نفوذ آب به خاک یکی از فرایندهای مهمّ در مدیریت آبیاری است. معادلات مختلفی برای تخمین مقدار نفوذ توسعه یافته‌اند. یکی از اینها، معادله‌های نفوذ گروه‌بندی‌شده منتسب به سازمان حفاظت منابع طبیعی (حفاظت خاک) امریکا می‌باشد، که به تازگی برای آبیاری سطحی بازبینی شده است. در عین حال، عامل موثر رطوبت اولیه خاک بر نفوذ، در معادلات جدید تبیین نشده است. در این پژوهش سعی بر آن شد که تأثیر رطوبت اولیه خاک بر فرایند نفوذ که با معادلات NRCS برآورد شده‌اند، مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور یک طرح کاملاً تصادفی با نُه کرت (سه تیمار و سه تکرار) اجرا شد. برای ایجاد رطوبت‌های اولیه متفاوت، هر کرت در پنج نوبت با فواصل پنج، هفت و نُه روز آبیاری شد. در هر کرت سه جویچه به طول 30 متر و عرض 60 سانتی‌متر ایجاد و به منظور اعمال شرایط واقعی در مزرعه دو جویچه جانبی برای هر جویچه اصلی در نظر گرفته شد. مقادیر نفوذ نهایی براساس بافت خاک و همچنین با بهره گرفتن از چهار روش شامل شدت نفوذ شش ساعته، معادله توانی ساده، برازش انتهایی و روش ورودی- خروجی به‌دست آمد. نتایج نشان داد شدت نفوذ نهائی بسته به روش تعیین آن، دارای مقادیر متفاوت بوده و تأثیر رطوبت‌های اولیه نیز بر آنها متفاوت می‌باشد؛ بگونه‌ای که کمترین تأثیر رطوبت اولیه بر روش ورودی-خروجی بود. همچنین گرچه تاثیر رطوبت اولیه خاک بر عمق نفوذ حاصل از روش‌های مذکور در بازه‌های زمانی مختلف معنی‌دار نبود اما مقدار عمق برآورد شده با روش‌های مختلف، مساوی نبوده و دارای اختلاف معنی‌دار با یکدیگر بودند.

فصل اول

کلیات و اهداف پژوهش

افزایش تولید محصولات زراعی در بیشتر کشورها تا قبل از دهه 1950، بخاطر افزایش و توسعه سطح زیر کشت انجام گرفته است، ولی از این دهه به بعد، قسمت عمده افزایش تولید در کشورهای پیشرفته متکی بر افزایش محصول در واحد سطح بوده است. از جمله عوامل مهم در افزایش راندمان تولید در واحد سطح، استفاده صحیح از آب است. در مناطق خشک و نیمه‌ خشک، مانند کشور ایران، علاوه بر ارزش آب به عنوان یک عامل محدودکننده تولیدات کشاورزی، معمولاً هزینه استحصال آب نیز نسبت به نقاط مرطوب زیادتر است، و لذا خود عاملی بر اهمیت مصرف آب است ]11[.

میانگین بارندگی ایران کمتر از یک سوم میانگین بارندگی دنیا است. پائین بودن بارندگی سالیانه و عدم توزیع مناسب آن در طول سال باعث می‌گردد که انجام صحیح آبیاری یکی از ملزومات کشاورزی در ایران باشد. از طرفی، افزایش جمعیت و نیاز روزافزون مردم به مواد غذائی، یک افزایش دائمی در مورد مصرف آب در کشاورزی ایجاد کرده است. صرفه‌جویی آب در کشاورزی از این جهت دارای اهمیت است که دوسوم تمام آب رودخانه‌ها، دریاچه‌های آب شیرین و آبخوانهای زیرزمینی در سطح جهانی به مصرف آبیاری می‌رسد. اما به عللی از قبیل تبخیر شدید در مناطق خشک و نیمه‌ خشک، تلفات توزیع آب، ناهموار بودن سطح زمین و انتخاب نامناسب روش آبیاری، راندمان آبیاری به طور میانگین کمتر از40 درصد است. بنابراین در صورت بهبود و مدیریت هرکدام از عوامل فوق، می‌توان در مصرف آب صرفه‌جویی کرد و زمین‌های زیادتری را به زیر کشت برد ]11[.

در این میان، شناخت عوامل مؤثر مانند نفوذ و کاهش تلفات و افزایش بازده آبیاری از این طریق، یکی از گام‌های اساسی در افزایش بهره‌وری از منابع آب و خاک، افزایش تولیدات و توسعه کشاورزی بحساب می‌آید.

1-1- نفوذ

یکی از خصوصیات فیزیکی خاک نفوذ آب به داخل خاک می‌باشد. نفوذ برحسب تعریف عبارت از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک است. سرعت وارد شدن آب به خاک یا به عبارت دیگر شدت نفوذ آب نیز از متغیرهای بسیار مهم در طراحی آبیاری و حتی انتخاب نوع سامانه است. بنابراین شدت نفوذ آب را می‌توان مهمترین مشخصه فیزیک خاک در آبیاری دانست ]13[.

آب ممکن است به صورت عمودی در خاک نفوذ کند، مانند حالتی که در آبیاری‌های کرتی یا نواری وجود دارد. در وضعیت‌های دیگر مانند آبیاری جویچه‌ای علاوه بر نفوذ عمودی، آب به صورت جانبی نیز در خاک نفوذ می‌کند. تفکیک این دو (نفوذ عمودی و جانبی) از یکدیگر بسیار دشوار می باشد، لذا توصیه می‌شود که اندازه‌گیری نفوذ منطبق با نوع آبیاری صورت گیرد ]13[.

