بخشی از مقاله
چکیده
خاک محیطی طبیعی، پیچیده و مهمترین نهاده برای کشاورزی و تعادل زیست بوم میباشد. بهمنظور بهرهوری مناسب از خاک، دانستن ویژگیهای فیزیکی خاک از اهمیت ویژهای برخوردار است. ساختمان خاک از مهمترین ویژگیهای فیزیکی میباشد که تاکنونعمدتاً بهصورت کیفی بیان شده است. هندسه فرکتالی یکی از روشهای بهروز و کارآمد در بیان کمّی این ویژگی میباشد.
در این پژوهش، 41 نمونه خاک دستنخورده از یک منطقه زراعی برداشت و آزمایشهای سری الکهای خشک و تر بر روی آنها اعمال شد. سپس، با استفاده از مدل فرکتالی جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو، بُعد فرکتالی نمونهها تعیین و پایداری ساختمان آنها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که کم شدن اختلاف بُعد فرکتالی در دو حالت خشک و تر پایداری خاکدانهها را افزایش و با افزایش اختلاف این بُعدها در دو حالت، خاکدانهها ناپایدارتر میشوند.
مقدمه
ساختمان خاک در زمان و مکان متغیر است. بنابراین، تخمین ویژگیهای خاک، کاری دشوار است
در نتیجه، رسیدن به یک وضعیت بهینه ساختمانی و افزایش پایداری خاکدانههای تشکیلدهنده ساختمان خاک مهمترین هدف میباشد. در ارزیابی خاک، پایداری خاکدانهها اهمیتی فراوان دارد بهگونهای که فرسایش خاک تحت تأثیر پایداری ساختمان خاک است
با اندازهگیری پایداری خاکدانهها میتوان ویژگیهای دیریافت و هزینهبر خاک را برآورد کرد. بیان کیفی پایداری خاکدانهها به روشهای گوناگونی صورت میگیرد که این امر باعث ایجاد مشکل در مقایسه دادههای بدست آمده، میشود
تعیین چگونگی خاکدانهای شدن در زمان معین، برای توصیف ویژگیهای ساختمان خاک کافی نیست. زیرا خاکدانهها تنها در طول زمان تغییر نمیکنند بهعبارتی، خاکدانهها بهطور مداوم تشکیل، تجزیه و دوباره تشکیل میشوند
امروزه برای شبیهسازی محیطهای متخلخلی مانند خاک، از تئوری هندسه فرکتالی استفاده میشود
هندسه فرکتالی مفهومی جدید برای توصیف و تعریف ناهمگنی و بینظمی زیاد در محیطی مانند خاک را فراهم میکند. هندسه فرکتالی بهطور آماری در محدوده وسیعی از مقیاسها تکرار شده و در نتیجه، مقیاس تغییرناپذیری را افزایش میدهد. زمانیکه خاصیت فرکتالی تحت مقیاسهای متفاوت اندازهگیری و بینظمیهای اندازه کمتر از ویژگی اندازه نادیده گرفته شود، قانون توان این مقیاس تغییرناپذیر بوجود میآید که بهعبارتی بُعد فرکتالی، توان مقیاسسازی است و این بُعد قادر به اندازهگیری درجه بینظمی محیط میباشد
خاک یک پدیده فرکتالی است بنابراین مقایسه ساختمان خاکهای مختلف با بُعد فرکتالی آنها امکانپذیر است
از خصوصیات بارز اجسام فرکتالی این است که خودهمانند بوده، بُعد غیر عدد صحیح دارند و در مقیاسهای ریز بسیار پیچیده میباشند
در واقع تشکیل از راه تکرار، خودمتشابهی و بُعد غیر صحیح سه ویژگی ساختمان خاک هستند که امکان مدل کردن آن را با هندسه فرکتالی نیز فراهم مینمایند.
فرکتالها چارچوبی بین مطالعات چند گرایشی خاک ایجاد کرده و ارائهدهنده روابط پیچیده بین فرآیندهای خاک میباشند . بررسی فرکتالها و ساختمان خاک از اهمیت زیادی برخوردار است
تئوری فرکتال توانایی مدل کردن ساختمان خاک - Tyler and Wheatcraft, 1990 - و بافت خاک را دارد و همچنین با استفاده از این تئوری میتوان غیر یکنواختی ساختمان خاک را به رفتار ویژهای از خاک پیوند داد
مطالعات گستردهای در زمینه کمّیسازی ساختمان خاک، تأثیر عملیات خاکورزی بر روی خاک و دیگر عناوین فیزیک خاک با استفاده از هندسه فرکتالی انجام شده است
طی نتایج بدست آمده پی بردند که با استفاده از فرکتال خودمتشابه میتوان یک رابطه توانی ساده بین ویژگیهای مرتبط ساختمان خاک و مقیاس مشاهدهای و یا اندازهگیری را جستجو کرد.
