بخشی از مقاله
چکیده
گزارشهای زیادی بیانگر حضور آبگریزی در خاکهای متنوع در شرایط اقلیمی متفاوت میباشند، اما مطالعات چندانی در ارتباط با تأثیر آبگریزی بر روی پارامترهای مدلهای انتقال املاح صورت نگرفته است. در تحقیق حاضر دو خاک با بافتهای لومرسی و لومشنی از اطراف شهرستان کلیبر استان آذربایجانشرقی نمونهبرداری و بهصورت مصنوعی با اسید استئاریک در پنج غلظت متفاوت برای حصول پنج درجه مختلف آبگریزی - صفر تا - 4 آبگریز شده و اثر آن بر پارامترهای مدلهای انتقال برومید - مدل روان- انتشار - CDE - و مدل روان- ساکن - - MIM - بررسی گردید. چگونگی انتقال برومید در خاک با استفاده از محلول برومید کلسیم 0/01 - مولار - برای به دست آوردن منحنی رخنه برومید در ستونهای دستخورده بررسی و پارامترهای مدلهای انتقال فوقالذکر با نرمافزار CXTFIT به دست آمد. نتایج نشاندهنده کاهش مقادیر سرعت نفوذ متوسط - V - و پخشیدگی هیدرودینامیکی - D - با افزایش آبگریزی بود. همچنین افزایش آبگریزی موجب افزایش ضریب انتشار پذیری - - λ گردید.
مقدمه
خاک آبگریز خاکی است که وقتی قطرهای از آب روی آن قرار گیرد، سریع خیس نمیگردد. آبگریزی خاکها یک ویژگی مؤثر بر رشد گیاهان، هیدرولوژی سطحی، زیرسطحی و فرسایش خاک میباشد و مطالعات بیشماری در مورد اثرات هیدرولوژیکی آن منتشر شده است - بیرامی و همکاران a، . - 1394 b عامل اصلی آبگریزی، مواد آبگریز آزادشده توسط گیاهان، فعالیت قارچی، تجزیه مواد آلی و آتشسوزی جنگلها - Dekker and Ritsema 1996، - Doerr et al. 2006 میباشد. آبگریزی خاک بهصورت موضعی به علت نشت مواد نفتی و روغنی نیز ایجاد میشود. اخیراً مشاهده شده که آبیاری متوالی با استفاده از آب فاضلاب میتواند به توسعه آبگریزی خاک به علت مواد آلی محلول در آب فاضلاب بیانجامد . - Arye et al. 2011 - در رابطه با آبگریزی و اثر آن بر روی مدلهای انتقال املاح مطالعات معدودی وجود دارد. - 2003 - Ritsema and Dekker نیز در مطالعات خود، در بلندمدت چگونگی رخنه برومید در پروفیل خاک آبگریز را با نمونهبرداری سیلندری بررسی کردند ولی به بررسی منحنی رخنه برومید در کوتاهمدت نپرداختند. - 2000 - Clothier et al. در تحقیقات خود که در ستونهای خاک انجام دادند بیشتر به بررسی تغییرات سرعت نفوذ آب و غلظت خروجی و باقیمانده برومید در ستون خاک آبگریز توجه کردند و به بررسی مدلهای انتقال املاح و پارامترهای آنها نپرداختند. محققانی مانند - 2006 - Lipsius and Mooney وجود جریان ترجیحی در خاک آبگریز را بهصورت کیفی با استفاده از آنالیز تصویری بررسی نمودند و به کمیت و چگونگی وقوع جریان ترجیحی توجهی نداشتند. از مدلهای انتقال املاح در بررسی انتقال کلرید در خاک آبگریز استفاده نمودند. اما بهصورت کمی شاخصهای جریان ترجیحی را بررسی ننمودند. همچنین در تحقیق آنان رابطه بین شاخصهای جریان ترجیحی در پارامترهای انتقال املاح مورد توجه قرار نگرفت. با توجه مطالعات انجام یافته در مورد تأثیر آبگریزی روی انتقال املاح و بهخصوص پارامترهای مدلهای انتقال املاح پژوهشهای کمی صورت گرفته است. همچنین در مطالعات مذکور نیز بررسیهای انجام شده،غالباً بهصورت کیفی بوده است. با توجه به این موارد و خلأ تحقیق در این زمینه، سعی شد تا اثر آبگریزی خاک بر انتقال املاح در قالب مدلهای انتقال روان انتشار - CDE - و روان ساکن - MIM - بهصورت جامع مورد بررسی قرار گیرد.