1-1-1- معادله های نفوذ

برای آنکه پدیده نفوذ به صورت نظری توصیف شود و بتوان در مدل‌های طراحی سیستم‌های آبیاری از آن استفاده شود، معادله‌های مختلفی ارائه شده است. تعداد این معادله‌ها نسبتاً زیاد است که پاره‌ای از آنها بسیار پیچیده‌اند به طوری که حل آنها بدون استفاده از ماشین‌های محاسب عملی نیست اما تعدادی معادله ساده نیز توسط متخصصان ارائه شده است. یکی از این معادله‌ها، معادلات گروه‌بندی‌شده می‌باشد ]12و 13[.

مطابق شواهد موجود، تاریخچة این گروه‌بندی به دهة 1950 برمی‌گردد كه طی آن سازمان حفاظت خاك وزارت کشاورزی امریکا (SCS) تلاش همه‌جانبه‌ای را برای ارائة روابط كلّی نفوذ جهت طراحی و ارزیابی آبیاری سطحی شروع كرد. محقّقین بدنبال معادلاتی بودند كه بتوان بدون استفاده از اندازه‌گیری مزرعه‌ای، آنها را ارائه داد. این پیگیری‌ها منجر به ارائة منحنی‌های نفوذ در آبیاری نواری در سال 1974 و جویچه‌ای در سال 1984 گردید ]2[. معادلات نفوذ مذكور بصورت نمودارهای شماره‌دار (معروف به خانواده‌های نفوذ، IF) ارائه شد كه هر شماره تقریباً برابر سرعت نفوذ نهائی بر حسب اینچ ‌در ساعت است.

پایة اطلاعاتی این معادلات، یک‌سری آزمایش‌های «استوانه‌های نفوذ» در مناطق مختلف بوده است. بر این داده‌ها معادلة «توانی ساده» (كاستیاكف) برازش یافته و شدت نفوذ پایة هر سری (بر اساس زمان رسیدن تغییرات شدت نفوذ در فاصلة یك‌ساعت به 10 درصدِ شدت نفوذ) محاسبه شد. این داده‌ها به 10 گروه تقسیم گشتند كه وجه مشترك در هر گروه، «شدت نفوذ پایه» بود. این تابع تا سال 1994 به عنوان هم‌خانوادة نفوذ سازمان حفاظت خاك (SCS) و از 2004 با نام هم‌خانوادة نفوذ سازمان حفاظت و منابع طبیعی (NRCS) شناخته می‌شده است ]2[.

خانواده‌های نفوذ نقطة شروعی برای طراحی و ارزیابی سامانه‌های آبیاری سطحی بود. با این‌حال، پس از چندین دهه كاربرد این معادلات، بدلیل ضعف‌های مشاهده شده در خانواده‌های نفوذ اولیه، از جمله: تفاوتِ شرایط واقعی در آبیاری سطحی (حركت آب) با شرایط استخراج معادله (حالت استغراقی ساكن در استوانه‌های نفوذ)، عدم‌لحاظ دقیقِ شرایط آبیاری اوّل در مزرعة تازه شخم‌خورده، متغیّربودن مقدار ثابت معادلة نفوذ و وابستگی آن به زمان و به نوع خاك، . . . ، نیاز به بازبینی این معادلات با لحاظِ تجربیّات سه دهه كارهای مطالعاتی احساس شد ]2[.

2-1-1- معادلات بازبینی‌شدة گروه‌های نفوذ NRCS

سری جدید گروه‌های نفوذ بر اساس داده‌های نسبتاً مناسب و خوب مزرعه‌ای (عمدتاً ‌جویچه‌ای) توسعه یافته است، كه از نقاط ‌قوّت معادلات اصلاح‌شده محسوب می‌گردد. این معادلات، در قالب «توانی چندجمله‌ای» و مشابه كاستیاكف- لوئیس تنظیم شده‌اند.

به منظور توسعه هم‌خانواده‌های نفوذ برای آبیاری جویچه‌ای، داده‌های موجود به مجموعه آزمایش‌های جریان پیوسته برای اولین آبیاری و آبیاری‌های بعدی و جریان موجی برای اولین آبیاری و آبیاری‌های بعدی تقسیم شدند. از آنجایی که میزان تغییرات بسیار زیاد بوده و ممکن بود کاربر با مشکلاتی در استفاده از هم‌خانواده‌های نفوذ مواجه شود و نیز برای زمانی که داده‌های واقعی موجود نیستند، تصمیم گرفته شد تا به عنوان یک نقطه شروع، هم‌خانواده‌های نفوذ به صورت توابعی از جریان پیوسته برای اولین آبیاری لحاظ شوند. مسلماً این اقدام از انعطاف‌پذیری زیادی برای کاربران برخوردار است ]2[.

در حقیقت، گروه‌های نفوذ جدید شامل یک سری معادلات مربوط به «سامانه‌های جویچه‌ای» و برایِ «آبیاری اوّل» با «شدت جریان ورودی ثابت» می‌باشد. بر این اساس، پس از انتخاب شماره گروه مطلوب، ضرایب معادلة متناظر با شرایط آبیاری، با تعدیل ضرایب شرائط استاندارد بدست می‌آیند. در فصل بعد به توضیح این روش پرداخته می‌شود ]2و38[.

در این پژوهش، با توجه اهمیّت کاربرد معادلات گروه‌بندی‌شدة نفوذ (به ویژه در شرایطی که اطلاعات کافی مزرعه‌ای در دسترس نمی‌باشد)، و همچنین عدم‌لحاظ شرایط رطوبتی خاک در معادلات مرجع و عدم‌‌لحاظ آن برای تعدیل معادلات مرجع، موضوع رطوبت اولیة خاک مورد توجه قرار گرفت.

Soil Conservation Service of the US Department of Agriculture

[2] Infiltration families

Natural Resources and Conservation Service of the US Department of Agriculture