WINSRFR یک پکیج نرم افزاری برای تحلیل سیستم های آبیاری سطحی

از اواخر دهه 1970، سرویس تحقيقات کشاورزی ( USDA ) مشغول توسعه مدل های شبیه سازی هیدرولیکی و ابزار های نرم افزاری مربوطه برای تحلیل سیستم های آبیاری سطحی شده است. نتایج کلیدی این توسعه، برنامه شبیه سازی SRFR، ابزار طراحی برای شیب، سیستم های آبیاری نواریBORDER و ابزار طراحی برای سیستم های کرتی سطحی می باشند(Strelkoff et al.. 1998). نرم افزار جدید آبیاری سطحی با نام Win SRFR از سال 2004 درحال توسعه بوده است. هدف اولیه از پروژه توسعه Win SRFR تبدیل برنامه های BASIN، BORDER و SRFR مبتنی بر Dos به یک برنامه کاربردی برای سیستم عامل ویندوز می باشد. در طولانی مدت، باید ابزاری برای هدایت تحلیل های عملی بر روی انواع متفاوت سیستم های آبیاری سطحی و توسعه یک نرم افزار جدید برای تحقیق در مورد هیدرولیک آبیاری سطحی توسعه یابد.

3-1: سازمان دهی و عاملیت برنامه

3-1-1: WinSRFR Worlds

عاملیت و سازمان دهی WinSRFR بر مبنای فرایند تحلیلی به دنبال ارزیابی و بهبود عملکرد هیدرولیکی سیستم های آبیاری سطحی تعریف می شوند. عاملیت های برنامه که موسوم به WinSRFR Worlds می باشد عبارتند از تحلیل رویداد (Event Analysis World)، تحلیل عملیات (Operations Analysis World) ، طراحی فیزیکی (Physical Design World) و شبیه سازی (Simulation World ) . اولین قدم در فرایند تحلیلی ارزیابی عملکرد مبتنی بر داده های میدانی می باشد. بنابراین تحلیل رویداد (Event Analysis World) ابزاری را برای فشرده سازی، نقشه کشی و تحلیل داده های ارزیابی میدانی ایجاد می کند. هدف اولیه، ارزیابی توصیف وضع آب به کار برده شده می باشد اما از آن می توان برای تخمین نفوذ پذیری سطحی با خصوصیات زبری هیدرولیک یک زمین نیز استفاده کرد که درون داد های کلیدی برای تحلیل های يك بعدی است.

WinSRfR سه مرحله ارزیابی را ایجاد می کند:

الف) تعادل حجمی بعد از آبیاری بر مبنای پروفیل نفوذ پذیری سطحی اندازه گیری شده، (که نیازمند داده های نفوذی، خصوصیات حفظ کنندگی آب ،پروفیل خاک مورد بررسی و برآورد محتوای آب خاک می باشد)

ب) تعادل حجمی آب بعد از آبیاری مبتنی بر اندازه گیری های پیشروی و منحنی پسروی آب

ج) تعادل حجم فاز پیشروی بر مبنای روش دو نقطه ای الیوت و والکر.

دو رویه آخر، برآورد های پارامتر نفوذ پذیری سطحی را محاسبه می کنند. جزئیات اجرایی این مراحل بعداً مورد بحث قرار می گیرد. مرحله دوم در فرایند تحلیلی، بررسی راهکار های عملیاتی متناوب در سیستم مفروض می باشد. از operation world (دنیای عملیات) برای تحلیل تناسب عملکردی میان ترکیبات متفاوت سرعت جریان و زمان قطع جريان( قطع جريان) برای یک سیستم با ابعاد، شیب و خصوصیات خاک مشخص استفاده می شود. این تحلیل با کمک کنتور های عملکردی انجام می شود که تفاوت مقیاس های عملکردی آبیاری را به عنوان تابعی از متغیر های تصمیم گیری نشان می دهد.

مقیاس های عملکردی تحلیل شده توسط WinSRFR شامل یکنواختی توزیع، کارایی یا راندمان کاربرد بالقوه، کسر های رواناب و فرو نشست عمیق، حداقل عمق نفوذی، کل عمق کاربردی، نسبت فاصله پیشروی در زمان رواناب به تناسب طول زمین (برای مواردی که رواناب، پیشروی را تا پایان زمین دنبال می کند) یا نسبت زمان رواناب به زمان پیشروی نهایی می باشد. این ابزار ها به کاربر اجازه می دهند تا به جستجوی ترکیبات متغیر های تصمیم گیری بپردازد که منجر به سطوح بالایی از یکنواختی و کارایی میشود در حالیکه محدودیت های عملی و هیدرولیکی را توجیه می کند. مثلاً زمان انتخاب ترکیب زمان تخلیه- رواناب، کاربر باید حداکثر سرعت جریان موجود و دوره زمان های تنظیم آبیاری را به تناسب ساعات شیفت کاری محاسبه می کند. شبیه سازی های هیدرولیکی زیادی برای تولید کنتور عملکردی برای یک سیستم آبیاری خاص مورد نیاز می باشند.

تکنیک های مورد استفاده در WinSRFR برای تولید کنتور های عملکردی بعداً توصیف می شوند. اگر عملیات بهینه سازی شده هنوز منجر به عملکرد غیر قابل قبول شود پس باید تغییراتی در طرح موجود صورت گیرد. از Design world (دنیای طرح) برای بهینه سازی (طول و عرض) یک سیستم آبیاری برای درون داد های معین استفاده می شود. مانند operations world (جهان عملیات ها ) این تحلیل بر مبنای کنتور های عملکردی به عنوان تابعی از متغیر های تصمیم گیری می باشد. این طرح به کاربر اجازه می دهد تا تناسب بین ترکیبات متفاوت جریان ورودی و طول زمین را تحلیل کند در حالیکه تنظیمات عرضی ثابت است. در بسیاری از مواقع، شیب زمین را نیز به عنوان یک متغیر تصمیم گیری می پندارند و در چنین مواردی، تحلیل های طراحی متفاوت برای مقادیر شیب انجام می شوند. مانند تحلیل عملیاتی، فرایند طراحی به منظور به حداکثر رساندن عملکرد با حداکثر سرعت جریان موجود، حداکثر و حداقل ابعاد میدانی و سایر عوامل هیدرولیکی است. تحلیل های حساسیت را می توان با شبیه سازی جریان ناپایدار و غیر یکنواخت انجام داد تا تاثیر تفاوت ها را از شرایط طرح مفروض در خصوصیات زبری و نفوذی، سرعت جریان ورودی، غیر یکنواخت بودن شیب پایین ارزیابی کرد.

