مدل DRAINMOD توسط Skaggs ( استاد دانشگاه ايالت کاروليناي شمالي ) در سال 1978 ارائه شد. سه سال بعد K.D.Konyha و J.E.Parsons اين مدل را توسط زبان برنامه نويسي FORTRAN در قالب يک برنامه جمع بندي کرده و تحت عنوان DRAINMOD ويرايش 4 ارائه نمودند. مدل اوليه داراي محدوديت هايي بود که از جملة آنها مي توان به عدم توانايي مدل در تحليل ميزان محصول توليد شده تحت شرايط مختلف مديريتي، رعايت حداکثر شيب 5 درصد و عدم توجه به نشت هاي افقي و عمودي (عميق) اشاره کرد. بتدريج اين اشکالات توسط افراد مختلف رفع شده و ويرايش هاي بعدي DRAINMOD بصورتي کاربرپسند و با قابليت هاي بالاتري ارائه شد.
مدل DRAINMOD از ديدگاه شبيه سازي سطح ايستابي و زه آب خروجي از زهکش ها توسط Skaggs (1982) در کاروليناي شمالي، Fouss و Gayle (بترتيب در سال هاي 1987 و 1985) در لوئيزينيا، Rogers (1985) در فلوريدا، Belcher و Menva (1987) در ميشيگان و McMahara (1988) در ويرجينيا مورد ارزيابي قرار گرفت. Chang (1983) نيز مدل را با هدف ارزيابي شبيه سازي تلفات نشت در مزارع آبي در کاليفرنيا بکار گرفت. اين افراد با مقايسة نتايج بدست آمده اعتبار مدل DRAINMOD را براي محدودة وسيعي از خاک ها، گياهان و شرايط آب و هوايي تأييد نمودند.
توصيف مدل:
DRAINMOD بمنظور شبيه سازي سطح ايستابي و زه آب خروجي از زهکش ها در مناطقي که سطح ايستابي در عمق کم قرار گرفته است بکار مي رود. اين مدل عموماً در مناطق مرطوب که سطح ايستابي در عمق کمي از سطح زمين واقع اساس شده و بکارگيري از سيستم هاي زهکشي امري اجتناب ناپذير است مورد استفاده قرار مي گيرد. مدل براساس محاسبة معادله بيلان آب عمل مي کند.بيلان بندي در اين مدل به دوبخش طبقه بندي مي شود:
الف) بيلان بندي سطحي: مدل بيلان آب سطحي را بمنظور برآورد نفوذپذيري، رواناب و نگهداشت سطحي (Surface Storage) انجام مي دهد
مقدار نفوذ آب به داخل خاک از طريق معادلة گرين-امپت تعيين مي گردد. در اين معادله فرض بر اين است که هر مقدار بارندگي که بيشتر از نفوذپذيري باشد ابتدا در گودال هاي سطحي ذخيره شده و پس از رسيدن به حداکثر ميزان نگهداشت سطحي بصورت رواناب جاري شود.
در معادلة فوقf شدت نفوذپذيري و a و b ضرايب تجربي هستند که از طريق معادلات رياضي و با توجه به هدايت هيدروليکي،رطوبت اوليه خاک و توزيع آن و شرايط سطحي نظير پوشش و سلة سطحي تعيين مي شوند. اگر چه مقادير و در مدل ثابت فرض مي شوند ولي اين امکان وجود دارد که در طول زمان و با وقوع بارندگي تغيير نمايند.
زهکشي سطحي: نياز به پارامترهاي طراحي زهکشي سطحي و اصولاً نياز به نصب اين نوع زهکش ها در مزرعه با توجه به متوسط عمق نگهداشت سطحي قبل از شروع رواناب تعيين مي گردد. مقدار نگهداشت سطحي بسته به نوع عمليات شخم و تهية زمين از 1/0 تا بيش از 3 سانتيمتر متغير مي باشد.
در اين مدل فرضيات زير بکار رفته است:
1) نقاط پست نگهداشت سطحي آب در سرتاسر مزرعه بطور يکنواخت توزيع شده اند.
2) رواناب زماني جاري مي شود که ميزان آب سطحي بيشتر از مقدار نگهداشت سطحي باشد و سريع به نقطة خروجي مي رسد.
ب) بيلان بندي زيرسطحي: مدل بيلان آبي را براي مقطع نازکي از خاک که بين دو زهکش قرار گرفته است تهيه مي کند
زهکشي زيرزميني: مقدار حرکت آب بطرف زهکش هاي زيرزميني بستگي به هدايت هيدروليکي خاک، عمق و فاصلة نصب زهکش ها، عمق خاک و ارتفاع سطح ايستابي و غيره دارد.
