Toprak Nemi Tahmin Modeli: SWAP

Bu çalışmada toprak neminin tahmin edilmesi amacıyla SWAP (Soil Water Atmosphere Plant) Model (Version 3.2) kullanılmıştır. SWAP Modeli, sulama ve drenajı da içeren farklı tiplerdeki sınır koşulları altında, üzerinde bitki bulunan bir topraktaki su ve eriyik dengesini ele alan bir simülasyon modelidir. Bu model SWATR(E), SWACROP, SWAP 93 ve SWAP 3.0.3 gibi agrohidrolojik modellere dayanılarak Wageningen Agricultural University’den Feddes ve ark. (1978) tarafından geliştirilmiş ve birçok araştırmacı tarafından çeşitli alanlarda uygulanmıştır (Runhaar ve ark. 1997, Knotters ve ark. 1999, Droogers ve ark. 2000, Kroes ve ark. 2000, Jansen ve ark. 2000, Van Dam ve ark. 2008). SWAP Model, toprak, su, atmosfer ve bitki interaksiyonunu modeller. Modelle;

 Sulama programlaması,

 Kararsız akış şartlarında drenaj,

 Su ve tuzluluğun bitki gelişimine etkisi,

 Yüzey ve yer altı sularının pestisit karışımı,

 Üst topraktan farklı yüzey suyu sistemlerine bölgesel drenaj,

 Bölgesel drenaj, yüzey su yönetiminin optimizasyonu,

 Toprak heterojenitesinin sulama yönetimine etkisi gibi çok sayıda konunun çalışılması mümkündür (Kroes ve ark. 2008).

Modelin çalışması için gerekli olan iklim verileri günlük minimum sıcaklık (o_C),

maksimum sıcaklık (o_{C), ortalama buhar basıncı (kPa), rüzgâr hızı (m s}-1_{), yağış (mm) ve}

global güneş radyasyonu (kJ m-2_{) değerleridir. Toprak verileri olarak toprak profilinin}

geometrisi, pedotransfer fonksiyonlar yani kalıcı nem içeriği (cm3 cm-3), doygun nem içeriği (cm3 cm-3), doygun hidrolik iletkenlik (cm gün-1), toprak tekstürü ile ilgili katsayıların (α, n ve m) modele girilmesi gerekmektedir. Ayrıca başlangıç nem durumunun belirlenerek, sulama ve drenajın, göllenme ve akış durumunun, ıslanma ve kurumanın, makrapor akışının, kar ve don durumunun, ısı ve eriyik iletiminin olup olmayacağının belirtilmesi gerekir. Bitki ile ilgili olarak da hangi bitkinin ekildiği, ekim ve hasat tarihleri, bitki gelişimi, maksimum köklenme derinliği, kök gelişim fonksiyonu, bitki yüksekliği, bitkinin toprağı kaplama oranı, su alım fonksiyonu ve verim etmeni gibi değişkenler girdi olarak kullanılmaktadır.

Model çıktı olarak su ve eriyik dengesi bileşenleri, derinliğin fonksiyonu olarak toprak sıcaklıkları ve nem içeriği, basınç yükü, evapotranspirasyon, eriyik konsantrasyonu, toprak profili üzerindeki sıcaklık dağılımı, drenaj akımları, yüzey su sisteminin nem dengesi ve yüzey suyu yönetimi bilgisi değerlerini vermektedir.

Dikey yönde SWAP Modelin etki alanı yaprak örtüsü üzerindeki bir düzlemden sığ zemin suyu düzlemine kadar uzanmaktadır (Şekil 3.3) Bu bölgede taşınım süreçleri büyük oranda dikeydir ve bu nedenle SWAP tek boyutlu dikey yönlü bir modeldir. Zemin suyu seviyesinin altındaki akış yatay drenaj akışları içerebilir ve bunlar da analitik drenaj formülleri kullanılarak sisteme dâhil edilebilir. Model toprak profilinin alt ve üstündeki veri girdileri konusunda oldukça esnektir. Üst kısımda genel hava durumunu göz önüne almak yeterlidir. Kuzey enlemlerinin şartları için basit bir kar örtüsü modülü eklenmiştir. Daha özelleşmiş araştırmalarda buharlaşma-terleme ve yağış verileri daha detaylı olarak belirlenebilir. Alt kısımda değişik sıcaklık ve akıya bağlı şartlar incelenebilir.