توصیه ها و پیشنهادات عملیاتی و طراحی را می توان برای تضمین سطوح منطقی از عملکرد و محدوده مورد انتظار شرایط زمین تنظیم کرد. به همین منظور Simulation world (دنیای شبیه سازی) دستیابی به موتور شبیه سازی SRFR را ایجاد می کند. داده های توسعه یافته در operations، Design و Event را می توان در Simulation world کپی کرد تا سناریو های شبیه سازی را ایجاد کرد. کاربر می تواند داده ها را به صورت دستی وارد کند. به علاوه موتور SRFR، سرویس ها یا خدمات شبیه سازی را در Event، Operations و Design ایجاد می کند. مثلاً، از شبیه سازی برای تایید برآورد های پارامتری محاسبه شده در Event استفاده می شود. در این زمان، تحلیل های حساسیت به صورت دستی و با ایجاد چندین سناریو در Simulation world قابل اجرا می باشند.

3-1-2: ساختار های داده ای و اجزای واسط کاربر

ساختار های داده ای و اجزای واسط برنامه بوسیله عاملیت های برنامه تعریف می شوند. پروژه win SRFR از پوشه های Event، Operations، Design و Simulation تشکیل می شود. یک فایل پروژه با یک مزرعه یا زمین خاص مرتبط است اما می تواند نشان دهنده مجموعه ای از سناریو های نظری مربوطه باشد. هر پروژه "Farm"( مزرعه) از حداقل یک پوشه ایجاد می شود. هر پوشه موردی شامل یک پوشه یا بیشتر می باشد (Event، Operations، Design و Simulation). پوشه ها هر کدام دارای یک سناریوی مزرعه یا زمین یا بیشتر می باشد. به این پوشه ها از طریق Analysis Explorer واقع در سمت چپ صفحه اصلی می توان دسترسی پیدا کرد. ساختار کنترل درختی و اجزای واسط مربوطه، انعطاف پذیری زیادی را در سازمان دهی و مستند سازی داده ها ایجاد می کند. یک سناریوی خاص در یک world معین بوسیله پنجره تب دار (Tab) نشان داده می شود که در آن کاربر می تواند داده ها را ویرایش و تحلیل را اجرا کند و برون داد ها را ببیند. مثلاً شکل 2 تب اصلی (نوار اصلی) را در Design world ترسیم می کند.

شكل 3-1.صفحه اصلي نرم افزار

پنجره های تب دار برای world های متفاوت، سازمان دهی و خصوصیات مشابه دارند. اولین دكمه(Tab)، گزينه هاي های فیزیکی بنیادین را تعریف می کند. انتخاب یک گزينه هاي، واسط کاربر را پیکر بندی می کند تا کادر های دیالوگ خاص را برای نوع تحلیل نشان دهد. به داده های درون دادی و نتایج یک تحلیل رویدادی اغلب به عنوان درون داد هایی برای بررسی طرح، عملیات و شبیه سازی نیاز می باشد. تبادل داده ای مورد نیاز از طریق درخت اکسپلورر و با Copy و Paste یک تحلیل رویدادی منتخب در شبیه سازی، تحلیل عملیات و پوشه طرح انجام می شود. WinSRFR، داده های متناسب با دریافت world را برای نمایش در آن World طبقه بندی می کند. این مورد، درون داد های ایجاد شده برای ارزیابی و برآورد های پارامتری نفوذی مورد نیاز برای شبیه سازی، تحلیل عملیات یا طرح را منتقل می کند. راه حل طرح یا عملیات را می توان به دنیای شبیه سازی با استفاده از مکانیزم مشابه منتقل کرد و برون داد های دنیا های عملیات و طرح در دنیای شبیه سازی به عنوان درون داد کپی می شوند.

3-2: توسعه های فنی متناسب با نرم افزار و نسخه 2،1 نرم افزار

توسعه ابزاری که انواع متفاوت تحلیل را در انواع متفاوت سیستم های آبیاری سطحی ادغام کند، به دو دلیل پیچیده و دشوار است، یکی مدل شبیه سازی زیر بنایی و دیگری تفاوت ها در فرضیات و رویه های تحلیلی به کار گرفته شده توسط ديدگاههاي متفاوت .

معادلات موتور شبیه سازی یک محدودیت بنیادین را بر توانایی این نرم افزار در پرداختن به انواع متفاوت سیستم تحمیل می کند زیرا آن معادلات جریان تک بُعدی را مفروض می دارند. خصوصیات سیستم در طول زمین یا در طول زمان اما نه در طول عرضی آن تغییر می کنند. بنابراین، این تحلیل با مرز ها یا حوضچه های بدون شیب متقاطع و شیار های منحصر به فرد محدود می شود. از آنجا که شیار ها به عنوان یک مجموعه و نه به طور منحصر به فرد مدیریت می شوند، Win SRFR به کاربران اجازه می دهد تا یک جریان ورودی تنظیم شده را تعیین و بعضی از نتایج را برای مجموعه شیار ها محاسبه کنند. تمام محاسبات زیر بنایی برای یک واحد است و بنابراین شیار های یکسانی در مجموعه مفروض می باشند. در حالیکه شیب های متقاطع را نمی توان بوسیله موتور شبیه سازی کرد اما این احتمال وجود دارد تا از بعضی مسائل جریان دو بُعدی الگو برداری کرد. مثلاً، مرز ها و كرتهايي که بر روی یک محیط کشت بخاطر شکل نا منظم یک زمین بسته می شوند را می توان بر مبنای طول متوسط الگو برداری کرد.

