Drenaj tasarım parametrelerinin sayısal denemelerle değerlendirilmesi

Dünyanın birçok nemli bölgesinde tarımsal üretim için drenaj kaçınılmazdır. Bu tür alanlarda drenajla beraber, yüzey ve kök bölgesindeki fazla su uzaklaştırılarak bitkisel üretim artırılmaktadır. Kurak alanlarda ise drenaj, sulanan topraklarda yüzeyde aşırı su birikmesini önlemek ve tuzluluğu kontrol etmek için gereklidir. Uygun bir drenaj sistemi tasarımı için su tablası derinliği, yetiştirilen bitki ve dren akış miktarı kritik öneme sahiptir. Temel su akış denklemlerinin çözümüyle geliştirilen sayısal modeller, söz konusu değerlerin belirlenmesinde en doğru tahmini sağlamaktadır. Sonlu elemanlar ve sonlu farklar yöntemlerinin her ikisi de drenaj araştırmalarında etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, toprak bünyesinin yanında dren aralığı, dren derinliği ve geçirimsiz tabaka derinliği gibi drenaj tasarım parametrelerinin drenaj debisi ve su tablası derinliği üzerine etkileri, değişik düzeyde doygun gözenekli ortamlarda su akışını, ısı transferini ve çözünen madde hareketini sayısal olarak çözen SWMS_3D modeli kullanılarak sayısal denemelerle incelenmiştir. ABD Tuzluluk Laboratuvarı tarafından geliştirilen SWMS_3D modeli, hem atmosferik koşullar tarafından kontrol edilen sınır koşullarını hem de drenaj kanalı ve drenaj boruları da dahil olmak üzere çok değişik sınır koşullarını kapsamaktadır. Sonuçlar, hafif bünyeli topraklardaki drenajın ağır bünyeli topraklara göre daha hızlı olduğunu göstermiştir. Dren aralığı ve dren derinliği arttıkça drenaj debisinin de arttığı belirlenmiştir. Dren altındaki geçirimsiz tabakanın derinliği arttığı zaman, drenlerin ortasındaki su tablası yüksekliğinin azaldığı bulunmuştur. Sayısal sonuçlar, drenaj çalışmalarının sonuçları ile uyumlu çıkmıştır. Çalışma sonunda, toprak altı drenaj sistemlerinin araziye kurulmadan önce, drenaj tasarım kriterlerinin drenaj sistemi üzerine olası etkilerini önceden kestirebilmek için sayısal yöntemlerin kullanılabilir olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler:

Drenaj, Sayısal model, Simülasyon

Evaluating drainage design parameters by numerical experimentation

Drainage is necessary for agricultural production in many humid regions of the world, where it is used to improve crop yields and trafficability by removing excess water from the surface and root zone. In arid regions, drainage is often needed to prevent waterlogging and to control salinity in irrigated fields. Water table depths, crops grown in the area, and drain flow rates are critical in the proper design of drainage systems. Numerical models developed by solving the governing water flow equations provide the most exact prediction of these values. Both finite elements and finite difference methods have been used effectively in drainage research. In this study, the effects of soil texture and drainage design parameters such as drain spacing, drain depth, and depth to impervious layer on drain flow rate and water table depth are studied by numerical experimentation using SWMS_3D that simulates water flow, heat transfer and solute movement in variably saturated porous media. The model developed by U.S. Salinity Laboratory can deal with a wide range of boundary conditions including ditches and drain tubes as well as boundaries controlled by atmospheric conditions. The results showed that light-textured soils are draining faster than that of the heavy-textured soils. As drain spacing and drain depth increased, drain flow rate also increased. The water table height in the middle of the drains was found to be lower when the depth of the impermeable layer below the drain increased. The numerical results are consistent with the results of the drainage studies. It is concluded that numerical models can be used to foresee the possible effects of drainage design criteria before installing tile drains in the field.

Keywords:

Drainage, Numerical model, Simulations,

PDF

___

Ayars JE, Grismer ME, Guitjens JC (1997) Water quality as design criterion in drainage water management systems. ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering 123:154-158.
Bahceci İ (2008) Determininig the drainable pore space through field tests in Konya plain, Turkey. Irrigation and Drainage 57: 71-82.
Buyuktas D, Wallender WW (2002) Enhanced subsurface irrigation hydrology model. ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering 128: 168-174.
Carsel RF, Parrish RS (1988) Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics. Water Resource Research 24: 755-769.
Feddes RA, Kabat P, Van Bakel PJT, Bronswijk JJB, Halbertsma J (1988) Modelling soil water dynamics in the unsaturated zone-state of the art. Journal of Hydrology 100: 69-111.
Fipps G, Skaggs RW, Nieber JL (1986) Drain as a boundary condition in finite elements. Water Resource Research 22: 1613-1621.
Grismer ME (1993) Subsurface drainage system design and drain water quality. ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering 119: 537-543.
Hillel D (1998) Environmental Soil Physics. Academic Press, London.
Istok J (1989) Groundwater Modeling by the Finite Element Method. AGU American Geophysical Union, Washington.
Kosugi K, Hopmans JW, Dane JH (2002) Parametric Models. In: Dane JH (Ed), Methods of Soil Analysis Part 4-Physical Methods. Topp GCSSSA Book Series No 5, pp.739-757.
Madramootoo CA (1999) Planning and Design of Drainage Systems. In: Skaggs RW, van Schilfgaarde J (Eds), Agricultural Drainage. Madison, Wisconsin.
McWorther DB, Marinelli F (1999) Theory of Soil Water Flow. In: Skaggs RW, van Schilfgaarde J (Eds), Agricultural Drainage. Madison, Wisconsin.
Nieber JL, Feddes RA (1999) Solutions for Combined Saturated and Unsaturated Flow. In: In: Skaggs RW, van Schilfgaarde J (Eds), Agricultural Drainage. Madison, Wisconsin.
SCS (1973) Drainage of Agricultural Land. Soil Conservation Service, Water Information Center Inc., New York.
Simunek J, Huang K, van Genuchten MTh (1995) The SWMS_3D code for simulating water flow and solute transport in three-dimensional variably saturated media. USSL/ARS, Report No 139.
Somma F, Hopmans JW, Clausnitzer V (1995) Transient three- dimensional modelling of soil water and solute transport with root growth, root water and nutrient uptake. Plant and Soil 202: 281- 293.
Srivastava R, Yeh TCJ (1992) A three-dimensional numerical model for flow and transport of chemically reactive solute through porous media under variable saturated conditions. Advances in Water Research 15: 275-287.
USDI (1978) Drainage Manual. USDI Bureau of Reclamation. United States Department of Interior, Washington.
Vimoke BS, Tyra TD, Thiel TJ, Taylor GS (1963) Improvements in construction and use of resistance networks for studying drainage problems. Soil Science Society American Journal 26: 203-207.