مدل براي شبيه سازي وضعيت زهکشي دو حالت را مدنظر قرار مي دهد:
1- هرگاه سطح خاک بوسيلة آب پوشيده نشده باشد. اين حالت زماني اتفاق مي افتد که سطح ايستابي پايين تر از سطح خاک واقع شده باشد.
در چنين حالتي شدت تخليه زهکش زيرزميني با استفاده از معادلة هوخهات محاسبه مي شود.
در اين معادله عمق معادل بجاي عمق واقعي غيرقابل نفوذ لحاظ مي گردد. علت اين امر، وارد نمودن افت بار و همگرايي جريان در نزديکي زهکش ها بيان شده است و از روابط عمق معادل محاسبه مي شود.
اثر افت باري که بدليل همگرايي خطوط جريان بطرف منافذ لوله هاي زهکش وجود دارد بوسيلة پارامتري به نام شعاع مؤثر لولة زهکش (re) وارد معادلات
مي شود. فرض بر اين است که يک لولة زهکش کاملاً باز با شعاع re همان افت باري را توليد مي کند که يک لولة واقعي با شعاع r ايجاد مي نمايد.
در صورتي که خاک مطبق وجود داشته باشد هدايت هيدروليکي معادل براي پروفيل خاک درنظر گرفته مي شود.
- هرگاه سطح ايستابي دقيقاً روي سطح خاک و يا بالاتر از آن قرار گرفته باشد و حالت غرقابي را شاهد باشيم. در اين حالت شدت تخليه از معادلة کرکهام محاسبه مي گردد.
که در آن عمق واقعي نيمرخ خاک، عمق آب استغراقي روي سطح خاک، عمق نصب زهکش، ضخامت لاية خاک از محل نصب زهکش ها تا لاية غيرقابل نفوذ و فاصلة زهکش ها از همديگر مي باشد. استفاده از معادلات با اين فرض صورت مي گيرد که حرکت آب بطرف زهکش ها بواسطة خصوصيات خاک محدود مي باشد و ظرفيت هيدروليکي لوله هاي زهکش عامل محدود کننده نيست.
مدل DRAINMOD بمنظور شبيه سازي نوسانات سطح ايستابي، چهار مديريت مختلف را بر روي سيستم هاي زهکش اعمال مي کند. اين مديريت ها عبارتند از: زهکش هاي معمولي، زهکش هاي کنترل شده، آبياري زيرزميني و ترکيبي از سه مورد.
زهکش هاي کنترل شده بمنظور صرفه جويي در مصرف آب و کاهش آلودگي خروجي از مزارعي که داراي سيستم زهکشي مي باشند احداث مي گردد. اين مديريت با قرار دادن يک سرريز در محل خروجي زهکش صورت مي گيرد. با نصب سرريز در خروجي، ارتفاع آب در پشت آن بالا آمده و باعث ذخيرة رطوبت در پروفيل خاک مي گردد. آب ذخيره شده در طي دوره هاي خشکسال به مصرف تبخير و تعرق مي رسد. تأثير زهکش هاي کنترل شده بستگي به پارامترهاي مؤثر در طراحي زهکش ها بعلاوة ارتفاع سرريز و زمان قرارگيري سرريز دارد.
مديريت اعمال شده در آبياري زيرزميني شبيه به زهکش هاي کنترل شده مي باشد. تنها تفاوت در اين است که در آبياري زيرزميني ارتفاع آب در خروجي بوسيلة پمپ در يک ارتفاع معين حفظ مي شود. شدت جريان ورودي در اين مديريت از طريق معادلة ارنست بدست مي آيد.
در سيستم زهکش کنترل شده و آبياري زيرزميني که ارتفاع آب در زهکش ها بالاست شدت زهکش کاهش مي يابد و ممکن است منفي باشد. تحت چنين شرايطي آب از زهکش ها به داخل پروفيل خاک نفوذ کرده و سطح ايستابي بصورت منحني خط چين در مي آيد. اگر اين دو مديريت زهکشي درست طراحي نشود باعث ايجاد سطح ايستابي بالا، کاهش ظرفيت خاک براي پذيرش نفوذ (بارندگي) و در نهايت ماندابي شدن مکرر خاک مي گردد.
اصولاً مدل DRAINMOD براي اراضي صاف و با شيب کمتر از 5 درصد نگاشته شده است. اما بتدريج با مطرح شدن شيب هاي بيش از 5 درصد و نشت؛ مدل اصلاح گرديد. بطوري که معادلة زير جهت برآورد ظرفيت هيدروليکي زهکش در اراضي شيبدار به مدل اضافه گرديد.نشت عمودي زماني مطرح مي گردد که يک آکيوفر تحت فشار در عمق کم نسبت به سطح زمين قرار داشته باشد و فشار هيدروليکي آن نسبت به سطح ايستابي کم عمق منطقه داراي اختلاف باشد. در اين صورت با حل معادلة دارسي بصورت Straightforward ميزان رطوبت هيدروليکي ناشي از نشت قائم را بدست مي آوريم.بسيار اتفاق مي افتد که يکسري از مزارع در مجاورت رودخانه ها قرار مي گيرند. همين امر باعث مي شود تا يک تبادل جريان بين مزرعه و رودخانه بصورت نشت جانبي وجود داشته باشد. ظرفيت هيدروليکي نشت جانبي با رعايت فرضيات دوپويي فورشهايمر بدست مي آيد.
