بخشی از مقاله
چکیده
اندازه گیری رطوبت خاک به روش انعکاس سنج تأخیر زمانی - TDR - 1 یک روش غیرمستقیم، سریع و بیخطر بوده که بر اساس ثابت دیالکتریک خاک عمل مینماید و دستگاه TDR بر اساس ساختار نرمافزاری موجود در حافظه که توسط شرکت سازنده در آن قرار دادهشده است ثابت دیالکتریک را به رطوبت حجمی تبدیل میکند که این نرمافزار در شرایط عادی خاک نتایج قابل قبولی می دهد اما در بعضی شرایط ازجمله دمای بالا یا پایین، شوری، ماده آلی و تراکم بالا رطوبت بدست آمده از روش TDR کمتر یا بیشتر از مقدار واقعی میباشد.
بنابراین دستگاه TDRمجدداً بایستی واسنجی شود تا بتوان مقدار رطوبت واقعی را از این طریق تعیین نمود. برای این منظور سه نوع خاک با بافتهای سنگین، متوسط و سبک در نظر گرفته شد که به ترتیب از اراضی جنگلی، زراعی و مرتعی استان آذربایجان شرقی تهیه شدند. ثابت دیالکتریک خاکها به تعداد 53 بار در شرایط مختلف رطوبتی - اشباع تا هوا خشک - با دستگاه TDR و همزمان با آن رطوبت واقعی به روش وزنی در سه تکرار برای هر بافت اندازه گیری شد.
دادههای بهدستآمده با استفاده از نرمافزار اکسل - Excel - بر روی محورهای مختصات برده شد و بهترین معادلات واسنجی برای هرکدام از بافتهای خاک ارائه گردید. این معادلات یا مدلهایی که رطوبت واقعی خاک را بر اساس ثابت دیالکتریک خاک محاسبه مینماید از دقت بالایی جهت تخمین رطوبت واقعی خاک برخوردار میباشد. نتیجه دیگر اینکه با سنگینتر شدن بافت خاک ثابت دیالکتریک خاک افزایش مییافت.
-1 مقدمه
روشهای متعددی برای تعیین رطوبت خاک وجود دارد که به روشهای مستقیم و غیرمستقیم تقسیم میشود. روشهای مستقیم مانند روش وزنی و حجمی و روش های غیرمستقیم مانند نوترونمتری، اشعه ایکس و گاما، بلوک گچی و فایبرگلاس، تانسیومتری، صفحات فشاری، تتاپروپ و انعکاسنج حوزه زمانی - TDR - و فرکانسی - FDR - 2 میباشد. اکثر روشهای مذکور یا زمانبر بوده و یا اینکه دستخوردگی نمونه خاک را در پی داشته و یا همراه با خطرات تشعشع مواد رادیواکتیو زیانبار میباشند.
اما روشهایی مانند تتاپروپ، TDR و FDR که روشهاینسبتاً جدید میباشند روشهای سریع و بیخطر بوده که رطوبت خاک را بهطور غیرمستقیم بدون دستخوردگی خاک در کوتاه ترین زمان ممکن تعیین مینماید. در این پژوهش از روش انعکاس سنج حوزه زمانی - TDR - برای تعیین رطوبت خاک استفاده شده است که امروزه استفاده از این روش در سطح گسترده صورت میگیرد که با توجه به مزایای این روش، تحقیق در این زمینه جهت افزایش دقت در برآورد رطوبت خاک ضروری بهنظر میرسد که هدف اصلی این پژوهش میباشد.
استفاده از روش TDR اولین بار در سال 1980 توسط تاپ و همکاران صورت گرفت. آنها از میزان ضریب دیالکتریک برای اندازهگیری رطوبت خاک استفاده کردند و برای این منظور از یک معادله تجربی درجه سه برای ارتباط بین ضریب دیالکتریک و میزان رطوبت حجمی استفاده نمودند که بر اساس رابطه ریاضی ساده بر دادههای اندازهگیری شده برازش داده شده است. این رابطه که به مدل تاپ و همکاران معروف است بهصورت معادله 1 بیان شده است.که در آن رطوبت حجمی خاک برحسب m3m-3 و k ثابت دیالکتریک خاک میباشد
رابطه دیگر که پایه فیزیکی دارد بر اساس ترکیبی از ثابت دیالکتریک سه فاز تشکیل دهنده خاک استوار است. این مدل تحت عنوان مدل ترکیبی1 شناخته شده و توسط دابسون و همکاران [2] و راس و همکاران [3] ارائه گردیده است. بر اساس این روش ثابت دیالکتریک خاک بهصورت معادله 2 محاسبه می شود.
