دانشگاه صنعتي اصفهان
دانشکده کشاورزي
ارزيابي هم‌خانواده‌هاي نفوذِ جديد در آبياري جويچه‌اي
پايان نامه کارشناسي ارشد آبياري و زهکشي
سجاد رضائي نوروله
اساتيد راهنما
دکتر عليرضا سلطاني تودِشکي
دکتر محمد شايان‌نژاد
1393

دانشگاه صنعتي اصفهان
دانشکده کشاورزي
پايان نامه کارشناسي ارشد رشته آبياري و زهکشي آقاي سجاد رضائي نوروله
تحت عنوان
ارزيابي هم‌خانواده‌هاي نفوذِ جديد در آبياري جويچه‌اي
در تاريخ 17/10/1393 توسط کميته تخصصي زير مورد بررسي و تصويب نهايي قرار گرفت.
1- استاد راهنماي پايان‌‌نامهدکتر عليرضا سلطاني تودِشکي
2- استاد راهنماي پايان‌‌نامهدکتر محمد شايان‌نژاد
3- استاد مشاور پايان‌نامهمهندس اسماعيل لندي
4- استاد داوردکتر بهروز مصطفي‌زاده‌فرد
5- استاد داوردکتر محمدرضا مصدقي
سرپرست تحصيلات تکميلي دانشکده کشاورزيدکتر محمدمهدي مجيدي
سپاس و قدرداني
ستايش خدايي که تـمام و ناتـمام ما با او تـمام مي‌شود و از قدرتش سختي‌هاي زندگي حساب مي‌برند و عارفانش جز او کس ندارند و زيبا او را مي‌ستايند و چه زيبا مي‌ستايند، روح و جان خود و عزيزانشان بفدايش مي‌کنند. خداوندا، اي خداي کعبه و قرآن تو سراسر رحمتي و برکت، و چه وسيع است رحمت و برکتت. تو همه علتي و معلول و آنان که علت‌‌ يافتند بي‌نهايت‌ها را به تو نسبت دادند و تو چه زيبايي. اي معبود من ياري کن با اندک دانشم، زيباتر نگاه کنم و عشق بورزم و تو سراسر عشقي و سلام؛ و سلام بر تو و سلام بر آنان که طريق عشق به ما آموختند و تو را گنج خانه خود خواندند گنجي که تو در بيکرانه خود نداري.
از پدر و مادر و خانوادة گرانقدرم که مظهر عشق در زندگي‌ام هستند و بدون آن‌ها طي کردن مسير زندگي برايم بسيار دشوار است صميمانه و با تمام وجودم تشکر مي‌‌کنم و حمايت‌ها و دلگرمي‌هايشان را ارج مي‌نهم و همواره آرزوي سلامتي ايشان را دارم.
از اساتيد ارجمند و بزرگوارم جناب آقاي دکتر سلطاني و جناب آقاي دکتر شايان‌نژاد بخاطر وجود با ارزش ايشان و راهنمايي‌هاي پدرانه، برادرانه و دلسوزانه‌شان در همه زمينه‌هاي زندگي و راهنمايي‌هاي بي‌دريغ و کمک‌هاي بي‌نظير و بي‌شائبه‌شان در پيشبرد دانش و تحقيق کمال تشکر را دارم و بارها متشکرم.
و از کليه عزيزاني که در اين طرح ما را ياري نمودند صميمانه تشکر و قدرداني مي‌کنم.
تقديم به بهترينهاي زندگيام

پدر و مادر فداكارم
دو الهه مهرباني ، عشق ، اميد و تلاش در زندگيم و به پاس از بيکرانه وجود آن‌ها
و تقديم به تلاشگران عرصه علم و دانش
آنانکه بي‌حساب زيبائي‌ها مي‌آفرينند

