fa ارزیابی رابطه بارش-رواناب در مقیاس آزمایشگاهی، مطالعه موردی: خاک زراعی بلوچستان حفاظت آب و خاک حفاظت آب و خاک پژوهشي Research <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">چکیده مبسوط</span></span></b></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">مقدمه و هدف:</span></span></b><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:"> بررسی میزان نفوذ آب در خاک به عنوان یکی از فرایندهای کلیدی</span></span> <span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">چرخه هیدرولوژی، در مدیریت منابع آب و خاک از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نفوذ آب در خاک تعیین کننده‌ی میزان رواناب سطحی، تغذیه آب زیرزمینی و کارایی سیستم‌های آبیاری است و نقش مهمی در مدیریت حوزه‌های آبخیز دارد. در مناطق خشک و نیمه خشک نظیر بلوچستان، که بارندگی‌ها از شدت بالا و مدت کوتاه برخوردارند، شناخت دقیق رفتار نفوذ و رواناب می‌تواند به تصمیم‌گیری‌های مدیریتی برای کاهش فرسایش خاک و افزایش کارایی منابع آب کمک نماید. مطالعات پیشین نشان دادند که عواملی نظیر شیب زمین، رطوبت اولیه، بافت خاک، میزان مواد آلی، شدت و مدت باران بر فرایند نفوذ و آغاز رواناب تاثیر مستقیم دارند. از آن‌جا که بررسی این عوامل در مقیاس مزرعه‌ای با محدودیت‌هایی همراه است، استفاده از دستگاه شبیه‌ساز باران به عنوان ابزاری آزمایشگاهی و قابل کنترل، روشی مؤثر برای تحلیل روابط بین پارامترهای فیزیکی و هیدرولوژیکی محسوب می‌شود. پژوهش حاضر با هدف بررسی کمی و تحلیلی اثر رطوبت اولیه، شیب و شدت باران بر میزان نفوذ و رواناب سطحی در خاک‌ لوم-شنی (که مشابه خاک زراعی منطقه بلوچستان است) در آزمایشگاه سازه-هیدرولیک دانشگاه سیستان و بلوچستان انجام گردید. این مطالعه ضمن ارزیابی مدل فیزیکی (دستگاه شبیه‌ساز باران) و مدل تئوری (معادله گرین-آمپت)، تلاش دارد ارتباط نتایج آزمایشگاهی را با کاربردهای مدیریتی حوزه‌های آبخیز مورد بررسی قرار دهد. </span></span><span lang="AR-SA" style="line-height:80%"><span style="font-family:"2 Mitra""></span></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">مواد و روش‌ها</span></span></b><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">: این پژوهش با انجام 17 آزمایش مستقل با چهار شدت باران (61/1، 5/1، 4/1 و 3/1 میلی‌متر بر دقیقه)، چهار مدت باران (8، 10، 11 و 5 دقیقه) و سه شیب (5/2، 5/1 و 0 درصد) اجرا شد. خاک مورد استفاده از نوع لوم-شنی بدون مواد آلی بود تا اثر سایر عوامل کاهش یابد. در هر آزمایش پارامترهای هیدرولیکی شامل ارتفاع رواناب تجمعی، ضریب جریان، سرعت نفوذ و نفوذ تجمعی اندازه‌گیری شد و نتایج حاصل با داده‌های تئوری محاسبه شده از معادله گرین-آمپت مقایسه گردید. به منظور ارزیابی تطابق بین مدل فیزیکی و مدل تئوری، از شاخص‌های آماری شامل میانگین درصد خطای مطلق، میانگین خطای مطلق، ضریب تعیین و ریشه میانگین مربعات خطا استفاده شد. در تمامی آزمایشات، ارتفاع باران از سطح خاک ثابت، تراکم و بافت خاک یکنواخت و سطح خاک فاقد پوشش‌گیاهی فرض گردید. </span></span><span lang="AR-SA" style="line-height:80%"><span style="font-family:"2 Mitra""></span></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span lang="AR-SA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">یافته‌ها:</span></span></b></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">نتایج نشان داد که در آزمایش‌های بدون شیب، نفوذ تجمعی با زمان افزایش غیرخطی و یکنواختی داشت و مدل گرین</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">آمپت تطابق خوبی با داده‌های آزمایشگاهی، به‌ویژه در مراحل ابتدایی باران، نشان داد. با افزایش شیب به مقادیر متوسط، نفوذ تجمعی همچنان به‌خوبی شبیه‌سازی شد، اما رواناب تجمعی و ضریب جریان اندکی بیشتر از مقادیر تئوری بودند. در آزمایش‌های با شیب 5/2 درصد، نفوذ اولیه با مدل تطابق مناسبی داشت، اما با گذشت زمان و افزایش مدت بارش، رواناب آزمایشگاهی از مقادیر پیش‌بینی‌شده فراتر رفت و سرعت نفوذ کاهش سریع‌تری نسبت به مدل نشان داد.</span></span><span dir="LTR" style="line-height:80%"></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">در تمامی آزمایش‌ها، ارتفاع رواناب تجمعی روند افزایشی غیرخطی داشت و داده‌های آزمایشگاهی تقریباً در تمام زمان‌ها بزرگ‌تر از مقادیر تئوری بودند. اختلاف بین نتایج آزمایشگاهی و مدل با افزایش شیب، شدت باران و رطوبت اولیه تشدید شد. ضریب جریان نیز در همه آزمایش‌ها افزایش تدریجی نشان داد که بیانگر کاهش ظرفیت نفوذ و افزایش سهم رواناب سطحی است؛ روندی که توسط گرین</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">آمپت کم‌برآورد شد.</span></span><span dir="LTR" style="line-height:80%"></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">سرعت نفوذ در تمامی آزمایش‌ها در ابتدا بیشینه بوده و سپس به‌تدریج کاهش یافته و به مقدار تقریباً ثابتی نزدیک شد. گرین</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">آمپت کاهش سرعت نفوذ را ملایم‌تر از داده‌های واقعی شبیه‌سازی کرد، به‌ویژه در شرایط شیب‌دار. به‌طور کلی، نتایج نشان داد که اگرچه مدل گرین</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">آمپت برای خاک لوم</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">شنی و شرایط ساده مناسب است، اما در شرایط شیب‌دار و بارش‌های شدید یا طولانی‌مدت نیاز به اصلاح و توسعه دارد.