بخشی از مقاله
چکیده
تعیین منحنی مشخصه رطوبتی خاك جهت مطالعه هر گونه سیستم غیراشباعی مانند سازه فروشویی ضروري است. این منحنی مشخصه نشان دهنده رابطه بین میزان رطوبت موجود در خاك و مکش میباشد. میزان رطوبت موجود در خاك بر عملکرد سیال در نتیجه بر میزان بازیابی مس موثر است. مطالعات زیادي جهت اصلاح فرایند فروشویی توده اي و رفع نواقص موجود با استفاده از عامل رطوبت صورت گرفته است.
لذا آگاهی از تغییرات رطوبت موجود در سازه جهت بررسی رفتار سیال و طراحی الگوي بهینه زهکشی الزامی میباشد. در مطالعه صورت گرفته در سازه فروشویی مس سرچشمه، میزان رطوبت خاك در حالت استفاده از آب و اسید در مکشهاي مختلف با استفاده از تعیین گردید. با استفاده از نتایج حاصل از آنالیز دانه بندي و به کارگیري شبکه عصبی سلسله مراتبیSchaap، ضرایب هیدرولیکی خاك تخمین زده شد و در نهایت با در نظر گرفتن نتایج فوق، منحنی مشخصه رطوبتی خاك در دو حالت استفاده از آب و اسید رسم گردید.
رفتار خاك در مقابل آب و اسید تفاوت اندکی نشان داد که ناشی از تأثیر ناچیز نوع سیال در مقایسه با خصوصیات بافتی خاك بر منحنی مشخصه رطوبتی خاك میباشد. در نهایت از بین روابط موجود جهت رسم منحنی مشخصه رطوبتی خاك، مدل van Genuchten بر اساس تئوري Mualem تشخیص داده شد.
مقدمه
به منظور تعیین الگوي بهینه زهکشی، سرعت و مدت زمان بهینه پاشش سیال و مدل بندي رفتار سیال، آگاهی از تغییرات رطوبت موجود در سازه ضروري میباشد. میزان رطوبت در محیطهاي غیراشباع تابعی از پتانسیل ماتریک موجود در خاك است که این رابطه در قالب منحنی مشخصه رطوبتی خاك1 بیان میشود. مطالعات زیادي به منظور تعیین منحنی فوق صورت گرفته و روابط زیادي در این زمینه ارائه گردیده است. از جمله روابط معروفvan Genuchten، Brooks&Corey میباشد.
همچنین بررسیهایی جهت مقایسه صحت نتایج حاصل از روشهاي موجود انجام شده. در مطالعه صورت گرفته بر روي سازه فروشویی مس سرچشمه، در ابتدا با انجام آنالیز دانه بندي، ضرایب هیدرولیکی نمونه خاك مورد مطالعه با دو روش معادلات رگرسیون و شبکه عصبی مصنوعی Schaap تعیین گردید. رطوبت موجود در خاك مورد نظر با استفاده از دستگاه Pressure plate در دو حالت استفاده از آب و اسید به عنوان سیال نفوذ کننده در نمونه خاك ثبت گردید. با به کارگیري نتایج فوق منحنی مشخصه رطوبتی خاك در دو حالت آب و اسید ترسیم گردید.
رفتار خاك در مقابل آب و اسید تقریبًا مشابه بود که این مطلب نشان دهنده تأثیر ناچیز نوع سیال در مقایسه با خصوصیات بافتی خاك بر SWCC میباشد. منحنی مشخصه رطوبتی رسم شده با استفاده از ضرایب هیدرولیکی خاك که توسط شبکه عصبی تخمین زده شده بود، بهترین ضریب همبستگی را بین مشاهدات و مقادیر انطباق داده شده نشان داد. در نهایت مدل بهینه جهت رسم منحنی مشخصه رطوبتی خاك، مدل van Genuchten بر اساس تئوري Mualem تشخیص داده شد.
1- SWCC
-2 روشهاي مورد استفاده در تعیین منحنی
مشخصه رطوبتی خاك
منحنی مشخصه رطوبتی خاك نشان دهنده حساسیت خاك در برابر خشک و مرطوب شدن میباشد. از این منحنی جهت تعیین اندیس رطوبتی موجود در خاك به منظور طبقهبندي خاك جهت اهداف آبیاري، تعیین فضاي حفرهاي قابل زهکشی و به منظور طراحی الگوي بهینه زهکشی استفاده میشود. چون اندازه گیري مستقیم منحنی مشخصه در آزمایشگاه دشوار و وقت گیر است امروزه روشهاي مختلفی به منظور تعیین منحنی مشخصه ارائه شده که عبارتند از:
-1-2 روشهاي رگرسیون مجزا
در این روش آنالیزهاي رگرسیون خطی چند گانه جهت تعیین رابطه بین پتانسیل ماتریک و برخی از پارامترهاي فیزیکی خاك از قبیل توزیع دانهبندي، تخلخل، مواد آلی و دانسیته صورت گرفته است. مانند مدل ارائه شده توسط که معادله رگرسیونی بین پتانسیل ماتریک، توزیع دانهبندي و مواد آلی ارائه نمودند.[6]
-2-2 روش رگرسیون تابعی
در این حالت، تابع اولیه مانند تابع Brooks&Corey یا van Genuchten در نظر گرفته شده و پارامترهاي مورد نیاز این توابع از طریق آنالیز رگرسیون تعیین میشود. این روش تکنیک نسبتاٌ مناسب جهت مدل بندي جریان در محیطهاي غیر اشباع میباشد. در این مطالعه از این روش استفاده شده است. Cosby معادله رگرسیونی ارائه داد که نشان دهنده تأثیر خصوصیات بافتی خاك بر تغییرات پارامترهاي هیدرولیکی تابعBrooks&Corey میباشد.[6]
-3-2 روش نیمه فیزیکی
در این روش بر اساس فرضیات فیزیکی و روابط موجود بین پارامترهاي هیدرولیکی، منحنی فوق تخمین زده میشود. از جمله مدلهاي از این نوع عبارتست از مدل ارائه شده توسط - Arya& - 1981 .[6]Paris در مدل این دو محقق ابتدا توزیع بافتی خاك به توزیع خلل و فرج و توزیع خلل و فرج خاك به میزان رطوبت و رطوبت خاك به پتانسیل ماتریک متناظر با این رطوبت تبدیل میشود و بدین ترتیب ترسیم منحنی رطوبتی خاك میسر میگردد .[9]
-3 روش تحقیق
بدلیل تأثیر خاك با ابعاد ریز، بر میزان رطوبت موجود در خاك و در نتیجه بر منحنی مشخصه رطوبتی، نمونه خاك عبور کرده از الک 2 میلیمتر جهت مطالعه انتخاب شد. آنالیز دانه بندي به روش هیدرومتري بر روي خاك مورد نظر صورت گرفت. آزمایش تعیین درصد رطوبت با استفاده از دستگاه Pressure plate صورت گرفت. در هر دیگ این دستگاه شش تکرار از خاك مورد نظر گذاشته شد که سه نمونه آن با آب و سه نمونه باقیمانده با اسید سولفورریک 0/2 نرمال اشباع شد.