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالبهشت
فهرست شکلهاده
فهرست جدولهايازده
چکيده1
فصل اول: کليات و اهداف پژوهش
1-1-نفوذ3
1-1-1- معادله‌هاي نفوذ3
1-1-2- معادلات بازبيني‌شدة گروه‌هاي نفوذ NRCS4
1-3- اهداف طرح5
فصل دوم: مقدمه و بررسي منابع
2-1- معادلات نفوذ در آبياري سطحي6
2-2- سير تکاملي ارائه معادلات و هم‌خانواده‌هاي نفوذ در آبياري سطحي7
2-3- اصلاح معادله نفوذ براي آبياري جويچه‌اي8
2-4- دلايل اصلاح هم‌خانواده‌هاي نفوذ9
2-5- توسعه هم‌خانواده‌هاي نفوذ جديد براساس جويچه11
2-5-1- داده‌هاي مرجع آبياري جويچه‌ي11
2-5-2- ارائه معادلات نفوذ گروه‌بندي‌شده12
2-6- عوامل مؤثر بر نفوذ در آبياري جويچه‌اي14
2-6-1- تاثير محيط خيس‌شده بر مقدار نفوذ14
2-6-2- تاثير ضريب زبري بر مقدار نفوذ16
2-6-3- تاثير شيب زمين بر مقدار نفوذ17
2-6-4- تاثير رطوبت اوليه خاک بر مقدار نفوذ17
فصل سوم: مواد و روش‌ها
3-1- مشخصات منطقه19
3-2- اندازه‌گيري و جمع‌آوري اطلاعات19
3-2-1- آماده‌سازي زمين19
3-2-2- تعيين بافت خاک20
3-2-3- تعيين رطوبت خاک20
3-2-4- انتقال آب به ابتداي جويچه و تعيين دبي جريان20
3-2-5- دستگاه مقطع‌سنج جويچه21
3-3- اجراي آزمايش22
3-4- روش بدست آوردن سطح مقطع جويچه22
3-5- روش محاسبه نفوذ پايه24
3-5-1- برآورد نفوذ نهائي با استفاده از بافت خاک24
3-5-2- برآورد نفوذ نهائي با استفاده از شدت نفوذ 6 ساعته25
3-5-3- برآورد نفوذ نهائي با استفاده از معادله تواني ساده25
3-5-4- برآورد نفوذ نهائي با استفاده از برازش انتهائي25
3-5-5- برآورد نفوذ نهائي با استفاده از روش ورودي-خروجي26
3-6- برآورد معادلات هم‌خانواده‌هاي نفوذ26
3-7- مقايسه داده‌هاي شدت نفوذ نهائي و عمق نفوذ آب در تيمارهاي مختلف26
فصل چهارم: نتايج و بحث
4-1- مقدار رطوبت خاک پيش از آبياري ها27
4-2- شدت نفوذ نهائي تعديل‌نشده29
4-3- شدت نفوذ نهائي تعديل‌شده با استفاده از معادلات NRCS31
4-4- ميانگين عمق آب نفوذيافته در زمان آزمايش35
4-5- تحليل آماري داده‌هاي حاصل از روش ورودي- خروجي38
4-6- تحليل آماري عمق نفوذ متوسط برآورد شده با معادلات SCS (روش ورودي-خروجي)38
4-7- مقايسة فرآيند نفوذ در اثر اعمال تيمارهاي رطوبتي39
فصل پنجم: نتيجه‌گيري کلي و پيشنهادها
5-1- نتيجه‌گيري کلي43
5-2- پيشنهادها44
فهرست منابع45
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل 3-1- ناوي گلوکوتاه ذوزنقه‌اي، در حال کار در ابتداي جويچه……21
شکل 3-2- دستگاه مقطع‌سنج جويچه…22
شکل 3-3- نمودار سطح‌ مقطع جويچه (با نگاه از بالادست جريان) و موقعيت آب در آزمايش..23
شکل 3-4 نمودار بازسازي‌شدة سطح‌ مقطع جويچه..23
شکل3-5- چگونگي برازش تابع تواني ساده به داده‌هاي انتهائي نفوذ..25
شکل4-1- مقدار رطوبت اوليه در دو لايه سطحي و زيرسطحي خاک .28
شکل4-2- مقادير شدت نفوذ نهايي بدست آمده از روش‌هاي مختلف در طول فصل آبياري.30
شکل4-3. مقادير شدت نفوذ نهايي تعديل‌شده حاصل از روش‌هاي مختلف در طول فصل آبياري.32
شکل4-4. مقايسة آماري شدت نفوذ نهايي تعديل‌شده در تيمارهاي رطوبتي مختلف، در روش‌هاي مختلف در طول فصل آبياري..34
شکل4-5. ميانگين آب نفوذيافتة برآورد شده با روش‌هاي مختلف، در تيمارهاي رطوبتي مختلف در طول فصل آبياري.37
شکل4-6. عمق آب برآورد شده با معادله SCS (روش ورودي- خروجي) در تيمارهاي رطوبتي مختلف در طول فصل آبياري..39
شکل4-7. متوسط شدت نفوذ در بازه‌هاي زماني مختلف براي سه تيمار رطوبتي اعمال شده (آبياري دوم و پنجم)..42

فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول3-1- نمونه‌اي از داده‌هاي بازسازي مختصات جويچه براي استخراج محيط خيس‌شده، عرض و سطح مقطع جريان..23
جدول 3-3- ارقام شدت نفوذ نهائي و شش‌ساعته، متناظر با بافت‌هاي خاک در گروه‌هاي نفوذ.24
جدول 4-1- نتايج تحليل آماري تيمارهاي رطوبتي خاک در طول فصل آبياري..28
جدول 4-2. تحليل آماري نفوذ نهايي تعديل شده حاصل از روش‌هاي مختلف در طول فصل آبياري..31
جدول4-3. تحليل آماري شدت نفوذ نهائي تيمارهاي رطوبتي مختلف حاصل از روش‌هاي متفاوت در طول فصل آبياري..34
جدول 4-4. تحليل آماري ميانگين عمق آب نفوذ يافته برآورد شده با روش‌هاي مختلف در تيمارهاي رطوبتي متفاوت..36
جدول4-6. نتيجه تحليل آماري مربوط به ميانگين عمق نفوذ آب برآورد شده با استفاده از روش ورودي- خروجي..38
جدول4-7. تحليل آماري ميانگين نفوذ آب برآورد شده با استفاده از روش ورودي- خروجي (SCS) در تيمارهاي رطوبتي مختلف…39
جدول 4-8. تحليل آماري متوسط نفوذ در روش ورودي- خروجي در طول فصل آبياري براي تيمارهاي رطوبتي..40

چکيده
نفوذ آب به خاک يکي از فرآيندهاي مهمّ در مديريت آبياري است. معادلات مختلفي براي تخمين مقدار نفوذ توسعه يافته‌اند. يکي از اينها، معادله‌هاي نفوذ گروه‌بندي‌شده منتسب به سازمان حفاظت منابع طبيعي (حفاظت خاک) امريکا مي‌باشد، که به تازگي براي آبياري سطحي بازبيني شده است. در عين حال، عامل موثر رطوبت اوليه خاک بر نفوذ، در معادلات جديد تبيين نشده است. در اين پژوهش سعي بر آن شد که تأثير رطوبت اوليه خاک بر فرآيند نفوذ که با معادلات NRCS برآورد شده‌اند، مورد بررسي قرار گيرد. براي اين منظور يک طرح کاملاً تصادفي با نُه کرت (سه تيمار و سه تکرار) اجرا شد. براي ايجاد رطوبت‌هاي اوليه متفاوت، هر کرت در پنج نوبت با فواصل پنج، هفت و نُه روز آبياري شد. در هر کرت سه جويچه به طول 30 متر و عرض 60 سانتي‌متر ايجاد و به منظور اعمال شرايط واقعي در مزرعه دو جويچه جانبي براي هر جويچه اصلي در نظر گرفته شد. مقادير نفوذ نهايي براساس بافت خاک و همچنين با استفاده از چهار روش شامل شدت نفوذ شش ساعته، معادله تواني ساده، برازش انتهايي و روش ورودي- خروجي به‌دست آمد. نتايج نشان داد شدت نفوذ نهائي بسته به روش تعيين آن، داراي مقادير متفاوت بوده و تأثير رطوبت‌هاي اوليه نيز بر آنها متفاوت مي‌باشد؛ بگونه‌اي که کمترين تأثير رطوبت اوليه بر روش ورودي-خروجي بود. همچنين گرچه تاثير رطوبت اوليه خاک بر عمق نفوذ حاصل از روش‌هاي مذکور در بازه‌هاي زماني مختلف معني‌دار نبود اما مقدار عمق برآورد شده با روش‌هاي مختلف، مساوي نبوده و داراي اختلاف معني‌دار با يکديگر بودند.
واژه‌هاي کليدي: آبياري جويچه‌اي، معادلات نفوذ، معادلات بازبيني‌شده NRCS، رطوبت اولية خاک

