كليدواژه :
آرايش قطره چكان ها , جداول طراحي , برنامه نويسي بيان ژن , الگوي توزيع رطوبت خاك , آبياري قطره اي
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: آرايش قطره چكان ها از مهمترين و اساسي ترين پارامترهاي طراحي و اجراي سيستم هاي آبياري قطره اي است كه تحت تاثير الگوي توزيع رطوبت خاك قرار مي گيرد. الگوي توزيع رطوبت خاك در سيستم هاي آبياري قطره اي سطحي و زيرسطحي تاثير ويژه اي بر پارامترهاي طراحي از قبيل آرايش قطره چكان ها و لوله هاي فرعي ، محدوده توسعه ريشه گياه، راندمان كاربرد آب در آبياري قطره اي، توزيع نمك در خاك دارد. بنابراين ارائه روابطي بين بافت خاك، دبي قطره چكان، حجم آب نفوذ يافته به زمين، حجم خاك خيس شده و زمان براي تخمين قطر و عمق پياز رطوبتي مي تواند كمك شاياني در طراحي آرايش بهينه قطره چكان ها و مديريت سيستم آبياري نمايد. از مهمترين اين روابط، معادلات طراحي تجربي مي باشند كه مبتني بر تحليل آزمايشگاهي و روش آناليز ابعادي باكينگهام ارائه شده اند. . هدف اصلي در پژوهش حاضر بررسي عملكرد روش برنامه نويسي بيان ژن در طراحي آرايش قطره چكان هاي سيستم هاي آبياري قطره اي در ايران با دبي قطره چكان و بافت خاك مختلف در مقايسه با معادلات تجربي است.
مواد و روش ها: در اين تحقيق از رويكرد برنامه نويسي بيان ژن (GEP) براي استخراج روابط بدون بعد الگوي توزيع رطوبت خاك با استفاده از مجموعه داده هاي دبي قطره چكان و بافت خاك استفاده شده است. برنامه نويسي بيان ژن در نرم افزار MATLAB انجام شده است. در كد تهيه شده عملگرها و توابع قابل استفاده در فرآيند استخراج روابط عبارتند از: جمع، تفريق، ضرب، تقسيم، جذر، لگاريتم طبيعي، توان دو، تانژانت هايپربوليك، سينوس، كسينوس، تابع نمائي، تابع تواني، قدر مطلق، جزء صحيح و شرط كه با استفاده از قابليت برنامه نويسي بيان ژن توابع توليدي را ارائه مي دهند. در اين تحقيق معادلات كاربردي به صورت توابعي از حجم آب كاربردي در زمان آبياري، هدايت هيدروليكي خاك و زمان با برنامه نويسي بيان ژن بهينه سازي شدند. نتايج GEP با داده هاي اندازه گيري شده و روابط تجربي مقايسه شد. در نهايت بر اساس نتايج تحليل بهينه پارتو در برنامه GEP، جداول طراحي كاربردي براي انتخاب بهينه آرايش قطره چكان ها منطبق بر شرايط ايران و در محدوده دبي قطره چكان و بافت خاك تهيه و ارائه شد.
يافته ها: مقايسه نتايج بهينه سازي با GEP و مجموعه روابط تجربي موجود در پيش بيني عمق توسعه پياز رطوبتي ( RMSE=0/2 ، MAPE=12٪، R2 =0/99) و در برآورد قطر پياز رطوبتي ( RMSE=0/19 ، MAPE=18/5٪، R2 =0/99) نشان داد كه كه دقت نتايج بهينه سازي مبتني بر GEP نسبت به روابط تجربي قبلي بهتر است. نتايج معادلات شواتزمن و زار (1985) در تخمين عمق پياز رطوبتي ، ( RMSE=0/12 ، MAPE=18/5٪، R2 =0/99) و در تخمين قطر پياز رطوبتي ، ( RMSE=0/72 ، MAPE=92٪، R2 =0/97) است كه نتايج بهينه سازي GEP هم دقت بهتري داشته و همه با محدوده كاربردي وسيع تر قابليت استفاده در انواع خاك هاي مختلف و قطره چكان هاي با دبي گسترده منطبق بر شرايط ايران را دارد. پس از تائيد دقت نتايج روابط حاصله از GEP، جداول طراحي كاربردي براي آرايش و فواصل قطره چكان هاي مختلف در خاك هاي شني، سيلتي، لومي و رسي با اعماق متفاوت ارائه شده است.