در محدودیت جریان تک بُعدی، موتور شبیه سازی، گزينه هاي بسیاری را برای پیکر بندی شیب کف، برش مقطعی، خصوصیات زبری و نفوذی و سرعت جریان ورودی ایجاد می کند. توانایی نرم افزار برای انجام انواع متفاوت تحلیل بر روی یک سیستم آبیاری معین مبتنی بر ارتباط گسترده میان دنیا ها(Worlds) می باشد. خصوصاً از زمانی که نرم افزار از برون داد های به عنوان درون داده برای دیگری استفاده می کند. یک چالش کلیدی برای رسیدن به این ترکیب این است که در حالیکه SRFR گزينه هاي های زیادی را برای تعیین خصوصیات سیستم برای شبیه سازی ایجاد می کند اما رویه های موجود برای اندازه گیری یا تحلیل های طرح و عملیات ها تنها در بعضی از گزينه هاي های پیکر بندی پشتیبانی می کند. پس هدف ایجاد گزينه هاي های دنیا ها با یکدیگر می باشد. بخش های زیر دو منطقه خاص را مورد بحث قرار می دهند که برای ایجاد یکپارچگی بیشتر در Win SRFR نسخه 2.1 و 3.1 مورد توجه خاص قرار گرفته اند. که یکی به فرمول هایی برای محاسبه نفوذ در موتور شبیه سازی در مقابل مراحل برآورد پارامتر مربوطه در دنیای تحلیل رویداد می پردازد و دیگری نمایانگر تحلیل های طرح و عملیات در شیار ها می باشد که در انتشار اولیه قابل دسترس نمی باشند.

3-2-1: محاسبات نفوذ

Win SRFR از فرمول های تجربی برای محاسبات نفوذ پذیری سطحی استفاده می کند. در یک دیدگاه تک بُعدی از سیستم آبیاری که در آن تمام متغیر ها تابعی از فاصله و زمان می باشند، متغیر نفوذ پذیری سطحی متناسب، حجم نفوذ کرده در هر واحد طول ]L/3L[ (t و x) Az می باشد. موتور شبیه سازی، Az را به صورت زیر محاسبه می کند:

1) z´WP = Az

]L[WP طول متقاطع واسط جریان- خاک می باشد که از طریق آن نفوذ پذیری سطحی باید رخ دهد و z حجم نفوذ کرده در هر واحد مساحت سطح خاک ]L/3L[ می باشد.

در معادله (1) فرض می شود که آب در یک جهت نرمال به سطح خاک نفوذ می کند. این فرضیه زمان پرداختن به نوار های آبیاری و كرت هامنطقی می باشد در آنجا آب در جهت عمودی نفوذ می کند و WP ثابت و با عرض كرت/ نوار W برابر است. معادله (1) نفوذ شیاری را بخاطر کمک جریان افقی به نفوذ پذیری سطحی کل کمتر نشان می دهد و WP با فاصله و زمان با افزایش عمق جریان کاهش عبور جریان متغیر می باشد. گزينه هاي ها برای محاسبه z و WP بعداً و همراه با تعاریف و محدودیت های این گزينه هاي ها مورد بحث قرار می گیرند.

3-2-1-1: توابع نفوذ

جدول زير گزينه هاي های ایجاد شده بوسیله Win SRFR را برای محاسبه z فهرست می کند.

جدول 3-1: گزينه هاي های ایجاد شده بوسیله Win SRFR را برای محاسبه z

در این عبارات، توان a بدون بعد و k، b و c پارامتر های با ابعاد و واحد های سازگار با z و t می باشند. از معادله کاستیاکوف در مطالعات آبیاری بسیار استفاده شده است اما فرآیند دقیق در خاک های با سرعت نفوذی حالت ثابت نمی باشند. فرانسیو این محدودیت را تشخیص داد و به معادله (2) حاصلضرب bt با سرعت نفوذی طولانی مدت b را افزود. این معادله که در این نوشتار موسوم به معادله اصلاح شده کاستیاکوف می باشد در برنامه SRFR با افزودن ثابت c به جهت محاسبه نفوذ پذیری macro pore (منفذ ماکرو) (معادله 3) بیشتر تغییر کرد.

سرویس حفظ منابع طبیعی- USDA (NRCS) (که قبلاً سرویس محافظت از خاک بود)، استفاده از مفهوم خانواده نفوذ پذیری سطحی را به عنوان روشی برای طبقه بندی رفتار یا شیوه نفوذ پذیری در خاک های متفاوت را پیشنهاد کرد. معادله نفوذی مربوطه با معادله (4) بدست می آید که در آن k و a ویژه هر خانواده می باشد و c برای تمام خانواده ها ثابت است. به دلیل تشابه بین خانواده های نفوذی مشاهده شده در انتشارات 1974 و 1984، Win SRFR خانواده ها را در یک مجموعه قرار می دهد. در حالیکه مجموعه جدیدی از خانواده های نفوذی NRCS اخیراً پیشنهاد شده اند اما این خانواده ها برای انتشار برنامه انتخاب نشدند اما ممکن است در آینده انتخاب شوند. مفهوم زمان ویژه بر مبنای این فرض است که نفوذ پذیری را می توان بوسیله زمان مورد نیاز برای نفوذ به عمق هدف توصیف کرد. زمان استفاده از این مفهوم، زمان ویژه، عمق هدف و یک توان برای معادله (2) باید تعیین شود (که از تجربه قبلی با خاک های منطقه جمع آوری شدند). پارامتر k در معادله (2) یافت می شود.

خانواده های ارزیابی شده Merriam و Clemmens بر مبنای همین مفهوم می باشند اما با یک تحقیق تجربی گسترش یافت که زمان را به نفوذ در عمق هدف 100 mm 100t و با توان a مرتبط می کند. این رابطه به صورت معادله 5 ارائه می شود که در آن 100t به ساعت بیان می شود. تابع انشعابی یک سرعت نفوذی متقاطع و نا پیوسته را ارائه می دهد که در آن، حالت ثابت ناگهان به دنبال یک دوره اولیه بدست می آید و سرعت نفوذی سریعاً تغییر می کند. در معادله (6)، tb زمانی است که تابع به سرعت نفوذی نهایی ثابت b منشعب می شود. معادلات نفوذی تجربی تاریخ مصرف طولانی در تحلیل های مهندسی آبیاری سطحی دارند. زیرا آنها با داده ها به خوبی متناسبند. به علاوه، مطالعات شبیه سازی نشان داده اند که رفتار معادلات تجربی متفاوت با راه حل های توسعه یافته از نظریه جریان در داخل مواد متخلخل سازگار می باشد. بنابراین، انتخاب یک تابع برای مصرف خاص وابسته به عوامل نظری نیست بلکه به توانایی آن در نشان دادن رفتار نفوذی اندازه گیری شده برای زمان مناسب با دوره آبیاری خاص می باشد. مثلاً، آبیاری های طولانی مدت که در آن سرعت نفوذی به حالت ثابت نزدیک می شود، می توان از یک فرمول حاوی عبارت b استفاده کرد.