فصل اول
کليات و اهداف پژوهش

افزايش توليد محصولات زراعي در بيشتر کشورها تا قبل از دهه 1950، بخاطر افزايش و توسعه سطح زير کشت انجام گرفته است، ولي از اين دهه به بعد، قسمت عمده افزايش توليد در کشورهاي پيشرفته متکي بر افزايش محصول در واحد سطح بوده است. از جمله عوامل مهم در افزايش راندمان توليد در واحد سطح، استفاده صحيح از آب است. در مناطق خشک و نيمه‌خشک، مانند کشور ايران، علاوه بر ارزش آب به عنوان يک عامل محدودکننده توليدات کشاورزي، معمولاً هزينه استحصال آب نيز نسبت به نقاط مرطوب زيادتر است، و لذا خود عاملي بر اهميت مصرف آب است ]11[.
ميانگين بارندگي ايران کمتر از يک سوم ميانگين بارندگي دنيا است. پائين بودن بارندگي ساليانه و عدم توزيع مناسب آن در طول سال باعث مي‌گردد که انجام صحيح آبياري يکي از ملزومات کشاورزي در ايران باشد. از طرفي، افزايش جمعيت و نياز روزافزون مردم به مواد غذائي، يک افزايش دائمي در مورد مصرف آب در کشاورزي ايجاد کرده است. صرفه‌جويي آب در کشاورزي از اين جهت داراي اهميت است که دوسوم تمام آب رودخانه‌ها، درياچه‌هاي آب شيرين و آبخوانهاي زيرزميني در سطح جهاني به مصرف آبياري مي‌رسد. اما به عللي از قبيل تبخير شديد در مناطق خشک و نيمه‌خشک، تلفات توزيع آب، ناهموار بودن سطح زمين و انتخاب نامناسب روش آبياري، راندمان آبياري به طور ميانگين کمتر از40 درصد است. بنابراين در صورت بهبود و مديريت هرکدام از عوامل فوق، مي‌توان در مصرف آب صرفه‌جويي کرد و زمين‌هاي زيادتري را به زير کشت برد ]11[.
در اين ميان، شناخت عوامل مؤثر مانند نفوذ و کاهش تلفات و افزايش بازده آبياري از اين طريق، يکي از گام‌هاي اساسي در افزايش بهره‌وري از منابع آب و خاک، افزايش توليدات و توسعه کشاورزي بحساب مي‌آيد.

1-1- نفوذ
يکي از خصوصيات فيزيکي خاک نفوذ آب به داخل خاک مي‌باشد. نفوذ برحسب تعريف عبارت از وارد شدن آب از سطح زمين به داخل خاک است. سرعت وارد شدن آب به خاک يا به عبارت ديگر شدت نفوذ آب نيز از متغيرهاي بسيار مهم در طراحي آبياري و حتي انتخاب نوع سامانه است. بنابراين شدت نفوذ آب را مي‌توان مهمترين مشخصه فيزيک خاک در آبياري دانست ]13[.
آب ممکن است به صورت عمودي در خاک نفوذ کند، مانند حالتي که در آبياري‌هاي کرتي يا نواري وجود دارد. در وضعيت‌هاي ديگر مانند آبياري جويچه‌اي علاوه بر نفوذ عمودي، آب به صورت جانبي نيز در خاک نفوذ مي‌کند. تفکيک اين دو (نفوذ عمودي و جانبي) از يکديگر بسيار دشوار مي باشد، لذا توصيه مي‌شود که اندازه‌گيري نفوذ منطبق با نوع آبياري صورت گيرد ]13[.