که در آن n تخلخل خاک - m3m-3 - ، ka، ks و kw به ترتیب ثابت دیالکتریک هوا، خاک خشک و آب میباشد. پارامتر هندسی است که به نحوه قرارگیری حسگر دستگاه در خاک بستگی دارد و محدوده تغییرات آن بین 1 - میلههای حسگر موازی با لایه های خاک - و -1 - میلههای حسگر عمود بر لایههای خاک - است. مقدار این پارامتر را میتوان برای یک محیط دو فازی برابر 0/5 در نظر گرفت. با مرتب کردن معادله شماره 2 میتوان رطوبت حجمی را بهصورت معادله 3 محاسبه نمود.
کایزر و همکاران در رابطه با رطوبت خاک به دست آمده از روش TDR و روش وزنی معادلاتی را برای چهار نوع خاک ارائه نمودند. در مطالعه آنها خاکها از الک دو میلیمتر رد گردیده و در استوانه به ارتفاع 30 و قطر 10 سانتیمتر متراکم و حسگر دوشاخهای در داخل خاک استوانه نصب گردید. سپس خاک داخل استوانهها اشباع گردید و قرائت دادهها از طریق TDR و روش وزنی در فواصل زمانی معین تا رسیدن به رطوبت نقطه پژمردگی ادامه یافت. آنها نتیجه گرفتند که مدلهای جهانی نظیر تاپ و همکاران [1] ، لیدیو و همکاران [4] برای خاکهای مورد مطالعه از دقت کافی برخوردار نیستند و برای دادههای به دست آمده در هر کدام از خاکها مدلهای خطی و چندجملهای درجه سه ارائه نمودند.
علاوه بر آن یک مدل کلی سه جملهای برای چهار نوع خاک پیشنهاد کردند. سوزا و همکاران از روش TDR برای تعیین رطوبت خاکهای استوایی استفاده کردند. برای این منظور خاکی با بافت سنگین 35 - درصد شن، 9 درصد سیلت و 56 درصد رس - که دارای وزن مخصوص ظاهری 1/24 گرم بر سانتیمترمکعب بود مورد استفاده قرار گرفت .[5] لین و مکنزی [6] یک معادل واسنجی برای چهار نوع خاک ارائه نمودند و نسبت به مدلهای نادلر و همکاران [7]، جکوبسن و اسچجنینق [8] و مدل تاپ [1] مورد مقایسه قرار دادند. منحنی حاصل از مدل آنها نزدیک منحنی حاصل از مدل تاپ بود و در رطوبت کمتر از 20 درصد منحنی حاصل از مدلهای مذکور تقرباًی بهصورت یکسان عمل می کردند. ژاکییانگ و همکاران - 2010 - یک معادله کلی برای 13 نوع بافت خاک ارائه نمودند که در آن علاوه بر ثابت دیالکتریک، وزن مخصوص ظاهری خاک نیز اعمال شده بود. حداکثر وزن مخصوص ظاهری خاکها 1/41 و حداقل آنها 0/95 گرم بر سانتیمتر مکعب بود
-2 مواد و روشها
-1-2 خاک مورد استفاده
در این پژوهش سه نوع خاک مورد مطالعه قرار گرفت که از مناطق مختلف استان آذربایجان شرقی تهیه و به آزمایشگاه منتقل شدند. خاک بافت سبک از ایستگاه آبخوانداری تسوج - خاک مرتعی - ، خاک بافت متوسط از مزرعه مرکز - خاک زراعی - و خاک بافت سنگین از منطقه جنگلی ارسباران - خاک جنگلی - تهیه گردید. برخی از خصوصیات فیزیکی خاکهای مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول -1 برخی از مشخصات فیزیکی نمونههای خاک
-2-2 دستگاه TDR و حسگر رطوبتی
دستگاه TDR مورد استفاده از نوع Trase مدل 6050X1 ساخت شرکت Soil moisture میباشد این دستگاه دارای سه پنجره زمانی 10، 20 و 40 نانوثانیه بوده که پنجره 10 نانوثانیه برای اندازهگیری ثابت دیالکتریک و رطوبت با حسگرهای به طول میلههای 15 الی 30 سانتیمتر از طرف کارخانه سازنده پیشنهادشده است. این دستگاه دارای حسگر دفنی سه شاخه با طول میلههای 20 سانتیمتر و حسگرهای اتصالی به طول میلههای 15، 30، 45، 60 و 70 سانتیمتر میباشد. حسگر دفنی مورد استفاده از نوع دفنی مدل 6005L بوده که دارای سه میله میباشد. میله وسطی بهعنوان فرستنده امواج الکترومغناطیس و دو تا میله کناری بهعنوان گیرنده امواج عمل مینمایند. اجزای این حسگر عبارتنداز : فیش BNC، کابل هممحور یا Coaxial، کلاهک نگهدارنده و میلهها. شکل 1 دستگاه و حسگر مذکور را نشان میدهد.