3-2-1-2:گزينه هاي های اثر پیرامون خیس شده

Win SRFR 4 گزینه پیرامون خیس شده را زمان رسیدگی به شیار ها ارائه می دهد که هر کدام از آنها نشان دهنده یک فرضیه متفاوت برای اثر عمق جریان متغیر نفوذ پذیری سطحی می باشند. انتخاب گزينه هاي WP بستگی به عملکرد کاربر و روش انتخابی برای محاسبه z دارد. رابطه بین z و WP بعداً توضیح داده می شود.

3-2-1-2-1:فاصله بندی شیار

این فرضیه ساده از فاصله بندی شیار Fs به عنوان پیرامون خیس شده صوری یا اسمی استفاده می کند.

(7) z *Fs = z*WP = Az

و ابعاد z، حجم / (طول واحد ´ فاصله بندی شیار) می باشد. این فرمول معادل رویکرد مورد استفاده در سایر مدل های آبیاری شیاری و در خانواده های نفوذ پذیری NRCS2006 می باشد که یک فرمول را مستقیماً برای نفوذ پذیری شیاری Az نه برای z وارد می کند.

(8) c + Bt+ kta = Az

در این عبارت، واحد های k، B و c واحد های سطح Az را نشان می دهد. برای یک آبیاری معین، اگر تابع نفوذی به فرم معادله 8 تعیین شود، مقادیر پارامتری را می توان به شکلی سازگار با معادله (3) (یعنی مقادیر پارامتری کیس بالا و کیس پایین) و با تقسیم آن به فاصله بندی شیار تبدیل کرد.

3-2-1-2-2:پیرامون خیس شده تجربی NRCS

خانواده های نفوذی NRCS در اصل از داده های جمع آوری شده در آزمایشات آبیاری نواری توسعه یافته اند. ]با ابعاد حجم / (طول واحد´ عرض واحد)[. این شعبه یک رویه را برای انطباق خانواده های نفوذی تک بعدی با نفوذ پذیری سطحی در شیار ها از طریق یک پیرامون خیس شده تجربی WP NRCS توسعه داد. این مورد برای شرایط جریان (تخلیه Q، شیب پایین ◦S و زبری مانینگ n) در ورودی شیار محاسبه می شود اما برای کل طول جریان آبیاری به کار می رود.

(9) ZNRCS * WPNRCS = Az

ZNRCS بوسیله معادله 4 بدست می آید، این فرمول برای WPNRCS به صورت زیر است:

(10)

2c	+	4227/0	(	Qn	)	1c	= WPNRCS
5/0◦S

1c و 2c ثابت هایی می باشند که به واحد های Q و WPNRCS وابسته می باشد (اگر Q به s/I و WPNRCS به m داده شوند، ثابت ها به ترتیب 265/0 و 227/0 می باشند). Win SRFR، Q را به عنوان سرعت تخلیه متوسط در یک دوره کل از جریان ورودی به جز در طرح های کاهش جریان آب تعبیر می کند که در آن مانند انتشار اصلی Scs–USDA، مقادیر قبل و بعد از کاهش جریان آب در فرمول قرار می گیرند که کاهش در پیرامون خیس شده را بعد از کاهش جریان آب به دنبال دارد. شیب کف که Win SRFR آن را در فرمول وارد می کند، شیب کف متوسط در کل طول اجرایی است. در موارد شیب صفر، به جای ◦S، شیب اصطکاک Sf زیر قرار می گیرد.

(11)

4cQ 3c

= fS

در معادله 11، 3419/0 = 4c و 3c یک ثابت وابسته به واحد های Q و L می باشد. صورت معادله 11 خلاصه ای از داده های عمق جریان در ورودی شیار می باشد در حالیکه L کل طول شیار است.

خصوصیت کلیدی معادله (10) این است که ثابت 2cبرای دو فاکتور فیزیکی متفاوت محاسبه می شود. یکی با مقدار m 0140/0 بخشی از فرمول در بسیاری از ترکیبات متفاوت شیب های جانبی و پایه شیار ذوزنقه ای می باشد. بخش بزرگتر با m 213/0، این مشاهده را منعکس می کند که مكش جانبی یا حتی بالایی در یک شیار، نفوذ پذیری خود را بیشتر از آنچه که در سمت پایین در یک نوار آبیاری با عرض برابر با پیرامون خیس شده شیار رخ می دهد، افزایش می دهد. ثابت m 213/0 یک برآورد تجربی متناسب با داده ها را نشان می دهد (به Strelkoff و Clemmens برای مقایسه نتایج فرمول از پیرامون خیس شده بر مبنای هندسی شیار های ذوزنقه ای مراجعه کنید). معادله (10) بر مبنای شیار های ذوزنقه ای همراه عرض کف بین 06/0 و 15/0 متر و شیب های جانبی بین 1:1 و 2:1 توسعه یافت و از آن نباید در خارج از این محدوده استفاده کرد. حتی در این محدوده، پیرامون خیس شده بسیار متغیر می باشد در حالیکه معادله (10) مقدار یکسانی را برای هر ترکیب از عرض پایین و شیب جانبی محاسبه می کند. معادله (11) اثر هندسی شیار و زبری هیدرولیکی را بر روی گرادیان هیدرولیک نادیده می گیرد. محدوده کاربرد این فرمول در انتشارات اصلی SCS–USDA بیان نشده است. در نهایت، استفاده از معادله (10) همراه با معادله (11) منجر به نا پیوستگی اندک در پیرامون خیس شده محاسبه شده می شود زمانیکه از شیب های کوچک به سمت شیب صفر می روند. علی رغم این محدودیت ها، این رویه ها در پکیج Win SRFR ادغام شدند زیرا آنها تحت پشتیبانی داده های اندازه گیری شده در زمین می باشند و خانواده NRCS همراه با خانواده های نفوذی از آن استفاده می کنند.

