بخشی از مقاله
چکیده
اندازهگیری مستقیم ویژگیهای هیدرولیکی خاک سخت، زمانبر، پرهزینه و نیازمند کارهای آزمایشگاهی زیادی است . از این رو در سالهای اخیر روشهایی غیرمستقیم همچون توابع انتقالی جهت تخمین ویژگیهای هیدرولیکی خاک با استفاده از پارامترهای زودیافت خاک پیشنهاد شده است روشهای رگرسیونی از جمله روشهایی بوده که برای تخمین توابع انتقالی - PTFs - خاک مورد استفاده قرار میگیرند. بدین منظور در 100 نقطه مطالعاتی حوزه آبخیز سیروان در استان ایلام، هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از پرمامتر گوالف اندازهگیری شد.
جهت اندازهگیری ویژگیهای زودیافت خاک نیز نمونههایی دستخورده نیز از همان نقاط مطالعاتی برداشت شد. با لحاظ نمودن فرضیات همراستایی، استقلال خطالها و نرمال بودن متغیرها، برای تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از مدلهای رگرسیونی، پارامترهای ورودی درصد شن، میانگین و انحراف معیار هندسی قطر ذرات خاک، تخلخل و جرم مخصوص ظاهری زراعی خاک بهعنوان پارامترهای ورودی گزینش شدند.
بهمنظور مقایسه و ارزیابی مدلهای مختلف از پارامترهای آماری RMSE ،ME و R2 استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان دادنکه معادلات ارائه شده در این پژوهش به دلیل استفاده از پارامترهایی که تاثیری بیشتری بر هدایت هیدرولیکی اشباع دارند، میتوانند نتایج مناسبی ارائه کنند. هر چند در مجموع نتایج بدست آمده نشان داد که معادله - 2 - به دلیل استفاده از پارامترهایی ورودی کمتر و سهلالوصولتر میتواند بهعنوان گزینهای مناسب برای دستیابی به برآوردهای نسبتاً خوب از هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در منطقه مورد مطالعه پیشنهاد گردد.
مقدمه
هدایت هیدرولیکی اشباع - Ks - بهعنوان یکی از ویژگیهای مهم هیدرولیکی خاک در بررسی جریان آب در خاک، انتقال املاح و آلایندهها در خاک، مدلسازی جریان آب در سفرههای زیرزمینی و همچنین طراحی سیستمهای آبیاری و زهکشی در خاک کاربرد دارد . این در حالی است که اندازهگیری مستقیم هدایت هیدرولیکی اشباع خاک چه بهصورت صحرایی و چه آزمایشگاهی پرهزینه، زمانبر و دشوار میباشد. افزون بر این، بهدلیل تغییرپذیری زمانی و مکانی هدایت هیدرولیکی خاک، اندازه-گیری مستقیم آن نیاز به نمونهبرداریهای فراوان دارد
بنابراین، در سالهای اخیر استفاده از روشهای غیرمستقیم که ارزان، سریع و بهآسانی قابل دسترس باشند مورد توجه محققین خاک و آب قرار گرفته است . - Arshad et al., 2013 - یکی از این روشهای غیرمستقیم، کمهزینه، سریع و در عین حال دقیق توابع انتقالی خاک - PTFs - می-باشد. در توابع انتقالی با استفاده از دادههای زود یافت خاک همچون بافت، جرم مخصوص ظاهری، تخلخل کل و مقدار ماده آلی برخی خصوصیات دیر یافت خاک همچون هدایت هیدرولیکی اشباع تخمین زده می شود
توابع انتقالی خاک به دو گروه کلاسی و پیوسته تقسیم میشوند . - Wösten et al., 1995 - توابع انتقالی کلاسی توابعی بوده که میانگینی از ویژگیهای دیر-یافت خاک را برای هر کلاس بافتی ارائه میدهند. این در حالی است که توابع انتقالی پیوسته، از طریق روابطی رگرسیونی، امکان برآورد ویژگیهای دیریافت خاک را از روی ویژگیهای زودیافت در کلیهی نقاط مثلث بافت خاک بهطور پیوسته فراهم میکنند. توابع کلاسی در مقایسه با توابع پیوسته ارزان و سریع بوده، لیکن دارای دقت کمتری میباشند. در چند دهه اخیر تلاشهایی بسیار صورت گرفته تا بتوان با استفاده از روشهایی غیرمستقیم، ساده، کمهزینه و دقیق خصوصیات هیدرولیکی خاک را برآورد و شبیهسازی کرد.