مدل DRAINMOD از ديدگاه شبيه سازي سطح ايستابي و زه آب خروجي از زهکش ها توسط Skaggs (1982) در کاروليناي شمالي، Fouss و Gayle (بترتيب در سال هاي 1987 و 1985) در لوئيزينيا، Rogers (1985) در فلوريدا، Belcher و Menva (1987) در ميشيگان و McMahara (1988) در ويرجينيا مورد ارزيابي قرار گرفت. Chang (1983) نيز مدل را با هدف ارزيابي شبيه سازي تلفات نشت در مزارع آبي در کاليفرنيا بکار گرفت. اين افراد با مقايسة نتايج بدست آمده اعتبار مدل DRAINMOD را براي محدودة وسيعي از خاک ها، گياهان و شرايط آب و هوايي تأييد نمودند.
توصيف مدل:
DRAINMOD بمنظور شبيه سازي سطح ايستابي و زه آب خروجي از زهکش ها در مناطقي که سطح ايستابي در عمق کم قرار گرفته است بکار مي رود. اين مدل عموماً در مناطق مرطوب که سطح ايستابي در عمق کمي از سطح زمين واقع اساس شده و بکارگيري از سيستم هاي زهکشي امري اجتناب ناپذير است مورد استفاده قرار مي گيرد. مدل براساس محاسبة معادله بيلان آب عمل مي کند.بيلان بندي در اين مدل به دوبخش طبقه بندي مي شود:
الف) بيلان بندي سطحي: مدل بيلان آب سطحي را بمنظور برآورد نفوذپذيري، رواناب و نگهداشت سطحي (Surface Storage) انجام مي دهد
مقدار نفوذ آب به داخل خاک از طريق معادلة گرين-امپت تعيين مي گردد. در اين معادله فرض بر اين است که هر مقدار بارندگي که بيشتر از نفوذپذيري باشد ابتدا در گودال هاي سطحي ذخيره شده و پس از رسيدن به حداکثر ميزان نگهداشت سطحي بصورت رواناب جاري شود.
در معادلة فوقf شدت نفوذپذيري و a و b ضرايب تجربي هستند که از طريق معادلات رياضي و با توجه به هدايت هيدروليکي،رطوبت اوليه خاک و توزيع آن و شرايط سطحي نظير پوشش و سلة سطحي تعيين مي شوند. اگر چه مقادير و در مدل ثابت فرض مي شوند ولي اين امکان وجود دارد که در طول زمان و با وقوع بارندگي تغيير نمايند.
زهکشي سطحي: نياز به پارامترهاي طراحي زهکشي سطحي و اصولاً نياز به نصب اين نوع زهکش ها در مزرعه با توجه به متوسط عمق نگهداشت سطحي قبل از شروع رواناب تعيين مي گردد. مقدار نگهداشت سطحي بسته به نوع عمليات شخم و تهية زمين از 1/0 تا بيش از 3 سانتيمتر متغير مي باشد.
در اين مدل فرضيات زير بکار رفته است:
1) نقاط پست نگهداشت سطحي آب در سرتاسر مزرعه بطور يکنواخت توزيع شده اند.
2) رواناب زماني جاري مي شود که ميزان آب سطحي بيشتر از مقدار نگهداشت سطحي باشد و سريع به نقطة خروجي مي رسد.
ب) بيلان بندي زيرسطحي: مدل بيلان آبي را براي مقطع نازکي از خاک که بين دو زهکش قرار گرفته است تهيه مي کند
زهکشي زيرزميني: مقدار حرکت آب بطرف زهکش هاي زيرزميني بستگي به هدايت هيدروليکي خاک، عمق و فاصلة نصب زهکش ها، عمق خاک و ارتفاع سطح ايستابي و غيره دارد.
مدل براي شبيه سازي وضعيت زهکشي دو حالت را مدنظر قرار مي دهد:
1- هرگاه سطح خاک بوسيلة آب پوشيده نشده باشد. اين حالت زماني اتفاق مي افتد که سطح ايستابي پايين تر از سطح خاک واقع شده باشد.
در چنين حالتي شدت تخليه زهکش زيرزميني با استفاده از معادلة هوخهات محاسبه مي شود.
در اين معادله عمق معادل بجاي عمق واقعي غيرقابل نفوذ لحاظ مي گردد. علت اين امر، وارد نمودن افت بار و همگرايي جريان در نزديکي زهکش ها بيان شده است و از روابط عمق معادل محاسبه مي شود.
