بخشی از مقاله
مقدمه
اندازهگیری ویژگیهای هیدرولیکی خاک مانند هدایت هیدرولیکی اشباع خاک که از مهمترین ویژگیهای فیزیکی خاک میباشد، در طراحی و امکانپذیر بودن فنی و اقتصادی پروژههای زهکشی نقش به سزائی دارند. برای اندازه-گیری ویژگیهای هیدرولیکی خاک اغلب به وسایل و تجهیزات مشخص و گرانی نیاز است و از طرفی اندازهگیری این پارامترها بسیار وقتگیر میباشد. به همین دلیل پژوهشگران بر آن شدهاند تا با استفاده از روشهای غیر مستقیم با صرفه جویی در زمان و هزینه و دقت برآورد مناسب، پارامترهای دیر یافت خاک را از پارامترهای زود یافت خاک برآورد نمایند. از سویی دیگر، شناخت و آگاهی از تغییرپذیری خصوصیات هیدرولیکی خاک جهت دستیابی به توسعه پایدار در زمینه کشاورزی امری لازم و ضروری به نظر میرسد.
در سالهای اخیر استفاده از تکنیک مدلسازی به عنوان راهکاری که برخی ویژگیهای خاک را با استفاده از پارامترهای زودیافت برآورد میکند، مورد توجه قرار گرفته است - . - Merdun et al. 2006, Navi et al . 2009, Parasuraman, 2006 با این وجود تاکنون از تلفیق شاخصهای توپوگرافی و خصوصیات خاک در تخمین خصوصیات هیدرولیکی خاک در اراضی با پستی و بلندی متنوع به کمک فناوریهای هوشمند مطالعهای صورت نگرفته است. بنابراین تحقیق حاضر به منظور استفاده از فناوریهای هوشمند در پیشبینی هدایت هیدرولیکی اشباع خاک و تعیین مهمترین شاخصهای توپوگرافی و ویژگیهای خاک بر تغییرپذیری این پارامتر به کمک فرآیند آنالیز حساسیت انجام گرفته است.
مواد وروش ها
این تحقیق در بخشی از اراضی تحت کشت گندم دیم در شهرستان لردگان استان چهارمحال و بختیاری انجام گردید. برای انجام این تحقیق نمونه برداری به طریق تصادفی طبقه بندی شده صورت گرفت. به گونهای که از موقعیتهای مختلف ژئومورفیک تعداد مساوی نقطه به طور تصادفی انتخاب گردید. در هر نقطه مطالعاتی نمونه خاک از 3 نقطه توسط اوگر برداشت شده و در نهایت یک نمونه ترکیبی جهت آنالیز آزمایشگاهی آماده گردید. 210 نمونه خاک از از عمق 0-30 سانتیمتری تهیه گردید. درصد کربن آلی خاک به روش واکلی و بلاک و بافت خاک به روش هیدرومتر تعیین گردید. همچنین از نمونههای خاک دست نخورده جهت اندازهگیری جرم مخصوص ظاهری استفاده گردید.
درصد اشباع خاک نیز با استفاده از گل اشباع اندازهگیری گردید. هدایت هیدرولیکی اشباع نیز به روش بار ثابت اندازهگیری شد.شاخصهای اولیه و ثانویه پستی و بلندی با استفاده از محاسبات روی مدل رقومی ارتفاع به تعیین شدند. بسط و توسعه یک مدل شبکه عصبی مصنوعی مستلزم طراحی اجزاء فنی تشکیل دهنده آن است. جهت دستیابی به اهداف مورد نظر از شبکههای عصبی با ساختارهای مختلف همانند پرسپترون سعی گردید تا بهترین و کاراترین شبکه با تعیین مقدار خطای آن انتخاب و مورد استفاده قرارگیرد. همچنین جهت دستیابی به فاکتورهای مؤثر بر خصوصیات هیدرولیکی خاک از آنالیز حساسیت به روش Statsoft استفاده شد . - StatSoft, 2004 - در نهایت جهت انتخاب مدل مناسب و بهینه از شاخصهای R2، ME و RMSE استفاده گردید. در این تحقیق خصوصیات خاک و شاخصهای توپوگرافی به عنوان دادههای ورودی و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک به عنوان پارامتر خروجی در نظر گرفته شد.
