بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی همبستگی ویژگیهای رطوبتی برخی از خاکهای عرصه ی پخش سیلاب با اندازه گیریهای TDRSKEW
چکیده
برای آگاهی ازنحوه ی مطلوب کار با دستگاه TDR برای اندازهگیری طولانی مدت رطوبت خاک در اعماق مختلف در خاکهایی با بافت متفاوت، تحقیقی آزمایشگاهی انجام و در طی آن ۳ نمونه از خاکهای یکی از نوارهای رسوبگیرشبکه ی بیشه زرد ۱ پخش سیلاب گربایگان فسا از عمق های صفر تا ۱۰، ۱۰ تا ۱۰۳، ۱۰۳ تا ۱۵۰ سانتیمتر برداشت و در ظروف بزرگ پلاستیکی به ارتفاع ۹۰ و قطر ۷۰ سانتیمتر ریخته شد. بافت خاکها به ترتیب لوم، لوم شنی، شنی لوم سنگریزه دار بود. خاکها در ابتدا به حد اشباع خیس شده و در محیطی با دمای معمولی آزمایشگاه، درحالی که امکان زهکش از زیر نداشت، رها گردید. آزمایش در ۳ مرحله انجام شد. در مرحله ی نخست در طول ۳ ماه روزانه، ضمن اندازه گیری رطوبت وزنی سطح خاک، قرائت دستگاه TDR برای حسگر تدفینی (سه میله ای) برای ۸ منحنی موجود در دستگاه (look up table) و ۲ پنجره ی دریافست (Capture Window) ۱۰ و ۲۰ نانو ثانیه و برای حسگر تماسی (دو میله ای) دو برداشت برای ۱۰ و ۲۰ نانو ثانیه مجموعاً ۱۸ مورد برای هر نمونه خاک ثبت گردید. نتایج نشان داد که به دلیل خطاهای مختلف که در متن مقاله به آن اشاره شده است رابطه مطلوبی بین برآورد و اندازه گیری رطوبت ایجاد نشده است. در مرحله دوم برای حذف خطاها روشی ابداع شد تا در هر بار، وزن مخصوص ظاهری خاک تعیین شود. نتایج نشان از بهبود چشمگیر روابط داشت. با استفاده از دادههای این مرحله روابطی برای تبدیل به k به رطوبت حجمی تدارک شد. در مرحله بعد ضمن ایجاد تراکم های مختلف و تعیین وزن مخصوص ظاهری در هر تراکم، رطوبت واقعی و قرائت دستگاه تعیین شد تا اثر تراکم بر دقسمت نتایج دانسته شود. در این مجال نتایج اخذ شده و نکات مهم قابل اعتنا از لحاظ کاربردی ارائه شده است.
مقدمه :
کاربرد TDR، نخست برای اندازهگیری رطوبت در مواد زمینشناسی گزارش شده است، Da ViS و Chudobiak)، (۱۹۷۵)؛ DaVIS و Annan ، (۱۹۷۷). دراولین گزارشات برخی آزمایشگاهها نشان دادند که ثابت دی الکتریک خاک رابطه مستقیمی با مقدار رطوبت ان دارد.
نخستین بار استفاده ازثابت دی الکتریک برای ردیابی رطوبت در خاک و مواد متخلخل نظیر آن توسط Thomas (۱۹۶۶) گزارش شده است.
از آن پس، کارهای متعددی نشان دادند که ثابت دی الکتریک خاک در مرحله نخست به میزان رطوبت آن بستگی
Cihlar1971 Lundin
Hoekstra1974 Ulaby
Okrasinski 1975 Mansukhani ,
Selig 1974Delaney ,
و همکاران، ۱۹۷۸؛ Topp و همکاران، ۱۹۸۰a). اندازهگیری نسبتاً ساده و قابل اعتماد ثابت دی الکتریک در محدوده فرکانس ۱ مگاهرتز تا ۱ گیگا هرتز، راه عملی و مؤثر اندازه گیری مقدار آب خاک است(Topp و همکاران، ۱۹۸۲).
