بخشی از مقاله
تحقیقات صحرایی آبیاری زیرزمینی با استفاده از فناوری الکتروسینتیک
چکیده
برای انجام این تحقیق محلی در دشت ورامین انتخاب گردید که عمق آب زیرزمینی در حدود ۵/۵ متر و بافت خاک لومی بود در این محل دو قطعه زمین به فاصلهمت ۹، ر یکی بعنوان شاهد و دیگری بعنوان تیمار هر کدام به مساحت ع۴m*خاکبردا۴انتخابیو با ۲ متر ر با شیب ۱ : ۵۲/۱ عمق آب زیرزمینی از سطح زمین به
۵/۳ متر رسید. یک الکترود بعنوان آند بشکل میلگرد از جنس مس به طول یک متر و قطر ۶/۱ سانتیمتر در داخل آب زیرزمینی و الکترود دیگر از همان جنس به شکل شبکه توری به ابعاد m۴m*۴ در عمق ۰۴ سانتیمتری از سطح خاک تحت عنوان کاتد کار گذاشته شد. انرﮊی مورد نیاز از برق شهری تأمین و توسط مبدلهای لاحبلاطش به جریان مستقیم تبدیل میشد . قطب مثبت به آب زیرزمینی و قطب منفی به شبکه کاتد وصل گردیده و بدین ترتیب آزمایش در دو مرحله هر کدام بمدت ۰۳ روز با ولتاﮊهای ۰۵۱ و ۰۰۳ ولت ادامه یافت. نتایج حاصل از آزمایشات نشان دادند اعمال ولتاﮊ ۰۵۱ ولت از نظر آماری که با آزمون جفتی صورت گرفت نسبت به شاهد تأثیر معنیداری در میزان انتقال رطوبت از آب زیرزمینی به محدوده ریشه گیاه یا شبکه کاتد نداشته ولی در ولتاﮊ ۰۰۳ ولت هم در سطح پنج درصد و هم در سطح یک درصد تفاوت معنیداری را نسبت به شاهد که جریان الکتریکی به آن اعمال نشده بود نشان داد.
کلید واﮊهها: آبیاری زیرزمینی، الکتروسینتیک، انرﮊی الکتریکی، برق مستقیم، رطوبت، خاک
۱- مقدمه
در مناطقی مانند کشور ایران که از نظر اقلیمی داراي آب و هواي خشک و نیمه خشک میباشد منابع آب زیرزمینی نقش مهمی را در تأمین نیاز آبی گیاه ایفا مینماید که براي بالا آوردن آب از سفره زیرزمینی به سطح خاك بایستی از سیستم پمپاژ استفاده شود. در اینگونه مناطق چنانکه عمق آب زیرزمینی کمتر باشد میتوان سیستم پمپاژ را حذف و به جاي آن میتوان با ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سطح آب زیر زمینی و محدوده ریشه گیاه نیاز آبی گیاه را برطرف نمود و تلفات تبخیر از سطح خاك را به حداقل ممکن کاهش داد و یکنواختی رطوبت در محدوده ریشه را فراهم نمود. فناوري مورد استفاده در این روش آبیاري که موجب جابجایی جابجایی رطوبت در خاك میشود تحت عنوان
فناوري الکتروسینتیک از آن یاد میشود. این فناوري داراي شاخههاي مختلفی میباشد که میتوان به الکترولیز، الکتروفورز، الکترومیگريشن و الکترواسمز اشاره کرد و در علم آب و خاك بیشتر به قسمت الکترواسمز پرداخته میشود و پدیدهاي است که در اثر آن کاتیونهاي موجود در الکترولیت منفذي و کاتیونهاي اضافی روي سطح ذرات خاك در اثر ایجاد اختلاف پتانسیل ناشی از جریان الکتریکی مستقیم به سمت کاتد حرکت کرده و مولکولهاي آب به علت دو قطبی بودن همراه کاتیونها به سمت کاتد حرکت مینمایند در نتیجه سبب جریانی از آب یا رطوبت به سمت کاتد میشود که در این تحقیق الکترود کاتد در محدوده ریشه گیاه واقع شده است. از آنجائیکه کارائی این پدیده در انتقال رطوبت در مدلهاي فیزیکی و آزمایشگاهی به اثبات رسیده است بهمین جهت با توجه به اهمیت موضوع در راستاي تحقیقات آزمایشگاهی، این پدیده در شرایط صحرایی به اجرا در آمده که در این مقاله به جزئیات آن پرداخته خواهد شد.