Ghanbarian-Alavijeh و همکاران - 2010 - بهمنظور برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی، از پارامترهای اندازهگیری شده شن، سیلت، رس، چگالی ظاهری، مواد آلی و تخلیه مؤثر استفاده کردند. نتایج پژوهش این محققین نشان داد، استفاده از تخلخل مؤثر بهعنوان پارامتر ورودی بههمراه دیگر پارامترهای اندازهگیری شده شن، سیلت، رس، چگالی ظاهری و ماده آلی میتواند سبب افزایش دقت تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک شود.
Parasurman و همکاران 2006 - - ، برای برآورد KS در مقیاس مزرعه با بهرهگیری از شبکه عصبی مصنوعی، از دو مجموعه دادهها یکی با پارامترهای ورودی درصد شن، سیلت و رس و دیگری با پارامترهای ورودی درصد شن، سیلت، رس و جرم ویژه ظاهری استفاده کردند. در این پژوهش همچنین کارایی PTFsهای ایجاد شده با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی با برنامه شبکه عصبی روزتا و الگوریتمهای Bagging و Boosting در تخمین Ks نیز ارزیابی شدند.
نتایج این پژوهش نشان داد که شبکههای عصبی ایجاد شده جهت تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک، در مقایسه با برنامه رزوتا دارای عملکردی مناسبتر میباشند. این در حالی است که استفاده از الگوریتم Boosting در مدل شبکه عصبی، به دلیل کاهش اریبی و واریانس مدلهای شبکه عصبی ایجاد شده، در مقایسه با الگوریتم Bagging منجر به نتایج بهتری میگردند.
Ghanbarian-Alavijeh و همکاران - 2009 - از شبکه عصبی مصنوعی بهمنظور تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از دادههای اندازهگیری شده منحنی مشخصه رطوبتی خاک و جرم مخصوص ظاهری استفاده کردند. در مرحله آموزش مدل از 114داده اندازهگیری شده منحنی مشخصهی رطوبتی و جرم مخصوص ظاهری خاک و در مرحله آزمون از 28 داده باقیمانده استفاده شد. نتایج بهدست آمده نشان داد که مقادیر MSE و R2 مرحله آزمون مدل شبکه عصبی مصنوعی بهترتیب معادل 0/0028 و 0/76 است؛ که حاکی از دقت خوب مدل شبکه عصبی مصنوعی در برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک میباشد. در این پژوهش تلاش میشود با بهرهگیری از پارامترهای زود یافت خاک توابعی انتقالی جهت برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاکهای حوزه آبخیز سیروان در استان ایلام پیشنهاد شود.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه بخشهایی از اراضی حوزه آبخیز سیروان واقع در استان ایلام میباشد. در این منطقه تعداد 100 چاهک به عمق 30 سانتیمتر حفر شد. سپس هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در این چاهکها با دستگاه نفوذسنج گوالف اندازهگیری شد. شایان ذکر است که از همان محل اندازهگیری هدایت هیدرولیکی اشباع خاک نیز نمونههایی دستخورده برداشت شد. نمونهها پس از انتقال به آزمایشگاه و هوا خشک کردن از الک 2 میلیمتری عبور داده شدند. در این پژوهش برای اندازهگیری پارامترهای زود یافت خاک همچون توزیع اندازهی ذرات خاک از روش هیدرومتری، کربن آلی خاک از روش والکلی- بلک، جرم مخصوص ظاهری خاک از روش کلوخه، رطوبت معادل ظرفیت زراعی با دستگاه صفحات فشاری1 و تخلخل خاک نیز از طریق محاسبه نسبت جرم ویژه ظاهری به جرم ویژه حقیقی و استفاده از رابطه n=1 - b/ s استفاده شد
شایان ذکر است که برای محاسبهی میانگین هندسی و انحراف معیار هندسی قطر ذرات خاک از روابط پیشنهادی شیرازی و بورسما استفاده شده است . - Shirazi and Borsema, 1984 - برای ارزیابی اعتبار توابع انتقالی پیشنهادی و مقایسه نتایج آنها از آمارههای ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - ، میانگین خطا - ME - و ضریب همبستگی - r - استفاده شد:
که در آنها، Mi مقادیر اندازهگیری شدهی متغیر، Ei مقادیر پیشبینی شده آن و n تعدادکل نمونهها میباشد. با توجه به این آمارهها مدلی دارای نتایج بهتری است که کمترین مقدار RMSE وME - مقادیر نزدیک به صفر - و r نزدیک به 1 را داشته باشد.
