نتایج پژوهش‌های کلمنز و همکاران نیز نشان می‌دهد که مقدار ضریب زبری مانینگ در هر آبیاری متغّیر است و حتی شبیه‌سازی مراحل پیشروی و پسروی با مقدار مشابه باعث خطای نسبتاً قابل توجهی در تخمین آن خواهد شد ]۲۱[. برای تخمین ضریب زبری روش‌های زیادی ارائه شده است ]۳۷[. با اجرای آزمایش‌های زیاد روی جویچه‌هایی به طول ۶ متر و با فرض یکنواخت بودن سرعت جریان، دو معادله تجربی توانی و نمایی برای تخمین ضریب زبری مانینگ ارائه داد:
که در این دو رابطه، v= سرعت جریان (متر بر ثانیه) و n= ضریب زبری مانینگ است.
سپاسخواه و بندار برای آبیاری جویچه ای تحت کشت گندم با دبی‌های مختلف (۴/۰، ۸/۰و ۱/۱ لیتر بر ثانیه) و شیب‌های متفاوت (۲/۰ و ۴/۰ درصد) آزمایش‌هایی در دو مرحله آبیاری ) قبل و بعد از جوانه زنی گندم ( اجر ا و روابطی تجربی برای تخمین ضریب زبری مانینگ ارائه دادند ]۳۴[. این محققان، روابط ۲-۲۴ و ۲-۲۵ را برای آبیاری‌های قبل از جوانه زنی و رابطه ۲-۲۶ را برای بعد از جوانه زنی و وجود پوشش گیاهی در جویچه‌ها پیشنهاد دادند:
که در آن، Q دبی ورودی به جویچه (لیتر بر ثانیه)، N0 شماره آبیاری (قبل از جوانه‌زنی) و C پوشش گیاهی (درصد) است.
سازمان حفاظت منابع طبیعی امریکا (NRCS) مقدار ضریب زبری مانینگ را برای جویچه‌های لخت در آبیاری اول برابر ۰۴/۰ و برای آبیاری دوم برابر ۰۲/۰ پیشنهاد کرده است ]۱۶[.
۲-۶-۳- تاثیر شیب زمین بر مقدار نفوذ
دبی ورودی، شیب بستر جریان، عمق جریان آب، مقاومت هیدرولیکی و ضرایب معادله نفوذ عواملی هستند که بر رواناب اثر میگذارند. نیروی مقاومت هیدرولیکی از طریق اصطکاک در سراسر محیط تماس آب با خاک ایجاد میشود. این نیرو مانع حرکت آب در جویچه می شود که در آن پوشش گیاهی تابعی از بی نظمی و زبری محیط خیس شده می باشد]۹[. با توجه به رابطه ای که تروتبر روی جویچه های آبیاری به طول ۶ متر با شیبی بین ۲/۰ تا ۶/۱ درصد و با دبی ۶ تا ۵۰ لیتر بر دقیقه واقع در ایالت آیداهو به کار برد، نتیجه گرفت که اگر ۷۵ درصد دبی در طول مسیر حرکت آب در جویچه نفوذ کند سرعت حرکت آب خروجی حدود ۳۰ درصد نسبت به سرعت جریان ورودی کاهش می‌یابد. کاهش ۶۰ درصدی شیب نیز نتیجه مشابه در کاهش سرعت حرکت آب در جویچه دارد.
۲-۶-۴- تاثیر رطوبت اولیه خاک بر مقدار نفوذ
رطوبت اولیه خاک تأثیر زیادی بر مقدار آب نفوذ یافته در طی یک دوره بارش و زمان ثابت شدن نفوذ دارد، هر چه رطوبت اولیه خاک بیشتر باشد سرعت اولیه نفوذ به دلیل کاهش گرادیان ماتریک کمتر خواهد بود و خاک زودتر به مرحله نفوذ نهائی میرسد که در نتیجه آن مقدار زیادی از این بارش به جای نفوذ در خاک و افزودن به منابع آب زیر زمینی، روی سطح زمین جاری شده و از دسترس خارج میشود. لذا دانستن میزان آب نفوذ یافته در طول یک بارش برای مدیریت منابع آب و کشاورزی بسیار دارای اهمیت است. برای رسیدن به این مقصود باید برای مقادیر متفاوت رطوبت قبلی خاک بهترین مدل برآورد نفوذ شناسایی شود ]۱۰و۱۴[.
