آشنایی با مدل های زهکشی

در پروژه های آبیاری، به دلیل مستعد بودن اراضی به زه‌دار شدن، احداث شبکه و یا بهبود شرایط زهکشی موجود، جزء تفکیک ناپذیر پروژه می‌باشد.

هدف از زهکشی در مناطق خشک و نیمه خشک، کنترل سطح ایستابی و جلوگیری از شور شدن خاک است. اما در مناطق مرطوب، تنها بحث کنترل سطح ایستابی مطرح می‌باشد. برای دستیابی به این اهداف، تعیین عمق و فاصله بهینه زهکش ها اهمیت زیادی دارد.

مزیت کاربرد مدل های شبیه سازی نسبت به آزمایش های مزرعه ای برای تعیین و بررسی سناریوهای مختلف زهکشی، نداشتن محدودیت هایی چون مکان، زمان و تکرار است. البته باید توجه داشت که دقت مدل های شبیه سازی تا حد زیادی به دقت داده های مورد نیاز به عنوان ورودی مدل بستگی دارد.

از همین رو، در صورتیکه این مدل ها به درستی واسنجی گردند، بدون محدودیت های زمانی و مکانی موجود در آزمایش های مزرعه ای می توانند برای ارزیابی سناریوهای مختلف زهکشی به کار گرفته شوند.

یکی از مسائل مهم در طراحی شبکه های زهکشی، تعیین بهینه فاصله و عمق لوله های زهکش زیرزمینی می‌باشد. با افزایش عمق، فاصله زهکش ها را میتوان افزایش داد ولی از یک حد معین به بعد، افزایش عمق باعث افزایش بیش از حد هزینه ها می‌گردد.

از همین رو این مسئله از دیدگاه دیگری بررسی شده است. افزایش عمق (با فرض ثابت بودن فاصله زهکش ها)، موجب پایین رفتن سطح ایستابی می‌گردد. در چنین شرایطی، تهویه مناسب برای گیاه ایجاد شده و افزایش عملکرد را به همراه خواهد داشت. از طرفی، همزمان با خروج این مقدار آب، نیترات و سایر ترکیبات مورد نیاز گیاه که از طریق کود به زمین اضافه می‌شود نیز از خاک خارج شده و دسترسی گیاه به آنها کاهش می‌یابد.

مدل DRAINMOD

مدل DrainMod یکی از مدل هایی است که به منظور شبیه سازی مدیریت آب در سطح وسیع به کار گرفته می‌شود. این مدل یک بعدی اولین بار در سال ۱۹۷۸ میلادی توسط دکتر Wayne Skaggs تهیه و سپس در سال ۱۹۸۰ توسعه داده شد.

با استفاده از این مدل میتوان یک سیستم زهکشی را طراحی، ارزیابی یا مدیریت نمود. مدل DrainMod به منظور شبیه سازی سطح ایستابی و زه‌آب خروجی از زهکش ها در مناطقی که سطح ایستابی در عمق کم قرار گرفته است، بکار میرود. این مدل عموما در مناطق مرطوب که سطح ایستابی در عمق کمی از سطح زمین واقع شده و بکارگیری سیستم های زهکش امری اجتناب ناپذیر است، مورد استفاده قرار میگیرد. مدل بر اساس معادله بیلان آب عمل می‌کند.

این مدل بعدها به گونه ای اصلاح گردید که قادر به پیش بینی توزیع نمک در نیمرخ خاک، غلظت نمک در آب زهکشی شده و تاثیر شوری بر میزان عملکرد محصول باشد و به نام DrainMod-S نامگذاری شد. همچنین امکان شبیه سازی و پیش بینی غلظت نیتروژن در نیمرخ خاک در زهکشی سطحی و زیرزمینی به مدل اضافه شد و DrainMod-N نام گرفت.

این مدل میتواند موقعیت های مختلف سطح ایستابی را برای محاسبه بیلان آب مقطعی از خاک که بین دو زهکش قرار گرفته است، شبیه سازی کند. از معادلات پایه در مدل، معادله بیلان آبی است که برای مقطعی از خاک با عرض واحد در نقطه میانی بین دو زهکش که از سطح زمین تا لایه غیرقابل نفود ادامه دارد، در نظر گرفته میشود.

در ایران، آذرنوش (۱۳۸۳)، نوسانات سطح ایستابی در منقطه طرح توسعه نیشکر واحد میرزا کوچک خان خوزستان را به کمک مدل DrainMod و شبکه عصبی مصنوعی شبیه سازی کرد.

