مدل DrainMOD
مدل DrainMOD
یکی از مدل هایی که به منظور شبیه سازی مدیریت آب در سطح وسیعی به کار گرفته شده است، مدل DrainMOD ( درین مود ) می باشد. این مدل می تواند موقعیت های مختلف سطح ایستابی را برای محاسبه بیلان آبی مقطعی از خاک که بین دو زهکش قرار گرفته است، شبیه سازی کند. شرح تصویری مدل در رابطه با پارامترهای بیلان آبی در شکل زیر نشان داده شده است. یکی از معادلات پایه در مدل، معادله بیلان آبی است که برای مقطعی از خاک با سطح واحد در نقطه میانی بین دو زهکش در نظر گرفته شده است و از سطح زمین تا لایه غیر قابل نفوذ ادامه دارد.
مدل DrainMOD افزون به اجزای هیدرولیکی، می تواند استراتژی های متفاوت مدیریت سطح ایستابی را در بازده محصول بررسی کند. الگوریتم مدل به گونه ای است که می تواند کاهش عملکرد را نیز در صورت وجود تنش آبی برآورد نماید.
تحقیقات انجام شده
این مدل اولین بار توسط SCS در شمال کارولینا مورد ارزیابی قرار گرفت که البته در چند جای دیگر آزمایشات مشابهی انجام گرفت. اگرچه این مدل توانایی شبیه سازی همه جانبه حرکت آب در پروفیل خاک را دارد ولی محدودیت هایی هم دارد. از جمله محدودیت های مدل کاربرد آن در شرایط اقلیم مرطوب، موازی بودن زهکش ها در شرایط زهکشی زیرزمینی، کاربرد مدل در شیب کمتر از پنج درصد و عدم کاربرد مدل در شرایط یخبندان است.
مدل DrainMOD به منظور بررسی استراتژی های مختلف سطح ایستابی و مقایسه آن با ارقام واقعی در چندین منطقه آمریکا به کار گرفته شده است. اسکگز و همکاران مقایسه ای بین نتایج پیش بینی شده به وسیله مدل و ارقام به دست آمده از آزمون های صحرایی را طی یک دوره هشت ساله در شرایطی که منطقه تنها دارای زهکش سطحی بود، منطقه تنها دارای زهکش زیرزمینی متداول بود و حالتی که ترکیبی از زهکش سطحی و زیر زمینی مورد استفاده قرار گرفته بود را انجام دادند. نتایج نشان داد که هماهنگی مطلوبی بین ارقام به دست آمده از مدل و آزمایش ها در مورد حجم رواناب برای هر سه حالت فوق وجود دارد. همین نتایج نیز برای برآورد حجم آب زهکشی در شرایط وجود یا عدم وجود سیستم زهکشی سطحی گزارش شده است.
اسکگز این مدل را برای حالت های آبیاری زیرزمینی که عکس حالت زهکشی است و سیستم زهکشی کنترل شده به کار گرفت و بین ارقام حاصل از مدل و اعداد واقعی سطح ایستابی ( با تناوب روزانه ) همبستگی مطلوبی مشاهده کرد. چانگ و همکاران این مدل را برای اراضی زراعی منطقه کالیفرنیا مورد استفاده قرار داد و نتایج رضایت بخشی در مورد نوسانات سطح ایستابی بین ارقام پیش بینی شده توسط مدل و مشاهده شده گزارش نمودند. ضمن آنکه مقادیر تراوشات عمقی نیز به درستی پیش بینی گردیده بود.
راهنمای استفاده از مدل
مدل DrainMOD برای تجزیه و تحلیل سریع کاربرد عمق های مختلف زهکش و فواصل مختلف زهکش مورد استفاده قرار می گیرد و شامل شاخه های هیدرولوژی (Hydrology)، نیتروژن (Nitrogen)، و شوری (Salinity) می باشد. ابتدا به بررسی شاخه هیدرولوژی و سپس به بررسی شاخه های نیتروژن و شوری پرداخته می شود.
این مدل تحت Windows می باشد و یک منوی Help دارد. در منوی Help اطلاعاتی راجع به مدل وجود دارد که به صورت زیر می باشد:
· درباره مدل
· تابع های مشاهده
· کاربردها
· محدودیت ها
یک پروژه مدل شامل مجموعه ای از فایل های ورودی متنی (*.GEN, *.SIN, *.RAI ) می باشد که اطلاعاتی درباره طرح زهکشی را نگهداری می کند. فایل پروژه این مدل (*.PRJ) لیستس از زیر فایل های هر پروژه را نگه داری می کند. وقتی یک پروژه انتخاب شد، زیر فایل های ورودی لیست شده در فایل پروژه به وسیله مدل قبل از شروع شبیه سازی خوانده می شوند. فایل های متنی برای یک پروژه هیدرولوژی شامل اطلاعاتی درباره هوا (*.PET, *.RAI, *.TEM) و عملکرد محصول (*.CIN) و خاک ها (*.SIN) و عمق و فاصله زهکش ها (*.GEN) می باشد. فایل متنی برای پروژه های نیتروژن و شوری شامل همه اطلاعات فایل هیدرولوژی به اضافه اطلاعاتی درباره شوری (*.SAL) و نیتروژنی (*.NIT) می باشد. تمام فایل های ورودی در فایل های زیر شاخه مدل قرار می گیرند. فایل پروژه (Project) و فایل GEN در زیر شاخه Input می باشند. فایل خاک در زیر شاخه خاک ها(Soils) ، فایل هوا در زیر شاخه هوا (Weather) و فایل عملکرد در زیرشاخه محصول (Crops) قرار دارند.
