معرفی مدل توسعه یافته KDW-VG و بررسی کارایی آن در شبیه‌سازی عددی جریان ترجیحی آب در خاک

Abstract

جریان­های ترجیحی سریع در خلل و فرج درشت خاک، مانند سوراخ و کانال­های زیرزمینی که با فعالیت کرم­ها و یا رشد ریشه گیاهان به وجود می­آید، رخ می­دهند. برای پیش­بینی روند و توضیح این نوع جریان­ها در خاک، دی پترو و همکاران (2003)، مدل موج سینماتیک، انتشار (⁴KDW) را توسعه و پیشنهاد دادند. نام­بردگان این مدل را با اضافه کردن ترم انتشار به معادله موج سینماتیک (⁵KW) که به شدت توده­ای است و توسط جرمن در سال 1985 ارائه شده بود، توسعه دادند (Di pietro et al., 2003)، (German., 1985). فرض­های اساسی این مدل، این است که فلاکس جریان به تنهایی تابعی از مقدار آب متحرک است. ولی در مدل موج سینماتیک، انتشار با اضافه شدن بخش انتشار به معادله قبلی،فرض می­شود که فلاکس جریان یک تابع غیر خطی از مقدار آب متحرک و مشتق اول آن نسبت به زمان می­باشد. بخش اول این فرض یک تابع توانی است که در آن فلاکس جریان به رطوبت متحرک وابسته است. این معادله توانی تنها یک معادله ریاضی است و از معنی و مفهوم فیزیکی چندانی برخوردار نیست. در این پژوهش این معادله توانی با صورت ظاهری معادله وان گنوختن که معنی فیزیکی قابل قبولی دارد، جایگزین شد و مدل ریاضی موج سینماتیک، انتشار- وان گنوختن (⁶KDW-VG) برای اولین بار معرفی شد. ابتدا ضرایب مدل با استفاده از روش بهینه­سازی تراکم ذرات(⁷PSO) به دست آمد و سپس مدل با استفاده از داده­های آزمایشگاهی مربوط به هیدروگراف حاصل از بارندگی و گذار آب از مسیرهای ترجیحی مدل فیزیکی که از انتهای ستون خاک برداشت شده بود، مورد صحت سنجی قرار گرفت. برای ایجاد مسیر ترجیحی در خاک، یک ستون ماسه درشت به قطر 4/1 سانتی­متر در مرکز ستون خاکی به قطر خارجی 160 و ارتفاع 300 میلی­متر ایجاد شد. نتایج این پژوهش نشان از تطابق بسیار خوب مدل با مشاهدات آزمایشگاهی داشت و مقادیر RMSE بین مشاهدات و پیش­بینی­های مدل حاضر نسبت به مطالعات پیشین کم­تر بوده است.