مطالعه و ارائه مدل تغذیه پتانسیل در یک منطقه نیمه خشک کوهپایه ای

هدف از تحقیق حاضر، مطالعه¬ی مدلسازی تغذیه پتانسیل سالانه (حاصله از بارش) در منطقه نیمه¬خشک کوهپایه¬ای با شرایط خاک بایر می¬باشد. برای این منظور به جهت بررسی پتانسیل تغذیه، چهارچوبهای مفهوم بیلان آب و مدلسازی شبیه¬سازی بکار گرفته شده¬اند. تبخیر واقعی (ea) با بکارگیری روشهای مکمل (cr) از قبیل crae، aa و gg و همچنین هشت روش تبخیر-تعرق پتانسیل همراه با روش گیاه مضاعف، تخمین زده شد. توانایی مدلها با بکارگیری داده¬های لایسیمتری مربوط به سالهای 2012-2011 و 2013-2012 مورد ارزیابی قرار گرفت. پارامترهای اندازه¬گیری شده شامل، رطوبت خاک، ea، بارندگی و سایر داده¬های هواشناسی مربوطه و تغذیه پتانسیل آب زیرزمینی (خروجی لایسمتر) می¬باشند. داده¬های 2012-201 و 2013-2012 به ترتیب برای منظورهای واسنجی و اعتبارسنجی بکار رفتند. واسنجی مدلهای cr بر اساس بهترین تخمین از مقادیر سالانه ea (معیار 1) و یا مقادیر تجمعی ea در خلال رخداد تغذیه پتانسیل (معیار2)، انجام گرفت. مدل واسنجی شده crae نتایج قابل قبولی را برای شبیه¬سازی رطوبت خاک (nrmse<10%) بدست داد (معیار 1 و 2). در حالیکه، مدل واسنجی شده crae (معیار 1) بهترین تخمین از مقدار تغذیه پتانسیل را ارائه داد (?q<6%). بر اساس نتایج، مدلهای cr قادر به تخمین مناسب از تغذیه پتانسیل سالانه می¬باشند اگر در ابتدا با بکارگیری معیار 2 واسنجی شوند. این مسئله بعنوان عاملی محدود کننده می¬باشد. نتایج هشت روش تبخیر-تعرق پتانسیل مشخص کرد که بهترین عملکرد بترتیب مربوط به روشهای فائو56-پنمن-مونتیث (nrmse<9%)، هارگریوز-سامانی (nrmse<13%)، پریستلی-تیلور (nrmse<15%) و ماکینک (nrmse<14%) می¬باشد. بعنوان گام دوم مطالعه، تخمین تغذیه پتانسیل با بکارگیری روشهای تجربی، بیلان رطوبتی خاک معمولی و بهبودیافته مورد ارزیابی قرار گرفت. در ابتدا، شش مدل تجربی برآورد تغذیه پتانسیل با توابع خطی، درجه دوم، نمایی، درجه سوم و توانی و با بکارگیری داده¬های 2012-2011، مقادیر تخمینی قابل قبول از ea و راه¬کار بیلان آب، واسنجی شدند. مدلهای واسنجی شده با بکارگیری داده¬های مستقل 2013-2012، برای شبیه¬سازی همزمان رطوبت خاک و تغذیه پتانسیل اعتبارسنجی شدند. مدلهای با روابط خطی یا درجه دوم ضعیفترین تخمین¬ها از تغذیه پتانسیل را بدست دادند (?q>10%) در حالیکه مابقی مدلها نتایج قابل قبولی را ارائه دادند. رطوبت خاک با بکارگیری شش مدل تغذیه پتانسیل و چهار روش انتخابی تبخیر بطور قابل قبولی شبیه¬سازی شد (nrmse<20%). با این وجود، ترکیب روش فائو56-پنمن-مونتیث و مدل تجربی با تابع نمایی بهترین تخمین¬ها را برای ea، رطوبت خاک و تغذیه پتانسیل