بخشی از مقاله
چکیده
دراین تحقیق با استفاده از روش های مبتنی بر دانه بندی و پارامترهای زودیافت خاک اقدام به تخمین خصوصیات هیدرولیکی خاک های ماسه ای تپه های شمال اهواز شد. لذا با ساخت یک مدل فیزیکی در هر سطح ایستابی مقدار رطوبت اندازه گیری شده و برای مکش های بالای یک متر از صفحات فشاری استفاده شد.
در ادامه بر اساس روش های مبتنی بر دانه بندی و پارامتر های زودیافت خاک اقدام به تخمین خصوصیات هیدرولیکی خاک گردید و به منظور تعیین هدایت هیدرولیکی غیر اشباع خاک k - h - ، از تابع هدایت آبی غیر اشباع k - h - وان گنوختن- معلم و وان گنوختن - بوردین و به منظور تعیین منحنی رطوبتی - , h - مدل های وان گنوختن و بروکز و کوری استفاده گردید و جهت پردازش داده ها به این روابط، برنامه ی کامپیوتریRETC استفاده شد. سپس براوردهای بدست آمده از روش های مختلف با استفاده از روش های آماری ارزیابی و با هم مقایسه شدند. نتایج نشان می دهد که نرم افزار RETC و مدل هاتسون و کاس با دقت بالایی منحنی رطوبتی خاک مورد آزمایش را مدل سازی می کنند.
مقدمه
اهمیت منطقه غیر اشباع به عنوان یکی از قسمت های اصلی چرخه هیدرولوژیکی از مدتها بیش شناخته شده است. این منطقه نقش غیر قابل اغماضی در بسیاری از مباحث هیدرولوژی را دارد.در سال های اخیر افزایش نگرانی عمومی در مورد آلودگی آبهای زیرزمینی و تخلیه زیر سطحی فاضلابهای مضر، بدلیل تأثیر فعالیت های کشاورزی، صنعتی و شهری بر محیط زیر سطحی یا آبهای زیرزمینی سبب تحقیقات جدید بسیاری بر روی جریان آب در محیط غیر اشباع شده است.
در این راستا، مخصوصا پیش بینی و برآورد هدایت هیدرولیکی غیر اشباع از روی خواص فیزیکی و منحنی رطوبتی خاک بسیار مهم است - هیلل،. - 1998 منحنی رطوبتی و هدایت هیدورولیکی غیر اشباع خاک دو فاکتور اصلی در بررسی روابط هیدرولیکی غیر اشباع خاک می باشد. میزان رطوبت می تواند به صورت عاملی از پتانسیل خاک مطرح شود. منحنی حاصل از چنین ارتباطی در واقع همان منحنی رطوبتی خاک می باشد که می تواند به دو صورت رطوبت زدائی و رطوبت گیری ترسیم شود.هدایت هیدرولیکی غیر اشباع همواره در روابط آب و خاک به صورت عاملی از میزان رطوبت یا پتانسیل ماتریک نشان داده می شود
امروزه با پیشرفت علوم کامپیوتری از مدل های کامپیوتری در رشته های مختلف مرتبط به علوم آب و خاک رو به گسترش است. دانستن روابط هیدرولیکی غیر اشباع خاک به عنوان ورودی برای این مدل های لازم و ضروری است
اهداف کلی این طرح تحقیقاتی ،اندازه گیری منحنی رطوبتی برای مکش های کمتر از یک متر از طریق ایجاد سطوح مختلف ایستابی و مقایسه و ارزیابی روش های مختلف تعیین خصوصیات هیدرولیکی خاک - منحنی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی - با استفاده از روش های مبتنی بر دانه بندی و بافت خاک می باشد.
مواد و روش ها
در این تحقیق جهت تعیین مکش و رطوبت از روش کنترل سطح ایستابی و صفحه فشار نمونه هایی از تپه های ماسه ای شمال اهواز تهیه و در آزمایشکاه به حالت اشباع در آمده تا با کنترل سطح ایستابی در اعماق مختلف و تحت زهکشی طبیعی توزیع رطوبت در طول پروفیل خاک به حالت تعادل در آید. بدین منظور اقدام به ساخت مدل فیزیکی جهت شبیه سازی جریان آب زیرزمینی در سطوح ایستابی مختلف شد.
پس از رساندن نمونه های خاک به حالت اشباع و نگهداشتن سطح ایستابی در یک عمق معین و رسیدن به حالت تعادل، رطوبت در اعماق مختلف اندازه گیری گردید.
به منظور داشتن نقاط بیشتر و بخش های با مکش های بالاتر از یک متر در منحنی رطوبتی خاک از دستگاه صفحه فشار استفاده شد.