3-2-1-2-3:پیرامون خیس شده بالا دست (سرآب)

در پیرامون خیس شده که بوسیله موتور SRFR اصلی پیشنهاد شدند، پیرامون خیس شده بالا دست در عمق شمالی و پیرامون خیس شده بالا دست می باشند. اولی قابل کاربرد با شیب های کف می باشد یعنی تحت شرایطی که در آنجا شرایط جریان سینماتیک را می توان مفروض داشت. دومی در زمین های با شیب نسبتاً ملایم به کار می رود که در آنجا جریان بالا دست به تدریج افزایش می یابد. با هر دو این شرایط، موتور SRFR، پیرامون خیس شده را به عنوان تابعی از جریان متغیر زمان (t)Q به روز رسانی می کند. این گزينه هاي ها در نسخه 1.1 Win SRFR ادغام شدند. پیرامون خیس شده بالا دست جایگزین این گزينه هاي ها می باشد. و مشابه رویکرد NRCS–USDA می باشد که در آن یک اثر پیرامون خیس شده بالا دست بر مبنای جریان ورودی متوسط به شیار شیب متوسط زمین مفروض می باشد اما هیچ عبارتی را برای نفوذ مفروض نمی دارد. ابعاد مورد انتظار z مانند معادله 9 حجم / (طول واحد ´ عرض واحد) می باشند. این روش عمق جریان بالا دست ◦ yرا محاسبه می کند که باید پیرامون خیس شده بالا دست نماینده را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کند.

(12)

2n2Q	-	S◦	=	By◦	-
3/4R2A	L

معادله .12 برآوردی برای معادله لختی – صفر جریان ناپایدار کانال باز می باشد.

(13)

Sf	-	S◦	=	y∂
x∂

در این عبارات، L طول زمین است، B یک ضریب تصحیح است که منحنی پروفیل سطح آب را محاسبه می کند. 45/0 = B برآورد های منطقی از عمق بالا دست تحت شرایط جریانی به جز شیب های تند و آبیاری های کوتاه مدت را بدست می دهد. از روابط هندسی برای شیار های ذوزنقه ای و سهمی برای تعیین A، WP و R که شعاع هیدرولیک است، استفاده می شود. محاسبات برای شیار های سهمی بر مبنای رویه های توصیف شده بوسیله Strelkoff و Clemmens می باشد که به نا پایداری و بی ثباتی در تعیین عرض بالا و پیرامون خیس شده به عنوان قوانین نیروی عمق اشاره می کند. معادله 12 را می توان با هر مقدار غیر منفی S◦ به کار برد و عمق نرمال را برای مقادیر بزرگ S◦ و L ایجاد کرد. این عبارت در ابتدا برای برآورد

◦ yدر هر زمانی در طول مرحله پیشروی توسعه یافت. در آن حالت، Q و L خود بخودی همراه با فاصله پیشروی جریان XA جانشین Q می شوند.

3-2-1-2-4:پیرامون خیس شده موضعی

این گزينه هاي افزایش نا پایدار و کاهش عمق جریان موضعی در نفوذ پذیری سطحی را با استفاده از معادله 14 محاسبه می کند.

(14) (1-j و iWP–j وWPi) c + j وWPi ´{(1-j و it)z– (j . it)z} + 1-j . iA = j . ziAd + 1-j و iA = A ij

در اینجا dAz در یک مرحله زمانی در یک لوکیشن xiو زمان tj، حاصل جمع این نمایش در(عرض واحد ´طول واحد)/ حجم |z و پیرامون خیس شده کنونی می باشد که در مرحله زمانی، میانگین گیری شد. j وWPi پیرامون خیس شده متوسط در مرحله زمانی محاسبه شده به عنوان یک تابع هندسی عمق جریان و لوکیشن می باشد و ثابت c به dAz کمک می کند. در صورتیکه j وWPi < jWPi باشد، استفاده از این فرمول محدود می شود زیرا پارامتر ها را نمی توان با رویه های تعادل- حجم از جمله آنها که بوسیله WIN SRFR ایجاد می شوند، برآورد کرد.

3-2-1-3: رابطه بین تابع نفوذی و پیرامون خیس شده

جدول 3-2: ترکیبات Z-WP مجاز در WIN SRFR

ترکیبات Z-WP مجاز در WIN SRFR در جدول 2 فهرست می شوند. استفاده از پیرامون خیس شده NRCS تجربی تنها در ترکیب با خانواده های نفوذی NRCS مجاز می باشد زیرا آن مفاهیم با یکدیگر بسط یافتند. مانند خانواده های NRCS، خانواده های از نظر زمانی ارزیابی شده، ضرایب را منتشر کردند و مقادیر Z نهایی، ابعاد حجم / (عرض واحد ´ طول واحد) دارد. آنها برای آبیاری نواری توسعه یافتند می توان آنها را برای شیار ها تنظیم کرد تنها اگر بر مبنای پیرامون خیس شده و با استفاده از مفاهیم پیرامون خیس شده موضعی و نماینده باشد. به دلیل اینکه ضرایب کاستیاکوف، کاستیاکوف اصلاح شده، زمان ویژه و معادلات انشعابی، مقادیر تنظیم شده می باشند از آنها می توان در ترکیب با هر گزينه هاي پیرامون خیس شده به جز گزينه هاي NRCS استفاده کرد.

این کار، گزينه هاي پیرامون خیس شده را قابل تبادل می سازد زیرا ضرایب z مخصوص یک گزينه هاي پیرامون خیس شده خاص می باشند. یک نگرانی منطقی این است که آیا هر فرمولاسیون نفوذ شیار که بواسطه Win SRFR ایجاد شد می تواند نتایج واقعی را در گستره بزرگی از شرایط هیدرولیک و خاک بدست دهد و آیا ترکیب خاصی پیشنهاد می شود یا نه. Trout تلاش کرد تا اثرات نفوذ پیرامون خیس شده را بر زمین و مزرعه اندازه گیری کند و دریافت که تغییرات در هندسی شیار و زبری آن در طول آبیاری باعث این اثرات می شود. در یک تحقیق، Walker و Kasilingam به نتایج مشابهی دست یافتند. این تحقیقات از ایده محاسبه نفوذ پذیری مستقیماً بر مبنای حجم در هر واحد طول پشتیبانی می کند. (یعنی بر مبنای فاصله بندی شیار) که در بسیاری از تحقیقات آبیاری شیاری انجام شده است. Fangmeier و Ramsey یک رابطه خطی را بین پیرامون خیس شده شیار و نفوذ در شیار های دقیق را اندازه گیری کردند.