بدست دادند. به روش مشابه، مدل بیلان رطوبتی خاک معمولی مقدار تغذیه پتانسیل را کم¬برآورد نمود در حالیکه روش بهبود یافته بیلان رطوبتی خاک با در نظر گرفتن ذخیره سطحی رطوبت خاک، قادر به تولید مقدار مناسبی از تغذیه پتانسیل در سال 2012-2011 شد. اگرچه با بکارگیری این روش بهبودیافته، بدترین شبیه¬سازی روزانه رطوبت خاک در مواقع پس از فصل بارش صورت گرفت. آنالیز حساسیت این روش نشان داد که دقت مقدار اولیه کمبود رطوبتی خاک بطور شدیدی بر روی تخمین مقدار تغذیه پتانسیل موثر است که بعنوان عامل محدود کننده این روش می¬باشد. در گام بعدی مطالعه، مدل ساده و نیمه-فیزیکی با نام (smpr) برای شبیه¬سازی تغذیه پتانسیل تهیه شد. در مدل smpr، نفوذ آب به خاک و توزیع مجدد رطوبت به دو مرحله¬ی متعاقب هم، مجزا شدند. در مرحله اول، بارش به پروفیل خاک با بکارگیری الگوی tipping-bucket نفوذ می¬یابد و در مرحله دوم، رطوبت خاک براساس معادله ریچاردز ساده شده (با نادیده گرفتن پتانسیل ماتریک) توزیع مجدد می¬یابد. با بگارگیری روش گیاه مضاعف، تبخیر مایع و پخشیدگی به ترتیب با ضرایب ke محاسبه شده و kcb بهینه¬شده (17/0) در مدل وارد شد. از آنجاکه مشاهدات نشان داد که مقدار تخلخل تهویه¬ای تا عمق 6/0 متر از سطح خاک بسیار بیشتر از مقادیر مشابه مربوط به لایه¬های عمیق¬تر می¬باشد، لذا تبخیر پخشیدگی تا این عمق، محاسبه شده است. مقادیر هدایت هیدرولیکی غیراشباع مربوط به روشهای بروکس-کوری (b-c)، ونگنوختن (v-g) و معادله نمایی تجربی (e-e) در مدل smpr برای تخمین تغدیه پتانسیل (بعنوان هدف اصلی شبیه¬سازی) با نادیده گرفتن پتانسیل ماتریک، بکارگرفته شدند. عملکرد مدل براساس واسنجی و اعتبارسنجی داده¬های مربوط به سالهای 2014-2011 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از شبیه¬سازی قابل قبول رطوبت خاک در تمامی موارد بود (nrmse<30%)، در حالیکه، تغذیه پتانسیل با بکارگیری هدایت هیدرولیکی غیراشباع b-c و v-g بترتیب بیش¬برآورد و کم¬برآورد شد. بهترین تخمین از تغذیه پتانسیل با بکارگیری معادله واسنجی شده e-e بدست آمد (?q<10%). مقادیر بالای هدایت هیدرولیکی غیراشباع مربوط به v-g (بدلیل نادیده گرفتن پتانسیل ماتریک) منجر به افزایش حرکت عمودی رو به پایین رطوبت و بیش¬برآورده شدن تغذیه پتانسیل شد. نتایج مربوط به مدل hydrus-1d (دارای تابع هدایت هیدرولیکی غیراشباع v-g) با نتایج مدل smpr هماهنگ می¬باشد. بطور خلاصه، چنانچه داده¬های کافی موجود باشد، مدل smpr با تابع هدایت هیدرولیکی غیراشباع e-e میتواند برای تخمین تغذیه پتانسیل در منطقه مورد مطالعه بکار رود. در غیر اینصورت، ترکیبی از روش فائو56-پنمن-مونتیث با مدل تجربی دارای تابع نمایی پیشنهاد میشود.