بخشی از مقاله
مقدمه
منحنی مشخصه آب خاک از مهمترین ویژگیهای هیدرولیکی خاک است که نه تنها رطوبت و هدایت هیدرولیکی خاک در پتانسیلهای ماتریک مختلف را که در مدیریت آب خاک مهم هستند، نشان میدهد، بلکه در نشان دادن سایر ویژگیها از قبیل توزیع تخلخل، تخلخل کل، تهویه، نفوذ از سطح و الگوی ریشهدهی گیاه نیز لازم است - خداووردی لو و همکاران، . - 1383 هدایت هیدرولیکی اشباع - Ks - نیز یکی از خصوصیات مهم خاک به شمار میرود که به عوامل متعددی از جمله خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک، پایداری خاکدانهها، اقلیم، کاربری اراضی، دینامیک ریشه و فعالیت موجودات زنده خاک بستگی دارد . - Fuentes et al., 2004 - آرونوویسی - Aronovici, 1946 - ، Ks را وابسته به بافت خاک معرفی میکند، در حالیکه اونیل - O'Neal, - 1949 آن را متأثر از بافت خاک معرفی میکند. تالسما و فیلینت - Talsma and Flint, 1958 - رابطهای غیرخطی را میان مجموع رس و سیلت وKs زیرسطحی در جنوب شرقی استرالیا بیان نمودند.
امروزه با توجه به وقتگیر بودن، هزینه زیاد و نیاز به امکانات ویژه برای اندازهگیری مستقیم خصوصیات هیدرولیکی خاک، توجه پژوهشگران به روشهای غیرمستقیم معطوف شدهاست. توابع انتقالی روشی غیرمستقیم برای برآورد خصوصیات هیدرولیکی، شیمیایی و مکانیکی خاک با دقت برآوردی مناسب و با مشخصه صرفهجویی در زمان و هزینه میباشند. در زمینه توسعه توابع انتقالی نیز معمولا از روشهای رگرسیون چندگانه1 و روشهای شبکه عصبی مصنوعی2 سود برده میشود. نرمافزار - Schaap et al., 1998 - ROSETTA، براساس روش شبکه عصبی مصنوعی میتواند پارامترهای منحنی رطوبتی ونگنوحتن - Van Genuchten, 1980 - و هدایت هیدرولیکی اشباع را پیشبینی کند. در این نرمافزار دادههای اساسی خاک شامل درصد شن، سیلت و رس، b و مقدار رطوبت در مکشهای 0/33 و 15 بار از سوی مدلهای سلسله مراتبی برای تخمین پارامترهای منحنی رطوبتی و Ks مورد استفاده قرار میگیرد.
در اکثر توابع انتقالی مدلها و معادلات برآورد کننده ویژگیهای هیدرولیکی، خصوصیاتی از خاک استفاده میشوند که برداشت و ثبت آنها در معرض خطاهای انسانی و سیستماتیکی قرار دارد، لذا بررسی تأثیر تغییرات این عوامل، در تخمین خصوصیات فیزیکی و هیدرولیکی خاک، ضروری بهنظر میرسد. همچنین حساسیت مدلهای فیزیکی به موقعیت و محل ارزیابی مدل بستگی دارد. بنابراین لازم است قبل از کاربرد مدل، تحلیل حساسیت مدل به منظور فهم رفتار مدل نسبت به پارامترهای مختلف و اطمینان از نتایج قابل قبول انجام شود . - Toy et al., 2002 - میزان تغییر خروجیهای مدل به ازای تغییر معین در میزان ورودیهای مدل را آنالیز حساسیت گویند. متغیری که تغییرات کم آن باعث تغییرات زیادی در میزان خروجیهای مدل شود، متغیر حساس نامیده میشود. بهدلیل تأثیر زیاد این نوع از متغیرها بر خروجیهای مدل باید توجه زیادی در محاسبه و اندازهگیری آنها صورت گیرد b . - Toy et al., 2002 - ، درصد شن، سیلت و رس و رطوبتهای خاک در مکشهای 0/33 و 15 بار از جمله پارامترهای مورد حساسیتسنجی در مدل ROSETTA میباشند.