1-1-1- معادله‌هاي نفوذ
براي آنکه پديده نفوذ به صورت نظري توصيف شود و بتوان در مدل‌هاي طراحي سيستم‌هاي آبياري از آن استفاده شود، معادله‌هاي مختلفي ارائه شده است. تعداد اين معادله‌ها نسبتاً زياد است که پاره‌اي از آنها بسيار پيچيده‌اند به طوري که حل آنها بدون استفاده از ماشين‌هاي محاسب عملي نيست اما تعدادي معادله ساده نيز توسط متخصصان ارائه شده است. يکي از اين معادله‌ها، معادلات گروه‌بندي‌شده مي‌باشد ]12و 13[.
مطابق شواهد موجود، تاريخچة اين گروه‌بندي به دهة 1950 برمي‌گردد كه طي آن سازمان حفاظت خاك وزارت کشاورزي امريکا1 (SCS) تلاش همه‌جانبه‌اي را براي ارائة روابط كلّي نفوذ جهت طراحي و ارزيابي آبياري سطحي شروع كرد. محقّقين بدنبال معادلاتي بودند كه بتوان بدون استفاده از اندازه‌گيري مزرعه‌اي، آنها را ارائه داد. اين پيگيري‌ها منجر به ارائة منحني‌هاي نفوذ در آبياري نواري در سال 1974 و جويچه‌اي در سال 1984 گرديد ]2[. معادلات نفوذ مذكور بصورت نمودارهاي شماره‌دار (معروف به خانواده‌هاي نفوذ2، IF) ارائه شد كه هر شماره تقريباً برابر سرعت نفوذ نهائي بر حسب اينچ ‌در ساعت است.
پاية اطلاعاتي اين معادلات، يک‌سري آزمايش‌هاي “استوانه‌هاي نفوذ” در مناطق مختلف بوده است. بر اين داده‌ها معادلة “تواني ساده” (كاستياكف) برازش يافته و شدت نفوذ پاية هر سري (بر اساس زمان رسيدن تغييرات شدت نفوذ در فاصلة يك‌ساعت به 10 درصدِ شدت نفوذ) محاسبه شد. اين داده‌ها به 10 گروه تقسيم گشتند كه وجه مشترك در هر گروه، “شدت نفوذ پايه” بود. اين تابع تا سال 1994 به عنوان هم‌خانوادة نفوذ سازمان حفاظت خاك (SCS) و از 2004 با نام هم‌خانوادة نفوذ سازمان حفاظت و منابع طبيعي3 (NRCS) شناخته مي‌شده است ]2[.
خانواده‌هاي نفوذ نقطة شروعي براي طراحي و ارزيابي سامانه‌هاي آبياري سطحي بود. با اين‌حال، پس از چندين دهه كاربرد اين معادلات، بدليل ضعف‌هاي مشاهده شده در خانواده‌هاي نفوذ اوليه، از جمله: تفاوتِ شرايط واقعي در آبياري سطحي (حركت آب) با شرايط استخراج معادله (حالت استغراقي ساكن در استوانه‌هاي نفوذ)، عدم‌لحاظ دقيقِ شرايط آبياري اوّل در مزرعة تازه شخم‌خورده، متغيّربودن مقدار ثابت معادلة نفوذ و وابستگي آن به زمان و به نوع خاك، . . . ، نياز به بازبيني اين معادلات با لحاظِ تجربيّات سه دهه كارهاي مطالعاتي احساس شد ]2[.

1-1-2- معادلات بازبيني‌شدة گروه‌هاي نفوذ NRCS
سري جديد گروه‌هاي نفوذ بر اساس داده‌هاي نسبتاً مناسب و خوب مزرعه‌اي (عمدتاً ‌جويچه‌اي) توسعه يافته است، كه از نقاط ‌قوّت معادلات اصلاح‌شده محسوب مي‌گردد. اين معادلات، در قالب “تواني چندجمله‌اي” و مشابه كاستياكف- لوئيس تنظيم شده‌اند.
به منظور توسعه هم‌خانواده‌هاي نفوذ براي آبياري جويچه‌اي، داده‌هاي موجود به مجموعه آزمايش‌هاي جريان پيوسته براي اولين آبياري و آبياري‌هاي بعدي و جريان موجي براي اولين آبياري و آبياري‌هاي بعدي تقسيم شدند. از آنجايي که ميزان تغييرات بسيار زياد بوده و ممکن بود کاربر با مشکلاتي در استفاده از هم‌خانواده‌هاي نفوذ مواجه شود و نيز براي زماني که داده‌هاي واقعي موجود نيستند، تصميم گرفته شد تا به عنوان يک نقطه شروع، هم‌خانواده‌هاي نفوذ به صورت توابعي از جريان پيوسته براي اولين آبياري لحاظ شوند. مسلماً اين اقدام از انعطاف‌پذيري زيادي براي کاربران برخوردار است ]2[.
در حقيقت، گروه‌هاي نفوذ جديد شامل يك سري معادلات مربوط به “سامانه‌هاي جويچه‌اي” و برايِ “آبياري اوّل” با “شدت جريان ورودي ثابت” مي‌باشد. بر اين اساس، پس از انتخاب شماره گروه مطلوب، ضرائب معادلة متناظر با شرايط آبياري، با تعديل ضرائب شرائط استاندارد بدست مي‌آيند. در فصل بعد به توضيح اين روش پرداخته مي‌شود ]2و38[.

در اين پژوهش، با توجه اهميّت کاربرد معادلات گروه‌بندي‌شدة نفوذ (به ويژه در شرايطي که اطلاعات کافي مزرعه‌اي در دسترس نمي‌باشد)، و همچنين عدم‌لحاظ شرايط رطوبتي خاک در معادلات مرجع و عدم‌‌لحاظ آن براي تعديل معادلات مرجع، موضوع رطوبت اولية خاک مورد توجه قرار گرفت.

1-3- اهداف طرح
1. كاربرد و ارزيابي معادلات جديد هم‌خانواده‌هاي نفوذ براي سامانه‌هاي جويچه‌اي در شرايط مزرعه‌اي
2. بررسي گروه‌هاي جديد نفوذ در شرايط مختلف رطوبت اوليه خاک
3. مقايسه معادلات نفوذ گروه‌بندي‌شده بر اساس نفوذ 6 ساعته (حاصل از استوانه مضاعف) و نفوذ نهايي (حاصل از تعريف استاندارد و روش جريان ورودي خروجي)
4. بررسي موضوعات فوق در آبياري‌هاي مكرّر.