صفحات سرامیکی این دستگاه به مدت 24 ساعت در آب به اشباع رسید و نمونهها تحت فشارهاي 0/5، 1، 3، 5 و 8 بار قرار گرفت و در هر فشار بعد از رسیدن به حالت تعادل درصد حجمی رطوبت آب و اسید تعیین گردید. به منظور رسم منحنی مشخصه رطوبتی خاك علاوه بر میزان رطوبت در مکشهاي مختلف، ضرایب هیدرولیکی خاك نیز مورد نیاز است. به منظور تعیین این ضرایب از دو روش معادلات رگرسیون و شبکه عصبی Schaap استفاده گردید. در روش معادلات رگرسیون، ضرایب هیدرولیکی خاك با به کارگیري معادلات ارائه شده توسط Rawls & Brakensiek - 1989 - تخمین زده شد و در نهایت ضرایب تخمینی فوق به مدل عددي [10] RETC داده شد.
این مدل با توجه به نوع منحنی مشخصه رطوبتی انتخابی، دادههاي حاصل از آزمایش که مشاهدات نام دارد را با استفاده از تکنیک حداقل مربعات و بر اساس الگوریتم Marquardt بر دادههاي استخراج شده از مدل تشریح کننده پدیده مورد نظر منطبق نموده و در نهایت منحنی مشخصه رطوبتی را ترسیم مینماید. شبکه عصبی Schaap شامل سه لایه ورودي، پنهان و خروجی میباشد. در پنج سطح قادر به تخمین ضرایب مذکور بوده که پارامترهاي ورودي هر سطح متفاوت است.
به همین دلیل به این شبکه، شبکه سلسله مراتبی Schaap نیز گفته میشود. در این مطالعه از سطح دوم این شبکه استفاده شد. وروديهاي این سطح عبارتند از درصد رس، ماسه و سیلت که از آنالیز دانهبندي حاصل شد و خروجیهاي آن ضرایب هیدرولیکی خاك - جدول - 1 میباشد. با مشخص شدن ضرایب مذکور و میزان رطوبت آب و اسید موجود در خاك، از مدل RETC جهت برازش اطلاعات و رسم منحنی مشخصه رطوبتی خاك استفاده شد.
-4بحث
با توجه به جدول 2 منحنی مشخصه رطوبتی با استفاده از شش مدل موجود در نرم افزار RETC و به کارگیري ضرایب هیدرولیکی خاك حاصل از روشهاي معادلات رگرسیون و شبکه عصبی بررسی گردید. همانطور که در جدول 2 مشاهده میشود. منحنی مشخصه رطوبتی در حالت استفاده از ضرایب هیدرولیکی حاصل از تکنیک شبکه عصبی و به کار گیري مدل Van Genuchten بر اساس تئوري معلم، بهترین ضریب همبستگی را بین مقادیر رطوبت اندازهگیري شده و مقادیر انطباق داده شده، نشان داد که در نهایت از حالت فوق براي رسم منحنی مشخصه رطوبتی خاك استفاده شد.
منحنی مشخصه رطوبتی سازه فروشویی مس سرچشمه در دو حالت استفاده از آب - شکل - 2 و اسید - شکل - 1 به عنوان سیال نفوذ کننده، تفاوت اندکی نشان داد. که این اختلاف ناچیز ناشی از تأثیر ناچیز نوع سیال در مقایسه با خصوصیات بافتی خاك بر منحنی مشخصه رطوبتی میباشد. همچنین این تفاوت ناچیز را میتوان ناشی از مدت زمان کم تأثیر اسید بر خاك مورد نظر دانست. منحنی مذکور در حالت استفاده از آب در مقایسه با خاکهاي کشاورزي با بافت مشابه زودتر به حالت اشباع میرسد که یکی از دلایل آن را میتوان عدم وجود مواد آلی در خاك مورد نظر دانست. مواد آلی به دلیل خاصیت آبدوستی باعث افزایش توانایی حفظ رطوبت در خاك میشوند.