</span></span><span dir="LTR" style="line-height:80%"></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span lang="AR-SA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">نتیجه‌گیری:</span></span></b></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">بر اساس نتایج این پژوهش، رفتار نفوذ و تولید رواناب در خاک لوم</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">شنی به‌شدت تابع شرایط اولیه خاک و ویژگی‌های بارندگی بوده و تغییرات شیب زمین می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در تضعیف یا تقویت فرآیند نفوذ ایفا کند. یافته‌ها نشان داد که هرچه شرایط بارش از حالت ساده و کوتاه‌مدت به سمت بارش‌های شدیدتر، طولانی‌تر و سطوح شیب‌دارتر حرکت می‌کند، سهم فرآیندهای سطحی در چرخه آب افزایش یافته و ظرفیت نفوذ مؤثر خاک کاهش می‌یابد.</span></span><span dir="LTR" style="line-height:80%"></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">مقایسه نتایج آزمایشگاهی با معادله گرین</span></span><span lang="FA" style="line-height:80%">-</span><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">آمپت حاکی از آن بود که این مدل در بازنمایی کلی روند نفوذ، به‌ویژه در شرایط افقی و رطوبت‌های اولیه متعادل، عملکرد قابل قبولی دارد؛ با این حال، در شرایط پیچیده‌تر شامل شیب‌های بالاتر و بارش‌های شدید، به دلیل ساده‌سازی‌های ساختاری، قادر به شبیه‌سازی دقیق سهم رواناب و افت واقعی سرعت نفوذ نیست.</span></span><span dir="LTR" style="line-height:80%"></span></span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:10pt"><span style="line-height:80%"><span style="direction:rtl"><span style="unicode-bidi:embed"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span lang="FA" style="line-height:80%"><span 2="" mitra="" style="font-family:">به‌طور کلی، نتایج این مطالعه می‌تواند مبنایی علمی برای بهبود برآورد رواناب، طراحی اقدامات حفاظتی خاک و مدیریت منابع آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک، به‌ویژه در حوزه‌های آبخیز مشابه منطقه بلوچستان، فراهم آورد و بر اهمیت استفاده توأمان از آزمایش‌های فیزیکی و مدل‌های تئوری در تحلیل فرآیندهای هیدرولوژیکی تأکید می‌کند.</span></span></span></span></span></span></span> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Introduction and Objective: </span></span></b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Investigation of the amount of water infiltration into soil, as one of the key processes of the hydrological cycle, is of special importance in water and soil resources management. Water infiltration into soil determines the amount of surface runoff, groundwater recharge, and the efficiency of irrigation systems, and plays an important role in watershed management. In arid and semi-arid regions such as Baluchestan, where rainfall events are characterized by high intensity and short duration, accurate understanding of infiltration and runoff behavior can help managerial decision-making aimed at reducing soil erosion and increasing water resources efficiency. Previous studies have shown that factors such as land slope, initial soil moisture, soil texture, organic matter content, and rainfall intensity and duration have direct effects on the infiltration process and runoff initiation.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Since investigating these factors at the farm scale is associated with limitations, the use of a rainfall simulator as a laboratory and controllable tool is considered an effective method for analyzing relationships between physical and hydrological parameters. The present research was conducted with the aim of quantitatively and analytically investigating the effects of initial soil moisture, slope, and rainfall intensity on infiltration and surface runoff in loamy sand soil (similar to the agricultural soil of the Baluchestan region) in the Hydraulic Structures Laboratory of the University of Sistan and Baluchestan. This study, while evaluating the physical model (rainfall simulator) and the theoretical model (Green-Ampt equation), attempts to examine the relationship between experimental results and watershed management applications.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <span style="font-size:12pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Introduction and Objective: </span></span></b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">This research was carried out by performing 17 independent experiments with four rainfall intensities (1.61, 1.50, 1.40, and 1.30 mm per minute), four rainfall durations (8, 10, 11, and 5 minutes), and three slopes (0, 1.5, and 2.5 percent). The soil used was loamy sand without organic matter in order to reduce the effect of other factors.</span></span></span></span></span><br> <span style="font-size:12pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">In each experiment, hydraulic parameters including cumulative runoff depth, runoff coefficient, infiltration rate, and cumulative infiltration were measured, and the obtained results were compared with theoretical data calculated using the Green-Ampt equation. In order to evaluate the agreement between the physical and the theoretical models, statistical indices including mean absolute percentage error, mean absolute error, coefficient of determination, and root mean square error were used. In all experiments, the rainfall height above the soil surface was constant, soil compaction and texture were assumed to be uniform, and the soil surface was assumed to be without vegetation cover.