نتایج و بحث
در این تحقیق از شبکه پرسپترون چند لایه استفاده گردید و بهترین ساختار شبکه برای برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک بوسیله سعی و خطا بدست آمد. این ساختار شامل 15 گره در لایه ورودی، یک گره در لایه خروجی و 27 گره در لایه پنهان میباشد. همان طور که در جدول 1 نشان داده شده است مدلهای توسعه یافته شبکه عصبی مصنوعی برای پیشبینی هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در منطقه مورد مطالعه 73 درصد از تغییرپذیری در سطح زمیننما را توجیه نمودد و در نهایت 27 درصد از تغییرپذیری هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در این منطقه تبیین نگردید که این موضوع تا اندازه زیادی به دلیل وجود روابط پیچیده بین پارامترهای مستقل و وابسته در این مطالعه میباشد که مدل بهکاربرده شده قادر به تعیین و درک این روابط نبود. نتایج این تحقیق نشان داد که که استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی ابزار مؤثری برای پیشبینی هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از شاخصهای توپوگرافی و خصوصیات خاک است. نتایج آنالیز حساسیت برای هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در منطقه مورد مطالعه با استفاده از روش StatSoft در شکل 1 نشان داده شد.
پارامترهای مستقل
حساسیت ضریب
شکل -1 ضرایب حساسیت پارامتر هدایت هیدرولیکی اشباع به روش :Elevation . StatSoftارتفاع، :Aspectجهت شیب، :SCA سطح ویژه حوزه، :MEANC میانگین انحنای سطح زمین، :PLANCانحنای افقی، :PROFCانحنای قائم، :SPIشاخص قدرت جریان ، :STI شاخص انتقال رسوب، :Slopeشیب، :WIشاخص رطوبتی، : OM ماده آلی، :Clay رس، :Silt سیلت، :Sand شن، :BD وزن مخصوص ظاهری. هدایت هیدرولیکی اشباع بیشترین حساسیت را نسبت به ماده آلی نشان داد. از میان خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک، ماده آلی خاک به عنوان مهمترین و حساسترین پارامترها بر تغییرپذیری خصوصیات هیدرولیکی خاک شناخته شدند.
با توجه به این موضوع که منطقه مورد مطالعه در این تحقیق، از نظر توپوگرافی متنوع و پیچیده می-باشد، خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک تا اندازه زیادی میتوانند تحت تأثیر پارامترهای پستی و بلندی زمین قرار گیرند به گونهای که خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک در نقاط مختلف زمیننما تغییر مییابند و بدنبال این تغییرپذیری در خصوصیات خاک، تغییرپذیری در خصوصیات هیدرولیکی خاک نیز مورد انتظار میباشد. بنابراین با توجه به موارد فوق الذکر میتوان عنوان نمود که در مناطق خشک و نیمه خشک، توپوگرافی به طور قابل ملاحظه-ای میتواند به صورت غیر مستقیم و از طریق تأثیر بر تغییرپذیری خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک، بر تغییرپذیری خصوصیات هیدرولیکی خاک نیز مؤثر باشد. دیگر پارامترهای مهم و مؤثر بر هدایت هیدرولیکی اشباع به ترتیب شامل میانگین انحنای سطح زمین، شاخص رطوبتی و شیب میباشند.
هدایت هیدرولیکی اشباع در منطقه مورد مطالعه حساسیت کمی نسبت به سایر پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق دارد. پارامترهای انحنای زمین نیز سهم بسزایی در توضیح تغییرپذیری خصوصیات هیدرولیکی خاک دارند. پارامترهای انحنای زمین در مطالعات هیدرولوژیکی و تعیین مشخصات جریان آب و دیگر مواد در سطح زمیننما کاربرد بسیاری دارند. انحنای افقی نشاندهنده همگرایی و واگرایی توپوگرافیکی سطح زمین است و تمایل طبیعی جریان آب روی سطح زمین به همگرا شدن و نزدیک شدن به یک نقطه مشترک را نشان میدهد . - Zevebergen and Thorne, 1987 -
بنابراین این پارامتر تا اندازه زیادی بر خصوصیات خاک و مقدار آب خاک به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک مؤثر است. شاخص رطوبتی بیان کننده تمایل زمین به تجمع آب در آن نقطه میباشد و برای مناطق با سطح ویژه حوزه مشابه، هر چه شیب منطقه کمتر باشد، این شاخص از مقدار بالایی برخوردار است . - Wilson and Gallant, 2000 - گسلر و همکاران - 2000 - عنوان نمودند که شاخص رطوبتی با ترکیب سطح ویژه حوزه و درجه شیب، شاخصی از موقعیت مکانی یک نقطه در طول یک ردیف ارضی-آبی میباشد. بنابراین میتوان عنوان نمود که این شاخص بیانگر
