ارائه یک مدل فازی برای مدل سازی نفوذ آب در خاک

مدل سازی نفوذ آب در خاک غیر اشباع معمولاً بر اساس حل عددی معادله ریچاردز انجام می‌گیرد. پیچیدگی‌های موجود در حل عددی، در نظر نگرفتن عدم قطعیت پارامترها، و دشواری‌های کاربرد این شیوه در مدل‌سازی حرکت آب در خاک در مقیاس بزرگ (مزرعه‌ای و ناحیه‌ای) توجه پژوهشگران را به سایر روش ها جلب کرده است. در این پژوهش مدل فازی مبتنی بر قانون برای بررسی نفوذ آب در خاک غیر اشباع بدون کشت گیاهی ارائه شده است. قوانین مدل فازی با استفاده از مجموعه‌های آموزشی بزرگ به دست آمده از حل معادله ریچاردز با استفاده از مدل عددی hydrus استخراج شد. تعداد 49 قانون فازی با توجه به 7 کلاس رطوبتی تعیین شده برای خاک، در مدل فازی عمل می‌کنند. مدل فازی مبتنی بر قانون تولید شده قادر به شبیه‌سازی شار (شدت جریان) در هر گام زمانی است و با استفاده از معادله پیوستگی مقدار رطوبت در کل خاکرخ در گام زمانی بعدی محاسبه می‌شود. نتایج آماری نشان از دقت بالای مدل در تخمین میزان شار در ستون خاک و مقدار رطوبت پیش‌بینی شده برای سه بافت خاک لوم، شن و سیلت در گام‌های مختلف زمانی دارد (میانگین nrmse 3.84 درصد). این مدل فازی در جبهه پیشروی در خاکرخ از کمترین دقت برخوردار است و در ناحیه اشباع تطابق حداکثری را با نتایج حل عددی دارد. به دلیل تکراری بودن فرایند محاسبه رطوبت در هر گام زمانی (t) و جایگزین کردن آن به عنوان رطوبت اولیه در گام زمانی t+∆t انجام موازنه جرمی باعث کنترل خطای تجمعی در مدل در گام‌های زمانی بزرگتر شد.

A Fuzzy Model for Simulation of Water Infiltration into the Soil

Infiltration modeling in unsaturated zone is usually based on the numerical solution of Richards equation. Complexity in numerical solution, disregard of parameter’s uncertainties, and difficulty in application of this model at large scale attracted the attention of researchers to other approaches. In this research, a rulebased fuzzy model for infiltration in the soil matrix is presented. The rules were derived from a large generated training sets obtained by numerical solution of Richards equation by using Hydrus model. Fortynine fuzzy rules based on 7 moisture classes were applied in fuzzy model. Fuzzy rule based model could simulate flux in any time step, and by using continuity equation could calculate moisture in any depth in soil profile. Results showed good accuracy for both flux and moisture predictions for loam, sand, and silt soil textures in any time steps (average NRMSE =3.84). Model performance had the best result in saturated zone and a poor result for wetting front. Because of duplicate process of calculating moisture in any time step and replacing it as an initial moisture for t+∆t time step, mass balance could prevent cumulative error for the large time steps.