اعمال جریان الکتریسیته بر زمین در مطالعات زمینشناسی از جمله ژئوفیزیک و ژئوالکتریک بمنظور تعیین عمق بسترهاي سنگی در مکانهاي پیشبینی شده براي احداث ساختمان سدها، یافتن فلزات و مواد کانی، اکتشاف نفت و مطالعات آبهاي زیرزمینی داراي کاربردهاي عملی فراوانی بوده است و در چند دهه اخیر، اعمال جریان الکتریکی مستقیم بر خاك در جهت افزایش کیفیت فنی و مکانیکی خاکهاي رسی ریزدانه، خشکاندن اراضی باتلاقی، زهکشی خاکهاي ریزبافت با نفوذپذیري پایین، اصلاح خاکهاي شور و واگرا، آبشویی خاك، پاکسازي خاکهاي آلوده به فلزات سمی و سنگین، حفظ ابنیه هاي تاریخی در مقابل رطوبت، تصفیه آب و مسائل آب زیرزمینی، تثبیت لجن و آبیاري در حد مدل مورد مطالعه قرار گرفته است.
پدیده الکترواسمز که شاخهاي از فناوري الکتروسینتیک است اولین بار در سال 1807 توسط رئوس مشاهده گردید و اولین کاربرد مربوط به آبیاري در سال 1980 توسط فرانزسولار در حد مدل آزمایشگاهی مورد توجه قرار گرفته است. کاربرد صحرایی این پدیده در سال 1939 توسط کاساگرانده براي خاکهاي لغزنده یک مسیر خط آهن صورت گرفته است. براي این منظور از کاتدهاي لولهاي شکل و آندهاي میلهاي استفاده گردید. کاتد مورد استفاده مشبک انتخاب شده بود تا آب به درون آن وارد شده و در اثر فشار الکتریکی به سطح زمین راه یابد .[1] در سال 1975 از پدیده مذکور بمنظور زهکشی و تثبیت الکتروشیمیایی خاك بهره جستهاند .[2] در سال 1991 با اعمال ولتاژ 6 ولت توانستند فشار پیش تحکیم خاك را بمیزان 51 تا 88 درصد افزایش و در نتیجه مقاومت برشی زهکشی نشده به 172 درصد افزایش و رطوبت خاك 30 درصد کاهش یابد [3]، تحقیقات بعدي بلافاصله بعد در همان سال در شرایط صحرایی و در زمینی به مساحت 1200 متر مربع در 21 کیلومتري جنوب شرقی اوتاوا بمنظور زهکشی آغاز گردید.[4] در سال 1984 فرانزسولار پدیده الکتروسینتیک را جهت بالا آوردن رطوبت از سفره آب زیرزمینی به منطقه توسعه ریشه گیاهان مورد آزمایش قرار داد.[5] در سالهاي اخیر در ایران این پدیده در جهت زهکشی [6]، آبشویی [7]، جابجایی رطوبت [8]، پاکسازي خاك [9]، اصلاح خاکهاي شور وقلیاء و واگرا 11]،10، [12 مورد استفاده قرار گرفته است.
۲ – مواد و روشها
تحقیقات صورت گرفته تابحال نشان میدهد که انتقال و جابجایی رطوبت در خاکهاي ریزبافت رسی و سیلتی بعلت وجود بار الکتریکی بر اثر پدیده الکترواسمز از کارائی بالایی برخوردار میباشد و با توجه به اینکه آزمایشات صورت گرفته در این خصوص تابحال در حد مدلهاي آزمایشگاهی و براي عمق کم آب زیرزمینی بوده است. لذا در این تحقیق سعی بر آن بوده که فناوري مذکور در شرایط صحرایی و طبیعی پیاده و براي عمق آب زیرزمینی بیشتر و مساحت بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد. براي این منظور سعی
گردید تا محل مورد انتخاب از نظر دسترسی به سفره آب زیرزمینی و انرژي الکتریکی براحتی امکانپذیر و از نظر بافت خاك مناسب و امکان نمونه برداري از عمقهاي مختلف خاك تا رسیدن به آب زیرزمینی با مته نمونه برداري خاك (طک؟أ(A براحتی فراهم شود.