مدل SWAP

یکی دیگر از مدل های هیدرولوژیکی-زراعی، مدل SWAP است. این مدل برای شبیه سازی عملکرد محصول، زهکشی، جریان آب، املاح و گرما در خاک، مدیریت آب در کشت آبی و بیلان آب در سیستم های هیدرولوژیکی کاربرد دارد.

اساس مدل، ارتباط فیزیکی پارامترهای خاک، آب، اتمسفر و گیاه است و از اطلاعات مختلف اقلیم، آب، خاک و گیاه استفاده می‌کند. اولین نسخه این مدل در سال ۱۹۷۸ توسعه یافت. بخش مرکزی مدل بر اساس جریان عمومی آب در محیط های اشباع و غیراشباع است که با معادله ریچاردز تشریح می‌شود.

این مدل به منظور شبیه سازی و پیش بینی عملکرد محصول و جریان آب و املاح در سیستم های هیدرولوژیکی کشاورزی در کشورهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج خوبی در مقایسه با اندازه گیری های مزرعه ای داشته است.

تحقیقات انجام شده همگی نشان از موفقیت استفاده از دو مدل DrainMod و SWAP در سطح بین الملل داشته ولی کاربرد آن در ایران بخصوص در مورد مدل SWAP کم می‌باشد. از آنجایی که گیاه نیشکر عمدتا در منقطه خوزستان با سطح ایستابی بالا کشت می‌شود، لذا استفاده از یک مدل مناسب زهکشی که بتوان مدیریت سطح ایستابی را با دقت بالا انجام داد، لازم و ضروری است.

مقایسه بین مدل های SWAP و DRAINMOD در ارزیابی سامانه زهکشی زیرزمینی

در پژوهشی با استفاده از دو مدل SWAP و DRAINMOD به ارزیابی سامانه زهکشی زیرزمینی واقع در شبکه زهکشی ران بهشهر که شامل داده های عمق سطح ایستابی و دبی خروجی از زهکش به مدت ۷۰ روز در طی سال ۱۳۸۳ و ۱۰۰ روز در طی سال ۱۳۸۵ است، پرداخته شد.

نتایج نشان داد که در سال ۱۳۸۳ و در شروع کار فرایند زهکشی که خصوصیات خاک و مقاومت ورودی زهکشی تغییر چندانی نسبت به مقادیر اندازه گیری شده مزرعه ای پیدا نکرده است، مدل SWAP توانسته است نتایج بهتری را نسبت به مدل DRAINMOD از خود نشان دهد که نشان از کارایی بالای این مدل در شبیه سازی شرایط مزرعه است.

از طرفی پس از طی دو سال از شروع فرایند زهکشی در سال ۱۳۸۵ و تغییر در خصوصیات خاک و مقاومت ورودی زهکشی، هر دو مدل در برآورد شرایط مزرعه ناتوان بودند. در این شرایط خروجی های مدل SWAP به دلیل استفاده از معادله ریچاردز به عنوان اساس شبیه سازی حرکت آب در خاک حساسیت بیشتری نسبت به نامناسب بودن داده های ورودی نسبت به مدل DRAINMOD از خود نشان دادند و خروجی های حاصل از آن با خطای بیشتری شرایط مزرعه را شبیه سازی کرد.

نتایج مطالعه انجام شده نشان داد که در منطقه مورد مطالعه در شرایط حضور داده های مناسب برای شبیه سازی شرایط زهکشی، مدل SWAP از کارایی بیشتری نسبت به مدل DRAINMOD برخوردار است در حالیکه در شرایط عدم حضور داده ورودی مناسب و با تغییر در شرایط سامانه زهکشی، مدل DRAINMOD به دلیل حساسیت کمتر به داده های ورودی نسبت به مدل SWAP برتری پیدا می کند.

منابع:

1. فاطمه سمیع پور؛ ارزیابی مدل های زهکشی SWAP و DRAINMOD به منظور تعین عمق و فاصله بهینه زهکش ها بر اساس بیشترین عملکرد محصول و کمترین مقدار خروجی زه‌آب؛ نشریه آبیاری و زهکشی ایران، شماره ۳، جلد ۴، زمستان ۱۳۸۹، ص. ۳۸۶-۳۷۵.
2. امیر صداقت دوست؛ مقایسه بین مدل های SWAP و DRAINMOD در ارزیابی سامانه زهکش زیرزمینی.