مراحل ایجاد یک پروژه در مدل به صورت زیر است:
یک پروژه جدید (New project) با کلیک نمودن روی آن باز کنید. وقتی دستور New project کلیک شود جعبه دیالوگ پروژه باز می شود و کاربر می تواند فایل ورودی مناسب را با استفاده از دکمه Change انتخاب کند. Brows این امکان را به کاربر می دهد تا فایل *.GEN مناسب (عمق و فاصله زهکش ها) و فایل خاک (*.SIN) را از جدول هیدرولوژی انتخاب کند. در جعبه دیالوگ فایل *.SIN اطلاعاتی درباره منحنی خصوصیات رطوبتی خاک، عمق سطح ایستابی، شدت جریان رو به بالا، پارامترهای معادله گرین- آمپت، هدایت هیدرولیکی خاک و غیره ارائه می گردد.
در برنامه مدل قادر خواهیم بود یک فایل ورودی خاک بر اساس یک فایل ورودی بر اساس خصوصیات منحنی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک برای هر لایه ایجاد کنیم. چگونگی ایجاد فایل خاک از روی منوی Utilities می باشد. فایل خاک ایجاد شده توسط کاربر می تواند بر اساس فایل ورودی (*.SOI) با آمار خصوصیات منحنی رطوبتی خاک به همراه هدایت هیدرولیکی اشباع یا با آمار ورودی مستقیم در برنامه، عمل کند. جدول هواشناسی این امکان را به کاربر می دهد تا فایل های بارندگی و دمای مناسب را انتخاب کند یا اینکه کاربر می تواند فایل های تبخیر و تعرق پتانسیل (ETp) را اگر ET قبلا تعیین شده است، معین کند. اگر فایل دما به عنوان ورودی انتخاب شود، مدل با استفاده از معادله تورنت وایت تبخیر و تعرق را محاسبه می کند. البته باید دقت شود که تاریخ ها در فایل بارندگی و دما یکسان باشند. به عبارت دیگر نمی توان یک فایل دما از یک محل و در یک دوره از زمان و یک فایل بارندگی از محل دیگری و در دوره زمان دیگری منظور شود.
یک فایل محصول (Crop) هم چنین به جدول Crop اضافه می شود. فایل محصول (*.CIN) اطلاعاتی درباره تاریخ های رشد محصول و برداشت محصول، تردد روی خاک بعد از بارندگی، عمق توسعه ریشه نسبت به زمان بعد از رشد محصول و پارامترهای کاهش عملکرد برای تابع تنش، نگهداری می کند. وقتی همه فایل های ورودی انتخاب شدند در پایین جعبه دیالوگ فایل ورودی روی دکمه ok کلیک می شود. سپس جعبه دیالوگ فایل عمومی (*.GEN) نشان دادهخ می شود و کاربر می تواند فایل های خروجی مناسب و دوره مورد نیاز شبیه سازی (Simulation) را انتخاب و ایجاد کند. کاربر همچنین می توان نوع سیستم زهکشی را تعیین کند ( زهکشی سنتی، زهکشی کنترل شده یا آبیاری زیرزمینی ). حال برنامه آمادا اجرا شدن (Run) می باشد. دستور Run در منوی Simulate قرار دارد. اجرای مدل شامل خواندن فایل های ورودی، شبیه سازی زهکشی و ذخیره کردن خروجی می باشد. فایل های خروجی می توانند شامل عمق سطح ایستابی به صورت روزانه، حجم زهکشی به صورت روزانه و پارامترهای دیگر باشند. بعد از اینکه شبیه سازی انجام شد با استفاده از منوی Output آمار خروجی نشان داده می شود. آمار و اطلاعات می تواند به عنوان یک فایل متنی در Wordpad با استفاده از دستور View منوی Output نشان داده شود یا می تواند به عنوان یک گراف با استفاده از دستور Graph منوی Output نشان داده شود. اگر روی دستور گراف کلیک شود جعبه دیالوگ خروجی نشان داده می شود که می توان به طور مثال عمق سطح ایستابی را برای ترسیم انتخاب نمود. نمودار عمق سطح ایستابی انتخاب شده عمق سطح ایتابی را ربای دوره شبیه سازی مورد نظر نشان می دهد.
فایل *.OUT پارامترهای خروجی دوره شبیه سازی شده را نشان می دهد. فایل *.YR مقدار تنش سالانه و پارامترهای دیگر را نشان می دهد. آمار عملکرد می تواند با استفاده از دستور View انتخاب شود. برای این کار فابل های از نوع *.YLD از جعبه دستور View انتخاب می شوند. آمار YLD برای شرایط شبیه سازی شده و عملکرد نسبی برای اطلاعات مورد نظر به صورت درصد از طریق مدل قابل محاسبه است.