روشهای متعددی برای تعیین ثابت دی الکتریک پیشنهاد شذه که Mansukhani (۱۹۷۵) آنها را تشریح نموده است. نتایج استفاده از روشهای سنجش مقاومت (capacitance)، نسبت به آرایش الکترودهای حسگر، حساس بوده و واسنجی مفصلی نیاز دارد. در مقابل، روش بازتاب سنجی محدوده ی زمانی (TDR) که توسط محققین مختلفی توصیف شده است (Da Vis و Chudobiak، ۱۹۷۵
Annan1977 Davis
Chudobiak 1979TOpp
و همکاران، (۱۹۸۰ )
Smitt1981 Petterson
نتایج رضایت بخشی را در اندازه گیری رطوبت در مزرعه در برداشته است. ارتباط بین رطوبت حجمی خاک و ثابت دی الکتریک را از نوع خاک، تراکم، میزان شوری ودما مستقل دانسته اند. اما همانگونه که در مقاله بنیادی Topp و همکاران، (۱۹۸۰) نیز عنوان شده، در خاکهای با مقدار غالب و رمی کولایت و نیز در خاکهای آلی، رابطه بین (6 وثابت دی الکتریک متفاوت است. همچنین نتایج Campbell، ۱۹۹۰ نشان میدهد که در محدوده فرکانس ۱ تا ۵۰ مگاهرتز، وابستگی قابل توجهی بین نوع خاک و ثابت دی الکتریک وجود دارد.
JDirk Sen و DeSberg، (۱۹۹۳) تغییرات ثابت دی الکتریک نسبت به رطوبت را برای ۱۱ نوع خاک با مقدار رس مختلف و کانیهای متفاوت و نیز ۳ نوع پودر کانی خالصی بررسی کرده و نشان دادند که ضرایب معادله ی تبدیل در خاکهای با کانیهای آبدوست (نظیر پالی گورسکایت) با خاکهای با کانیهای غیر آبدوست متفاوت است، اما تغییر مقدار رس تاثیر چشمگیری بر ضرائب معادله ندارد.
تحقیق حاضر به عنوان مرحله اولیه یک طرح تحقیقاتی با هدف روندیابی حرکت عمقی آب در خاک با کمک TDR انجام شده و اثر بافت، تراکم، ونحوه کارگذاری حسگرهای دستگاه بر روی میزان دقت محاسبه رطوبت مورد بررسی قرار گرفته است. این مقاله در بردارنده ۳ قسمت است. نخست اصول اندازه گیری به روش TDR ارائه می شود، سپس روش تحقیق تشریح شده و در پایان نتایج ارائه و مورد کنکاش قرار میگیرد.
اصول اندازه گیری رطوبت با روش TDR یکی از روشهای نسبتاً جدید در اندازهگیری رطوبت روش انعکاس سنجی (شکست سنجی) حسوزه زمانسی ( Time Domain Reflectometry) است که اصطلاحاً روش TDR نام گرفته است. این روش براساس خصوصیت غیرعادی آب از نظر ثابت دی الکتریک استوار است. بطور کلی دی الکتریک (dielectric) به معنی نارسانا بودن الکتریسیته می باشد یعنی جسمی که اگر بین دو سطح باردار قرار گیرد(یک خازن) مانع از تشکیل شبکه جریان بار الکتریکی گردد. سادهترین شکل خازن، دو صفحه ی فلزی است که بین آنها لایه ای از هوا یا ماده ی عایق دیگری مثل میکا قرار گرفته باشد. بر حسب تعریف ثابت دی الکتریک هر ماده که به ان گذردهی نسبی (relative permittivity) یا ظرفیت القایی ویژه (specific inductive cap.) نیز گفته میشود ،عبارت است از نسبت گنجایش یک خازن که در آن از یک ماده ی معین به عنوان دی الکتریک استفاده شده باشد به گنجایش همان خازن درصورتیکه دی الکتریک آن هوا یا خلاً باشد. ثابت دی الکتریک یک ماده معیاری است که تمایل مولکولهای آن ماده را در آرایش دادن خود در هنگام قرار گرفتن در میدان نیروهای الکترواستاتیک نشان می دهد. ثابت دی الکتریک آب به نسبت سایر موارد بالاست. در حالیکه ثابت دی الکتریک برای هواً یک وبرای خاک خشک بین ۴ تا ۸ می باشد، ثابت دی الکتریک آب حدود ۸۱ است. بدین ترتیب برای یک خاک مرطوب که از ۳ جزء (فاز) آب، هوا و ذرات جامد تشکیل شده است، عمدتاً توسط مقدار آب آن کنترل می شود. دستگاه TDR تپهای ولتاژ الکتریکی (Voltage pulses) و یا علائمی (Signals) را ایجاد وآن را در طول میله های موازی منتشر می نماید. علائم از میان خاک واقع در بین میلههای حسگر عبور کرده و از انتهای میلهها به گیرنده ی دستگاه برگشت می کند. دستگاه فاصله ی زمانی بین ارسال و برگشت را اندازه گیری می کند. به ازای طول ثابت میله، فاصله ی زمانی بین رفت و برگشت علائم با سرعت انتشار علائم در خاک نسبت عکس دارد. از طرف دیگر سرعت انتشار علائم نیز با مقدار ثابت دی الکتریک خاک که تابعی از رطوبت است، نسبت عکس دارد. معادله ای که در مورد آن پیشنهاد شده عبارت است از
که در آن c سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در فضای آزاداست ، سرعت را می توان از روی طول میله ها (l) (که دراین صورت طول رفت و برگشت 2l خواهد بود) و زمان اندازه گیری شده بین رفت و برگشت علائم در خاک (t) (شکل ۱) به دست اورد.