در پژوهشی بیان کردند که اگر پارامتری دارای رفتار فرکتالی باشد، با در دست داشتن مقادیر پارامتر در حداقل دو مقیاس میتوان مقادیر آن را در دیگر مقیاسها نیز پیشبینی کرد
. با بررسی ساختمان خاکدانههای بسیار ریز با تخلخل زیاد، ثابت کردند که این خاکها ساختاری خودهمانند و فرکتالی دارند. مطالعات محدودی که با استفاده از هندسه فرکتالی در علوم خاک صورت گرفته، حاکی از اهمیت این روش در کمّیسازی پارامترهای خاک است. از طرفی دیگر، محیط خاک چون در پهنه وسیع ناهمگن بوده و تغییرپذیری زیادی دارد بنابراین شبیهسازی شرایط واقعی سطح خاک نیازمند اندازهگیریهای فراوان است که هزینهبر و زمانبر میباشد. بدین ترتیب هدف از این پژوهش، تعیین پایداری خاکدانههای تشکیلدهنده ساختمان خاک با استفاده از مدل فرکتالی جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو بود.
مواد و روشها
در این پژوهش، نمونههای خاک دستنخورده بهصورت چند ریز نمونه مرکب از عمق 0-30 سانتیمتری خاک برداشت و برای تعیین توزیع اندازه خاکدانهها با سری الکهای خشک و تر به آزمایشگاه منتقل شد. سپس برای محاسبه شاخصهای پایداری خاکدانهها از مدل فرکتالی جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو توزیع اندازه خاکدانهها در دو حالت خشک و تر استفاده شد.
بُعد فرکتالی خاکدانهها با استفاده از مدل جرم-اندازه - 1991a - Rieu-Sposito - Dm - بدست آمد:
- 1 -
در این معادله، pi جرم ویژه ظاهری کلاس اندازه i ام، 0 جرم ویژه ظاهری بزرگترین خاکدانه، d i میانگین قطر خاکدانههای کلاس اندازه i ام، d 0 میانگین قطر بزرگترین خاکدانه و Dmبُعد فرکتالی - جرم-اندازه - میباشد.
نتایج و بحث
در این پژوهش، نخست درصد پایداری و ناپایداری بر اساس بُعد فرکتالی بدست آمده از مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو برای 41 نمونه محاسبه، سپس نمونهها از پایدارترین تا ناپایدارترین مرتب شدند. مرتبسازی نمونهها در مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو با محاسبه درصد پایداری و درصد ناپایداری، مقایسه آنها در هر نمونه و از طریق مقایسه اختلاف سطح زیر نمودار در حالت خشک و تر انجام گردید که بر اساس تفاوت بُعدهای فرکتالی در حالت خشک و تر، میزان درصد پایداری و ناپایداری برای همه نمونهها محاسبه شد که با توجه به جدول 1، پایدارترین خاکدانهها در نمونه سی و چهارم و ناپایدارترین مربوط به نمونه هجدهم میباشد که پایدارترین و ناپایدارترین نمونهها بر پایه مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل 1 دیده میشود، کم بودن اختلاف بُعد در حالت خشک و تر باعث شده که خاکدانهها پایدارتر باشند و در شکل 2 بهعلت زیاد بودن اختلاف بُعد خشک و تر، خاکدانهها در این نمونه ناپایدار میباشند. در مدل جرم-اندازه، هیچکدام از نمونها دارای بُعد فرکتالی بیش از 3 نبودند بنابراین این مدل قادر به بیان توزیع فرکتالی خاکدانهها میباشد. همانگونه که در دو شکل زیر مشاهده میشود، بعضی نقاط برازش داده شده بر روی خط از لحاظ شکل ناپایدارند لیکن بر پایه محاسبات، پایدار تعیین شدهاند. علت این است که در قسمت ابتدایی، دو منحنی بر روی هم قرار گرفتهاند لیکن در انتها از هم فاصله میگیرند.
جدول -1 کمترین و بیشترین درصد پایداری خاکدانها به همراه اختلاف بُعد فرکتالی مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو - خشک و تر -
شکل -1 بیشترین درصد پایداری خاکدانهها در مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو
شکل -2 کمترین درصد پایداری خاکدانهها در مدل جرم-اندازه ریو-اسپوزیتو