اثر افت باري که بدليل همگرايي خطوط جريان بطرف منافذ لوله هاي زهکش وجود دارد بوسيلة پارامتري به نام شعاع مؤثر لولة زهکش (re) وارد معادلات
مي شود. فرض بر اين است که يک لولة زهکش کاملاً باز با شعاع re همان افت باري را توليد مي کند که يک لولة واقعي با شعاع r ايجاد مي نمايد.
در صورتي که خاک مطبق وجود داشته باشد هدايت هيدروليکي معادل براي پروفيل خاک درنظر گرفته مي شود.
- هرگاه سطح ايستابي دقيقاً روي سطح خاک و يا بالاتر از آن قرار گرفته باشد و حالت غرقابي را شاهد باشيم. در اين حالت شدت تخليه از معادلة کرکهام محاسبه مي گردد.
که در آن عمق واقعي نيمرخ خاک، عمق آب استغراقي روي سطح خاک، عمق نصب زهکش، ضخامت لاية خاک از محل نصب زهکش ها تا لاية غيرقابل نفوذ و فاصلة زهکش ها از همديگر مي باشد. استفاده از معادلات با اين فرض صورت مي گيرد که حرکت آب بطرف زهکش ها بواسطة خصوصيات خاک محدود مي باشد و ظرفيت هيدروليکي لوله هاي زهکش عامل محدود کننده نيست.
مدل DRAINMOD بمنظور شبيه سازي نوسانات سطح ايستابي، چهار مديريت مختلف را بر روي سيستم هاي زهکش اعمال مي کند. اين مديريت ها عبارتند از: زهکش هاي معمولي، زهکش هاي کنترل شده، آبياري زيرزميني و ترکيبي از سه مورد.
زهکش هاي کنترل شده بمنظور صرفه جويي در مصرف آب و کاهش آلودگي خروجي از مزارعي که داراي سيستم زهکشي مي باشند احداث مي گردد. اين مديريت با قرار دادن يک سرريز در محل خروجي زهکش صورت مي گيرد. با نصب سرريز در خروجي، ارتفاع آب در پشت آن بالا آمده و باعث ذخيرة رطوبت در پروفيل خاک مي گردد. آب ذخيره شده در طي دوره هاي خشکسال به مصرف تبخير و تعرق مي رسد. تأثير زهکش هاي کنترل شده بستگي به پارامترهاي مؤثر در طراحي زهکش ها بعلاوة ارتفاع سرريز و زمان قرارگيري سرريز دارد.
مديريت اعمال شده در آبياري زيرزميني شبيه به زهکش هاي کنترل شده مي باشد. تنها تفاوت در اين است که در آبياري زيرزميني ارتفاع آب در خروجي بوسيلة پمپ در يک ارتفاع معين حفظ مي شود. شدت جريان ورودي در اين مديريت از طريق معادلة ارنست بدست مي آيد.
در سيستم زهکش کنترل شده و آبياري زيرزميني که ارتفاع آب در زهکش ها بالاست شدت زهکش کاهش مي يابد و ممکن است منفي باشد. تحت چنين شرايطي آب از زهکش ها به داخل پروفيل خاک نفوذ کرده و سطح ايستابي بصورت منحني خط چين در مي آيد. اگر اين دو مديريت زهکشي درست طراحي نشود باعث ايجاد سطح ايستابي بالا، کاهش ظرفيت خاک براي پذيرش نفوذ (بارندگي) و در نهايت ماندابي شدن مکرر خاک مي گردد.
اصولاً مدل DRAINMOD براي اراضي صاف و با شيب کمتر از 5 درصد نگاشته شده است. اما بتدريج با مطرح شدن شيب هاي بيش از 5 درصد و نشت؛ مدل اصلاح گرديد. بطوري که معادلة زير جهت برآورد ظرفيت هيدروليکي زهکش در اراضي شيبدار به مدل اضافه گرديد.نشت عمودي زماني مطرح مي گردد که يک آکيوفر تحت فشار در عمق کم نسبت به سطح زمين قرار داشته باشد و فشار هيدروليکي آن نسبت به سطح ايستابي کم عمق منطقه داراي اختلاف باشد. در اين صورت با حل معادلة دارسي بصورت Straightforward ميزان رطوبت هيدروليکي ناشي از نشت قائم را بدست مي آوريم.بسيار اتفاق مي افتد که يکسري از مزارع در مجاورت رودخانه ها قرار مي گيرند. همين امر باعث مي شود تا يک تبادل جريان بين مزرعه و رودخانه بصورت نشت جانبي وجود داشته باشد. ظرفيت هيدروليکي نشت جانبي با رعايت فرضيات دوپويي فورشهايمر بدست مي آيد.
