Διερεύνηση της δυναμικής του εδαφικού νερού, υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης καλλιεργειών, με πολυδιάστατα μαθηματικά μοντέλα
Creators: name: Κωτσόπουλος, Στυλιανός Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Στάγδην άρδευση
Τριδιάστατη ροή στο έδαφος
Μαθηματικά μοντέλα
Κορεσμένη-ακόρεστη ροή
Drip irrigation
Three-dimensional soil water flow
Variably saturated porous media
Mathematical models

description: Ο σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση της δυναμικής του εδαφικού νερού στον αγρό υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης και συγκεκριμένα η διερεύνηση της δυνατότητας των πολυδιάστατων μοντέλων να περιγράφουν με μεγαλύτερη ακρίβεια το φαινόμενο, σε σχέση με τα μονοδιάστατα. Για την επίτευξη του προαναφερθέντα σκοπού χρησιμοποιήθηκαν τρία μοντέλα. Το μονοδιάστατο μοντέλο HYDRUS_1D, το διδιάστατο αξονοσυμμετρικό μοντέλο CHAIN_2D και το τριδιάστατο μοντέλο SWMS_3D. Και τα τρία μοντέλα επιλύουν την μικτής μορφής εξίσωσης του Richards με την μέθοδο Galerkin πεπερασμένων στοιχείων και διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς την γεωμετρία του συστήματος. Για την εξέταση της επίδρασης της γεωμετρίας του συστήματος στην προσομοίωση της δυναμικής του εδαφικού νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης, έγιναν τρεις προσομοιώσεις. Για την πρώτη προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο HYDRUS_1D, για την δεύτερη προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο CHAIN_2D, ενώ για την τρίτη προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SWMS_3D. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με μετρημένες τιμές της εδαφικής υγρασίας που προέρχονται από έναν αγρό καλλιεργούμενο με ηλίανθο που αρδεύεται με αστικά επεξεργασμένα λύματα διαμέσου ενός συστήματος στάγδην άρδευσης (Rahil and Antonopoulos 2007). Για την αύξηση της ακρίβειας των υπολογισμών και της αντιμετώπισης της μεγάλης παραλλακτικότητας των υδραυλικών ιδιοτήτων στο πεδίο, έγινε έμμεση εκτίμηση των παραμέτρων της εξίσωσης του Van Genuchten για τη χαρακτηριστική καμπύλη και της υδραυλικής αγωγιμότητας κορεσμού της κάθε εδαφικής στρώσης, ρυθμίζοντας το μονοδιάστατο μοντέλο HYDRUS_1D ως προς τις μετρημένες τιμές της εδαφικής υγρασίας της περιόδου από την 90η ημέρα του έτους έως την 174η, που είναι η περίοδος πριν την έναρξη των αρδεύσεων και η ροή του νερού στο έδαφος μπορεί να θεωρηθεί μονοδιάστατη. Από τα αποτελέσματα των τριών προσομοιώσεων προκύπτει ότι και τα τρία μοντέλα δύναται να περιγράψουν τη δυναμική του νερού στο έδαφος αγρού που αρδεύεται με σύστημα στάγδην άρδευσης, σε διαφορετικό βαθμό αλλά αρκετά ικανοποιητικά. Το τριδιάστατο υπερέχει σημαντικά σε σχέση με τα άλλα δύο μοντέλα, κυρίως στην πρώτη εδαφική στρώση, όπου και παρατηρούνται οι μεγαλύτερες διακυμάνσεις της εδαφικής υγρασίας. Το μονοδιάστατο μοντέλο αν και υπερεκτιμά την υγρασία σε σχέση με τις μετρημένες τιμές στην πρώτη εδαφική στρώση, εντούτοις τα αποτελέσματα είναι πάρα πολύ ικανοποιητικά στις επόμενες τρεις. Το διδιάστατο αξονοσυμμετρικό υποεκτιμά την εδαφική υγρασία στην πρώτη στρώση σημαντικά. Το τριδιάστατο μοντέλο μπορεί να υπερέχει σημαντικά έναντι των άλλων δύο, η εφαρμογή του όμως στην πράξη είναι αρκετά δύσκολη λόγω του ότι απαιτείται τεράστιος όγκος δεδομένων εισόδου και πολύ μεγάλη υπολογιστική ισχύς. Από την άλλη, οι υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους φαίνεται πως διαδραματίζουν πιο σημαντικό ρόλο από την γεωμετρία του συστήματος στην προσομοίωση της δυναμικής του εδαφικού νερού και τα αποτελέσματα του μονοδιάστατου μοντέλου είναι αρκετά ικανοποιητικά. Σύμφωνα με τα παραπάνω τα τριδιάστατα μοντέλα είναι πιο ακριβή σε σχέση με τα μονοδιάστατα αλλά βρίσκονται ακόμα σε εμβρυικό στάδιο. Μέχρι την πλήρη και ολοκληρωμένη ανάπτυξή τους προτείνεται η χρησιμοποίηση των μονοδιάστατων μοντέλων, αρκεί να περιγράφουν την δυναμική του συστήματος σε ικανοποιητικό βαθμό.
description: The aim of study was the investigation of soil water dynamics, in a field under drip irrigation. Specifically, was investigated the possibility of multidimensional models to simulate with higher precision the variation of volumetric soil moisture content under drip irrigation, concerning one-dimensional models. To achieve this goal three models were used the one-dimensional model HYDRUS_1D, the two-dimensional axis-symmetrical CHAIN_2D model and the three-dimensional model SWMS_3D. The three models use the Galerkin finite-element method to solve the mixed-form of Richards's equation and differ from each other only for the system dimensions.For the examination of effect of system dimensions in the simulation of soil water dynamics under drip irrigation, became three simulations. In the first simulation the flow geometry of water in the soil was considered one-dimensional as for the vertical axis and for her simulation was used the one-dimensional model HYDRUS _ 1D. In the second simulation it was considered axis symmetrical vertical flow and for her simulation was used the two-dimensional model CHAIN _ 2D, while in the third simulation the flow geometry was considered three-dimensional and for her simulation was used the three-dimensional model SWMS _ 3D. The input data for the models and the measured values of volumetric soil moisture content that was used for model calibration and model validation, they emanate from Rahil (2006). This data are referred to a field cultivated with sunflower and irrigated with treated municipal wastewater through a drip irrigation system.Because of the high spatial variability in the parameters of soil hydraulic properties, the retention curve and the saturated hydraulic conductivity were estimated using inverse techniques and measured values of volumetric soil moisture content, for the period before the beginning of irrigations. For the solution of the inverse problem it is used the one-dimensional model HYDRUS_1D and the Levenberg-Marquard optimization algorithm. From the results of three simulations it exported the conclusion that also the three models it is able to describe the dynamics of water in the soil of a field that is irrigated through a drip irrigation system, in different degree but satisfactorily enough. The three-dimensional model it exported the best simulation results mainly for the top soil layer, where are also observed the higher variations of volumetric soil moisture content. The one-dimensional model even if it overestimates the volumetric soil moisture, concerning the measured prices in the first soil layer nevertheless the results are satisfactory enough, in the next three. The two-dimensional axis- symmetrical model it underestimates soil moisture content in the first layer considerably. The simulation of temporal variation of volumetric soil moisture content with the three-dimensional model gave the best results, but from the other the application of three-dimensional models in the field is very difficult because it is required a lot of input data and high computation force. At the other hand the application of one - dimensional models it’s much easier and including the fact, that the soil hydraulic properties play more meaning role from that the system dimensions, it is proposed the use of one-dimensional models for field simulations, if they could describe in satisfactory degree the dynamics of simulated system.