جهت تعیین بافت خاک از دو روش الک و هیدرومتری استفاده شد. برای دانه بندی به روش الک از روش استاندارد آمریکایی USDA استفاده گردید که به کمک اطلاعات بدست آمده منحنی دانه بندی خاک لذا بافت خاک معین شد. روش هیدرومتری در سازمان آب و خاک کشور استفاده می شود که در آن به کمک هیدرومتر که چگالی مخلوط را در عمقی که مرکز حجم حباب هیدرومتر در آن جا قرار می گیرد در یک لحظه ی معین از زمان نشان می دهد. مبنای تعیین بافت خاک در این روش قانون استوکس 1 است. سپس با توجه به اطلاعات بدست آمده با استفاده از مثلث بافت خاک، بافت خاک معین گردید. در ادامه خصوصیات هیدرولیکی خاک - منحنی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاک - با توجه به روش های مبتنی بر دانه بندی و بافت خاک همچون گرگسون و هاتسون و کاس تخمین زده شد.
همچنین به منظور تعیین هدایت هیدرولیکی غیر اشباع خاک k - h - ،از تابع هدیت آبی غیر اشباع k - h - وان گنوختن- معلم و وان گنوختن - بوردین و به منظور تعیین منحنی رطوبتی - , h - مدل های وان گنوختن و بروکز و کوری استفاده گردید. همچنین جهت پردازش داده ها به این روابط، برنامه ی کامپیوتریRETC گردید و با انتخاب گزینه های مناسب توابع هیدرولیکی نمونه های خاک با دقت مناسب محاسبه و تعیین شد. در ادامه براوردهای بدست آمده در تخمین منحنی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاک از روش های مختلف با استفاده از روش های آماری ارزیابی گردید.
معرفی مدل ها
در معرفی مدل ها به دلیل زیاد و طولانی بودن معادلات و روابط فقط به توضیح کلی با ذکر منبع اکتفا شده است :
1 - مدل ساکستون که براساس داده های پایه بسیاری بدست آمده است ، منحنی مشخصه خاک را به سه قسمت تقسیم می کند:
- 1 - بین مکش صفرو مکش ورود هوا ، درصد رطوبت ثابت و برابر درصد رطوبت اشباع می باشد - 2 - . بین مکش ورود هوا و مکش 10 کیلو پاسکال ، تغییرات درصد رطوبت خطی است - 3 - . برای مکش های بین 10 کیلو پاسکال ، درصد رطوبت از تابع توانی ψ =A B بدست می آید. در استفاده از این مدل مقادیر өs وψ e با استفاده از درصد رس و ماسه ی به دست آمده،تعیین و سپس منحنی های مشخصه رطوبتی نمونه های خاک پیش بینی شدند
2 - مدل دو قسمتی - هاتسون و کاس - جهت استفاده در مدل های شبیه سازی جریان آب در خاک تهیه شده است . این مدل پس ماند را در نظر نمی گیرد و دارای شکل S می باشد.برای تعیین این مدل، مدل تغییر یافته ی کمپل را در مکش های 0 تا 15000 سانتیمتر بر داده های منحنی مشخصه خاک برازش داده تا به کمک آن درصد رطوبت و مکش در نقطه ورود هوا، بدست آید. سپس با استفاده از روابط تجربی می توان منحنی مشخصه هر نمونه را در نقطه ورود هوا تعیین کرد
ارزیابی آماری مدل ها
به منظور ارزیابی مدلهای مورد بررسی از پارامترهای آماری میانگین قدرمطلق خطا - - MAE - فرمول - 12-3، ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - - فرمول - 13-3، خطای کل، عوامل نسبت خطای متوسط هندسی - GMER - و نسبت خطای انحراف استاندارد هندسی - GSDER - استفاده شد.
خطای کل نیز مجموع دو مقدار RMSE و MAE میباشد.
در شاخصهای بالا مقادیر واقعی - اندازهگیری شده - ، مقادیر پیشبینی شده و N تعداد کل مشاهدهها میباشد.
RMSE و MAE بیانگر انطباق کامل بین مقادیر اندازهگیری و تخمین زده شده است، ولی در عمل مقدار این دو عامل صفر نمیشود و همواره بزرگتر از صفر است. بنابراین بهترین مدل، مدلی است که کمترین RMSE و MAE را داشته باشد.
GMER برابر با یک بیانگر تطابق کامل میان مقادیر اندازهگیری شده و تخمین زده شده است. GMER کمتر از یک نشان دهنده آن است که مقادیر تخمین زده شده کمتر از مقادیر واقعی هستند و برعکس. GSDER برابر با یک بیانگر دقیقترین حالت ممکن میباشد و با انحراف مقادیر پیشبینی شده از مقادیر اندازهگیری شده افزایش مییابد. بنابراین بهترین مدل آن است که GMER نزدیک به یک، GSDER اندک داشته باشد و همچنین مقادیر MAE و RMSE آن نیز اندک باشد.
نتیجه گیری
نمونه ی خاک در آزمایشگاه برای تعیین بافت و خصوصیات فیزیکی مورد آزمایش قرار گرفت. از طریق سری الک ها - جدول - - - 1، منحنی دانه بندی خاک - شکل - - 1 - و از طریق روش هیدرومتری درصد مواد تشکیل دهنده خاک مشخص شد
جدول : - 1 - داده های حاصل از روش الک