نصرتی کاریزک و همکاران - 1391 - در پژوهش خود برای دستیابی به فاکتورهای مؤثر بر هدایت هیدرولیکی اشباع در مدلی از شبکه عصبی از تجزیه حساسیت به روش ضریب بدون بعد حساسیت - Hill, 1998 - استفاده و پارامترهای درصد شن و رس، رطوبت در مکش 0/3 بار، تخلخل کل و لگاریتم میانگین هندسی قطر ذرات را بهعنوان پارامترهای حساس معرفی کردند. یزدانی و همکاران - 1391 - در تحقیقی، با ایجاد تغییرات در پارامترهای فیزیکی خاک، حساسیت توابع انتقالی ارائه شده را در برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع مورد ارزیابی قرار دادند. با توجه به نتایج، تابع انتقالی رگرسیونی کمترین حساسیت را نسبت به تغییرات تخلخل و بعد فراکتال اندازه ذرات و بیشترین حساسیت را نسبت به b ، درصد سیلت و شن داشت. قنبریان علویجه و عباسی - 1389 - به منظور تعیین حساسیت پارامترهای مدل بوردین- بروکز- کوری که جهت پیشبینی هدایت هیدرولیکی غیر اشباع ارائه کرد، تحلیل حساسیت بر روی چهار پارامتر ورودی مدل نشان داد رطوبت اشباع و شاخص توزیع اندازه خلل و فرج حساسترین پارامترها میباشند. این در حالی است که این مدل نسبت به Ks و پارامتر پیوستگی منافذ حساسیت کمتری دارد. با توجه به اهمیت حساسیتسنجی، در این پژوهش سعی شد تا با ایجاد تغییر +10 درصد در مقادیر پارامترهای b ، درصدهای شن، سیلت و رس به صورت ترکیبی، حساسیت مدل ROSETTA در برآورد Ks، رطوبت باقیمانده r - - ، رطوبت اشباع s - - ، و پارامترهای شکل منحنی رطوبتی ونگنوختن مورد ارزیابی قرار گیرد.
مواد و روشها
برای دستیابی به اهداف این پژوهش، 25 نمونه خاک از مناطق غربی استان گیلان، توابع شهرستانهای شفت و فومن انتخاب شد. در هر نقطه بهمقدار لازم خاک دستخورده جهت تعیین درصد ذرات و دستنخورده بهصورت کلوخه برای تعیین جرم مخصوص ظاهری خاک برداشت گردید. شکل 1 توزیع نقاط را در مثلث بافت خاک USDA نشان میدهد. نمونههای دستخورده خاک پس از هوا خشک و کوبیده شدن، از الک دو میلیمتری عبور داده شد. سپس توزیع اندازه ذرات به روش هیدرومتر و الک محاسبه گردید.کلوخهها نیز پس از خشک شدن در آون به مدت 24 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد برای تعیین پارامتر مربوطه به روش وزنی به کار رفت . - Klute, 1986 - پارامترهای درصد ذرات و جرم مخصوص ظاهری پس از تعیین، در مدل ROSETTA قرار داده شد و خروجیهای مدل ثبت گردید. برای ارزیابی تاثیر بافت خاک بر نتایج حساسیتسنجی، با توجه به بافت نمونه خاکها، از دادههای درصد شن،سیلت و رس و b در هر بافت میانگینگیری و در مدل قرار داده شد. سپس با ایجاد اغتشاشی بهمیزان +%1 در هر کدام از پارامترهای ورودی، خروجیها ثبت گردید. جهت تعیین حساسترین پارامتر نسبت به اغتشاش ایجاد شده، از فرمول زیر ضریب حساسیت تعیین گردید - Abbasi . - et al., 2003 درصورتی که مقادیر عددی کوچک باشند، ضریب حساسیت در 100 ضرب میشود. S - z,t,bj - ، تغییر در متغیر Y مطابق با %1 تغییر در پارامتر bj، Ej، jامین واحد بردار، E R.R1E میباشند.
