هرچند در دهه های اخیر پیشرفت های قابل توجهی در زمینه توصیف و مدل سازی توابع هیدرولیکی در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی به دست آمده، لیکن تحلیل های دقیق در مقیاس مزرعه ای اندک بوده است. عمده ترین علت این امر را می توان به پیچیدگی های ذاتی ناشی از ناهمگنی خاک در مقیاس مزرعه ای نسبت داد. این ناهمگنی موجب می شود تا هر گونه توصیف کمّی فرآیندهای هیدرولیکی خاک با مقداری نااطمینانی توأم گردد. هدف از این پژوهش، بیان کمّی فرآیندهای هیدرولیکی خاک با استفاده از روش های نوینی همچون هندسه فرکتالی، فرامقیاس سازی و k- نزدیکترین همسایه در مقیاس مزرعه ای بود. بدین منظور، در مرحله نخست، تغییرپذیری مکانی ویژگیهای فیزیکی و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از طیف فرکتالی چندگانه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که توزیع فرکتالی متغیرهای جرم ویژ? ظاهری، شن و سیلت به شکل قابل قبولی از الگوی خطی پیروی کرده و مماس با خط 1:1 امتداد یافته-اند که این بیانگر ماهیت فرکتالی یگانه توزیع این متغیرهاست. بر خلاف متغیرهای فوق، متغیرهای رس، کربن آلی و ضریب آبگذری اشباع خاک در دو انتهای توزیعشان تمایل به افتادگی داشته و حالت محدب به خود می گیرند. بنابراین می توان نتیجه گرفت؛ توزیع این متغیرها از نوع فرکتالی چندگانه می باشد. این امر بیانگر لزوم مطالعه روابط بین ویژگیهای هیدرولیکی خاک و ضریب آبگذری اشباع آن در مقیاسهای مختلف می باشد. بنابراین در مرحله دوم، رویکرد فرامقیاس سازی تصادفی برای تخمین ضریب آبگذری اشباع خاک، در سه مقیاس بالاتر از مقیاس مشاهده ای به کار گرفته شد. برای مقایسه بین مقادیر اندازه گیری شده و برآورد شده توسط مدل از آماره های ضریب همبستگی پیرسون (8/0=r)، کارآیی مدل (5/0=ef)، ریشه میانگین مربعات خطا (22/42=rmse)، ضریب تبیین (76/0=cd) و ضریب جرم باقی مانده (11/0=crm) استفاده شد. نتایج نشان داد که رویکرد پارامتریک استفاده شده برای تخمین ضریب آبگذری اشباع (فرامقیاس سازی تصادفی)، افزون برتمایل به بیش برآوردی تخمینها (بر اساس آماره های cd و crm) کارآیی متوسطی(بر اساس آماره ef) در تخمین مقادیر هدایت هیدرولیکی اشباع دارد. بنابراین در مرحله سوم، رویکرد غیرپارامتریک k - نزدیکترین همسایه، برای تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از دیگر ویژگیهای کمکی خاک شامل توزیع اندازه ذرات، هدایت الکتریکی عصاره اشباع (ece)، رطوبت اشباع (s?)، درصد کربن آلی (oc)، مقدار مواد خنثی شونده (tnv) و جرم ویژ? حقیقی و ظاهری بکار گرفته شد. بر اساس روش ارزیابی تقاطعی، برای تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع هر نمونه خاک هدف، تعداد ده نمونه خاک که حداکثر تشابه با خاک هدف را داشتند، از بانک مرجع که حاوی 151 نمونه خاک بود، انتخاب و مقدار هدایت هیدرولیکی اشباع آنها برآورد گردید. استفاده از آماره های ضریب هبستگی پیرسون (80/0=r)، ریشه میانگین مربعات خطا (5/71=rmse)، ضریب تبیین (32/1=cd)، کارآیی مدل (65/0=ef) و ضریب جرم باقیمانده (046/0-=crm) نشان داد که در بیشتر موارد، این تکنیک بصورتی قابل قبول توانایی تخمین ضریب آبگذری اشباع را دارد. مقایسه کمّی دو رویکرد پارامتریک فرامقیاس سازی و غیرپارامتریک k - نزدیکترین همسایه، نشان داد که تکنیکk-nn می تواند به عنوان روشی جایگزین برای تخمین ویژگیهای هیدرولیکی خاک بکار رود.

فرسایش خاک فرآیندی پویاست که توزیع اندازه ذرات طی وقوع آن با زمان و مکان تغییرات زیادی دارد. شناخت دینامیکی توزیع اندازه ذرات رسوب، یکی از مبانی مدل سازی فرسایش خاک، انتقال عناصر غذایی، آلاینده‎ها و ذرات ریز محسوب می‎شود. تحقیق حاضر با هدف بررسی فرآیندها و مکانیسم‎های حمل ذرات ناشی از فرسایش ورقه‎ای با تأکید بر تغییرات زمانی و مکانی و با استفاده از فلوم آزمایشگاهی اجرا شد. آزمایش‎ها به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی و از طریق ایجاد ترکیب های مختلف شیب (1/5 و 2 درصد) و دبی جریان (75، 100، 125، 150، 175 و 200 میلی‎لیتر در ثانیه) و خاک (با اسامی زراعی و ماسه ای) در سه تکرار انجام شد. نتایج نشان داد که شرایط هیدرولیکی جریان و همچنین توزیع اندازه ذرات خاک، نقش اساسی در انتقال انتخابی ذرات رسوب ایفا می‎کنند به‎نحوی‎که در خاک زراعی، دو پیک در توزیع اندازه ذرات رسوب مشاهده شد. در پیک اول (ذرات ریز با اندازه 0/042 میلی‎متر)، مکانیسم غالب حمل ذرات، بار معلق-جهشی بود و در پیک دوم (ذرات درشت با قطر 1/5 میلی متر)، مکانیسم حمل بار بستر غالب بود. از سویی، با افزایش قدرت جریان ناشی از افزایش شیب و یا دبی جریان، شرایط به‎تدریج از حالت انتخابی برای ذرات ریز خارج شد و هم ذرات ریز و هم ذرات درشت منتقل شدند. در خاک ماسه‎ای، تنها یک پیک آن هم برای ذرات با دامنه اندازه 0/109 تا 0/175 میلی‎متر مشاهده شد. به علاوه با افزایش قدرت جریان، فراوانی ذرات ریز (کلاس اندازه 0/109 میلی‎متر و کلاس‎های کوچک‎تر از آن)، در رسوب کاهش نشان داد. در مقابل با افزایش قدرت جریان، درصد ذرات در کلاس‎ اندازه ‎ 0/218 میلی متر و کلاس‎های بزرگ تر از آن افزایش یافت. با افزایش قدرت جریان در هر دو خاک، اهمیت نسبی انتقال ذرات به صورت بار معلق و بار بستر به ترتیب کاهش و افزایش پیدا کرد. یافته‎های این تحقیق نشان داد که ارتباط منطقی بین توزیع اندازه ذرات رسوب و در نتیجه مکانیسم‏ حمل ذرات با شرایط هیدرولیکی جریان نظیر شیب و دبی جریان (قدرت جریان) و همچنین توزیع اندازه ذرات خاک در معرض فرسایش وجود دارد.