تغییرات پارامتر عمق کنترل نفوذ آب در خاکِ مدل هولتان در طول دو توپوسکانس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

چکیده

مدل تجربی هولتان برای تبیین نفوذ آب به خاک در مقیاس‌های بزرگ توسعه داده شده و دارای پارامترهایی مانند عمق کنترل نفوذ (D) است که فرض می‌شود که دارای مفهوم فیزیکی هستند. پارامتر D مهمترین عامل در مدل هولتان است که تغییرات شدت نفوذ در طی زمان را  تبیین می‌کند. مفاهیم مختلفی برای بیان معنی فیزیکی آن پیشنهاد شده‌است که هر یک دارای محدودیت‌هایی هستند. پژوهش حاضر در جهت تشریح و درک مفهوم فیزیکی پارامتر عمق کنترل نفوذ انجام گردید. برای این کار، منحنی نفوذ آب در خاک در 12 نقطه مختلف در روی دو دامنه شیب روبروی هم با طیف نسبتاً وسیعی از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اندازه‌گیری گردید و مدل هولتان برآن برازش داده شد تا الگوی تغییرات D  و همبستگی آن با ویژگی‌هایی از خاک که به‌طور شناخته شده در طول دامنه تغییر می‌کنند، مشخص گردد. نتایج نشان داد که مدل هولتان برازش مناسبی بر داده‌های تجربی نفوذ آب در نقاط مختلف دو دامنه دارد و عامل D با دقت مناسبی قابل برآورد در نقاط مختلف هر دو دامنه است. مقدار عمق کنترل نفوذ بین 15.7 تا 66.3 سانتی‌متر متغیر بوده و در هر دو توپوسانس مقدار آن از بالای دامنه به طرف پایین کاهش یافته و در میانه آن به حداقل خود می‌رسد و سپس در بخش‌های پایین دامنه مجدداً افزایش می‌یابد.در طول هر دو توپوسکانس، عمق کنترل نفوذ به‌دلیل پیچیدگی‌های مستتر در خود، با ویژگی‌هایی مانند عمق سخت کفه و ضخامت افق A و درصد شن، سیلت و رس و رطوبت اولیه و اشباع خاک همبستگی معناداری ندارد. در مطالعه حاضر، یافتن یک مفهوم ملموس و فیزیکی دقیق برای عامل D میسر نگردید اما تشابه الگوی تغییرات D با الگوی تغییرات عوامل ژنتیکی خاک و موقعیت نقطه اندازه‌گیری شده در روی دو توپوسکانس نشان داد  که یک معنی و پایه فیزیکی در آن مستتر است و مفهومی فراتر از «صرفاً یک  ضریب تجربی» دارد. وجود درز و ترک‌ها و منافذ درشت و کرم راهه‌ها در خاک‌های مختلف می‌تواند از دلایل دشواری یافتن یک مفهوم فیزیکی برای عمق کنترل نفوذ باشد. دامنه محدود تغییرات D و شباهت الگوی تغییرات آن با الگوی تغییرات شرایط پدولوژیکی خاک نشان داد که مطالعات جامع و وسیع مقیاس و توسعه توابع تبدیلی خاکی می‌توانند در درک مفهوم فیزیکی و برآورد این پارامتر راهگشا باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Andrieux, P., Voltz, M., Bailly, J. S., Attia, R., & Zante, P. (2025). Predicting the steady-state infiltration rates of agricultural soils of the Mediterranean region from their soil surface conditions. Geoderma461, 117468. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117468
Bamutaze, Y., Makooma, T., Gilbert, M., Vanacker, V., Bagoora, F., Magunda, M., Obando, J. and    Wasigeh, J. (2010). Infiltration characteristics of volcanic sloping soils on Mt.Elgon, Eastern Uganda Yazidhi. Catena, 80(2), 122–130. https://doi.org/10.1016/j.catena.2009.09.006
Basset, C., Abou Najm, M., Angulo‐Jaramillo, R., Bagarello, V., Ghanbarian, B., Prima, S. D & Stewart, R. (2025). Review of conceptual and empirical approaches to characterize infiltration. Vadose Zone Journal, 24(1), e20393. https://doi.org/10.1002/vzj2.20393
Basset, C., & Abou Najm, M. (2025). The problem of too many infiltration models: Balancing infiltration model selection and physical meaning of soil hydraulic parameters. Soil and Tillage Research, 252, 106622. https://doi.org/10.1016/j.still.2025.106622
Bybordi, M. (2014) Soil Physics. (10th Ed) University of Tehran Press. PP 674. In Persian.