مواد و روشها
برای تحقق اهداف پژوهش حاضر به علت اینکه آبگریزی بیشتر در خاکهای جنگلی و درشتبافت مشاهده شده است - Dekker et al. 2009 - یک خاک با کلاس بافت لومرسی - عرض شمالی 38°50′30/36" و طول شرقی - 46°03′02/75" - بافت غالب خاک منطقه - و خاک دیگری با کلاس بافت لومشنی - در عرض شمالی 38°51′43/78" و طول شرقی - 47°04′00/46" به ترتیب از جنگل و مرتع تبدیل شده به زراعت دیم، در منطقه کلیبر استان آذربایجانشرقی انتخاب شدند. نمونههای خاک پس از جمعآوری از عمق صفر الی 20 سانتیمتر، آمادهسازی و تعیین وضعیت آبگریزی اولیه با استفاده از محلول اسید استئاریک در پنج غلظت متفاوت به درجات مختلف آبگریز شدند. برای ایجاد درجات مختلف آبگریزی از غلظتهای متفاوت استئاریک اسید استفاده شد. با توجه به حلالیت بسیار کم اسید استئاریک در آب - Leelamanie et al. 2008 - از استون بهعنوان حلال در اضافه نمودن اسید استئاریک به خاک استفاده شد. ابتدا مقدار اسید استئاریک لازم برای هر کیلوگرم از خاک جهت رسیدن به درجات آبگریزی متفاوت بهصورت تجربی تعیین شد. سپس با آزمون و خطا و تغییر غلظت اضافه شده اسید استئاریک و اندازهگیری WDPT، مقدار دقیق اسید استئاریک لازم برای رسیدن به هر درجه آبگریزی حاصل شد. در نهایت با توجه به کلاسبندی درجه آبگریزی - 1994 - Dekker and Ritsema بر اساس مقادیر WDPT، چهار درجه مختلف آبگریزی برای هر یک از دو خاک لوم شنی و لوم رسی انتخاب شد - جدول . - 1 خاک بدون تیمار اسید استئاریک بهعنوان شاهد - آبگریزی درجه صفر - در آزمایشها استفاده گردید.
جدول-1 مقدار اسید استئاریک مورد نیاز برآورد شده با آزمون WDPT جهت ایجاد درجههای مشخص آبگریزی در دو خاک مورد نظر
آزمایشهای تزریق محلول CaBr2 به ستونهای خاک ستونهای تهیه شده از خاک آبگریز و هوا خشک شده به قطر 10 و ارتفاع 10 سانتیمتر با چگالی ظاهری 1/4 - g cm-3 - در خاک لوم شنی و 1/3 - g cm-3 - در خاک لوم رسی جهت آزمایشهای رخنه برومید به کار رفتند. - 2005 - Kamra and Lennartz گزارش نمودند که طول حدود 10 سانتیمتر ستون خاک آزمایشگاهی میتواند شبیهسازی قابل قبولی از شرایط مزرعهای باشد. کف این ستونها در داخل یک قیف پلاستیکی بر روی اسکاچ و تور سیمی تثبیت گردید. نقش تور سیمی و اسکاچ برای نگهداری و تحمل وزن ستون خاک و جلوگیری از شسته شدن احتمالی ذرات خاک از انتهای ستون خاک بود. برای ممانعت از جریان ترجیحی در مجاورت دیواره ستونها، دیواره داخلی ستونهای خاک به پارافین مذاب آغشته شده بود. آزمایش رخنه برومید در حالت اشباع - بار آبی 3 سانتیمتر - انجام شد. با توجه به آبگریزی خاک و زمان زیادی که باید صرف اشباع نمودن ستونها از قسمت پایین با محلول زمینه 0/01 مولار Ca - NO3 - 2 میشد، این عمل با اشباع ستونها از بالا بهوسیله همین محلول و تا جایی که شدت جریان اشباع ثابت محلول در ستون برقرار شود، انجام یافت. محلول ردیاب CaBr2 با غلظت 0/01 مولار - C0 - برابر با یک حجم منفذی - معادل 361 و 392 میلیلیتر به ترتیب در خاک لوم شنی و لوم رسی - بهصورت پالسی وارد ستونهای اشباعشده از محلول زمینه گردید. با شروع ورود پالس به ستونهای خاک، نمونههای محلول خروجی به حجم 0/1 حجم منفذیبه همراه درج زمان جهت تعیین غلظت