نتيجه گيري: طبق نتايج، رويكرد بهينه سازي ژنتيكي نسبت به روابط قبلي داراي محدوده اعتبار وسيع تري مي باشد( دبي 1 تا 50 ليتر در ساعت؛ عمق تا 110 سانتيمتر). همچنين با توجه به اينكه مدل GEP بر اساس مجموعه داده هاي آزمايشي منطبق بر شرايط قطره چكان هاي موجود در ايران بهينه سازي شده است و انواعي از شرايط مختلف كاربردي خاك و آب را در بر دارد، دقت مطلوب تري در تخمين الگوي توزيع رطوبت خاك در آبياري قطره اي در ايران دارد. بنابراين استفاده از روابط ارائه شده با مدل GEP مي تواند عدم قطعيت ها و خطاها در طراحي سيستم آبياري قطره اي را كاهش داده و به بهبود كارآئي مصرف آب و عملكرد اين سيستم ها در شرايط عملكردي ايران كمك نمايد.
چكيده لاتين :
Background and objectives: One of the essential aspects of design and management of drip irrigation system is soil moisture movement pattern and its dimensions in vertical and horizontal directions. Accurate estimation of soil water distribution in drip irrigation and subsurface drip irrigation is vital, because of its effects on design parameter as: emitters' layout, lateral spaces, plant root grow, efficiency application of water, salt distribution around the dripper, and has evident effects on Successfulness of drip irrigation systems. So deriving design equations between soil texture, emitter discharge, water volume infiltrated in soil, soil wetted volume and irrigation time for prediction of wetting bulb dimensions have major application values. One of these are empirical design equations, which derived based on dimensional analysis and experimental data. The other researchers have developed several empirical equations based on experimental data where need soil condition calibrations. The main objective of this study is to apply genetic expression programming for automatic function finding in DI and SDI wetting front dimensions and prepare design tables in different soil and dripper conditions.
Materials and Methods: in this study GEP approach is used for automatic function finding of dimensionless soil water distribution equations using available extended data. GEP programming is done in MATLAB. The GEP code use operator and functions of: plus, minus, times, divide square, power, tanh, sin, cos, exp, abs, if-then and derive predictor equations based on GEP automatically. This paper presents design equations based on volume water, irrigation time, and emitter discharge and soil hydraulic conductivity. The results of derived equations are compared with observations graphically and by R2, RMSE and MAPE indices. The final form of optimum equations derived based on pareto analysis over generations. Finally design tables for different soil, root depth and emitter discharges are presented. Results: GEP results are compared with those of 8 empirical equations using graphical and statistical indices of R2, RMSE, and MAPE. Based on the results it is cleared that the GEP model with RMSE=0.2, MAPE=12%, R2=0.99 values for depth and RMSE=0.19, MAPE=18.5%, R2=0.99 values for wetting front diameter have better results the others and is superior for applying in different and extensive design conditions. The Schwartzman and Zur (1985) empirical model have RMSE=0.12, MAPE=18.5%, R2=0.99 values for depth and RMSE=0.72, MAPE=97%, R2=0.97 values for wetting front diameter has some errors. Also design tables based on optimum GEP results based on conventional condition of Iran soil and emitters are developed.
Conclusion: Based on the results GEP equations have extensive validation ranges (discharge ranges 1 to 5 l/s, depth up to 110 cm) than other empirical equations and involves different conditions of emitter and soil and based on the results comparisons using GEP equations will reduce uncertainties in design of drip irrigation systems and will improve water use efficiency and performances of these systems.
