بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تخمین رطوبت خاك در بافت هاي مختلف با دستگاه TDR و مقایسه آن با مقادیراندازه گیري شده
چکیده
روش هاي مختلفی براي تخمین رطوبت خاك وجود دارد. روش (Time Domain Reflectometry ) TDR یک روش نسبتا جدید می باشد که در آن بر اساس سرعت حرکت امواج الکترومغناطیسی در خاك مقدار رطوبت حجمی تخمین زده می شود. هدف از این تحقیق بررسی دقت دستگاه TDR در تخمین رطوبت حجمی بافت هاي مختلف خاك می باشد. آزمایش بر روي سه نوع خاك مختلف با بافت هاي سنگین، متوسط و سبک در سه تکرار انجام شد. بدین منظور از گلدان هاي پر شده از خاك به ارتفاع 35 و قطر 29 سانتی متر و پروب هاي سه شاخه اي TDR به طول 20 سانتی متر استفاده گردید. علاوه بر تخمین رطوبت خاك، با استفاده از دستگاه TDR، رطوبت حجمی خاك نیز به روش مستقیم (وزنی) اندازه گیري شد. مقادیر تخمین زده شده رطوبت خاك با دستگاه TDR در سه روش مختلف (منحنی واسنجی دستگاه، مدل تاپ و همکاران (1980)و روش ترکیبی) با مقادیر اندازه گیري شده مقایسه گردید. نتایج نشان داد که جذر متوسط مربع خطا (RMSE) بین مقادیر اندازه گیري شده رطوبت حجمی خاك با نتایج حاصله از تخمین آن با منحنی واسنجی دستگاه برابر 3/2 درصد بود. همچنین مقدار متوسط RMSE درسه نوع خاك آزمایش در روش هاي تاپ و همکاران (1980) و روش ترکیبی به ترتیب برابر 3/0 و 4/3 درصد بودند.
واژههاي کلیدي: TDR، رطوبت خاك، بافت خاك، منحنی واسنجی، مدل تاپ و همکاران، مدل ترکیبی.
مقدمه
روش استفاده از دستگاه بازتاب زمانی امواج روشی جدید براي تخمین رطوبت خاك است. این روش اولین بـار بـراي انـدازه گیري رطوبت خاك توسط تاپ و همکاران(1980) 1 گزارش شده است. دقت بالا (حدود 1 تا 2 درصد حجمـی)، عـدم نیـاز بـه کالیبره دستگاه در اکثر خاك ها، نبودن خطر تشعشع در روش نوترون متري و روش اشـعه گامـا، کـاربرد سـاده، امکـان انـدازه گیري اتوماتیک و تکرار پذیر رطوبت از جمله مزایاي این روش نسبت به سایر روش هاي متداول اندازه گیري رطوبت خاك می باشد.
سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در امتداد یک میله به طول L بر اساس زمان رفت و برگشت موج توسط کابل گیرنده دستگاه TDR تعیین می شود. سرعت انتشار تابعی از ضریب دي الکتریک توده خاك ( ( εb می باشد و مطابق با رابطه زیر بیان میگردد.
که در آن :c سرعت انتشار موج الکترومغناطیسی در خلاء (3×10 8 m s-1)، :t زمان رفت و برگشت پالس عبوري از میله (s)، :L
طول میله (m) و :v سرعت انتشار موج الکترومغناطیسی در میله (m s-1) می باشند.
دو روش عمده براي بیان رابطه بین ثابت دي الکتریک و رطوبت حجمی خاك وجود دارد. روش اول روشی تجربی است که بر اساس رابطه ریاضی ساده اي بر داده هاي اندازه گیري شده برازش داده شده است. نمونه اي از این روش که به مـدل تـاپ وهمکاران (1980) معروف است، به صورت زیر بیان گردیده است:
که در آن θv رطوبت حجمی خاك (m3 m-3) می باشد.
روش دوم که پایه فیزیکی دارد، بر اساس ترکیبی از ثابت دي الکتریک سه فاز تشکیل دهنده خاك استوار است. این مدل تحت عنوان مدل ترکیبی نامیده می شود و توسط دابسون و همکاران(1985) 2 و راس و همکاران(1990) 3 ارائه شده است.
طبق این روش ثابت دي الکتریک حجم خاك به صورت زیر بیان می گردد:
که در آن :η تخلخل خاك (m3 m-3)، : εw ,εs ,εa به ترتیب ثابت دي الکتریک هوا، خاك و آب مـی باشـند. β پـارامتر هندسی است که به نحوه قرار گیري پروب دستگاه در خاك بستگی دارد و محدوده تغییرات آن بین 1 (پـروب مـوازي بـا لایـه هاي خاك) و -1 (حالت عمودي) است. مقدار این پارامتر را می توان براي یک محیط دو فازي برابر بـا 0/5 در نظـر گرفـت. بـا مرتب کردن رابطه فوق می توان رطوبت حجمی را به صورت زیر محاسبه نمود:
مواد و روش ها
این تحقیق در آزمایشگاه تحقیقاتی بخش مهندسی آب دانشکده کشاورزي دانشگاه شیراز انجـام گرفـت. بـراي آزمـایش از دستگاه TDR با مارك TRASE استفاده گردید. پروب هاي استفاده شده سه شاخه اي بـا طـول 20 سـانتی متـر بودنـد. ایـن تحقیق با سه نوع خاك با بافت هاي مختلف انجام شد. مشخصات مربوط به این سه نوع خاك در جدول (1) ارائـه شـده اسـت.