برومید در ظروف پلاستیکی جمعآوری شد. پس از ورود کامل پالس ردیاب - CaBr2 - دوباره جریان اشباع ماندگار - با استفاده از ظرف ماریوت - محلول زمینه - Ca - NO3 - 2 - در ستونها برقرار شد. غلظت برومید با استفاده از یک دستگاه pH متر مجهز به الکترود انتخابگر برومید شرکت Crison اسپانیا اندازهگیری گردید. شدت جریان دارسی - - با ثبت و توزین نمونههای جریان خروجی، اندازهگیری شد . - Jarvis et al. 2008 - آزمایش تا جایی ادامه یافت که غلظت برومید اندازهگیری شده در محلول خروجی به صفر رسید. غلظتهای اندازهگیری شده تبدیل به غلظت نسبی - C/C0 - گردید و منحنیهای رخنه از رسم C/C0 در مقابل زمان - t - و یا تعداد حجم منفذی T - بیبعد - به دست آمد. هر حجم منفذی - Vp - عبارت است از حجم کل منافذ اشغالشده توسط سیال به حجم کل - Vt - در ستون خاک بوده و از رابطه زیر محاسبه شد:
در رابطه مذکور θs رطوبت حجمی اشباع - cm3 cm-3 - و Ve حجم تجمعی محلول خروجی از انتهای ستون - cm3 - از لحظه تزریق محلول ردیاب - برومید کلسیم - است. بهمنظور محاسبه پارامترهای مدل D - CDE و - R در معادله 2 و 3 و مدل MIM D - ، و - در معادلههای 4 و 5 از نرمافزار CXTFIT استفاده شد . - Toride et al. 1999 - نرمافزار CXTFIT با برازش معادله حاصل از حل تحلیلی معادلات CDE و MIM بر دادههای تجربی منحنی رخنه C/C0 - ، - T، بقیه پارامترهای دو مدل را محاسبه میکند. در برازش دو معادله مذکور، مقدار V بهصورت ثابت و برابر با مقدار وارد برنامه CXTFIT گردید و بنابراین معادلات CDE و MIM به ترتیب به معادلات دو و سه پارامتری تبدیل شدند. ثابت در نظر گرفتن V در عمل صحت برآورد دیگر پارامترها را بالا میبرد مدل انتقال روان-انتشار - CDE - 1این مدل برای خاکهای همگن - هموژن - مناسب بوده و معادله آن برای انتقال املاح واکنش ناپذیر مثل Br- و در حالت یکبعدی بهصورت زیر ارائه شده است
C غلظت املاح در محلول خاک - M L-3 - ، رطوبت حجمی - L3 L-3 - ، V میانگین سرعت آب در منافذ خاک - LT-1 - ، Dضریب انتشار هیدرودینامیکی نمک مورد نظر در خاک - L2 T-1 - ، z فاصله - L - و t زمان - T - میباشد. در شرایط اشباع = 0 - و ماندگار آب - = 0 - مقادیر ، V و D ثابت هستند و مدل CDE بهصورت زیر در میآید:
مدل روان- راکد - MIM - 2
این مدل رطوبت خاک را به دو بخش روان و راکد تقسیم مینماید و به مدل دو ناحیهای نیز معروف است. رطوبت روان شامل رطوبتی است که در منافذ بین خاکدانهای - درشت - جای گرفته است و وضعیت پویا دارد و انتقال املاح بهوسیله جریان تودهای و پخشیدگی هیدرودینامیکی در آنها صورت میگیرد. رطوبت راکد رطوبتی است که در منافذ ریز مثل منافذ درون خاکدانهای واقع است و ساکن فرض میشود و حرکت املاح در آن تنها بهوسیله انتشار مولکولی است. حرکت آب و بهتبع آن انتقال املاح در بخش روان سریع ولی انتقال املاح از بخش روان به بخش راکد و یا برعکس از طریق انتشار مولکولی بوده و بسیار کند است . - Jury and Horton 2004 - این مدل در ابتدا توسط - 1964 - Coats and Smith برای بررسی مسائل مهندسی نفت به کار گرفته شد و بعدها متخصصان فیزیک خاک از آن برای بررسی مسائل آب خاک استفاده کردند. معادله MIM برای جریان ماندگار آب در خاک - = 0 - بهصورت زیر است.
