توصيفگر ها :
هيدروپدولوژي , اقليم خرد , پارامترهاي هيدروليكي خاك , تحليل حساسيت , واسنجي , اعتبارسنجي
چكيده فارسي :
هيدروپدولوژي به‌عنوان شاخه‌اي جديد از علم با تلفيق علوم هيدرولوژي و پدولوژي سعي در بررسي و شناخت بهتر پديده¬ها و فرايندهاي خاك و محيط پيرامون آن دارد. بنابراين اين پژوهش به‌منظور بررسي درجاي اثر جهت شيب و اقليم خرد بر ويژگي‌هاي فيزيكي، شيميايي و هيدروليكي خاك و مدل‌سازي جريان آب در خاك طراحي و اجرا شد. با در نظرگرفتن اين مسئله و تغييرات زماني ويژگي‌هاي اقليمي و فيزيكي و شيميايي خاك، پژوهش حاضر در يك سايت با كاربري جنگل راش در گوتينگن آلمان در قالب چهار مطالعه انجام شد. در مطالعه اول فاكتورهاي اقليمي شامل تشعشع، سرعت باد، جهت باد و ميزان بارندگي، دماي هوا، رطوبت نسبي هوا و ريزش مستقيم، و ويژگي‌هاي فيزيكي و شيميايي خاك شامل مقدار رطوبت حجمي، پتانسيل ماتريك، دما، pH، كربن آلي محلول (DOC)، و غلظت آهن، آلومينيوم و سيليسيوم محلول به مدت دو سال (از ابتداي جولاي 2017 تا آخر جون 2019) بر روي دو جهت شيب روبه شمال و جنوب اندازه‌گيري شدند. نتايج به‌دست¬آمده نشان¬دهنده معني‌داربودن اثر جهت شيب بر شاخص‌هاي اقليمي و ويژگي¬هاي فيزيكي و شيميايي خاك بود. مقدار رطوبت خاك روي شيب روبه شمال بيش¬تر از شيب روبه جنوب بود كه با توجه به اثر جهت شيب بر اقليم خرد قابل انتظار بود. اما برخلاف انتظار، با وجود مقدار رطوبت خاك بيش¬تر، پتانسيل ماتريك خاك بر روي شيب روبه شمال نسبت به شيب روبه جنوب كم¬تر (منفي¬تر) بود. اين يافته با توجه به كم¬تربودن حجم منافذ درشت و بيش-تربودن درصد رس خاك در شيب روبه شمال و نقش بارز رس در نگهداشت آب خاك قابل توجيه است. بر روي شيب روبه شمال، pH وDOC كم¬تر از شيب روبه جنوب بود، ولي غلظت آلومينيوم، آهن و سيليسيم محلول خاك بيش¬تر از شيب روبه جنوب بود. در مطالعه دوم اثر جهت شيب بر برآورد پارامترهاي هيدروليكي خاك بررسي شد. با توجه به شاخص‌هاي خطا و ضريب تبيين محاسبه¬شده، برآورد پارامترهاي هيدروليكي خاك (پارامترهاي مدل ون¬گنوختن-معلم) با نرم¬افزار HYDRUS-1D در شيب رو به شمال بهتر از شيب رو به جنوب بود. بررسي منحني¬هاي مشخصه رطوبتي خاك در دوره¬هاي خشك اول و مرطوب دوم نشان¬دهنده حلقه¬هاي پسماند باز در تمامي اعماق بود، و بيش¬ترين و كم¬ترين تغييرات زماني به ترتيب مربوط به پارامترهاي رطوبت باقي¬مانده (r) و رطوبت اشباع (s) بود. در مطالعه سوم تحليل حساسيت مدل¬سازي جريان آب در خاك در دو جهت شيب و در دوره‌هاي مرطوب و خشك انجام شد. نتايج تحليل حساسيت مدل در دو جهت شيب و در دوره‌هاي مرطوب وخشك نشان داد كه در تمامي حالت‌هاي بررسي¬شده، بيش¬ترين ضريب حساسيت مدل مربوط به شدت جريان آب و سپس پتانسيل ماتريك و مقدار رطوبت خاك است. حساسيت مدل روي شيب روبه جنوب، بيش¬تر از شيب روبه شمال بود و در هر دو جهت شيب حساسيت برآورد شدت جريان آب و پتانسيل ماتريك در دوره خشك بيش¬تر از دوره مرطوب بود. در هر دو جهت شيب و هر دو دوره مرطوب و خشك، شدت جريان آب بيش¬ترين حساسيت را عمدتاً نسبت به پارامتر شكل (n) و كم¬ترين حساسيت را نسبت به پارامترهاي l و θr نشان داد. مطالعه چهارم با هدف مدل‌سازي مقدار رطوبت و پتانسيل ماتريك خاك در دو جهت شيب و دوره‌هاي مرطوب و خشك با استفاده از رويكردهاي مختلف برآورد پارامترهاي هيدروليكي خاك انجام شد. نتايج اين مطالعه نشان داد كه نرم¬افزار HYDRUS-1D به طور رضايت‌بخشي مقدار رطوبت و پتانسيل ماتريك خاك را در هر دو جهت شيب شبيه‌سازي مي‌نمايد. اعتبارسنجي مدل در هر دو دوره خشك و مرطوب براي شيب رو به شمال بهتر از شيب رو به جنوب بود كه با توجه به غيرخطي¬بودن بسيار زياد توابع هيدروليكي خاك و جريان غيراشباع آب در شرايط خشك و محدوديت‌هاي مدل ون¬گنوختن-معلم در مدل¬سازي با HYDRUS-1D در محدوده خشك قابل توجيه است. همچنين، ساير محدوديت‌هاي مدل‌سازي مانند ناديده گرفتن تعرق و تبخير سطحي مي‌تواند بر نتايج مدل‌سازي تأثير بگذارد.
چكيده انگليسي :