تحقیق در گلدان هاي پلاستیکی به قطر 29 و ارتفاع 35 سانتی متر و براي هر نوع خاك در سه تکرار انجام گردیـد. بعـد از پـر شدن گلدان ها به میزان معین از خاك از زیر اشباع شده و پروب هاي TDR به صورت عمـودي در داخـل خـاك اشـباع شـده کارگذاشته شدند. سپس در روزهاي متوالی، اندازه گیري رطوبت خاك هر گلدان بوسیله دستگاه TDR و بطور مستقیم بـا وزن کردن گلدان ها صورت گرفت. در هر بار اندازه گیري با دستگاه مقادیر ثابت دي الکتریک خـاك نیـز ثبـت گردیـد. بـه منظـور تعیین رطوبت بر اساس مدل تاپ مقادیر ثابت دي الکتریک اندازه گیري شده براي هر قرائت رطوبت در مـدل قـرار داده شـد و رطوبت محاسبه گردید. براي استفاده از مدل ترکیبی لازم است که مقادیر ثابت دي الکتریک خاك خشک، آب و هـوا مـشخص باشد. با بررسی تحقیقات مختلف مقادیر 1، 81 و 4 به ترتیب براي ثابت دي الکتریک هوا، آب و خاك و مقـدار 0/5 بـراي β درنظر گرفته شد. به منظور ارزیابی هر یک از مدل ها در تخمین رطوبت حجمـی خـاك، پارامترهـاي جـذر متوسـط مربـع خطـا
(RMSE) و خطاي نسبی (RE) با استفاده از روابط زیر تعیین گردید:
که در آن ها :RMSE جذر متوسط مربع خطا، :RE خطاي نسبی، :θmeasured رطوبت حجمی اندازه گیري شده، :θestimatedرطوبت حجمی تخمین زده شده، :n تعداد اندازه گیري ها :i شماره قرائت و متوسط رطوبت حجمی اندازه گیری شده میباشند.
نتایج و بحث
نتایج حاصل از تخمین رطوبت با استفاده از مدل هاي تاپ، ترکیبی و معادله کالیبره TDR بـا مقـادیر انـدازه گیـري شـده مقایسه گردید. این مقایسه براي هر سه نوع خاك در شکل (1) نشان داده شده است.ملاحظه می گردد که در خاك ماسه بادي که کمترین مقدار رس را داراست، نتایج حاصل از هر سه مدل تخمین رطوبت حجمی به مقادیر اندازه گیري شـده نزدیـک تـر است. در این خاك تخمین هاي رطوبت خاك در مدل تاپ با مدل ترکیبی تقریبا بر هـم منطبـق بـوده و بـا مقـادیر حاصـل از معادله کالیبره دستگاه نیز هماهنگی مناسبی دارند. با سنگین تر شدن بافت خاك یعنی در خاك سري دانشکده اختلاف مقادیر تخمین زده شده با مقادیر اندازه گیري شده بیشتر شده است. اگر چه انتظار می رفت که در خاك کوي اساتید که درصـد رس کمتري نسبت به خاك سري دانشکده دارد، نتایج تخمینی هماهنگی بیشتري با مقادیر انـدازه گیـري شـده داشـته باشـد، امـا مشاهده گردید که نتایج بدست آمده به ویژه در مدل ترکیبی داراي اختلاف زیادي (حتی تا 6 درصد) با مقـادیر انـدازه گیـري شده است، که دلیل عمده آن وجود سنگریزه فراوان در این خاك می باشد که امکان برقراري تماس مناسب پـروب دسـتگاه بـا خاك را از بین می برند.
با محاسبه پارامترهاي جذر متوسط مربع خطا (RMSE) و خطاي نسبی (RE) با استفاده از معادلات (5) و (6) و مقایـسه آن ها، مشاهده شد که مدل تاپ نسبت به مدل ترکیبی از دقت بالاتري در تخمین رطوبت خاك برخوردار است. بطور کلی می توان گفت که با سنگین تر شدن بافت خاك دقت مدل تاپ و ترکیبی در تخمین رطوبت حجمی کاهش می یابد، علاوه بر ایـن وجود سنگریزه در خاك نیز باعث کاهش دقت این مدل ها در تخمین رطوبت می شود. دقت معادله کالیبره خود دستگاه در هر سه نوع خاك تقریبا یکسان بوده است (جدول .((2)
جدول :(2) مقادیر RMSE و RE حاصل از مقایسه رطوبت حجمی اندازه گیري شده و مقادیر تخمین زده شده با سه مدل مختلف