باتوجه به طول مسیر رفت. ویرگشت و زمان طی شده، سرعت برابر است
که اگر در معادله ی اول گذاشته شود خواهیم داشت
l طول مسیر موج راهنما برحسب سانتی متر؛
t زمان عبور بر حسب نانو ثانیه؛
c سرعت نور برحسب سانتیمتر در نانوثانیه.
زمان عبور، زمان لازم برای انتقال یک پالس از شروع موج راهنما تا پایان آن است. پردازشگرTDR دارای سیستم سنجش زمانی دقیقی است که می تواند زمان را در یک پیکو ( 10) ثانیه اندازه گیری کند. در هر اندازهگیری سریهای متعددی از چرخه های زمانی ایجاد می شود. بلافاصله پس از شروع چرخه زمانی یک تپ (pulse) الکتریکی شروع شده و بسوی خط ارتباطی که شامل دو قسمت، کابل هم محور ( COaXial) و هدایتگرهای موج (Wave guide) که در خاک مدفون می شوند، ارسال می گردد. پس از شروع چرخه زمانی، اجزاء الکترونیکی به کمک نرم افزار موجود در دستگاه، ولتاژ مؤثر خط ارتباط را در یک لحظه دقیق اندازه می گیرند. برای مثال در چرخه اول، پس از ۱۰ پیکو ثانیه از شروع سنجش زمان، یک اندازهگیری باید انجام گیرد، رقم آن ضبط شود و برای هر چرخه پیاپی این کار تکرار شود. این کار تا زمانی که به محدوده زمانی موردنظر برسد ادامه خواهد داشت.
برای مثال پنجره دریافت ( Capture Windo W) ۱۰ نانوثانیه حدود ۱۲۰۰ چرخه زمانی را دربرمی گیرد. در پایان برای هر نقطه از ۱۲۰۰ نقطه قرائت، یک میانگین ولتاژ مؤثر خواهیم داشت. بدست آوردن بهترین شیب برازش یافته با این نقاط برای یافتن نقطه شروع و پایان بازگشت امواج، گام بعدی دستگاه می باشد. نکته با اهمیت در اندازه گیری همین سیستم توسعه یافته، ثبت زمان است. با اتمام این فرایند، آخرین ۱۰۰۰ نقطه قرائت شده به صورت گراف نمایش داده می شود.
شکل ۱ در بردارنده یک گراف دستگاه و اجزای تشکیل دهنده آن است. پس از شروع اندازه گیری زمان، ولتاژ مؤثر تا زمان ارسال اولین پالس، بطور افقی حرکت یکنواخت دارد. پس از آن ناگهان افزایش یافته و تا زمان گذر از میله راهنما و رسیدن به محیط متخلخل خاک، درسطحی بالاتر از ولتاژ اولیه حرکت یکنواخت دارد. با گذر از محیط خاک ولتاژ مؤثر کاهش یافته و منحنی حالت نزولی پیدا می کند تا به یک حداقل برسد.
این زمان، زمان نقل و انتقال (transit time) است و زمان آن نسبت به شروع ثبت زمانی، نقطه بازگشت خوانده میشود (point of reflection). تا این لحظه آخرین امواج برگشتی از انتهای میله راهنما گذر کرده وبه سوی دستگاه بازگشته است. محدوده زمانی پنجره دریافت باید طوری انتخاب شود که در بردارنده ی آن تعداد از چرخه های رمانی بشود که نقطه بازگشست را شامل شده و نقطه مینیمم منحنی در داخل پنجره دریافت قرار گیرد. در غیر این صورت، دقت رطوبت و به k محاسبه شده در حالت بهینه نخواهد بود (شکل ۲).