Hydropedology, as a new branch of science, aims to investigate and understand better the soil and its surrounding environment by combining hydrology and pedology. Therefore, this research was designed and conducted to study the onsite effects of slope and microclimate on the soil physical, chemical and hydraulic properties and water flow in soil. Taking into account the temporal changes in climatic factors and soil physical and chemical properties, the present study was conducted at a research site with forest land use in Göttingen, Germany, in the form of four separate studies from July 2017 to June 2019. In the first study, climatic factors , as well as soil physical and chemical properties were measured on two slope aspects. The results indicated a significant influence of slope aspect on climatic factors and soil physical and chemical properties. Soil water content on the north-facing slope was higher than on the south-facing slope, as expected in the line with the slope aspect effect on microclimatic factors. However, despite the higher soil water content, the soil matric potential on the north-facing slope was lower (more negative) that on the south-facing slope. This finding could be explained by the lower volume of macropores and the higher clay content in the north-facing slope, and the important role of clay particles in soil water retention. On the north-facing slope, soil pH and DOC were lower, while the concentrations of soluble aluminum, iron, and silicon were higher than on the south-facing slope. In the second study, the effect of slope aspect on the predicted soil hydraulic parameters was modeled. Based on calculated error indices and coefficient of determination, the prediction of soil hydraulic parameters (van Genuchten-Mualem parameters) by HYDRUS-1D software on the north-facing slope was more accurate than on the south-facing slope. The reconstructed soil water characteristic curves during the first dry and second wet periods indicated open hysteretic loops at all depths, with the highest and lowest temporal changes related to the fitted parameters of residual water content (θr) and saturated water content (θs), respectively. In the third study, sensitivity analysis of modeling water movement in the soil was examined in the two slope aspects and during the wet and dry periods. The results showed that in all examined cases, the highest sensitivity coefficient of the model was related to the water flux, followed by soil matric potential and water content. The model's sensitivity on the south-facing slope was higher than on the north-facing slope, and in both slope aspects, the sensitivity of water flux and matric potential predictions during the dry period was greater than during the wet period. In both slope aspects and both wet and dry periods, water flux showed the highest sensitivity mainly to the shape parameter (n) and the lowest sensitivity to l and θr parameters. The fourth study aimed to model soil water content and matric potential in two slope aspects and wet/dry periods using various approaches to estimate soil hydraulic parameters. The results of this study showed that the HYDRUS-1D software satisfactorily simulated soil water content and matric potential variations in both north and south-facing slopes. Model validation in both dry and wet periods for the north-facing slope was better than for the south-facing slope, which is justifiable considering the highly nonlinear nature of unsaturated water movement in dry conditions and the limitations of the van Genuchten-Mualem model embedded in HYDRUS-1D in the dry range. Additionally, other modeling constraints, such as neglecting surface evaporation and transpiration, can impact modeling results.
