ارزیابی معادلات نفوذ آب به خاک در شرایط تلفیق کیفیت آب آبیاری، رطوبت اولیه خاک و بار آبی ثابت

به منظور ارزیابی و طراحی یک سیستم آبیاری باید پدیده نفوذ آب به خاک و تغییرات آن با دقت کافی تعیین گردد. در شرایط شور و سدیمی بودن خاک و آب، اهمیت این مسئله بیشتر خواهد شد. هدف اصلی این پژوهش برآورد ضرایب معادلات مختلف نفوذ آب به خاک (کوستیاکوف، کوستیاکوفلوئیس، هورتون، فیلیپ و حفاظت خاک آمریکا) و عملکرد این معادلات در شرایط مختلف تلفیق کیفیت آب آبیاری، رطوبت اولیه خاک و بار آبی ثابت روی سطح خاک بود. ابتدا با استفاده از یک روش آزمایشگاهی، نفوذ آب در ستون های خاک به روش بار ثابت اندازه گیری شد. سپس با وارد کردن داده های نفوذ تجمعی و زه آب به مدل hydrus-1d، پارامتر های هیدرولیکی خاک با حل معکوس بدست آمد. برای تعیین ضرایب معادلات، خروجی مدل hydrus-1dیعنی نفوذ تجمعی نسبت به زمان برازش داده شد. با محاسبه آماره های ریشه میانگین مربعات خطا (rmse)، ریشه میانگین مربعات خطا نرمال شده (nrmse)، انحراف معیار ریشه میانگین مربعات خطا (sdrmse)، درصد خطای نسبی مطلق (ae)، درصد خطای نسبی (re) معادلات نفوذ برای شرایط مختلف مورد استفاده، ارزیابی و رتبه بندی شدند. مقادیرrmse، sdrmse، nrmseو aeبرای معادله هورتون به ترتیب 043/0، 018/0، 006/0 و 1 و برای معادله کوستیاکوف به ترتیب 234/0، 175/0، 025/0 و 4 بدست آمد که بدین ترتیب هورتون مناسبترین و کوستیاکوف نامناسبترینروش شناخته شدند. مقایسه مقادیر nrmseنشان داد که در بیشتر موارد، معادلات در حالت کم آبیاری مقدار نفوذ را با دقت بهتری برآورد می نمایند. خطای معادلات کوستیاکوفلوئیس و فیلیپ در یک تیمار مشخص با افزایش مقدار آب آبیاری و نزدیک شدن به آخر فصل افزایش یافت ولی بقیه معادلات روند مشخصی نداشتند. دراندازه گیری نفوذ آب بررسی تاثیر رطوبت اولیه خاک، بار آبی روی سطح خاک و ویژگی های شیمیایی خاک ضروری است زیرا ضرایب معادلات نفوذ و در نتیجه راندمان آبیاری تحت تاثیر این پارامترها قرار دارند.

Evaluation of Infiltration Equations Considering Irrigation Water Quality, Initial Soil Moisture, and Constant Water Head

In order to design or evaluate an irrigation system, the infiltration phenomenon and its variations should be determined accurately. In saline and sodic soil and water conditions, the importance of this issue will become greater. The main objective of this study was to estimate the coefficients of different infiltration equations (Kostiakov, KostiakovLewis, Horton, Philip, and U. S. Soil Conservation) and to evaluate the performance of these equations under different qualities of irrigation water, initial soil moistures, and constant water head. Using a laboratory method, infiltrations were measured in soil columns for constant water head. Then, by applying the cumulative infiltration and drainage outflow data to HYDRUS1D model, soil hydraulic parameters were determined by the inverse solution. To determine the coefficients of infiltration equations, the outputs of the HYDRUS1D model including cumulative infiltration verses time were corrolated. The values of root mean square error (RMSE), standard deviation root mean square error (SDRMSE), normalized root mean square error (NRMSE), percent relative absolute error (AE) and percent relative error (RE), were used to evaluate the performance of each infiltration equation and to rank the equations. The equation that had the highest rank was considered as the best and more stable equation. The Horton equation with RMSE, SDRMSE, NRMSE and AE of 0.043, 0.018, 0.006 and 1 and the Kostiakov equation with the values of 0.234, 0.175, 0.025 and 4, were the most and the least suitable eqations, respectively. The evaluation of the performance of infiltration equations using statistical indicators showed that the KostiakovLewis and the Kostiakov infiltration equations were the best and the worst equations, respectively. Comparison of NRMSE values showed that in most cases, under deficit irrigation, infiltration equations estimate infiltration more accurately. For a given treatment, the errors of KostiakovLewis and Philip infiltration equations increased as the amount of irrigation water increased, and as the end of the season approached. The rest of the equations did not show any especial trends. To measure infiltration, it is necessary to consider the effects of irrigation water quality, initial soil moisture, and water heads, because these parameters influence the coefficients of infiltration equations and, consequently, the irrigation efficiency.