 135 و 97 درصد مقدار اولیّه رسیده بود. در این مطالعه شاخص VSP برابر درصد شوری سطح خاک منطقه آبیاری و یا آیش در هر زمان نسبت به مقدار آن در شرایط اولیّه و شاخص VSR برابر نسبت افزایش شوری هر لایه از خاک منطقه آیش در هر زمان در مقایسه با شرایط اولیّه به مقدار افزایش در لایه نظیر در منطقه آبیاری تعریف شدند. زمان خراش نمک از سطح خاک منطقه آیش با توجّه به پایش شوری خاک بر اساس دو شاخص VSP و VSR 60 روز پس از کاشت تعیین شد. در مرحله دوم پارامتر های هیدرولیکی و انتقال املاح خاک با استفاده از مدل HYDRUS-2D برای شبیه سازی رطوبت و شوری تحت فرضیّات مختلف واسنجی و صحت hy;سنجی شدند. بر اساس نتایج، در نظر گرفتن فرض تفاوت بین پارامتر های هیدرولیکی و انتقال املاح خاک منطقه آبیاری و آیش همراه با عدم در نظر گرفتن مکش ورود هوا به خاک و همچنین ترکیب اثر تنش آبی و شوری به صورت ضرب پذیر موجب افزایش دقت شبیه سازی شد. شاخص های آماری ME ، MAE ، RMSE و R 2 در مورد شبیه سازی رطوبت در کل دوره آزمایش به ترتیب 002/0، 012/0، 016/0 ( cm 3 . cm -3 ) و 907/0 و برای شبیه سازی شوری به ترتیب 201/0-، 222/0، 301/0 ( dS.m -1 ) و 867/0 بود. بر مبنای شاخص های یاد شده اگرچه توانایی مدل HYDRUS-2D در شبیه سازی رطوبت و شوری خاک مناسب بود اما، دقت آن در برآورد رطوبت خاک بیشتر از شوری ارزیابی شد. در مرحله سوم این مطالعه 54 سناریو شامل ترکیب شرایط مختلف از جمله عمق اولیّه سطح ایستابی، شرایط جوّی و عرض منطقه کاشت و آیش و هر یک در دو دور آبیاری روزانه و سه روزه شبیه سازی شدند. هر یک از این تغییرات شامل سه مقدار بود. یک مقدار برابر با شرایطی که در مدل فیزیکی آزمایش شد و دو مقدار دیگر به اندازه 20 درصد کمتر و 20 درصد بیشتر از آن در نظر گرفته شد. بر اساس نتایج سناریو های شبیه سازی شده، با کاهش 20 درصدی عمق سطح ایستابی اولیّه، میانگین رطوبت خاک غیر اشباع منطقه آبیاری و عمق سطح ایستابی در طول دوره آزمایش نسبت به مقادیر اندازه گیری شده نظیر در مدل فیزیکی به ترتیب 56/5 درصد کاهش و 14/18 درصد افزایش یافت. افزایش دور آبیاری از یک به سه روز سبب افزایش شوری خاک غیر اشباع منطقه آبیاری و شوری آب زیر زمینی به ترتیب به میزان 36/7 و 56/3 درصد شد. همچنین افزایش 20 درصدی نسبت عرض منطقه آبیاری به آیش موجب کاهش 23/9 درصدی عمق سطح ایستابی شد. اگر چه سیستم زهکشی خشک کمترین خطر را در افزایش شوری آب زیر زمینی داشت اما، با توجّه به تعدد عوامل اثر گذار بر عملکرد این سیستم انجام پژوهش های بیشتر برای مشخص شدن جنبه های مختلف آن توصیه می شود. کلمات کلیدی: تنش آبی، تنش شوری، روش ضرب پذیر، مدل فیزیکی، مدیریت منطقه آیش، HYDRUS-2D .