Skip to main content
SUPERVISOR
محمدرضا مصدقی (استاد راهنما) شمس اله ایوبی (استاد مشاور) کریم عباسپور (استاد مشاور) محمدعلی حاج عباسی جورتانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamid Kelshadi ghale shahi
حمید کلشادی قلعه شاهی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Measuring and Predicting Soil Hydraulic properties with Tension Infiltrometer and Artificial Neural Network in Watershed Scale
Near-saturated soil hydraulic properties are needed to study and to model water and contaminant traort processes in the vadose zones. Soil management and land use via their effects on soil properties such as texture, bulk density, structure and organic carbon could indirectly change soil hydraulic properties. However, measurements of soil hydraulic properties in the field and lab are time-consuming and costly. Moreover, the results might not be reliable due to high spatial and temporal variabilities of soil physical and hydraulic properties. Attempts have been made to predict these properties indirectly using basic and easily-available soil data by pedotransfer functions (PTFs). In recent years, use of artificial neural networks (A) has becomes common for deriving PTFs. The objective of this study was to measured and predicted near-saturated hydraulic properties in pasture and arable lands of Farsan and Koohrang cities in Chaharmahal-va-Bakhtiari province. The major land uses in the area were pasture, dryland farming, irrigated farming and fallow. Unsaturated water infiltration was measured at consecutive inlet suctions of 15, 10, 5 and 2 cm using a tension infiltrometer at 100 locations. Then, soil water retention was measured in the lab at suctions of 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 330, 500, 2000 and 5000 cm on undisturbed soil sample which was taken from the soil under the disc of infiltrometer. Saturated hydraulic conductivity was also measured on the same sample using constant-head method. Easily-available soil properties of texture, organic matter and carbonate contents, sodium adsorption ratio, dry bulk density at field water condition (air-dry) and dry bulk density at suction of 2 cm were measured. The infiltration data was modeled using Wooding (1968) analytical method and the best-fit values of Gardner (1958) parameters were calculated. The van Genuchten (1980) parameters were predicted using the cumulative infiltration data by DISC software and using the lab water retention data by RETC software. The field and lab methods for measuring and predicting soil hydraulic properties were compared using the paired t -test. Regression equations for predicting soil hydraulic properties and parameters were derived using stepwise scheme. For the neural network analysis, feed forward back-propagation network with Marquardt-Levenberg training function and TANSIG transfer function was used for predicting soil hydraulic parameters. Sensitivity analysis in the neural network analysis was done by StatSoft method. Land use effect on soil properties was investigated using GLM method and LSD mean comparison. Results showed that lab-measured saturated hydraulic conductivity and water content were significantly greater than those predicted using the field data. Predicted shape ( n ) and scale ( ? ) partameters of van Genuchten (1980) model using the field data were significantly greater than those predicted using the lab data, too. Unsaturated hydraulic conductivity values predicted by Wooding's analytical analysis were significantly greater than those predicted by DISC numerical analysis. The PTFs of the literature were not able to predict soil hydraulic parameters accurately. Neural networks predicted soil hydraulic parameters better than linear and non-linear multiple regressions. Sensitivity analysis of neural network identified relative compaction and dry bulk density at suction of 2 cm as most important properties affecting soil hydraulic parameters in the region. Land use significantly affected unsaturated hydraulic conductivity, steady-state flux and sorptivity; the differences between land uses became greater with decreasing suction (towards saturation). The results showed that hydraulic conductivity values in the studied suction range were lower in pasture when compared with other land uses. For all of the land uses, the sorpivity was high at suction of 15 cm and decreased with suction decrease from 15 to 10 cm, and then increased with further decrease of suction toward saturation. Overall soil hydraulic properties are mainly influenced by soil structure and management practices rather than by intrinsic soil properties like texture in the region. Derived regression equations were not enough accurate to predict soil hydraulic parameters. It is suggested to consider soil structural attributes for modeling and predicting soil hydraulic parameters in the region. Keywords Tension infiltrometer, Unsaturated hydraulic conductivity, Pedotransfer functions, Artificial neural networks, Land use, Macroscopic capillary length, Sorptivity