شکل ۲ عدم تطبيق نقطه ی بازگشت امواج (پایان اندازه گیری) پنجره یی دریافت انتخاب شده (۰ ۱ نانو ثانیه) که سبب خطای اندازهگیری می شود.
شکل (۱) نمونه ای از گراف حاصل از یک مرحله اندازه گیری ثابت دی الکتریک
شکل (۲) عدم تطبیق نقطه ی بازگشت امواج (پایان اندازه گیری) با پنجره ی دریافت انتخاب شده (۱۰ نانو ثانیه) که سبب خطای اندازه گیری می شود.
مواد و روشها ایستگاه آبخوانداری کوثر واقع درگر بایگان فسا، بین عرضهای شمالی ۲۸۳۵ تا ۲۸۴۱ و طولهای شرقی ۵۳۵۳ تا ۵۳۵۷ وارتفاع ۱۱۲۰ تا ۱۱۶۰ متر از سطح دریا بر روی مخروط افکنهای کم عمق تا نسبتاً عمیق احداث شده است. فرسایش سازندهای آغاجاری (شامل لایه های متناوب ماسه سنگ، سنگ لای و آهکرس) و جوش سنگ بختیاری، آبخوانی را با پهنه ی ۵ تا ۶ هزار هکتار و بیشترین ژرفای ۴۲ متر بوجود آورده است. لایه بندی عمومی این خاکها، تناوب خاک شنی سنگ و سنگریزه دار و بادرفتهای ماسه ای ریزدانه است. پس از احداث سامانه گسترش سیلاب از سال ۱۳۶۲ لایه ای رسوبی با بافت متوسط با ضخامتهای متفاوت، در سطح نهشته شده است. برای واسنجی عملکرد دستگاه TDR در سنجش رطوبت خاک، از هر یک از نمونه خاکهای یادشده که به ترتیب از اعماق ۱۰-۰ ، ۱۰۳-۱۰، ۱۵۰-۱۰۳ سانتیمتر برداشت شده بود، مقدار ۵۰ کیلوگرم به آزمایشگاه منتقل و درون استوانه هایی از جنس پلاستیک با ارتفاع ۹۰ و قطر ۶۰ سانتیمتر گذارده شد. انتقال خاکها به حالت دست خورده اما بدون غربال بود. جدول ۱ حاوی برخی ویژگیهای خاکها میباشد. دستگاه TDR با مارک Trase، مدل X1 6050ا دو حسگر دفن شونده (buriable) و تماسی (COnnector) به ترتیب با طول ۲۰ سانتیمتر ۳ شاخهای و۱۵ سانتیمتر ۲ شاخهای مورد استفاده قرار گرفت.
این دستگاه دارای سه پنجره دریافت ۲۰، ۱۰ و ۴۰ بوده و ۸ منحنی تبدیل به به رطوبت حجمی توسط سازنده برای آن تعریف شده است که مبتنی بر نتایج تحقیقات بر روی خاک های مختلف بوده و با نام های,
در دستگاه ذخیره شده است.
آزمایش شامل ۳ مرحله بود 1 استوانه های خاک در ابتدا تا حد اشباع آبیاری شد. سپس بطور روزانه قرائت دستگاه شامل زمان انداره گیری، ثابت دی الکتریک و رطوبت محاسبه شده دستگاه، یادداشت شد. نمونه خاک از ژرفای معادل طول هر یک از حسگرها به گونه ای برداشت شد که متوسطی از محیط مورد اندازهگیری هر حسگر باشد. مقدار رطوبت نمونه ها در آزمایشگاه با روش توزین قبل و بعد از خشک شدن در آون با حرارت C"۱۰۵ اندازه گیری شد. این کار تا ۸۱ روز ادامه یافت و تعداد اندازهگیریها به ۳۷ مورد رسید. در هر بار اندازه گیری، اعداد قرائت برای پنجره دریافتهای ۱۰ و ۲۰ نانوثانیه و هر یک در ۸ "منحنی تبدیل"، برای حسگر دفن شونده وپنجره دریافت ۱۰ و ۲۰ نانوثانیه و ۱ پنجره دریافت برای حسگر تماسی یادداشت گردید. وزن مخصوص ظاهری هر یک از نمونه های خاک، قبل و بعد از پایان این مرحله هر یک در ۲ تکرار اندازه گیری شد، تا برای تبدیل رطوبت وزنی به حجمی مورد استفاده قرار گیرد. برای این کار با استوانه هایی با حجم مشخصی، خاک دست نخورده دریافت شد و ضمن توزین کلی خاک، درصد رطوبت آن در آزمایشگاه اندازهگیری و وزن مخصوص ظاهری خاک خشک محاسبه گردید. -- در مرحله دوم، روشی ابداع شد تا ضمن اندازه گیری رطوبت در هر بار، وزن مخصوص ظاهری نیز تعیین گردد. یک استوانه مدرج شیشه ای با بلندی ۲۵ سانتیمتر و قطر ۱۲ سانتیمتر انتخاب و هر بار با نمونه خاک موردنظر تا حجم مشخصی پر گردید و حسگر مربوطه داخل آن قرار داده شد. تجربه نشان داد که قراردادن اولیه حسگر و سپس اضافه کردن خاک، دقت نتیجه را بالا میبرد، چرا که امکان می دهد تا حداکثر تماس بین میله و خاک برقرار گردد.