</span></span></span></span></span> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Results: </span></span></b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">The results showed that in zero-slope experiments, cumulative infiltration increased uniformly and nonlinearly with time, and the Green-Ampt model showed good agreement with experimental data, especially during the early stages of rainfall. With increasing slope to moderate values, cumulative infiltration was still well simulated, but cumulative runoff depth and runoff coefficient were slightly higher than theoretical values. In experiments with a 2.5% slope, initial infiltration showed good agreement with the model, but with the passage of time and increasing rainfall duration, experimental runoff exceeded the predicted values and infiltration rate showed a faster decrease compared to the model.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">In all experiments, cumulative runoff depth showed a nonlinear increasing trend with time, and experimental data were almost always higher than theoretical values. The difference between experimental results and the model increased with increasing slope, rainfall intensity, and initial soil moisture. The runoff coefficient also showed a gradual increase in all experiments, indicating a reduction in infiltration capacity and an increase in the contribution of surface runoff; a trend that was underestimated by the Green-Ampt model.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Infiltration rate in all experiments was maximum at the beginning and then gradually decreased and approached an approximately constant value. The Green-Ampt model simulated the decrease in infiltration rate more gently than the actual data, especially under sloping conditions. Overall, the results showed that although the Green-Ampt model is suitable for loamy sand soil and simple conditions, it needs modification and development under sloping conditions and intense or long-duration rainfall.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Conclusion:</span></span></b><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%"> Based on the results of this study, infiltration behavior and runoff generation in loamy sand soil are strongly dependent on initial soil conditions and rainfall characteristics, and changes in land slope can play a determining role in weakening or strengthening the infiltration process. The findings showed that as rainfall conditions shift from simple and short-duration events toward more intense, longer, and steeper-slope conditions, the contribution of surface processes in the water cycle increases and the effective infiltration capacity of the soil decreases.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Comparison of experimental results with the Green-Ampt equation indicated that this model has acceptable performance in representing the general trend of infiltration, especially under flat conditions and moderate initial soil moisture; however, under more complex conditions including higher slopes and intense rainfall, due to structural simplifications, it is not capable of accurately simulating the contribution of runoff and the actual decrease in infiltration rate.</span></span></span></span></span></span></span></h3> <h3 style="text-align:justify; margin-top:11px; margin-bottom:5px"><span style="font-size:14pt"><span style="line-height:115%"><span new="" roman="" style="font-family:" times=""><span style="color:#2f5496"><span style="font-weight:normal"><span style="font-size:10.0pt"><span style="line-height:115%">Overall, the results of this study can provide a scientific basis for improving runoff estimation, designing soil conservation measures, and managing water resources in arid and semi-arid regions, especially in watersheds similar to the Baluchestan region, and emphasize the importance of simultaneous use of physical experiments and theoretical models in the analysis of hydrological processes.</span></span></span></span></span></span></span></h3> رواناب, ضریب جریان, سرعت نفوذ, نفوذ تجمعی, معادله گرین-آمپت Runoff, Flow coefficient, Infiltration speed, Cumulative infiltration, Gren-Ampt equation 0 0 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1998-1&slc_lang=fa&sid=1 Sara Farahbodfard سارا فرحبدفر sara.farahbod2018@gmail.com 100319475328460016151 100319475328460016151 No دانشگاه سیستان و بلوچستان Bahareh Pirzadeh بهاره پیرزاده b_pirzadeh@eng.usb.ac.ir 100319475328460016152 100319475328460016152 Yes دانشگاه سیستان و بلوچستان Ali Salari علی سالاری ali_salari84@yahoo.com 100319475328460016153 100319475328460016153 No دانشگاه سیستان و بلوچستان