Yatay yönde SWAP’ın ana odak noktası tarla bazındadır. Burada birçok taşınım süreci deterministik olarak tanımlanabilmektedir. Çünkü tarla, bir mikro iklim, bir bitki türü, bir toprak türü ve bir drenaj şartı ile temsil edilebilir. Ayrıca çoğu tarım çalışması tarla bazındadır. SWAP Model ile daha geniş araştırmalar için coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak, tarla bazından bölge bazındaki araştırmalara geçiş mümkündür.

Şekil 3.3. SWAP Model etki alanı ve taşınım süreçleri (Kroes ve ark. 2008)

SWAP Modelin kullandığı modelleme kavramları ve teorik altyapı konu başlıklarına göre aşağıda özetlenmiştir (Van Dam ve ark. 1997).

Toprak suyu hareketi

SWAP, toprak profilindeki su hareketini tanımlamak için Richards denklemini kullanmaktadır. Modelin toprak su içeriğini kestirmede kullandığı eşitlik Richards eşitliği olarak bilinmektedir. Bu eşitlik Darcy eşitliğinin süreklilik denklemi ile kombine edilmesiyle elde edilmiştir. Bu eşitlik toprağın hidrolik fonksiyonlarına ilişkin veri tabanının kullanılmasına ve her çeşit senaryo analizinin simülasyonuna olanak sağlamaktadır.

∂θ ∂t= ∂[K(h)(∂h ∂z+1)] ∂z -Sa(h)-Sd(h)-Sm(h) (3.19) θ: Volumetrik su içeriği (cm3 _cm-3₎ t: Zaman (gün)

K: Hidrolik iletkenlik (cm gün-1₎

h: Toprak suyu basınç yüksekliği (cm)

z: Toprak profilindeki herhangi bir derinlik (cm)

Sa: Bitki kökleri tarafından toprak su çekme oranı (cm3 cm-3 gün-1)

Sd: Doymuş bölgede drenaj deşarjından alınan su (gün-1)

Sm: Makrapor değişim oranı (gün-1)

Modelde bu eşitlik numerik çözüm tekniğine göre çözülmüştür. Eşitliğin çözümü için toprak su ilişkilerini tanımlayan analitik fonksiyonların tanımlanması gerekmektedir. Bu amaçla matrik potansiyelin bir fonksiyonu olarak hidrolik iletkenlik ve matrik potansiyelin bir fonksiyonu olarak su içeriği için sırasıyla Van Genuchten (1980) ve Maulem (1976) modelleri kullanılmıştır. Tutulma fonksiyonun çift yönlü etkisi, Scott (1983)’e ait ölçek modeliyle ele alınmıştır. Kök bölgesinde çeşitli derinliklerdeki su alımı, potansiyel transpirasyon, kök yoğunluğu ve ıslak-kuru ya da tuzlu koşullara göre oluşan olası azalmalardan hesaplanmaktadır. Richards denkleminin sayısal çözümü doygun ve doygun olmayan katmanlardaki değişen su kapasitesinin doğrusal olmayan eğimi minimize ederek, su dengesine ilişkin hataların azaltılması ve toprak yüzeyinde oluşan toprak suyu akımlarının daha doğru hesaplanması amacıyla Belmans (1983) tarafından tanımlandığı gibi farklı durumlar için uyarlanmıştır. Üst toprak katmanlarındaki sınır koşulları, akış hesaplamalarını geliştirmek ve değişken yeraltı su tablası ile yüzey göllenmesini incelemek amacıyla genişletilmiştir. Kullanıcı, toprak profilinin doygun veya doygun olmayan daha alt katmanlarındaki sınırlılık koşullarında, topraktaki su akısını, basınç yükünü, yeraltı su seviyesinin fonksiyonu olan akışı ve drenaj koşullarını belirtebilmektedir.

