Accuracy of Different Methods in Determination of the Van Genuchten,s Retention Curve Coefficients

Subject Areas : Article frome a thesis

H. Bagheri ¹ , H. ZareAbyaneh ² , P. Afrasiyab ³ , A. Afrozi ⁴

1 - دانشجوی دکتری رشته آبیاری و زهکشی، دانشگاه بوعلی سینا همدان
2 - دانشیار آبیاری و زهکشی، دانشگاه بوعلی، دانشکده‌ی کشاورزی، گروه مهندسی آب
3 - استادیار آبیاری و زهکشی، دانشگاه زابل،دانشکده‌ی آب و خاک، گروه مهندسی آب
4 - دانشجوی دکتری رشته آبیاری و زهکشی دانشگاه بوعلی سینا همدان

Received: 2015-08-09 Accepted : 2015-08-09 Published : 2015-04-21

Keywords: Two-point method, inverse solution, Rosetta program, retention curve,

Abstract :

Soil water retention curve is an indicator of one of the most important soil hydrological properties that have high applications in various soil water issues, and it is widely estimated by the van Genuchten^,s model. This research was performed to estimate the soil water characteristic curve by method of van Genuchten^,s model. Thus for determination of Inverse solution, Two points model H5 of Rosetta program and two point-Rosetta methods were used. Using these coefficients, the performance and accuracy of these models in retention curve estimation were evaluated by correlation coefficient (R²), magnitude of absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), Akaike information coefficient (AIC) and model efficiency (EF). The overall results showed that the statistical parameters of R², EF, MAE (cm³/cm³), RMSE (cm³/cm³) and AIC for inverse solution were 0.997, 0.981, 0.013, 0.020, and -7344, respectively for Two point-Rosetta model were equal 0.983, 0.898, 0.026, 0.047 and -5754, for Two-point model were equal 0.98, 0.879, 0.027, 0.051 and -5595, respectively and for Rosetta were equal 0.978, 0.859, 0.039, 0.055 and -5440, respectively. According to these results, inverse method, two point-Rosetta and two-point had the highest accuracy in retention curve estimation, respectively. The Rosetta program had the lowest accuracy in this case. Comparison of methods for different textures showed that the inverse solution had the lowest error in all textures. Rosetta program, Two point-Rosetta and Two-point are recommended for coarse, Medium and fine textures, respectively.

References:

1. بای‌بوردی م، 1383. اصول مهندسی آبیاری (جلد اول). انتشارات دانشگاه تهران. چاپ هشتم. 672 ص.


2. تاجیک ف، 1383. ارزیابی پایداری خاکدانه‌ها در برخی مناطق ایران. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. 8(1): 107-122


3. جعفری گیلانده، ص.، ع. رسول‌زاده. و ح، خداوردیلو. 1392. ارزیابی برخی توابع انتقالی برای شبیه‌سازی جریان غیرماندگار آب در خاک. نشریه حفاظت منابع آب و خاک. 2(4): 1-13


4. حق‌وردی، ا، ب، قهرمان. م، جلینی. ع.‌ا. خشنودی یزدی. و ز، عربی. 1390. مقایسه روش های مختلف هوش مصنوعی در شبیه سازی منحنی مشخصه رطوبتی خاک (مطالعه موردی: شمال و شمال شرق ایران). مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 18(2): 65-84


5. خالق‌پناه، ن، م، شرفا. و س، تیموری. 1391. تخمین منحنی رطوبتی تعدادی از خاک‌های شور و شور و سدیمی با استفاده از توابع انتقالی. مجله پژوهش‌های خاک (علوم خاک و آب). 26(4): 391-402


6. رمضانی، م.، ش، صالحی‌خشکرودی. و ع، لیاقت. 1392. براورد منحنی مشخصه رطوبتی خاک با استفاده از اندازه‌گیری دو نقطه‌ای. مجله پژوهش آب در کشاورزی، 27(3): 337-346


7. رمضانی، م.، ب، قنبریان علویجه. ع، لیاقت. و ش.‌ص. خشکرودی. 1390. براورد توابع انتقالی به منظور تخمین منجنی مشخصه رطوبتی خاک‌های شور و شور-سدیمی. مجله آب و آبیاری. 1(1): 99-110


8. صفادوست، آ، 1392. اثر مدیریت زراعی و بافت خاک بر برخی ویژگی‌های ساختمانی خاک. مجله پژوهش‌های خاک (علوم خاک و آب). 27(3): 327-334


9. عباسی، ف، 1386. فیزیک خاک پیشرفته. انتشارات دانشگاه تهران. چاپ اول. 250 ص.

10.فولادمند، ح.‌ر. 1393. تخمین منحنی مشخصه‌ی آب خاک بر مبنای منحنی دانه‌بندی و نسبت پوکی متغیر برای خاکهای موردد مطالعه در منطقه مرودشت در استان فارس. مجله مهندسی منابع آب. 7(21): 27-36

11.فولادمند، ح.‌ر و س، هادی‌پور. 1390. ارزیابی توابع انتقالی فراسنجیک برای تخمین منحنی مشخصه آب خاک در استان فارس. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. علوم آب و خاک. سال پانزدهم. 58: 25-37

12.قنبریان علویجه، ب. و ع. لیاقت، 1390. ارزیابی توابع انتقالی و تاثیر ماده آلی در پیش بینی رطوبت اشباع خاک. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 25(5): 1016-1024

13.میرزاخانی، ر، 1382. آشنایی با فیزیک خاک. مرکز نشر دانشگاهی. چاپ اول. 387 ص.