Chen, C., Zou, X., Singh, A. K., Zhu, X., Zhang, W., Yang, B., Jiang, X & Liu, W. (2021). Effects of hillslope position on soil water infiltration and preferential flow in tropical forest in southwest China. Journal of Environmental Management299, 113672. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113672
de Almeida, W.S., Panachuki, E., de Oliveira, P.T.S., da Silva Menezes, R., Sobrinho, T.A., and de Carvalho, D. F. (2018). Effect of soil tillage and vegetal cover on soil water infiltration. Soil and Tillage Research, 175, 130-138. https://doi.org/10.1016/j.still.2017.07.009
Erdogan, K. A. Y. A. (2013). Spline interpolation techniques. Journal of Technical Science and Technologies, 2(1), 47-52. https://doi.org/10.31578/jtst.v2i1.56
Frere, M.H., C.A. Onstad, and H.N. Holtan. 1975. ACTMO, an agricultural chemical transport model. ARS-H-3. USDA–ARS, Washington, DC.
Green WH, Ampt CA (1911) Studies on soil physics. I. Flow of air and water through soils. Journal of Agriculture Science 4, 1–24. https://doi.org/10.1017/S0021859600001441
Guo, X., Guo, X., Li, Y., Zhang, S., & Cheng, J. (2026). A unified fractional-order model for soil infiltration. Journal of Hydrology, 135443. Volume 674, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2026.135443
Holtan, H. N. (1961). A concept for infiltration estimates in watershed engineering (Vol. 41). Agricultural Research Service, US Department of Agriculture.
Holtan, H. N., & Lopez, N. C. (1971). USDAHL-70 model of watershed hydrology (No. 1435). US Department of Agriculture.
Horton RL (1938) The interpretation and application of runoff plot experiments with reference to soil erosion problems. Soil Science Society of America Proceedings 3:340–349. https://doi.org/10.2136/sssaj1939.036159950003000C0066x
Huggins, L. F., & Monke, E. J. (1966). The mathematical simulation of the hydrology of small watersheds (IWRRC Technical Reports, Paper 1). Indiana Water Resources Research Center.
Ju, X., Gao, L., She, D., Jia, Y., Pang, Z., & Wang, Y. (2024). Impacts of the soil pore structure on infiltration characteristics at the profile scale in the red soil region. Soil and Tillage Research, 236, 105922. https://doi.org/10.1016/j.still.2023.105922
Kostiakov AN (1932) On the dynamics of the co-efficient of water percolation in soils. In: Sixth Commission, International Society of Soil Science, Part A, pp. 15–21.
Kubát, J. F., Strouhal, L., & Kavka, P. (2024). Estimation of infiltration parameters: The role of pedotransfer functions and initial moisture conditions. Journal of Hydrology633, 130954. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.130954
Lu, S., Liu, M., Yi, J., Yang, Q., & Ding, F. (2025). Preferential flow influences the profile partition patterns of rainwater infiltration in a steep forested headwater catchment. Journal of Hydrology, 661, 133541. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.133541
Mallari, K. J. B., Kim, H., Pak, G., Aksoy, H., and Yoon, J. (2015). A comparison of two infiltration models applied to simulation of overland flow over a two-dimensional flume. Water Science and Technology, 71(9), 1325-1331. https://doi.org/10.2166/wst.2015.060
Minasny, B., McBratney, A. B., & Salvador-Blanes, S. (2008). Quantitative models for pedogenesis—A review. Geoderma144(1-2), 140-157. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2007.12.013
Mirzaee, S., Zolfaghari, A. A., Gorji, M., Dyck, M. and Ghorbani Dashtaki, S. (2014). Evaluation of infiltration models with different numbers of fitting parameters in different soil texture classes. Archives of Agronomy and Soil Science, 60(5), pp: 681-693. https://doi.org/10.1080/03650340.2013.823477
Mishra SK, Singh VP (1999) Another look at the SCS-CN method. Journal of Hydrology Engineering, ASCE 4(3):257–264. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(1999)4:3(257)
Mishra, S. K., Tyagi, J. V., & Singh, V. P. (2003). Comparison of infiltration models. Hydrological processes, 17(13), 2629-2652. https://doi.org/10.1002/hyp.1257
Mohammadi, M.H. and Refahi, H.G., (2006). Estimation of infiltration through soil physical characteristics. Journal of Iranian Agriculture Science, 36(6), 1391-1398. (In Persian)
Overton, D. (1964). Mathematical refinement of an infiltration equation for watershed engineering. Department of Agricultural Services. Master's Thesis, NTNU.