Günlük Evapotranspirasyon

SWAP, günlük evapotranspirasyonu hesaplamak için iki aşamalı bir yaklaşım sunar. İlk aşama, Penman-Monteith’e göre potansiyel transpirasyonun hesaplanmasını gerektirmektedir. Bilindiği gibi bu eşitlik, hava sıcaklığı, solar radyasyon, rüzgâr hızı ve nispi nemi kullanmakta, ayrıca, minimum kanopi direnci ve gerçek hava dirençlerine ilişkin minimum değerleri de istemektedir. İkinci aşamada ise, gerçek evapotranspirasyon oranı; su ve tuz stresine bağlı olarak kök su alımındaki azalma ile maksimum buharlaşmaya bağlı azalmaları kullanarak elde edilmektedir. Penman- Monteith için hesaplama prosedürü Smith (1991)’den türetilmiştir. Buna göre, Penman-Monteith için gerekli verilerin yerine, toprağın tam olarak kaplanmasında kullanılan bitki faktörü ile birlikte, referans potansiyel

evapotranspirasyon oranı da veri olarak girilebilir. Potansiyel evapotranspirasyon oranının, potansiyel transpirasyon ve potansiyel evaporasyon oranlarına ayrılması, hem yaprak alan indeksi hem de toprağı kaplama oranı üzerine dayandırılmıştır. Yağış kesilmesinde ise, Von Hoyningen-Hüne (1983) ve Braden (1985)’in çalışmaları dikkate alınmıştır. Potansiyel evaporasyon, Darcy’ye uygun o larak, maksimum buharlaşma ile sınırlandırılmıştır. Buna ek olarak topraktan olan buharlaşmayı sınırlamak için Black v e a r k . (1969) yada Boesten ve Stroosnijder (1986) tarafından geliştirilen kavramlar da seçebilmektedir.

Bitki gelişimi

SWAP, üç farklı bitki gelişim döngüsü (rutini) içermektedir. Bunlar detaylı bitki modeli (WOFOST), aynı modele uyarlanmış çim simülasyonu ve basit bitki modelidir. WOFOST, gelen radyasyonun ve bitki yaprak alanının fonksiyonu olarak, bitki örtüsü tarafından absorbe edilen radyasyon enerjisini hesaplar. Absorbe edilen radyasyonu kullanarak ve fotosentetik yaprak özelliklerini de dikkate alarak, toplam potansiyel fotosentez hesaplanmaktadır. Fotosentetik yaprak karakteristikleri, su ve/veya tuzluluk stresine bağlı olarak indirgenir. Bilindiği gibi, üretilmiş olan karbonhidratların bir kısmı, mevcut canlı kütlenin devamı için enerji sağlamak amacıyla kullanılmakta, geri kalan karbonhidratlar ise yapısal maddeye çevrilmektedir. Bu çevrimde ağırlığın bir kısmı, gelişme respirasyonu olarak kaybolmaktadır. Üretilen kuru madde ise, fenolojik gelişme aşamalarının bir fonksiyonu olan ayrışma etmenleri kullanılarak, kök, yaprak, gövde ve depolama organları arasında paylaştırılmaktadır. Özellikle yapraklara paylaştırılma oranı, yaprak alanının gelişimini ve buna bağlı olarak ışık kesilmesinin (light interception) dinamiklerini belirlemektedir. Bitki organlarının kuru ağırlıkları, onların zaman içindeki gelişme hızlarıyla uyumlu olarak elde edilirler. Ayrıca, bitkinin gelişimi süresince, yaşayan canlı kütlenin bir kısmı, yaşlanma nedeniyle ölür.

Sulama ve drenaj

SWAP Modelde sulama, sabit zaman aralıkları için belirtilmekte yada birçok kritere bağlı olarak programlanmaktadır. Programlama seçeneği, alternatif sulama stratejilerinin değerlendirilmesine olanak tanımaktadır.

Zamanlama kriterleri; izin verilebilir günlük stres, kök bölgesindeki elverişli nemde ve toplam kullanılabilir nemde izin verilen azalmalar ve kritik basınç yükü yada belirli bir derinlikteki su içeriğini kapsamaktadır. Tarla drenajı ise, lineer akış-yeraltı su seviyesi

ilişkisi, tablo akış değerleri ile yeraltı su ilişkisi yada Hooghoudt (1940) ve Ernst (1956, 1962)’e ait drenaj eşitlikleri yoluyla hesaplanabilir. Bu drenaj eşitliklerinin kullanımı, drenaj sistemlerinin dizaynına veya değerlendirilmesine de imkan vermektedir.