بررسی حرکت آب از مسیرهای ترجیحی خاک با استفاده از مدل توسعه داده شده کینماتیک، انتشار- وان‌گنوختن: مطالعه با روش بهینه‌سازی سراسری

چکیدهسابقه و هدف: امروزه مشکل آلودگی آب و خاک یکی از عوامل تهدیدکننده پایداری تولیدات کشاورزی و حیات انسان و سایر موجودات زنده است. همچنین جریان ترجیحی آب و املاح، یکی از فرآیند‌های معمولی در خاک‌های اشباع و غیراشباع می باشد که به طور معمول سبب حرکت سریع آلاینده‌ها و در نتیجه آلودگی آب‌های زیرزمینی می شود. از این روی مدل‌های ریاضی به طور گسترده‌ای در فیزیک خاک و هیدرولوژی برای پیش بینی حرکت جریان‌های ترجیحی آب و آلاینده‌ها در نواحی غیراشباع خاک استفاده می‌شوند. جریان‌های ترجیحی حاصل حرکت آب از خلل و فرج درشت خاک، مانند سوراخ و کانال‌های زیرزمینی هستند که با فعالیت کرم‌ها و یا رشد ریشه گیاهان به وجود می‌آیند و سبب انتقال سریع آب و آلاینده‌ها به آب‌های زیر زمینی و درنتیجه آلودگی آنها می شوند. برای پیش‌بینی روند و توضیح این نوع جریان‌ها در خاک، در اینجا مدل ریاضی توسعه یافته موج کینماتیک، انتشار- وان‌گنوختن (KDW-VG) که حاصل نوآوری این پژوهش می‌باشد، معرفی می‌شود. مواد و روش‌ها: در این پژوهش آزمایش‌ها به صورت چهار بارندگی با شدت‌های 97/56، 64/107، 01/133 و 71/161 میلی‌متر بر ساعت که بر یک ستون خاک می بارید انجام شد و شدت آب خروجی از انتهای ستون خاک در مقابل رطوبت متحرک کل ستون ثبت می‌شد. ضرایب مدل با کمینه کردن تابع خطای بین مقادیر مشاهداتی آزمایش و معادله پیش بینی شدت جریان با روش بهینه‌سازی سراسری تراکم ذرات (PSO) تعیین شدند. برای رسیدن به بهترین نتایج و کمینه‌ترین مقادیر تابع خطا، راهکارهای زیادی آزمون شد و مقادیر مختلفی برای c1 و c2 که به ترتیب ضرایب فردی و اجتماعی الگوریتم بهینه‌سازی هستند و در ایجاد نسل‌های بعدی پاسخ‌های پیشنهادی الگوریتم دخالت دارند، انتخاب و امتحان شد و همچنین معادله‌های مختلفی به عنوان وزن اینرسی، wکه برای کنترل سرعت حرکت ذرات یا پاسخ‌ها در فضای جستجو به کار می رود، امتحان شد.یافته‌ها: پس از به کار بردن مقادیر مختلفی برای c1 و c2، سرانجام مقادیر 2/1 و4/2 به ترتیب برای c1 و c2 منجر به بهترین پاسخ‌ها یعنی کمترین مقدار تابع خطا شدند. همچنین برای بهینه‌سازی، پس از بررسی نتایج معادله‌های مختلف، سرانجام از رابطه وزن اینرسی کاهش یابنده خطی برای تعیین وزن اینرسی که توسط زین و همکاران در سال 2009 ارائه شد، استفاده گردید (31). همچنین با توجه به نتایج، در همه شدت‌های بارندگی، الگوریتم بهینه‌سازی پس از حدود 3500 تلاش و ایجاد نسل‌های متوالی به بهترین پاسخ دست یافت.نتیجه گیری: به طور کلی نتایج نشان داد که الگوریتم به کار رفته توانسته‌است در مدت زمان کوتاه و با دقت قابل قبولی ضرایب مدل عددی کینماتیک، انتشار- وان‌گنوختن را تعیین نماید.