Parnas, F. E., Abdalla, E. M., & Muthanna, T. M. (2021). Evaluating three commonly used infiltration methods for permeable surfaces in urban areas using the SWMM and STORM. Hydrology Research52(1), 160-175. https://doi.org/10.2166/nh.2021.048
Phillip, J.R. (1957). Theory of infiltration. Soil Sciences, 83(5), 345–357.
Rawls, W.J., Ahuja, L.R., Brakensiek, D.L., & Shirmohammadi, A. (1992). Infiltration and soil water movement. In: Maidment D.R. (Ed.), Handbook of  Hydrology. McGraw-Hill Education, USA.
Shahbazi, K., Marzi, M., Mohammadi, M. H., Asadi, H., Fathi-Gerdelidani, A., Hasheminasab Zavareh, K. S., & Cheraghi, M. (2024). Methods of Soil Analysis: Sampling, Chemical and Physical Methods. Soil and Water Research Institute, Karaj, Iran. (In Persian)
 Shao, Q., & Baumgartl, T. (2014). Estimating input parameters for four infiltration models from basic soil, vegetation, and rainfall properties. Soil Science Society of America Journal, 78(5), 1507-1521. https://doi.org/10.2136/sssaj2014.04.0122
Shukla, M. K. (2023). Soil physics: An introduction. CRC press. https://doi.org/10.1201/9780429264849
Šimůnek, J., Brunetti, G., Jacques, D., van Genuchten, M. T., & Šejna, M. (2024). Developments and applications of the HYDRUS computer software packages since 2016. Vadose Zone Journal23(4), e20310. https://doi.org/10.1002/vzj2.20310
Singh, V. P. (2010), Entropy theory for derivation of infiltration equations. Water Resources Research., 46, W03527. https://doi.org/10.1029/2009WR008193
 Smettem, K. R. J., Rye, C., Henry, D. J., Sochacki, S. J., & Harper, R. J. (2021). Soil water repellency and the five spheres of influence: A review of mechanisms, measurement and ecological implications. Science of the Total Environment, 787, 147429. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147429
Soil Survey Staff. (2022). Keys to Soil Taxonomy, 13th Ed. USDA-Natural Resources Conservation Service. https://doi.org/10.1111/j.1475-2743.2001.tb00008.x
Sweeney, K. E., Roering, J. J., & Ellis, C. (2015). Experimental evidence for hillslope control of landscape scale. Science349(6243), 51-53.  https://doi.org/10.1126/science.aab001
Thomas, A. D., Ofosu, A. E., Emmanuel, A., De-Graft, A. J., Ayine, A. G., Asare, A., & Alexander, A. (2020). Comparison and Estimation of Four Infiltration Models. Open Journal of Soil Science, 10(2), 45-57.‏ https://doi.org/10.4236/ojss.2020.102003
van Schaik, L., Palm, J., Klaus, J., Zehe, E., & Schröder, B. (2014). Linking spatial earthworm distribution to macropore numbers and hydrological effectiveness. Ecohydrology, 7(2), 401–408. https://doi.org/10.1002/eco.1358
 Vereecken, H., Amelung, W., Bauke, S. L., Bogena, H., Brüggemann, N., Montzka, C., ... & Zhang, Y. (2022). Soil hydrology in the Earth system. Nature Reviews Earth & Environment, 3(9), 573-587. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00324-6
Wei, L., Yang, M., Li, Z., Shao, J., Li, L., Chen, P., ... & Zhao, R. (2022). Experimental investigation of relationship between infiltration rate and soil moisture under rainfall conditions. Water14(9), 1347. https://doi.org/10.3390/w14091347
Xue, D., Tian, J., Zhang, B., Kang, W., & He, C. (2025). Evaluating the effect of vegetation type and topography on infiltration process in an arid mountainous area: Insights from continuous soil moisture monitoring network. Agricultural Water Management315, 109537. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109537
Zhang, J., Sun, Q. W., Wen, N., Horton, R., & Liu, G. (2022). Quantifying preferential flows on two farmlands in the North China plain using dual infiltration and dye tracer methods. Geoderma, 428, 116205. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116205
 Zhu, Q., Nie, X., Zhou, X., Liao, K., & Li, H. (2014). Soil moisture response to rainfall at different topographic positions along a mixed land-use hillslope. Catena119, 61-70. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.03.010