فصل دوم
مقدمه و بررسي منابع

2-1- معادلات نفوذ در آبياري سطحي
در طي ساليان گذشته به صورت نظري و عملي توجه زيادي به نفوذ شده است، که اين امرمنجر به ارائه تعداد زيادي معادله تخمين نفوذ تجربي و تئوريکي گرديده است. يکي از ساده‌ترين و در عين‌حال معمول‌ترين تقريب‌هاي استفاده‌شده براي نفوذ، معادله تواني ساده يا کاستياکف است که بصورت زير قابل بيان است:
(2-1)
در اين معادله، z عمق نفوذ تجمعي، t فرصت زمان نفوذ بوده و k و a ضرائب تجربي هستند که با برازش بر داده‌هاي مزرعه‌اي بدست مي‌آيند ]2و38[.
هنگامي که زمان کاربرد آب نسبتاً کوتاه است، شدت نفوذ به دست آمده از معادله 2-1 در انتهاي آبياري اختلاف معني‌داري با شدت نفوذ واقعي نخواهد داشت. به هرحال، براي آبياري جويچه‌اي که در آنها فرصت زماني نفوذ بيش از سه تا چهار ساعت مي‌باشد، اين معادله مناسب نيست. ضمناً نفوذ تجمعيِ تخمين زده‌شده با معادله کاستياکف کمتر از مقدار واقعي خواهد بود. بنابراين، رابطه نسبتاً کاربردي‌تري به نام کوستياکف- لوييس ارائه شد که در آن، شدت نفوذ نهايي يا پايه، fo، به ساختار اوليه اضافه شده است:
(2-2)
2-2- سير تکاملي ارائه معادلات و هم‌خانواده‌هاي نفوذ در آبياري سطحي
روش‌هاي مرسوم اندازه‌گيري نفوذ همچون حلقه‌هاي نفوذ و جويچه‌هاي مسدود اغلب تخمين غيرواقعي از نفوذ را نشان مي‌دهند ]2[. روش بيلان حجم که اولين بار توسط کريستيانسن ]2و8[ معرفي گرديد، به علت درنظر گرفتن تاثير ديناميک جريان در تعيين معادله نفوذ و اينکه جريان آب تحت شرايط طبيعي ِزبري، شکل هندسي و محيط خيس‌شده جويچه‌ صورت مي‌گيرد، از دقت خوبي برخوردار مي‌باشد. در پژوهش‌هاي به‌دست آمده اين روش به‌مراتب ساده‌تر و دقيق‌تر از ساير روش‌ها مي‌باشد.
در دهه 1950 کارشناسان سازمان حفاظت خاک وزارت کشاورزي آمريکا (SCS) تلاش همه‌جانبه‌اي را براي روابط کلي نفوذ جهت طراحي و ارزيابي آبياري سطحي شروع کردند. اين محققين به دنبال معادلات نفوذي بودند که بتوان بدون استفاده از اندازه‌گيري‌هاي مزرعه‌اي، آنها را ارائه داد. اين تلاش‌ها براي اولين بار منجر به ارائه منحني‌هاي نفوذ در آبياري نواري شد (1974)، که با ادامه پژوهش‌ها ، منحني‌هاي اصلاح و تعديل‌شده در سال 1984 براي آبياري جويچه‌ي نيز ارائه شد ]2[.
يکي از اصلي‌ترين تغييرات انجام شده، مربوط به کاربرد و مفهوم خانواده ‌نفوذ مي‌باشد. در سال 2006 روابط نفوذ به صورت روابط رياضي مجدداً اصلاح و منحني‌هاي اصلاح‌شده ارائه شدند ]38[.
کارشناسان در سال‌هاي 1950 تا 1970 آزمايش‌ حلقه‌هاي نفوذ را در مناطق مختلف و در زمين‌هاي تحت کشت يونجه و چمن انجام دادند. تقريباً 75? داده‌ها از زمين‌هايي بود که جديداً آبياري شده بودند. اين داده‌ها توسط روابط رگرسيوني ارزيابي شدند. يکي از اولين مفاهيمي که در اين ارزيابي‌ها ارائه شد، شدت نفوذ نهايي يا پايه بود که عبارتست از شدتي از نفوذ که در آن نرخ تغييرات آن ده درصد در ساعت باشد:
(2-3)
(2-4)
زمان رسيدن به شدت نفوذ نهايي بر حسب ساعت مي‌باشد ]2[.
شدت‌هاي نفوذ نهايي يا پايه در نهايت از داده‌هاي حلقه‌هاي نفوذي برازش داده‌شده بر معادله نفوذ کوستياکف (معادله2-1)، استخراج شدند. داده‌هاي نفوذ مذکور به ده طبقه تقسيم شدند که متوسط شدت نفوذ پايه يا نهايي آنها در هر طبقه برابر بودند. در هرکدام از طبقات، زمان متوسط نفوذ به دقيقه براي مقادير 1، 2، 3، 4 و 6 اينچ با استفاده از روش درونيابي داده‌هاي اندازه‌گيري مزرعه‌اي به‌دست آمد و سپس مقادير مربوط به هر طبقه، به عنوان نماينده آن طبقه مدنظر قرار گرفت ]2[.
تحليل‌هاي اوليه با معادله فيليپ (1975) شروع شد؛ انتظار مي‌رفت که اين معادله بهترين برازش را بر داده‌ها به‌دست دهد. شکل کلي معادله فيليپ مورد استفاده به صورت زير بود ]2و38[:
(2-5)
S = ضريب جذب‌پذيري خاک، ميلي‌متر بر جذر دقيقه
A = ضريب انتقال نيم‌رخ خاک، ميلي‌متر بر دقيقه
نتايج برازش معادله فيليپ بر داده‌هاي کلاس‌بندي‌شده نفوذ حلقه‌هاي مضاعف، روابط زير را به‌دست داد:
(2-6)
(2-7)
اولين منحني‌هاي هم‌خانواده نفوذ از معادله‌هاي 2-5 تا 2-7 با جايگذاري محدوده خاصي از مقادير Ib (شدت نفوذ نهايي يا پايه) در معادلات مذکور و حل براي ضريب جذب‌پذيري خاک و ضريب انتقال نيم‌رخ خاک استخراج شدند. مشاهدات نشان دادندکه مقدار ضريب انتقال، A ، براي برخي از رس‌هاي سنگين منفي شده و اين امر منجر به اين شد که عبارت توان معادله فيليپ بايد از 5/0 به عدد ديگري تغيير کند. هنگامي که معادله 2-1 براي تعريف شدت نفوذ نهايي استفاده شد، انجام يک تحليل هم منجر به ارائه مقدار A اصلاح‌شده براساس نماهاي متغير گرديد. اين موضوع بعداً اين نتيجه را به‌دست داد که مقدار پارامتر A تقريباً ثابت است، لذا مي‌توان يک فرم بسط‌يافته معادله 2-1 را براي استفاده نهايي ارائه کرد. اين معادله يک حالت ويژه از معادله 2-1 با يک عامل جديد c که مقدار آن براي همه منحني‌ها در دسته منحني‌هاي هم‌خانواده نفوذ ثابت است:
(2-8)
معادله 2-8 به همراه معادلات 2-5 تا 2-7 به‌ازاي مقادير مختلف نفوذ نهايي و براي تعيين فرصت زمان نفوذ براي عمق‌هاي 25، 76 و 229 ميلي‌متر (1، 3 و 9 اينچ) استفاده شد. سپس به کمک نتايج به‌دست آمده براي سه عمق مذکور، مقادير ضرايب a ، k و c هم محاسبه شد که به عنوان مقادير هم‌خانواده‌هاي نفوذ NRCS از سال 1960 تا 2004 در آمريکا مورد استفاده بود.
2-3- اصلاح معادله نفوذ براي آبياري جويچه‌اي
کارشناسان سازمان حفاظت خاک آمريکا از ابتداي دهه 1950 تا 1960 با سوالاتي در خصوص چگونگي ارائه و تعيين نفوذ در آبياري جويچه‌اي درگير بودند. آنها داده‌هاي مزرعه‌اي کمي در اختيار داشتند، اما همين داده‌هاي کم نشان مي‌دادند که نفوذ در جويچه با شدت جريان، شيب و زبري و به عبارت ديگر با پيرامون مرطوب مرتبط است. همچنين ابهاماتي در خصوص اينکه شدت نفوذ در ديواره‌ها متفاوت از کف جويچه است، نيز وجود داشت.
روش توسعه روابط نفوذ از پيشروي، پسروي و جريان ورودي و خروجي نيز قابل فهم و استناد نبود. با اين وجود، کارشناسان تصميم گرفتند اندازه‌گيري‌هاي مزرعه‌اي را بيشتر کنند و قصد داشتند تا پارامترهاي نفوذ را تعيين کنند. در اواخر دهه 1960 آنها توانستند نفوذ متناسب با پيرامون مرطوب را تحليل کنند و بر اين قضيه متمرکز شدند که ضرائب نفوذ را براي پيرامون مرطوب اصلاح کنند. بنابراين معادله نفوذ در آبياري جويچه‌اي بصورت زير ارائه شد:
(2-9)
در اين معادله، P پيرامون مرطوب و W فاصله بين جويچه‌ها مي‌باشد.
تلاش مضاعفي هم براي پيرامون مرطوب به عنوان تابعي از جريان ورودي، ضريب زبري مانينگ، شيب جويچه‌ و شکل جويچه‌ انجام شد. به‌طور نمونه مقادير ضريب زبري مانينگ از 03/0 تا 04/0 و طبق معمول شکل جويچه‌ ذوزنقه‌اي انتخاب شد. سپس ايده بسط هم‌خانواده‌هاي نفوذ بر اساس جويچه، مدنظر قرار گرفت. در مقابل با استفاده از جويچه ذوزنقه‌اي تعداد زيادي مقادير پيرامون مرطوب محاسبه و مقادير شدت جريان ورودي، ضريب زبري مانينگ و شيب نيز تحليل گرديدند. سپس، اين داده‌ها با رابطه زير شبيه‌سازي شدند ]2و7[:
(2-10)
P = پيرامون مرطوب، سانتي‌متر
Q = شدت جريان ورودي، ليتر در ثانيه
S = شيب جويچه
n = ضريب زبري مانينگ
معادله 2-10 براي اصلاح هم‌خانواده‌هاي نفوذ نشان داده شده در معادله 2-9 استفاده شده است.
2-4- دلايل اصلاح هم‌خانواده‌هاي نفوذ
خانواده‌هاي نفوذ اوليه SCS که براساس معادله 2-8 ارائه شدند، نقطه شروعي براي طراحي و ارزيابي سيستم‌هاي آبياري سطحي بود. پس از چندين سال استفاده از اين هم‌خانواده نفوذ، نقاط ضعف آنها آشکار شد، که موارد زير قابل اشاره هستند:
1. حدود 75% از مطالعات اوليه توسعه منحني‌هاي هم‌خانواده نفوذ در زمين‌هاي تحت آبياري بودند و بيشتر اين مطالعات هم براي گياهان چند ساله با تراکم بالا مانند يونجه و چمن بود. بنابراين آنها نمي‌توانستند شرايط مزارعي که تازه شخم خورده بودند (به‌ويژه شرايط اولين آبياري) را شبيه‌سازي کنند.
2. روشي که براساس استفاده از Ib براي فرموله کردن ضرايب معادله 2-8 استفاده شده بود، در بيشتر موارد مقادير بالايي را براي ضريب a به دست داد که در ارزيابي‌هاي آبياري سطحي از سال 1974 به بعد کمتر مشاهده شد.
3. مقدار c در رابطه 2-8 در حدود هفت ميلي‌متر است که براساس تحليل‌هاي خيلي ساده به‌دست آمده بود. داده‌هاي جمع‌آوري شده نشان دادند که اين پارامتر اولاً وابسته به زمان است و ثانياً با توجه به نوع خاک به شدت تغيير مي‌کند. بنابراين معادله کوستياکف- لوييس شرايط آبياري، به ويژه براي تداوم‌هاي طولاني‌مدت آبياري، را بهتر شبيه‌‌سازي مي‌کند.
4. با توجه به موارد مطروحه فوق، اولين آبياري که در زمين‌هاي تازه شخم خورده انجام مي‌شود، يکي از مهمترين موارد طراحي است که سخت‌ترين شرايط مديريتي را هم ديکته مي‌کند، درحالي که در ارائه فرمول اوليه مدنظر نبوده است.
5. هم‌خانواده‌هاي نفوذ براساس داده‌هاي حلقه‌هاي نفوذ ارائه شده که تنها نشان دهنده شرايط استاتيک آبياري بوده واز نظر ساختاري با شرايط واقعي آبياري که در آن آب در حرکت است، متفاوت مي‌باشد. لازم به ذکر است که نفوذ براي آب سطحي در حال حرکت با نفوذ براي آب سطحي ساکن متفاوت است.
از آنجايي که تا سال 2004 آبياري سطحي حدود 30 سال سابقه کار مطالعاتي و تجربي را با خود داشت، همچنين بانک‌هاي اطلاعاتي زيادي در خصوص اين روش آبياري تهيه شده بود و مدل‌هاي شبيه‌سازي زيادي هم ارائه شده بود، تصميم گرفته شد که اساس و پايه هم‌خانواده‌هاي نفوذ اصلاح شود. اصلاحات مورد نظر براساس پنج اصل يا فرض زير ارائه شدند:
1. چون داده‌هاي مربوط به معادله کوستياکف- لوييس بيشتر براي سيستم‌هاي جويچه‌اي موجود بود، در نتيجه تصميم گرفته شد که ساختار هم‌خانواده‌هاي نفوذ مرجع براساس آبياري جويچه‌اي فرموله شود و سپس براي نوارها و کرت‌ها اصلاح شوند.
2. هم‌خانواده‌هاي نفوذ بايد هم شرايط اولين آبياري که خاک تازه شخم خورده‌ و هم آبياري‌هاي بعدي را مد نظر قرار دهد. چون خصوصيات نفوذ در آبياري‌هاي بعدي نسبت به اولين آبياري کاهش مي‌يابد، بنابراين تصميم گرفته شد که اساس توسعه هم‌خانواده‌هاي نفوذ مرجع مربوط به منحني‌ها بر اولين آبياري يا شرايط خاک تازه شخم خورده بنا شود. همچنين تصميم گرفته شد که تغييرات ناشي از آبياري‌هاي قبلي، از شرايط و سابقه مزرعه تخمين زده شود و به‌عنوان يک عامل اصلاحي در هم‌خانواده‌هاي نفوذ مرجع وارد شود.
3. تصميم گرفته‌شده که شماره هم‌خانواده‌هاي نفوذ جديد هم از 02/0 تا 00/4 و واحدآنها نيز اينچ بر ساعت باشد. اما شماره هم‌خانواده نفوذ که بر مفاهيم مبهم توسعه معادلات 2-3 و 2-4 بنا شده بود، ترجيحاً در منحني‌هاي جديد براساس متوسط شدت نفوذ در شش ساعت اول آبياري يا همان شدت نفوذ شش‌ساعته بيان شده است. به بيان ديگر، شدت نفوذ شش‌ساعته که از حاصل تقسيم نفوذ تجمعي در شش ساعت اول آبياري بر تداوم زماني شش ساعت يا 360 دقيقه تعيين مي‌شود مدنظر قرار گرفت. براي شرايط جريان پيوسته در اولين آبياري، شدت نفوذ شش‌ساعته ضرورتا همانند مقادير مربوط به هم‌خانواده‌هاي نفوذ اوليه است، اما مقدار آن براي آبياري‌هاي بعدي کاهش مي‌يابد.
4. فرض شد که تاثير جريان موجي براي شرايط اولين آبياري، تقريباً شبيه تاثير شرايط آبياري‌هاي بعدي با جريان پيوسته باشد. نفوذ براي سيستم‌هاي آبياري موجي در طي آبياري‌هاي بعدي براساس نفوذ جريان موجي در اولين آبياري تنظيم شده است.
5. توان( a ) معادله نفوذ براي نوار وکرت نيز شبيه جويچه‌ است. اين فرض مشابه فرض استفاده‌شده در توسعه اوليه معادلات بود ]2و38[.
2-5- توسعه هم‌خانواده‌هاي نفوذ جديد براساس جويچه
2-5-1- داده‌هاي مرجع آبياري جويچه‌ي
هم‌خانواده‌هاي نفوذ براي چهار مجموعه مربوط به آبياري جويچه‌اي و چهار مجموعه مربوط به آبياري کرتي و نواري اصلاح شدند. اين چهار مجموعه عبارتنداز:
1. يک مجموعه براي استفاده در جويچه‌هايي که به تازگي آماده شده‌اند و اولين آبياري فصل را تجربه مي‌کنند.
2. يک مجموعه براي جويچه‌هايي که قبلاً آبياري شده‌اند.
3. يک مجموعه براي کاربردهاي جريان موجي در جويچه‌هاي تازه شخم خورده
4. يک مجموعه براي کاربردهاي آبياري موجي در جويچه‌هايي که قبلاً تحت جريان موجي آبياري شده‌اند.
منابع اطلاعاتي زيادي که در زمان ارزيابي‌هاي جريان پيوسته آبياري جويچه‌اي به‌دست آمده بودند، براي فرموله کردن خانواده‌هاي نفوذ در جويچه مورد استفاده قرار گرفتند. فنگمير و رمزي (1978) يک سري از داده‌هاي مربوط به هفت ارزيابي انجام شده در جويچه‌هاي دقيق در يک خاک لوم ‌شني در آريزونا را ارائه کردند ]24[. اليوت و واکر (1982) داده‌هاي بيش از 100 مزرعه مورد مطالعه براي ارزيابي توابع پيشروي و نفوذ در جويچه‌ را که از سه سايت در کلرادو و از بافت‌هاي لوم ‌شني تا لوم ‌رسي جمع‌آوري شده بود، منتشر کردند ]23[. واکر و هامفريز (1983) اطلاعاتي در خصوص چهار مقايسه جريان پيوسته و موجي را از يک مکان با خاک لوم‌ شني در يوتا و يک مکان با خاک لوم‌ سيلتي در آيداهو ارائه کردند ]40[.
آزمايش‌هاي زيادي هم مربوط به نفوذ در آبياري موجي توسط در نقاط مختلف آمريکا از جمله يوتا، کانزاس، کارادو، تگزاس، اکلاهما، ارکانزاس، منتانا و واشنگتن انجام و نتايج مربوطه گزارش شدند. اگرچه اين داده‌ها محدوده مشابهي از شرايط و ويژگي‌هاي خاک‌ها را که در آزمايش‌هاي جريان پيوسته مدنظر بودند، در بر مي‌گرفتند، اما از مکان‌هاي متفاوت زيادي برداشت شدند. تعداد آزمايش‌هاي مربوط به آبياري موجي در حدود نصف آزمايش‌هاي آبياري با جريان پيوسته بود ]2[.
2-5-2- ارائه معادلات نفوذ گروه‌بندي‌شده
شمارة منحني‌ها يا گروه‌هاي نفوذ جديد، IF، با همان دامنة‌ 02/0 تا 4 در گروه‌هاي نفوذ متداول، و در 19 گروه، بر اساس ميانگين شدت نفوذ شش‌ساعت اوّل آبياري (شدت نفوذ شش‌ساعته) بيان شده‌اند. اين شماره‌ها در اوّلين آبياري مزرعه (با آب‌نمود4 جريان ثابت)، همانند مقادير هم‌خانواده‌هاي نفوذ اوليه است، اما براي آبياري‌هاي بعدي كاهش مي‌يابد.
مقادير a، k و fo براي جريان پيوسته در اولين آبياري (شرايط مرجع)، متناسب با شدت جريان مرجع و محيط خيس‌شدة ‌مرجع ، از شماره هم‌خانواده نفوذ (IF)، به شرح زير بدست مي‌آيد ]2[:

ضرائب معادلات نفوذ در شرايط مرجع، در مرحلة بعد با استفاده از شرايط واقعي مزرعه تعديل مي‌شوند:
الف- “تعديل روش آبياري” براي آبياري به شكل غيرجويچه‌اي
جهت تعيين ضرائب معادلة نفوذ مرجع براي آبياري‌هاي غيرجويچه‌اي (نواري و كرتي)، لازم به توجه است كه نفوذ دوبعدي در جويچه‌ها متفاوت از نفوذ يك بعدي در نوارها و كرت‌ها بوده و ازطرفي، در جويچه‌ها هم نفوذ افقي و عمودي متفاوت مي‌باشد. بنابراين، نياز به تعريف يك “محيط خيس‌شدة معادل، Peqv ” وجود دارد. محيط خيس‌شدة معادل، مقداري مجازي است كه نفوذ از آن بطور يكنواخت صورت مي‌پذيرد و از معادلة تقريبي زير قابل‌تخمين مي‌باشد:
(2-16)
با اين تعريف مي‌توان معادلة نفوذ مرجع براي آبياري نواري و كرتي را بدست آورد و فرض مي‌شود توان معادله در روش‌هاي مختلف آبياري يكسان باشد ]2[:

ب- “تعديل شرايط آبياري” (آبياري غيراوّل و جريان ورودي غيرثابت)
شرايط آبياري مختلف شامل آبياري غيراوّل و تغييرات موجي‌شكل جريان ورودي‌ با “ضريب شرايط آبياري، ICF; Irrigation Condition Factor ” به معادلة مطلوب و منطبق با شرايط موردنظر تبديل مي‌شود:

“ضريب شرايط آبياري، ICF” براي آبياري با آب‌نمود ثابت در نوبت غيراوّل، برابر 80/0، براي آب‌نمود موجي در آبياري اوّل، برابر 85/0، و براي آب‌نمود موجي در آبياري غيراوّل، برابر 75/0 مي‌باشد. در اين حالت، همة ضرائب سه‌گانة نفوذ با تغيير شرايط آبياري تعديل مي‌گردند ]2[.

پ- “تعديل شرايط هيدروليكي جريان” براي شدت جريان و محيط خيس‌شدة غيرمرجع
بطور كلّي، زماني‌كه يك معادلة نفوذ مربوط به يك سامانة آبياري جويچه‌اي موجود باشد (استخراج از جداول گروه‌هاي نفوذ و يا از طريق آزمون مزرعه‌اي)، اين معادله متناظر با يك شدت جريان و محيط خيس‌شدة مشخصي است، كه از آنها به شدت جريان و محيط خيس‌شدة‌ مرجع ياد مي‌شود: QRef و PRef. جهت تعديل معادلة نفوذ براي كاربرد آن در شرايطي كه مقدار شدت جريان آن Qact متفاوت از شدت جريان معادلة نفوذ (مقدار مرجع) باشد، مي‌توان محيط خيس‌شدة حاصل از آن (Pact) را برآورد نموده و معادلة نفوذ را تعديل نمود:
در اين رابطه، مقدار حاصل از معادلة نفوذ مرجع در مقدار واقعي محيط خيس‌شده PAct، نسبت به محيط خيس‌شدة مبنا PRef ، محاسبه مي‌گردد. محيط خيس‌شده در شرايط كاربردي (غيرمرجع) با استفاده از روابط شكل مقطع جريان (مشابه سطح مقطع) محاسبه مي‌شود:

بديهي است، براي پوشش همة شرايط غيرمرجع، يعني براي آبياري‌هاي نواري و كرتي، و لحاظ شرايط آبياري غيرمرجع (آبياري غيراوّل يا آبياري موجي)، و همچنين براي شدت‌جريان، شيب و ضريب‌زبريِ متفاوت از شرايط مرجع، ضرائب و توان معادلة نفوذ بصورت زير تعديل مي‌گردد:
در عين حال، بجز عوامل پيش‌گفته (روش و نوبت آبياري، آب‌نمود جريان ورودي و شدت آن، همچنين محيط خيس‌شده) که به دليل تأثير بر فرآيند نفوذ، در تعديل معادلات گروه‌بندي‌شده استفاده شدند، عوامل ديگري مانند رطوبت خاک،‌ضريب زبري، و شيب را نيز مي‌توان نام برد که در تحقيقات مورد توجه قرار گرفته‌اند ]2[.
2-6- عوامل مؤثر بر نفوذ در آبياري جويچه‌اي
در اين بخش به چهارعامل اساسي و مهم



قیمت: تومان


پاسخ دهید