این نتایج از استفاده از پیرامون خیس شده بالا یا گزينه هاي های NRCS حمایت می کند. در اندازه گیری با روش فاصله بندی شیاری، هر دوی این رویکرد ها مکانیزمی را برای تنظیم و انطباق ظرفیت نفوذ در شرایط ظرفیت ورودی متفاوت از مکانیزم مورد استفاده در برآورد ایجاد می کند. در یک تحقیق مقدماتی، Perea و همکارانش، توانایی یا قابلیت رویکرد پیرامون خیس شده USDA- NRCS (معادله 10) و روش پیرامون خیس شده موضعی (معادله 14) را ارزیابی کردند تا پیش بینی های نفوذ را بر مبنای راه حل عددی معادله ریچاردز متناسب سازند. آن مقایسات نشان دادند که رویکرد NRCS در نهایت پیش بینی های نظری را بیش از حد برآورد می کند در حالیکه روش پیرامون خیس شده موضعی (معادله 14) نفوذ در زمان های طولانی را حداقل برای شرایط تحقیقی کم برآورد می کند. مقایسات مشابهی برای دو الگوریتم دیگر که دارای Win SRFR می باشند، موجود نیستند اما ما می توانیم فرض کنیم که با پارامتر های تنظیم شده، آنها از رفتار نفوذی پیش بینی شده بر مبنای نظریه جریان واسطه ای منفذ دار تنها در زمان های محدودی تقلید کردند.

این نتایج حاکی از آن است که هر یک از فرمول های موجود برای زمان های محدود کفایت می کنند. تثبیت مزایای هر فرمول خاص بخاطر تاثیرات متغیر بودن نفوذ در امتداد شیار و از شیاری به شیاری مشکل می باشند. مثلاً، بعضی از محققان معادله های جریان غیر یکنواخت سطحی را با مدل های نفوذ فیزیکی ادغام کردند. با پارامتر های تنظیم شده، آن مدل ها می توانند مسیر پیشرفت و تعادل جرمی نهایی یک آبیاری را عیناً باز سازی کنند. چندان مشخص نیست که آیا آن مدل ها می توانند توزیع طولی آب نفوذ کرده را بهتر از رویکرد های تجربی ساده تر پیش بینی کنند یا نه. چنین پیش بینی هایی بوسیله تفاوت های فضایی در خواص خاک، مشکلات در توصیف شرایط اولیه و مرزی و فرایند های غیر قابل توجیه با نظریه جریان واسطه ای نفوذی پیچیده می شوند. با فرض نا توانی ما در توصیف این تغییر پذیری، قضاوت اندکی برای استفاده از رویکرد هایی غیر از رویکرد های ساده برای توصیف اثرات پیرامون خیس شده در نفوذ پذیری شیاری وجود دارد.

3-2-2 : رویه های برآورد پارامتر در جهان تحلیل رویداد

همانطور که قبلاً نشان داده شد، Win SRFR دو متد را برای برآورد پارامتر های نفوذ پذیری از مقیاس های آبیاری، تعادل حجمی بعد از آبیاری Merriam و Keller و روش دو نقطه ای Elliott و Walker تلفیق می کند. اجرای این روش ها در Win SRFR بعداً با رجوع به فرمول های نفوذ پذیری در Win SRFR مورد بحث قرار می گیرند.

3-2-2-1 : اجرای MK- PIVB

روش MK-PIVB با حجم نفوذی 2V مطابقت می کند که از یک تعادل حجمی بعد از آبیاری (زمانیکه حجم سطح VYzo است) با انتگرال (x)z و عمق نفوذ به عنوان تابعی از فاصله x محاسبه می شود:

(15)

Z(x) WPdx	L	ò	= VRQ- VQ = Vz
0

در معادله 15، از VQ و VQR حجم کاربردی و حجم رواناب استفاده می شود و WP قبلاً تعریف شد. برای انتخاب فرمول نفوذی، z(x) را می توان تعیین کرد در صورتیکه زمان فرصت نفوذ t به عنوان تابعی از x معلوم باشد. اگر زمان های پیشرفت و پسروی در نقاط متمایزی i=0….N در امتداد زمین (txi و tRi) اندازه گیری شوند. طرف راست معادله (15) را می توان به صورت عددی با استفاده از انتگرال گیری ذوزنقه ای محاسبه کرد.

(16)

(1-Xi–Xi).

1-iZ–iZ

∑

1= i

= Vz

Z بوسیله معادله زیر بدست می آید:

(17)

Zi = k(txi – tRi)a + b(txi – tRi) + c

این عبارت زمان نفوذ پذیری با NRCS، کاستیاکوف و توابع نفوذی اصلاح شده کاستیاکوف به کار می رود (b و یا c برای دو تای اولی روی صفر تنظیم می شود). هدف، حل پارامتر های تابع نفوذ پذیری اما با یک معادله می باشد و تنها یک پارامتر مجهول را می توان تعیین کرد. معادله 16 را می توان به آسانی با کمک خانواده های نفوذ NRCS حل کرد زیرا پارامتر ها مقادیر منحصر به فرد برای هر خانواده می باشند. چنین راه حلی شامل جستجوی آن خانواده است که معادله 16 را اقناع می کند. به دلیل اینکه خانواده های اصلی متمایز می باشند، تعادل حجمی را نمی توان دقیقاً اقناع کرد.

Valianzas و همکارانش یک رگرسیون متناسب با مقادیر پارامتری خانواده NRCS توسعه دادند که از دو اصل آن می توان برای یافتن یک تناسب دقیق تر بین خانواده ها استفاده کرد. این مورد در Win SRFR به جهت اجتناب از سردرگمی میان خانواده کاربر با خانواده سنتی انتخاب نشد. از خانواده های time- rated (از نظر زمانی برآوردشده) می توان برای حل مساله تعادل حجمی استفاده کرد. از آنجا که توان a تابعی از 100t (معادله 5) است. k نیز وابسته به 100t از طریق معادله 2 است. جانشینی این عبارات در معادله (16) یک معادله غیر خطی را با یک 100tمجهول تنظیم می کند که سریعاً با تقسیم حل می شود (زیرا در معادله (5) و 100t در یک محدوده تعریف شده 30£ 100t> 5/0 قرار می گیرد). اگر معادله اصلاح شده کاستیاکوف برای توصیف z انتخاب شود پس راه حل k را می توان از معادله 16 بدست آورد، در صورتیکه a، b و c مفروض باشند.