آمار ورودی یک پروژه می تواند با استفاده از منوی Input تعدیل شود. برای مثال عمق زهکش ها می تواند از 100 سانتی متر به 80 سانتی متر با استفاده از جعبه دیالوگ طراحی زهکش ( Drainage Design ) کاهش پیدا کند. با قرار دادن زهکش ها در 80 سانتی متری زیر سطح خاک تنش رطوبتی افزایش می یابد. البته با کم کردن فاصله بین زهکش ها می توان تنش رطوبتی را کم کرد اگرچه کاهش فاصله زهکش ها، هزینه نصب زهکش ها را افزایش می دهد. مدل می تواند چندین عمق زهکش و فاصله زهکش ها را با استفاده از منوی Analysis شبیه سازی کند.
نتایج تجزیه و تحلیل عمق زهکش ها و فاصله زهکش ها در فایل *.ANL در شاخه Output قرار دارد. عملکرد به طور محسوسی برای عمق 80 سانتی متر و فاصله زهکش های 500 سانتی متر کمتر می باشد. فرض می شود که عمق ریشه 70 سانتی متر و حداکثر عمق توسعه ریشه 105 سانتی متر باشد. تجزیه و تحلیل با استفاده از منوی Utility می تواند به طور سریع با اجزاء متفاوت، مورد استفاده قرار گیرد. تجزیه و تحلیل اقتصادی همراه با آمار عملکرد، می تواند برای تعیین فاصله زهکش ها و عمق های متفاوت مورد استفاده قرار گیرد.
فایل های ورودی
داده های ورودی در این مدل در زیر شاخه های Inputs, Soils, Weather, Crops قرار می گیرند. این فایل ها شامل پسوند های CIN, SIN, DMS, DMN, GEN, PRJ هستند.
فایل پروژه با پسوند PRJ حاوی یک لیست از اسم فایل ها و گزینه انتخاب برای شبیه سازی است.
فایل ورودی با پسوند GEN حاوی اکثر اطلاعات ورودی است که در طول ارزیابی طراحی سیستم تغییر می کند. پارامترهای این فایل حاوی عنوان شبیه سازی، داده های هواشناسی، داده های مدیریت آب، نام فایل داده های هواشناسی، پارامترهای طراحی سیستم زهکشی، پارامترهای مربوط به سرریز، هدایت هیدرولیکی اشباع، ورودی های مربوط به شیبو تراوش، تنش یا کمبود آب، شرایط عبور و مرور روی خاک و عمق ریشه است.
فایل ورودی با پسوند SIN حاوی اطلاعات خاک است. این داده ها شامل منحنی رطوبتی خاک، ارتباط حجم زهکشی و جریان رو به بالا با عمق سطح ایستابی و پارامترهای معادله نفوذ گرین و آمپت می باشد.
فایل ورودی با پسوند CIN حاوی داده های لازم جهت شبیه سازی عملکرد نسبی محصول است. این فایل حاوی اطلاعات تعیین تاثیر تاخیر تاریخ کاشت، آب اضافی و کمبود آب در عملکرد محصول است.
پارامتر ورودی نیتروژن در فایل با پسوند DMN حاوی داده های لازم برای اجرای مدل شبیه سازی DrainMOD-N است. این فایل حاوی ضرایب پراکندگی، ثابت های نسبی، کاربرد نیتروژن، سرعت برداشت توسط گیاه، پارامترهای درجه حرارت خاک و حجم اولیه نیتروژن در خاک است.
پارامتر ورودی شوری در فایل با پسوند DMS حاوی داده های لازم برای اجرای مدل شبیه سازی DrainMOD-S است. این فایل حاوی غلظت اولیه نمک در خاک، ضریب پراکندگی و محدودیت های رسوب نمک است.
فایل های خروجی
تمام فایل های خروجی همنام و با پسوند PRJ است که پسوند فایل ها بیان کننده نوع فایل خروجی است. این فایل ها در زیر شاخه Output قرار می گیرند.
فایل با پسوند RNK حاوی رده بندی سالانه پارامترهایی مانند روزهای کار و عملکرد نسبی است.
فایل با پسوند YR حاوی پارامترهای شبیه سازی شده به صورت نمایش سالانه است. همچنین گزینه انتخاب فایل خروجی به صورت روزانه با پسوند DAY یا ماهیانه با پسوند MON وجود دارد.
فایل با پسوند YLD حاوی عملکردهای نسبی محصول می باشد.
فایل با پسوند CRO خلاصه ای از داده های ورودی را بیان می کند که می تواند در یک فایل با پسوند OUT ذخیره شود.
همچنین می توان فایل های خروجی با پسوند PLT برای نشان دادن روزانه عمق سطح ایستابی، حجم آب زهکشی، و سایر پارامترهای هیدرولوژیکی برای هر سال را تشکیل داد.
منبع:
مهندسی زهکشی- تالیف دکتر بهروز مصطفی زاده فرد- انتشارات کنکاش- 1384