14.نیکپور، م، ع‌.ا، محبوبی. م.‌ر. مصدقی.  و آ، صفادوست. 1390. بررسی اثر ویژگی‌های ذاتی خاک بر پایداری ساختمان برخی از خاک‌های استان همدان. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک. سال پانزدهم. 58: 85-96

1. Abbasi, Y., B. Ghanbarian-Alavijeh. A.M. Liaghat and M. Shorafa, 2011. Evaluation of pedotransfer functions for estimating soil water retention curve of saline and saline-alkali soils of Iran. Pedosphere 21(2): 230-237


2. Bagarello, V., and M. Lovino. 2012. Testing the BEST procedure to estimate the soil water retention curve. Geoderma, 187-188: 67-76


3. Cornelis, W.M., J. Ronsyn. M. Van Meirvenne. and R. Hartmann. 2001. Evaluation of pedotransfer functions for predicting the soil moisture retention curve. Soil Sci. Soc. Am. J. 65: 638-648


4. Cresswell, H.P. and Z. Paydar. 1996. Water retention in Australian soils. I. Description and prediction using parametric functions. Aust. J Soil Res, 34:195–212


5. Emami, H., and A.R. Astaraei. 2012. Effect of organic and inorganic amendments on parameters of water retention curve, bulk density and aggregate diameter of a saline-sodic Soil. J. Agr. Sci. Tech. 14: 1625-1636


6. Gupta, SC., and W.E. Larson 1979. Estimating soil water retention characteristics from particle size distribution, organic matter percent and bulk density. Water Res. Res. 15: 1633-1635


7. Khlosi, M., W.M., Cornelis. D. Gabriels. and G. Sin. 2006. Simple modification to describe the soil water retention curve between saturation and oven dryness. Water Resour Res, 42:1-5.


8. Lambot, S., M, Javaux. F, Hupet. and M. Vanclooster. 2002. A global multilevel coordinate search procedure for estimating the unsaturated soil hydraulic properties. Water Resour. Res., 38: 1224, doi: 10. 1029/ 2001 WR 001224


9. Malaya, C., and S. Sreedeep. 2012. Critical review on the parameters influencing soil-water characteristic curve. J Irri and Drain Eng. 138: 55-62


10. Media, H., M, Tarawally. A. del Valle. and M. E. Ruiz. 2002. Estimating soil water retention curve in rhodic ferralsols from basic soil data. Geoderma 108: 277-285.


11. Pan, L., and L. Wu. 1999. Inverse estimation of hydraulic parameters by using simulated annealing and downhill simplex method. In Proc Int. Workshop on Characterization and Measurements of the Hydraulic Properties of Unsaturated Porous Media, Eds. M.Th. van Genuchten, F. Leij, and L. Wu, pp. 769-782, Univ. Calif., Riverside


12. Rajkai, K., S. Kabos. and M.Th. van Genuchten, 2004. Estimating the water retention curve from soil properties: comparison of linear, nonlinear and concomitant variable methods. Soil & Tillage Research, 79:145–152


13. Ritter, A., F, Hupet. R, Munoz-Carpena. S, Lambot. and M. Vanclooster. 2003. Using inverse methods for estimating soil hydraulic properties from field data as an alternative to direct methods. Agric. Water Manage. 59: 77-96


14. Saxton, K.E. and W.J. Rawls. 2006. Soil water characteristic Estimates by texture and organic matter for hydrologic Solution. Soil Sci. Soc. Am. J. 70:1569-11578


15. Schaap, M.G, F. J. Leij. and M.Th. van-Genuchten, 2001. Rosetta: A computer program for estimating soil hydraulic parameters with hierarchical pedotransfer functions. J Hydrol, 251:163-176


16. Tsiampousi, A., L. Zdravkovic. and D.M. Potts 2013. A three-dimensional hysteretic soil-water retention curve. Geotechnique 63: 155-164


17. Van Genuchten M.Th., F.J, Leij and S.R. Yates 1991. The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils. EPA/600/2-91/065, US Salinity Laboratory, USDA-ARS, Riverside, CA.


18. Vereecken, H., J, Feyen. J. Maes and P. Darius. 1989 Estimating the soil moisture retention characteristic from texture, bulk density, and carbon content. Soil Sci. 148: 389-403.


19. Vrugt, J.A., H.V, Gupta. W. Bouten. and S. Sorooshian. 2003. A shuffled complex evolution metropolis algorithm for optimization and uncertainty assessment of hydrologic model parameters. Water Resour. Res. 39, 1201, doi:10.1029/2002WR001642


20. Walczak, R.T., F, Moreno. C, Slawinskia, E. Fernandez. and Arrue JL. 2006. Modeling of soil water retention curve using soil solid phase parameters. J. Hydrol. 329: 527-533.


21. Wang, G., Y. Zhang. and N. Yu. 2012. Prediction of soil water retention and available water of sandy soils using pedotransfer functions. Procedia Eng. 37: 49–53.


22. Zachmann, D.W., P. C. DuChateau, and A. Klute, 1981. The calibration of the Richards flow equation for a draining column by parameter identification. Soil Sci. Soc. Am. J., 45: 1012-1016