با توجه به اینکه عمق قابل دسترسی با مته نمونه بردار دستی در حدود 5 – 6 متر میباشد در نتیجه محلی پیشبینی گردید که عمق آب زیرزمینی در حدود 5/5 متر و خاك داراي بافت نسبتاً ریز بوده و امکان دسترسی به شبکه برق وجود داشته باشد این محل با توجه به شرایط مذکور در محدوده جنوب شرقی تهران و غرب دشت ورامین در عرض جغرافیایی 39˚, 36 ,50 شمالی و طول جغرافیایی 54˚,35 ,00 شرقی انتخاب گردید. مساحت بلوکها نیز طوري انتخاب شدند که از نظر تأمین انرژي و کنترل امکانپذیر و شرایط کشت در تحقیقات بعدي میسر باشد. بنابراین دو بلوك هر کدام به مساحت 16 متر مربع m)۴m*۴) و به فاصله 9 متر از همدیگر در نظر گرفته شد و به علت محدودیت در تأمین انرژي با انجام 2 متر خاکبرداري، عمق آب زیرزمینی به 3/5 متر محدود گردید. یکی از بلوکها بعنوان شاهد و دیگري بعنوان تیمار در نظر گرفته شد و براي جلوگیري از ریزش دیوارهها، شیب 1/25 : 1 به آنها داده شد. براي جلوگیري از جمع شدن رواناب ناشی از نزولات جوي سطوح شیبدار در کف بلوکها، این سطوح در سه تراز بانکتبندي گردیدند تا رواناب ناشی از بارندگی در آنها جمع شده و بتدریج در خاك نفوذ نماید. در مرکز تقارن بلوك تیمار یک میلگرد فلزي از جنس مس به طول یک متر و قطر 1/6 سانتیمتر بعنوان آند یا قطب مثبت در تماس با آب زیرزمینی نصب شد و شبکه کاتد یا قطب منفی نیز از همان جنس در ابعادي به مساحت بلوك تیمار m)۴m*۴) با چشمههاي طولی و عرضی 12/5 سانتیمتر در عمق 40 سانتیمتري از سطح خاك در محدوده عمق توسعه ریشه گیاه نصب گردید. براي تأمین انرژي الکتریسیته از دستگاه تبدیل جریان متناوب به مستقیم که از شبکه برق سراسري تغذیه میشد استفاده گردید. جهت کنترل رطوبت در عمقها و فواصل مختلف از محور تقارن مرکزي بلوکهاي تیمار و شاهد در طول مدت آزمایش، سنسورهاي رطوبتی به فواصل افقی و عمودي یک متر از همدیگر از سطح آب زیرزمینی تا 10 سانتیمتري زیر شبکه کاتد کار گذاشته شدند. با استفاده از یک دستگاه اهممتر، مقاومت الکتریکی سنسورها در فواصل زمانی مشخص قرائت و توسط منحنیهاي کالیبراسیون یا واسنجی که قبل از کارگذاري در محل اصلی، بطریق تجربی بدست میآیند میزان رطوبتهاي متناظر با مقاومتهاي الکتریکی اندازهگیري شده تعیین میشدند. شکل 1 شبکه کاتد کارگذاري شده را در بلوك تیمار نشان میدهد.
شکل ۱ – شبکه کاتد کارگذاری شده در بلوک تیمار ش
بدلیل زیاد بودن تعداد سیم سنسورهاي رطوبتی و کابل برق و دست و پا گیر بودن آنها و همچنین محافظت آنها در مقابل آفتاب سوختگی و سایر عوامل، تمامی آنها از داخل لوله پلیکا (حه حبحب) عبور داده شد و به اتاق کنترل منتقل گردید. در این اتاق کلیه سیمها و کابل برق از طریق فیشهاییکه بر سر آنها نصب شده بودند به تابلو کنترل موجود در آن وصل گردیدند. قرائت مقاومت الکتریکی سنسورها و اعمال انرژي الکتریکی بر زمین از طریق این واحد کنترل صورت میگرفت که تصویر آن در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل ۲ – نحوه ارتباط سیم سنسورهای رطوبتی و کابل برق به تابلوی کنترل در اتاق فرمان ش
با توجه به اینکه قرار بود از پدیده الکتروسینتیک بعنوان یک روش آبیاري براي محصولات زراعی استفاده شود لذا باید محیطی براي توسعه ریشه گیاه در نظر گرفته میشد که این محیط در بالاي شبکه کاتد میباشد بهمین علت بعد از کارگذاري شبکه کاتد، تجهیز چاهک الکترود آند و عبور سیم سنسورهاي رطوبتی از داخل لوله حهحبحب به اتاق فرمان، روي شبکه کاتد را به ارتفاع 40 سانتیمتر با خاك زراعی پوشانده و سطح خاك تراز گردید. این موارد در شکل 3 نشان داده شده است.