یکی از نیازهای اساسی برای بررسی و مدل سازی حرکت آب و آلاینده ها در ناحیه غیراشباع مطالعه ویژگی های هیدرولیکی خاک در رطوبت های نزدیک اشباع است. این ویژگی ها تحت تأثیر بافت، چگالی ظاهری، ساختمان و مقدار کربن آلی خاک هستند و بسیاری از این ویژگی ها به شدت تحت تأثیر کاربری و مدیریت زمین قرار دارند. اندازه گیری ویژگی های هیدرولیکی خاک در مزرعه و آزمایشگاه زمان بر و هزینه بر است.علاوه براین، نتایج آن به خاطر تغییرات مکانی و زمانی ویژگی های فیزیکی و هیدرولیکی خاک ممکن است دقیق نباشند. این پژوهش با هدف اندازه گیری و تخمین ویژگی های هیدرولیکی نزدیک اشباع در بخشی از زمین های مرتعی و کشاورزی شهرستان های فارسان و کوهرنگ واقع در استان چهارمحال بختیاری صورت گرفت. در این منطقه عمدتاً کاربری های مرتع، دیم، کشت آبی و آیش وجود داشت. داده های نفوذ تجمعی غیراشباع توسط دستگاه نفوذسنج مکشی در مکش های متوالی 15، 10، 5 و 2 سانتی متر در 100 نقطه جمع آوری شد. سپس نگهداشت رطوبت نمونه های خاک دست نخورده برداشت شده از زیر صفحه نفوذسنج در مکش های 0، 5، 10، 15، 20، 25، 30، 40، 50، 60، 70، 80، 90، 100، 330، 500، 2000 و 5000 سانتی متر آب توسط دستگاه های آزمایشگاهی اندازه گیری شد. هم چنین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک به روش بار ثابت روی این نمونه دست نخورده اندازه گیری شد. برخی ویژگی های زودیافت خاک شامل بافت، ماده آلی، کربنات کلسیم معادل، نسبت جذبی سدیم، چگالی ظاهری خشک در رطوبت مزرعه (هوا-خشک) و چگالی ظاهری خشک نظیر مکش 2 سانتی متر نیز اندازه گیری شد. پارامترهای معادله گاردنر (1958) از طریق برازش بهترین خط بر نتایج معادله وودینگ (1968) برآورد شدند. پارامترهای مدل ون گنوختن (1980) با استفاده از داده های نفوذ تجمعی توسط نرم افزار DISC، و با استفاده از داده های آزمایشگاهی توسط نرم افزار RETC برآورد شدند.. استخراج معادلات رگرسیونی برآورد ویژگی ها و پارامترهای هیدرولیکی خاک به روش گام به گام انجام شد. مدل سازی (برآورد) پارامترهای هیدرولیکی خاک توسط شبکه های عصبی مصنوعی Feed forward back-propagation، با تابع یادگیری لونبرگ-مارکواردت و تابع انتقال TANSIG صورت پذیرفت. آنالیز حساسیت شبکه های عصبی به روش StatSoft انجام شد. مقایسات آماری اثر کاربری زمین بر ویژگی های خاک توسط روش GLM، با آزمون LSD صورت پذیرفت. نتایج نشان داد هدایت هیدرولیکی اشباع و رطوبت اشباع اندازه گیری شده در آزمایشگاه به طور معنی داری بزرگ تر از مقادیر برآوردشده آنها از روی داده های مزرعه ای بود. هم چنین پارامترهای شکل ( n ) و مقیاس ( ? ) مدل ون گنوختن (1980) برآوردشده با استفاده از داده های مزرعه ای به طور معنی داری بزرگ تر از داده های آزمایشگاهی بود. هدایت هیدولیکی غیراشباع برآورد شده توسط روش تحلیلی وودینگ به طور معنی داری بزرگ تر از مقادیر برآوردشده توسط روش عددی DISC بود. PTFs موجود در منابع پارامترهای هیدرولیکی خاک در منطقه را ضعیف پیش بینی کردند. شبکه های عصبی مصنوعی بهتر از رگرسیون چندمتغیره خطی و غیرخطی پارامترهای هیدرولیکی خاک را برآورد نمودند. آنالیز حساسیت شبکه های عصبی مصنوعی نشان داد که تراکم نسبی و چگالی ظاهری خشک نظیر مکش 2 سانتی متر تأثیرگذارترین ویژگی ها بر پارامترهای هیدرولیکی خاک در منطقه هستند. کاربری زمین به طور معنی داری هدایت هیدرولیکی غیراشباع، شدت نفوذ ماندگار و ضریب جذب و دفع را تحت تاثیر قرار داد به گونه ای که با کاهش مکش (به طرف رطوبت اشباع) تفاوت بین ویژگی های هیدرولیکی افزایش یافت. هم چنین نتایج نشان داد هدایت هیدرولیکی خاک در دامنه مکش مورد بررسی در کاربری مرتع کم تر از سایر کاربری ها است. در تمامی کاربری ها در ابتدای آزمایش در مکش 15 سانتی متر قابلیت جذب زیاد بود و سپس با کاهش مکش به 10 سانتی متر کاهش یافت و پس از آن مجدداً باکاهش مکش افزایش یافت. به طور کلی در منطقه مورد بررسی ویژگی های هیدرولیکی خاک عمدتاً تحت تاثیر ساختمان خاک و مدیریت زمین قرار گرفتند و اثر ویژگی های ذاتی خاک مانند بافت کم تر بود. روابط رگرسیونی استخراج شده برای برآورد پارامترهای هیدرولیکی خاک دقت کافی نداشتند و پیشنهاد می شود برای مدل سازی و برآورد پارامترهای هیدرولیکی خاک در این منطقه ویژگی های ساختمانی خاک نیز مدنظر قرار گرفته شود. واژه های کلیدی: نفوذسنج مکشی، هدایت هیدرولیکی غیراشباع، توابع انتقالی خاک، شبکه های عصبی مصنوعی، کاربری زمین، طول درشت مویینگی، قابلیت جذب

ارتقاء امنیت وب با وف بومی