در یک پژوهش دیگر آنالیز حساسیت ضرایب معادلات نفوذ به رطوبت اولیه خاک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش رطوبت اولیه خاک مقدار نفوذ تجمعی کاهش پیدا کرد و همچنین ضریب b مدل کوستیاکوف و کوستیاکوف- لوئیس ( ) و ضریب S معادله فیلیپ حساسیت کمتر و ضرایب cمدل کوستیاکوف- لوئیس حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات رطوبت اولیه خاک دارند. در نهایت مدل فیلیپ کمترین حساسیت را به تغییرات رطوبت اولیه خاک نشان داد ]۷و۹[.
ویژگی‌های هیدرولیکی خاک به طور موثر به مقدار و توزیع رطوبت خاک بستگی دارند. به عنوان مثال در خاک‌های غیراشباع سرعت نفوذ اولیه تحت تاثیر پتانسیل ماتریک خاک است که رابطه معکوس با رطوبت خاک دارد. تغییرات رطوبت خاک به دو صورت مکانی و زمانی است که این به علت بارش، تاثیر آبیاری‌های پیشین، تبخیر و توسعه گیاه است. توجه به این نکته ضروری است که در آبیاری سطحی به منظور افزایش یکنواختی آبیاری کاهش تغییرات مکانی رطوبت خاک مد نظر است ]۱۴[.
تغییرات رطوبت خاک مستقیماً بر ترک خوردگی خاک و نهایتاً نفوذ موثر است. ترک خوردگی عموماً در بیشتر خاک‌های رسی در زمان خشک شدن اتفاق می‌افتد. عملکرد آبیاری جویچه‌ی به شدت تحت تاثیر ترک‌ها است. چون در این شرایط با رسیدن آب به ترک‌ها جبهه پیشروی به طور موثر متوقف میشود تا زمانیکه ترک‌ها از آب پر شوند. به طور کلی حضور ترک‌ها در خاک به‌ویژه در آبیاری سطحی به طور قابل توجهی بر عمق آب کاربردی موثر است. علیرغم تاثیر قابل توجه رطوبت خاک بر نفوذ در آبیاری سطحی، معادله نفوذ تجربی برای اعمال تاثیر این پارامتر وجود ندارد ]۱۴[.
در این پژوهش سعی برآن شد که با اعمال رطوبت‌های اولیه متفاوت در آبیاری‌های مکرر، میزان تاثیرپذیری معادلات هم‌خانواده‌های نفوذ جدید (NRCS) از این پارامتر (رطوبت اولیه خاک) مشخص گردد. همچنین با به‌دست آوردن معادلات SCS، مقایسه‌ای میان آنها و خانواده‌های نفوذ بازبینی شده (NRCS) انجام شود.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
در این فصل چگونگی جمع آوری و صحت‌سنجی داده‌های اندازه‌گیری‌شده و اطلاعات مورد استفاده در پژوهش شرح داده شده است.
۳-۱- مشخصات منطقه
مزرعه آزمایشی- تحقیقاتی در ۴۰ کیلومتری شمال‌غربی اصفهان در منطقه لورک شهرستان نجف‌آباد، بین طول جغرافیایی ۵۱ درجه و ۲۳ دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی ۳۲ درجه و ۳۲ دقیقه قرار داشت. ارتفاع این مزرعه از سطح دریا ۱۶۳۰ متر و طبق دسته‌بندی کوپن، دارای اقلیم نیمه خشک خنک با تابستان‌های خشک می‌باشد. میانگین بارندگی در منطقه ۱۴۰ میلی‌‌متر و میانگین دمای سالیانه ۵ درجه است.
۳-۲- اندازه‌گیری و جمع آوری اطلاعات
۳-۲-۱- آماده‌سازی زمین
برای آماده‌سازی زمین، با توجه به وجود احتمالیِ سخت‌لایه[۵] ضرورت همگن‌بودن نسبی خاک، ابتدا زمین توسط زیرشکن و گاوآهن تا عمق حدود یک‌متر شخم‌زده شده و سپس با صفحه‌برگدان [۶]به خردکردن کلوخه‌ها پرداخته شد. سپس عملیات تسطیح زمین صورت گرفت و شیب کلی مزرعه با بهره گرفتن از نقشه‌برداری ترسیم شد. پس از تسطیح، جویچه‌هایی با عرض ۶۰ سانتیمتر، عمق حدود ۲۰ سانتیمتر و حداقل طول ۳۰ متر توسط دستگاه جویچه‌زن[۷] ایجاد شد. همچنین شیب جویچه‌ها در هر مرحله از آبیاری توسط دوربین ترازیاب برداشت شد.