(18)

(Vz/WP) - ∑Ni=1 (b`ti + c) . Dxi

K =

∑Ni=1tai

در روش اصلی MK- PIVB بر مبنای معادله نفوذی کاستیاکوف ، توان a از حلقه هاي نفوذ تعیین می شود. در غیاب چنین مقیاس هایی، یک سری راه حل را می توان بر مبنای مقادیر متفاوت a بدست آورد. در کل، چندین راه حل، با زمان های پیشرفت و پسروی مشاهده شده و شبیه سازی شده (و رواناب برای سیستم های باز و بی انتها) با دقت منطقی مطابقت می کنند و یک پروفیل نفوذ پذیری نهایی قابل مقایسه را بدست می دهد. از این راه حل ها می توان برای تحلیل های حساسیت استفاده کرد. معادله اصلاح شده کاستیاکوف ، تغییر و انعطاف پذیری بیشتری در تناسب داده ها ایجاد می کند اما کاربر باید حدسیات منطقی برای a، b و c بدهد. از دانش قبلی از خواص خاک و تجربه می توان در انتخاب مقادیر برای این پارامتر ها استفاده کرد. مشابه مساله توصیف شده در بالا، چند ترکیب از مقادیر پارامتری، رویداد آبیاری مشاهده شده را حتی با دقت قابل قیاس شبیه سازی می کنند و از این ترکیبات می توان برای تعیین محدوده شرایط نفوذ پذیری پتانسیل برای تحلیل های بعدی استفاده کرد. راه حل معادله 16 با نفوذ پذیری بدست آمده از تابع انشعابی نیازمند استفاده تکراری از مرحله توصیف شده در بالاست زیرا زمان انشعابی tb مجهول است اما وابسته به مقادیر تعیین شده k از طریق رابطه زیر است:

(19)

= kata-1b = b	dz
dt

محاسبات ابتدا، هر ti محاسبه شده را در مقابل تخمین یا برآورد کنونی از tb مقایسه می کنند. برای تکرار اول، از بزرگترین زمان فرصت نفوذ اندازه گیری شده به عنوان برآورد tb استفاده می شود. اگر tb > ti باشد پس عبارت خطی به نفوذ پذیری کمک نمی کند در غیر این صورت، عبارت غیر خطی ثابت می شود. بعد از محاسبه k با معادله 18 (با فرض a و c). از معادله 19 برای حل tb استفاده می شود. این برآورد جدید tb، مقدار شروع برای تکرار پذیری بعدی است. تنها چند تکرار قبل از رسیدن به مقدار ثابت tb است. مراحل راه حل توصیف شده در بالا برای نوار ها، حوضچه ها و شیار ها به کار می روند. اما توجه داشته باشید که راه حل برای شیار ها بستگی به رویکرد مورد استفاده برای مدل سازی اثر پیرامون خیس شده دارد. در این زمان، Win SRFR راه حل های مبتنی بر فاصله بندی شیاری را ایجاد می کند هر کجا که آن در حال برآورد پارامتر ها برای توابع انشعابی، کاستیاكوف و کاستیاكوف اصلاح شده باشد. انتشار بعدی به کاربران امکان ایجاد برآورد هایی بر مبنای پیرامون خیس شده بالا دست نماینده را می دهد. زمان حل خانواده های NRCS، از معادلات 3 و 10 استفاده می شود در حالیکه از معادلات، 4، 13 و فرمول های پیرامون خیس شده Strelkoff و Clemmens زمان حل خانواده های time- rated استفاده می شود.

3-2-2-2 : اجرای روش دو نقطه ای

روش دو نقطه ای در چندین نشریه مورد بحث قرار گرفته است. سه اصلاح و تغییر در Win SRFR متناسب با معادلات اصلی ارائه شده توسط الیوت و والکر تلفیق شده اند. ابتدا این محاسبات از تخلیه متوسط تا زمان های پیشرفت دو نقطه پیشرفت منتخب (در میان زمین و انتهای زمین) به جای سرعت ورودی متوسط در طول کل آبیاری استفاده می کنند. Gillies و همکارانش نشان دادند که نادیده گرفتن تغییرات جریان ورودی با مراحل برآورد مبتنی بر تعادل حجمی، دقت نتایج یا نتایج دقیق را به مخاطره می اندازد. دوم، محاسبات عمق جریان بالا دست بر مبنای معادله 13 می باشند. در روش اصلی بالا دست عمق نرمال مفروض است و می تواند منجر به خطا های زیادی در حجم سطحی برآورد شده با شیب های کوچک شود. این مساله در صورتی بزرگتر جلوه می کند که حجم سطحی بخش مهمی از کل حجم کاربردی در زمان های پیشرفت مورد استفاده در برآورد باشد. برآورد های b بر مبنای جریان ورودی منهای جریان خروجی اغلب سرعت نفوذی ثابت را زیاد برآورد می کند و منجر به نتایج بی قاعده و غیر عادی برای پارامتر های k و a می شود. بنابراین، سومین توسعه در Win SRFR به کاربران اجازه می دهد تا به آسانی b را تغییر و a و k را مقادیر منطقی سازد. مانند محاسبات MK- PIVB برای تابع کاستیاكوف اصلاح شده، راه حل های روش دو نقطه ای، وابستگی نفوذ پذیری به پیرامون خیس شده واقعی را نادیده می گیرند (یعنی بر مبنای فاصله بندی شیاری می باشند). در صورتیکه هیدروگراف جریان خروجی موجود باشد (زمین با انتهای باز) یا کاهش به طور منطقی قابل برآورد باشد (زمین با انتهای بسته). Bautista و همکارانش نشان دادند که برآورد های بهتر نفوذ پذیری را می توان با قرار دادن یک معادله تعادل حجمی سوم بدست آورد.

3-2-2-3 :: تایید برآورد های پارامتری

به دنبال استفاده از MK-PIVB یا دو نقطه ای، Win SRFR یک شبیه سازی ناپایدار را با استفاده از تابع نفوذی برآورد شده رهبری می کند. نتایج به طور خلاصه به صورت آماری و نموداری برای کاربر موجود می باشند. که به کاربر اجازه می دهد تا رفتار تابع برآورد شده را با اصلاح یک پارامتر یا بیشتر در ابتدا تغییر دهد. مثلاً اگر رواناب پیش بینی شده بزرگتر از رواناب اندازه گیری شده باشد، کاربر مقدار b را افزایش می دهد. در اینجا فرض بر این است که کاربر دانش قبلی این پارامتر ها، خواص خاک و یا تجربه دارد و به سادگی از مقادیر برای بهبود goodness-of-fit استفاده نمی کند.