نتایج و بحث
نتایج آنالیز حساسیت در جدول 1 آمدهاست. با ایجاد اغتشاش در ،Ks در مقایسه با دیگر پارامترهای مدل ونگنوختن، در تمامی بافتهای مورد مطالعه در این پژوهش، بیشترین حساسیت را از خود نشان داد. این موضوع نشان دهندهی، ارتباط و تأثیرگذاری بسیار زیاد جرم مخصوص ظاهری بر این پارامتر میباشد، که این مسئله توسط قنبریان و لیاقت - 1390 - نیز تأیید شده است. پس از Ks، s در درجه دوم حساسیت قرار گرفت.در هر دوپارامتر با افزایش 1درصد اغتشاش، در تمامی بافتها مقادیر Ks و s کاهش یافت. با افزایش، به عبارت دیگر با افزایش b ، کاهش در سرعت عبور آب از منافذ خاک طبیعی است و این میتواند بیانگر افزایش منافذ ریز خاک باشد. از عوامل مؤثر بر b توزیع اندازه ذرات و نوع آن میباشد، که این نتیجه بیانگر این اثرگذاری میباشد. رابطه مشخصی میان افزایش یا کاهش در مقادیر رس و سیلت وشن و ضریب حساسیت مشاهده نشد. با ایجاد اغتشاش در سیلت و رس و ثابت نگه داشتن مقدار شن، دو حالت، شامل اعمال اغتشاش به سیلت و کاهش در رس و دیگری برعکس حالت اول ایجاد و بهکارگرفته شد.
در حالت اول در تمامی بافتها، بیشترین حساسیت را نشان داد. با توجه به اینکه منحنی توزیع اندازه ذرات ارتباط نزدیکی با منحنی مشخصه رطوبتی خاک دارد، تغییر در اندازه ذرات منجر به تغییر در منحنی توزیع اندازه ذرات و در نتیجه بیانگر تغییر در منحنی مشخصه رطوبتی خاک میباشد. بنابراین بالاتر بودن حساسیت نسبت به Ks دور از انتظار نیست. در شرایطی که در رس اغتشاش ایجاد و از سیلت کم شد، در بافتهای رسی و لومی رسی سیلتی و لومی سیلتی Ks و در دو بافت دیگر حساسترین بودند. در دو بافت لومی رسی سیلتی و لومی سیلتی، حساسیتی نسبت به تغییر مذکور از خود نشان نداد و در میان دیگر پارامترهای خروجی مدل،Ks حساسترین بود. در دو بافت رسی سیلتی و لومی رسی روند مشخصی مشاهده نشد. در بافتهای گروه رسی، با افزودن اغتشاش 1 درصد به رس وکاهش آن از مقدار سیلت ، مقادیر Ks و افزایش یافتند. در بافت لومی رسی سیلتی با تغییر مورد نظر افزایش اما Ks کاهش یافت. در بافت رسی سیلتی و لومی رسی افزایش و روند نامشخص در Ks وجود داشت. در بافت لومی سیلتی عدم تغییر در و کاهش Ks وجود داشت. با توجه به مطالب بالا نکاتی چند قابل توجه میباشد: · اثرپذیری بالای Ks از جرم مخصوص ظاهری بیانگر لزوم دقت در گزینش روش صحیح اندازهگیری این پارامتر با توجه به اقلیم منطقه - رطوبت زیاد خاک به دلیل بارندگی زیاد - ، مقادیر بالای رس و وجود پوشش گیاهی در منطقه و احتمال وجود خطا در انجام آزمایش و روند محاسبات میباشد.