۳-۲-۲- تعیین بافت خاک
بافت خاک با بهره گرفتن از روش هیدرومتری تعیین گردید (میزان ۳/۵۰ درصد شن ، ۵/۲۳ درصد رس و ۸/۲۵ درصد سیلت) . با بهره گرفتن از مثلث بافت خاک، بافت خاک مذکور در مرز خاک لومی رسی شنی (sandy clay loam ) و لوم (loam) می‌باشد.
۳-۲-۳- تعیین رطوبت خاک
جهت تعیین رطوبت خاک پیش از هر آبیاری نمونه‌هایی از خاکِ کف جویچه از عمق‌های ۰-۲۵ و ۲۵-۷۵ توسط اوگر گرفته شده و در پلاستیک قرار داده و به آزمایشگاه منتقل گردید. سپس این نمونه‌ها وزن شده و در آون در دمای ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد قرار داده شدند. پس از ۲۴ ساعت نمونه‌ها از آون خارج و مجدداً توزین شدند. مقدار رطوبت خاک با بهره گرفتن از وزن تر و خشک نمونه‌ها حساب گردید.
۳-۲-۴- انتقال آب به ابتدای جویچه و تعیین دبی جریان
سیستم انتقال آب به جویچه شامل استخر ذخیره آب، مخزن تثبیت سطح آب و لوله دریچه‌دار [۸]بود. کارکرد سیستم به‌گونه‌ای بود که ابتدا آب از طریق چاه به استخرهای موجود در محل انتقال داده شده، و آب موجود در استخر بوسیله پمپ و با خط لوله، به ابتدای زمین هدایت می‌شد. برای کنترل فشار در لوله و همچنین ثابت نگه داشتن سطح آب در مخزن تثبیت از شیر برنجی ۲ اینچی استفاده شد. به منظور تأمین یک شدت‌جریان ورودی ثابت به هر جویچه، ابتدا با بهره گرفتن از ظروف مدرّج، رابطه بین میزان بازشدگی دریچه‌‌ها و شدت جریان خروجی استخراج گشته، و میزان بازشدگی دریچه برای تأمین جریان ۴/۰ لیتربرثانیه علامت‌گذاری شد (جریان متناسب با شیب و خاک مزرعه برای پیشروی مناسب آب در جویچه‌ها(.
ناوی‌های سنجش جریان در ابتدا و انتهای جویچه‌ها، از نوع گلوکوتاه ذوزنقه‌ای[۹] انتخاب و با رعایت اصول مربوطه نصب گردید (شکل ۳-۱). ناوی‌ها بگونه‌ای نصب شد که جـریان در آنها آزاد و غیرمستغرق شود. برای کاهش تلاطم جریان و افزایش دقت در قرائت ارتفاع آب در به فاصله ۵/۰ متری از دریچه لوله آبده نصب شد و در محدوده جویچه در بالادست آن، ارتفاع جویچه پشته‌ها افزایش یافته و خـاک اطراف آنها کاملاً فشرده شد. برای حذف نشتی آب در این قسمت از یک روکش پلاستیکی استفاده گردید.
شکل ۳-۱- ناوی گلوکوتاه ذوزنقه‌ای، در حال کار در ابتدای جویچه.
۳-۲-۵- دستگاه مقطع‌سنج جویچه
دستگاه مقطع‌سنج جویچه [۱۰]که برای اندازه‌گیری مقطع هندسی جویچه مورد استفاده قرار می‌گیرد (شکل ۳-۲)، شامل تعدادی میله‌های نازک متحرک می‌باشد که در دستگاه مورد استفاده در این طرح به فاصله ۲ سانتیمتر از هم واقع شده بودند. برای اندازه‌گیری هندسه جویچه پس از نصب افقی و کاملاَ تراز دستگاه روی جویچه، میله‌ها تا برخورد به کف جویچه به سمت پایین حرکت داده شده و عمق جویچه در هر نقطه عرضی به فاصله ۲ سانتیمتر یادداشت گردید. سطح مقطع هندسی جویچه پس از هر آبیاری در ۳ نقطه از جویچه اندازه‌گیری و میانگین آن مورد استفاده قرار گرفت.