3-2-3: مراحل طرح و عملیات(Desibne and Operation)

نسخه 1 Win SRFR، مراحل طرح و عملیات برنامه های اصلی BASIN و BORDER را تلفیق می کند. آن مراحل و پایگاههای داده ای ایجاد شدند که شامل هزاران نتیجه شبیه سازی بدون بُعد می باشند که با متغیر های ورودی بدون بُعد ایجاد شدند. هر شبیه سازی در در پایگاه داده ای نشان دهنده گروهی از مسائل هیدرولیکی مربوطه است. این نرم افزار متغیر های مرجع مورد نیاز برای تبدیل داده های بدون بُعد به داده های دارای بُعد را محاسبه می کند. خلاصه ای از فرمول های بدون بُعد مورد استفاده در آبیاری سطحی و نمونه مصارف آن بوسیله Strelkoff و Clemmens فراهم می شود

. این رویکرد برای اجتناب از فرا خوانی مکرر یک موتور شبیه سازی با فرض توانايي کامپیوتر شخصی محدود انتخاب شد. این رویکرد دقیق و از نظر محاسباتی کارآمد و موثر است اما به دلیل اینکه پایگاه داده ای ایستا می باشد، آنالیز و تحلیل انواع خاص سیستم و اشکال خاص نفوذ پذیری و مقادیر بدون بُعد در پایگاه داده ای را محدود می کند. مراحل موجود در برنامه BORDER محدود به حوضچه های سطحی می باشند. جدول های مشابهی نه برای نوار های انتها بسته و نه برای شیار ها توسعه نیافته اند. تنها فرمول نفوذ پذیری مورد لحاظ در برنامه کاستیاکوف می باشد. و به عنوان نتیجه بعدی ماهیت ایستای پایگاه داده ای، بعضی از شرایط عملی زمین در خارج از محدوده راه حل های موجود در پایگاه داده ای می باشند. با کامپیوتر های جدید سریع، اکنون استفاده مکرر از موتور شبیه سازی عملی می باشد و به طور دینامیک و پویا کنتور های عملکردی را به عنوان تابعی از متغیر های عملیاتی یا طرحی تعیین می کند. از طرف دیگر راه حل های عددی- شبیه سازی معادلات دیفرانسیل جرم یا توده و حفظ (اندازه حرکت) اغلب اشتباه می باشند و نشان دهنده نیاز به مراحلی است که از نظر محاسباتی دقیق تر باشند. یک راهکار جایگزین برای ایجاد نتایج شبیه سازی مورد نیاز برای طرح، توسط Clemmens و همکارانش مطرح شد. این راهکار از یک مدل تعادل- حجمی با برآورد های حجم آب سطحی استفاده می کند تا پیشرفت و پسروی و در نهایت پروفیل نفوذی و عملکرد آبیاری را محاسبه کند. آن نتایج تعادل حجمی بوسیله نتایج یک شبیه سازی اینرسی- صفر تنظیم می شوند. مدل تعادل حجمی و رویه کالیبراسیون که برای شیار های انتهاي باز به کار رفتند بعداً خلاصه وار آورده می شوند. یک تعادل حجمی قابل کاربرد در فاز پیشرفت یک رویداد آبیاری، معادله زیر را بدست می دهد.

(20)

VQ = VY + VZ = Φ0σYA0XA + (σZ1kta0 + σZ2bt0 + c)WxA

که با نفوذ پذیری بدست آمده معادله کاستیاکوف اصلاح شده همراه است. در معادله 20 γб یک ضریب شکل آب سطحی، 1бz و 2бz ضرایب شکل پروفیل زیر سطحی همراه با عبارات خطی و غیر خطی معادله کاستیاکوف اصلاح شده می باشند. ◦A مساحت جریان بالا دست، ◦φ پارامتر کالیبراسیون مراحل طرح می باشند که بعداً توصیف می شوند. ◦φ زمان فرصت نفوذ در انتهای بالا دست زمین، W عرض حوضچه/ نوار با فاصله بندی شیار می باشند و سایر پارامتر ها قبلاً توصیف شدند. عبارت داخل پرانتز نشان دهنده عمق نفوذی بالا دست قابل کاربرد در عرض نو در حوضچه یا شیار می باشد. γб میانگین مساحت برش مقطعی جریان سطحی را به ◦A مرتبط می کند در حالیکه در واقعیت، آن با شرایط هیدرولیکی و زمان تغییر می کند و اغلب ثابت فرض می شود (70/0≈) که معادل توصیف پروفیل سطحی به عنوان تابع نیروی فاصله با توان تنظیم شده بر روی 33/0 است. عبارات برای 1бz و 2бz بر حسب a و r با یک رابطه مفروض power-law به صورت زیر

(21) XA = Ptr

بین فاصله پیشرفت و زمان بوسیله Scaloppi و همکارانش نشان داده می شوند. در معادله 21، t زمان شروع آبیاری و p و r پارامتر های تجربی همراه با واحد های P سازگار با واحد های

مطالب مشابه :

هیدروگراف واحد لحظه ای در آبهای زیرزمینی
می دونستید تعریف هیدروگراف واحد در آبهای زیرزمینی و سطحی متفاوت است! خب، درس امروز اینکه

هیدرولوژی
1-تعریف هیدرولوژی نظریه روش هیدروگراف واحد گرایش آلودگی محیط زیست دانشگاه آزاد اسلامی

پهنه بندی سیل و تعیین حد بستر و حریم رودخانه
برای تعریف کانال اصلی جریان، حداقل 5 نقطه مود نیاز روش هیدروگراف واحد طبیعی، روش های

آب شناسی
انجمن علوم و فنون ایالات متحده تعریف زیر را برای نظریه روش هیدروگراف واحد برای تخمین

هیدرولوژی
انجمن علوم و فنون ایالات متحده تعریف زیر را برای نظریه روش هیدروگراف واحد برای تخمین

WINSRFR یک پکیج نرم افزاری برای تحلیل سیستم های آبیاری سطحی
تمام محاسبات زیر بنایی برای یک واحد است و در صورتیکه هیدروگراف این محاسبات را تعریف

هیدرولیک
تفاوتها رو در شکل زیر متوجه میشوید که این مقایسه را در قالب دو تعریف واحد وزن بیان

برچسب :
تعریف هیدروگراف واحد