در این مرحله، تنها از حسگر مدفون شونده استفاده شد و قرائتهای ۸ گانه ی منحنی ها برای ۲ پنجره دریافت ۱۰ و ۲۰ نانوثانیه ثبت گردید. سپس خاک درون استوانه در آون خشک و توزین شد تا وزن مخصوص ظاهری بدست آید. در خاک قلوه سنگدار (شماره ۳) ابتدا خاک از الک ۲ میلیمتری عبور داده شد و سپس وارد مرحله ی اندازه گیری رطوبت گردید. چه، در غیر این صورت امکان سنجش دقیق رطوبت توسط دستگاه وجود ندارد. است. در مرحله بعدی، برای دانستن اثر تراکم بردقت نتایج، برای هرسه نوع خاک تراکم های مختلفی در استوانه مدرج ایجاد شد و سایر کارهای مرحله دوم بر روی آنها انجام گردید. بدین ترتیب برای هر تراکم، مقدار وزن مخصوصی ظاهری، درصد رطوبت وزنی و قرائت دستگاه بدست آمد.
جدول (۱) مشخصات عمومی خاکهای مورد آزمایش
دادههای اندازه گیری هر سه مرحله به محیط اکسل وارد و بین ارقام رطوبت واقعی خاکها با رطوبت محاسبه شده با دستگاه رابطه رگرسیونی با حالتهای خطی، لگاریتمی و درجه ۳ برقرار و نتایج در جدولهای ویژه هر مرحله درج و منحنی های مربوط به بهترین نتایج ترسیم گردید.
نتایج و بحث
جدول ۲ حاوی نتایج مرحله نخست است. برای پرهیز از شلوغی جدول، تنها نتایج مرتبط با یکی از منحنی های دستگاه (SUN) و پنجره دریافتهای ۱۰ و ۲۰ نانوثانیه و برای دو حسگر ارائه شده است. شکل ۳ نشان دهنده پراکنش نقاط حول خط رگرسیون ارتباط رطوبت واقعی با رطوبت قرائت شده است. با آنکه ضریب رگرسیون R در تمام موارد معنی دار است، اما پراکنش نقاط از روند مطلوبی برخوردار نیست و نقاط متعددی به عنوان نقاط پرت دیده می شود. استخراج نقاط پرت و مراجعه به یادداشتهای حین اندازهگیری چند منبع خطای اصلی را مشخص نمود. در هنگام جاگذاری حسگرها به ویژه در زمان خشکی خاک، نیاز به زدن ضربه است. این ضربه سبب می شود حفرهای که میله در آن جای می گیرد بمراتب بزرگتر از مقدار مورد نیاز بوده و تماس میله باخاک کامل نباشد. هرگاه میله بطور عمودی کارگذاشته شود، قرائت دستگاه نشان دهندهی رطوبت ۲۰ سانتیمتر(برای حسگر تدفینی) و ۱۵ سانتیمتر (برای حسگر تماسی) می باشد. برای برداشت نمونه خاک، بایستی خاک این ضخامت را ابتدا مخلوط نموده، سپس نمونه برداری نمود.
در خاک کاملا خشک، برای استفاده از حسگر تدفینی ناگزیر به برهم زدن خاک و کارگذاری حسگر در خاک نرم شده هستیم. آنگاه بایستی خاک بر روی حسگر فشرده شود. این فشردگی حد ثابت و معینی نداشته ودر واقع وزن مخصوص ظاهری را تغییر می دهد.
جدول (۲) معادلات رگرسیونی برازش یافته بادادههای اندازه گیری رطوبت در حالت استفاده از یک رقم ثابت برای وزن مخصوصظاهری هر عمق خاک تمام ضرائب در سطح ۱ درصد معنی دار است