شکل ۳-۲- دستگاه مقطع‌سنج جویچه.
۳-۳- اجرای آزمایش
این آزمایش به منظور بهره‌گیری از معادلات جدید هم‌خانواده‌های نفوذ با اطمینان بیشتر به سازگاری آن با شرایط مزرعه در شرایط مختلف رطوبت اولیه خاک انجام شد. برای این منظور یک طرح کاملاً تصادفی با ۹ کرت (سه تیمار و سه تکرار) اجرا شد. هر کرت در پنج نوبت با فواصل ۵، ۷ و ۹ روز آبیاری شد. با این کار رطوبت‌های مختلف اولیه بوجود آمد که تیمارها را تشکیل داد. در هر کرت سه جویچه به طول ۳۰ متر و عرض ۶۰ سانتیمتر ایجاد و به منظور اعمال شرایط واقعی در مزرعه دو جویچه جانبی برای هر ردیف اصلی در نظر گرفته شد. جویچه‌ها از محل نصب ناوی ابتدایی به سمت پایین دست، با فواصل ۳ متری ایستگاه‌بندی شد (۱۰ ایستگاه در جویچه).
آزمایش با انتقال آب به جویچه‌ها آغاز و اطلاعات موردنیاز، نظیر زمان پیشروی، زمان پسروی و تغییرات شدت جریان ورودی و خروجی در هر آزمایش جمع آوری گردید. ورود آب به جویچه‌ها تا ثابت شدن شدت جریان خروجی و ثابت ماندن آن برای مدت زمان حدود ۲۰ دقیقه ادامه یافت. زمان پسروی بلافاصله پس از قطع جریان آب به جویچه، در ایستگاه‌های مختلف در طول جویچه یادداشت گردید. هم‌زمان انجام آزمایش استوانه‌های نفوذ با شش ساعت تداوم در سه نقطه از سطح زمین در هر آبیاری انجام گرفت. همچنین پیش از هر آبیاری میزان رطوبت اولیه خاک با بهره گرفتن از روش وزنی اندازه‌گیری شد.
۳-۴- روش بدست آوردن سطح مقطع جویچه
پس از آبیاری مختصات سطح مقطع جویچه در ایستگاه اول با مقطع‌سنج برداشته شد و عمق آب (Y0) در این ایستگاه در حین آبیاری با خط‌کش اندازه‌گیری و ترسیم گردید (شکل ۳-۳). برای بدست آوردن مشخصات سطح مقطع جریان، اطلاعات هندسی مقطع بازسازی شد (شکل ۳-۴) تا بتوان به کمک نقاطی با مختصات و عمق مشخص، محیط خیس‌شده، عرض بالایی و مقدار سطح مقطع جریان را در هر عمق بدست آورد ]۸[. نمونه جدول محاسباتی در جدول ۳-۱ ارائه شده است.
شکل ۳-۳- نمودار سطح مقطع جویچه (با نگاه از بالادست جریان) و موقعیت آب در آزمایش.
شکل ۳-۴ نمودار بازسازی‌شده سطح مقطع جویچه.
جدول۳-۱- نمونه‌ای از داده‌های بازسازی مختصات جویچه برای استخراج محیط خیس‌شده، عرض و سطح مقطع جریان.
برای استخراج معادلات سطح مقطع، محیط خیس‌شده و عرض بالایی جریان، مقادیر این پارامترها در عمق‌های مختلف جویچه، که از طریق بازسازی داده‌های سطح مقطع بدست آمدند، محاسبه گردید. سپس به روش دونقطه‌ای و با انتخاب دو نقطه مناسب، از محدوده عمق جریان، ضرایب و معادلات مورد نظر تعیین شد. انتخاب دو نقطه مناسب از محدوده عمق جریان با شرط حداقل شدن جذر میانگین مربعات خطاهای نسبی بین داده‌های مشاهده‌ای و بوسیله معادلات اندازه‌گیری شده، صورت گرفت. حال برای بدست آوردن مقدار A0 (سطح مقطع) به ازای عمق آب (Y0) اندازه‌گیری شده در سطح مقطع، از روش میان‌یابی ستون‌های اول و آخر استفاده شد.