نتایج و بحث
در این پژوهش برای بدست آوردن مدل رگرسیون خطی چندگانه هدایت هیدرولیکی اشباع خاک از متغیرهای مستقلی همچون فراوانی اندازه ذرات خاک، تخلخل کل، جرم مخصوص ظاهری، درصد ماده آلی، میانگین و انحراف معیار هندسی قطر ذرات خاک استفاده شد. Aimrun و - 2009 - Amin بهترین مدل رگرسیونی برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاکهای شالیزاری را مدل رگرسیونی گامبهگام با پارامترهای ورودی درصد ماده آلی، چگالی ظاهری، درصد رس و میانگین هندسی قطر ذرات خاک گزارش کردند. یکی از مفروضاتی که در روشهای رگرسیون مدنظر قرار میگیرد، ارزیابی همراستایی چندگانه بین متغیرهای مستقل ورودی است .
بهدلیل مشکلاتی که همراستایی چندگانه در تفسیر و برآورد متغیرهای وابسته ایجاد میکند باید از به کار گرفتن آن اجتناب کرد. در این پژوهش برای ارزیابی آزمون همراستایی بین متغیرهای مستقل از نرم افزار SPSS 18 و فاکتور عامل تورم واریانس1 - VIF - استفاده شد. در صورتی که شاخص VIF متغیری مستقل کمتر از 10 باشد، بدین معنی است که این متغیر مستقل با دیگر متغیرها دارای همبستگی نمیباشد.
نتایج بدست آمده نشان داد که بین درصد رس و سیلت و میانگین هندسی قطر ذرات خاک همراستایی وجود دارد. به همین دلیل پارامترهایی که تأثیر کمتری بر هدایت هیدرولیکی اشباع داشته و از سویی دیگر دارای همراستایی بالایی بودند از فهرست متغیرهای ورودی حذف شدند. لذا، پارامترهای درصد شن، میانگین و انحراف معیار هندسی قطر ذرات خاک، جرم مخصوص ظاهری و تخلخل که بر هدایت هیدرولیکی اشباع تأثیر بیشتری دارند در معادلات پیشنهاد شده بکار گرفته شدند.
از دیگر مفروضاتی که در رگرسیون مدنظر قرار میگیرد فرض استقلال خطاها از یکدیگر است. در صورتی که خطاها با هم همبستگی داشته باشند نمیتوان از رگرسیون استفاده نمود. در این پژوهش برای ارزیابی استقلال خطاها از یکدیگر از آزمون دوربین – واتسون استفاده شد. با توجه به اینکه مقدار این آماره بین 1/5 تا 2 قرار میگیرد، فرض وجود همبستگی بین خطاها رد شده و میتوان از معادلات رگرسیونی استفاده کرد. از دیگر مفروضات رگرسیون، فرض نرمال بودن متغیرهای ورودی و پاسخ است، که این موضوع نیز با بهرهگیری از آزمون کولموگروف- اسمیرنوف ارزیابی شد. در نهایت متغیرهای غیر نرمال با استفاده از تبدیل مناسب نرمال شدند.
با لحاظ نمودن این مفروضات، روشهای مختلف ورود دادهها برای اشتقاق توابع رگرسیون خطی چندگانه جهت برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در جدول - 1 - ارائه شده است. همانگونه که نتایج نشان میدهد همه این مدلهای پیشنهادی با ویژگیهای زود یافت درصد شن، میانگین و انحراف معیار هندسی قطر ذرات خاک، جرم مخصوص ظاهری و نسبت درصد سیلت به رس دارای ضریب همبستگینسبتاً بالا و خطایی پایین در برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک میباشند.
