بخشی از مقاله
چکیده
تخمین غیرمستقیم منحنی مشخصه رطوبتی خاک از دادههای زودیافت بخش مهمی از تحلیل دادههای خاک را تشکیل میدهد. در این تحقیق تعداد 147 نمونه خاک دست خورده و دست نخورده از چهار استان ایران تهیه و متغیرهای توزیع اندازه ذرات، جرم مخصوص ظاهری - BD - ، شاخص انبساط آزاد - FSI - و ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - اندازهگیری شد. از FSI و CEC به همراه ویژگیهای پایه خاک - نسبت سیلت به شن، رس و - BD به عنوان تخمینگر در تخمین نقطهای منحنی مشخصه رطوبتی خاک با روش رگرسیونی استفاده شد. استفاده از شاخص انبساط آزاد باعث بهبود دقت تخمین مقدار رطوبت در تمام مکشها 10 - ، 30، 100 و 1500 کیلوپاسکال - شد. استفاده از CEC موجب بهبود تخمین رطوبت در بخش ایجاد و اعتبارسنجی غالب مکشها شد. به طورکلی CEC نسبت به FSI بهبود بیشتری در تخمین رطوبت در مکشهای مختلف ایجاد کرد، ولی FSI متغیر ارزانتری برای استفاده بهعنوان تخمینگر است.
مقدمه
تاکنون پارامترهای متعددی برای تخمین منحنی مشخصه رطوبتی خاک - SMCC - 1 در PTFها مورد استفاده قرار گرفتهاند. ولی یکی از نکات اصلی در استفاده از توابع انتقالی سهلالوصول بودن متغیرهای ورودی آنها میباشد. سطوح داخلی و خارجی رسها، به شدت نگهداری رطوبت در خاک را تحت تأثیر قرار میدهند - دلینار و ترانر، - 2005 و سطح ویژه توسط محققین متعددی - والزاک و همکاران، - 2004 برای تخمین SMCC مورد استفاده قرار گرفته است، ولی اندازهگیری آن نیز مشکل، وقتگیر و پرهزینه است.
از طرف دیگر بر اساس مطالعات آرنپالی و همکاران - 2008 - سطح ویژه دارای رابطه بسیار نزدیک با شاخص انبساط آزاد میباشد، که اندازهگیری آن بسیار ساده، سریع و کم هزینه است. بنابراین میتوان از این متغیر به عنوان جایگزینی برای سطح ویژه در تخمین SMCC استفاده نمود، که تاکنون هیچ مطالعهای در این زمینه انجام نگرفته است. فرآیندهای تورم و آبگیری و یا پراکندگی و هماوری ذرات خاک بستگی به ظرفیت تبادل کاتیونی آن دارد. ظرفیت تبادل کاتیونی یکی از خصوصیات مهم خاک است که در پایگاههای اطلاعاتی مربوط به خاک مورد نیاز بوده است - مانریکو و همکاران، . - 1991 بنابراین هدف از این مطالعه بررسی تأثیر شاخص انبساط آزاد و ظرفیت تبادل کاتیونی بر بهبود تخمین SMCC با استفاده از رگرسیون چند متغیره بود.
مواد و روشها
برای انجام این تحقیق تعداد 147 نمونه دست خورده و دست نخورده از لایه سطحی و زیر سطحی در استانهای آذربایجان غربی 30 - نمونه - ، آذربایجان شرقی 30 - نمونه - ، مازندران 30 - نمونه - ، همدان 27 - نمونه - و کرمانشاه 30 - نمونه - جمع آوری شد. نمونههای دست نخورده با استفاده از سیلندرهای نمونهبرداری به ارتفاع 4/5 سانتیمتر و قطر 5/3 سانتیمتر تهیه گردید. آزمایشات فیزیکی و شیمیایی خاک با استفاده از روشهای رایج، اندازهگیری شدند. در آزمایش نگهداری آب خاک برای بهدست آوردن SMCC، مقدار رطوبت در مکشهای 10، 30، 100 و 1500 کیلوپاسکال برای 147 نمونه برداشت شده با استفاده از دستگاه صفحات تحت فشار تعیین گردید.
اندازهگیریهای فوق تا مکش 100 کیلوپاسکال بر روی نمونههای دست نخورده و بالاتر از آن بر روی نمونههای دست خورده انجام گردید . برای آزمایش شاخص انبساط آزاد نیز 20 گرم خاک آون خشک از الک 40 مش عبور داده شد. هر 10 گرم آن در یک استوانه مدرج 100 میلیلیتری مجزا ریخته شد. یکی از آنها با آب و دیگری با محلول کروزن به حجم رسانده و با استفاده از یک میله شیشهای محتویات داخل استوانهها به هم زده شدند . در این مطالعه به این دلیل از کروزن استفاده شد که کروزن مایعی غیرقطبی است که برعکس آب باعث انبساط خاک نمیشود. بنابراین 24 ساعت اجازه داده شد تا نمونهها به تعادل برسند و بعد از 24 ساعت حجم نهایی خاک در هر کدام از استوانهها قرائت شد.
مراحل ایجاد توابع
ابتدا آزمون نرمال بودن متغیرها - کولموگروف-اسمیرنوف - 2 با استفاده از نرم افزار Minitab انجام شد. متغیرهایی که توزیع نرمال نداشتند، تبدیل شدند. از تبدیلهای logx و x0.5 به ترتیب برای نرمال کردن رس و Silt/Sand استفاده شد. سپس بر روی کل دادهها تبدیل استاندارد صورت گرفت تا از میانگین صفر و واریانس یک برخوردار باشند. انتخاب دادهها برای ایجاد به صورت تصادفی انجام شد.
متغیرهای نسبت سیلت به شن - Silt/Sand - ، درصد رس - Clay - ، جرم مخصوص ظاهری - BD - شاخص انبساط آزاد - FSI - و گنجایش تبادل کاتیونی - CEC - به عنوان متغیرهای مستقل یا ورودی و مقادیر رطوبت در مکشهای 10، 30، 100 و 1500 کیلوپاسکال به عنوان متغیرهای وابسته یا خروجی مورد استفاده قرار گرفتند. ایجاد توابع با روش رگرسیون در چهار مرحله صورت گرفت. برای بررسی صحت توابع انتقالی نیز از آمارههای مجذور میانگین مربعات خطا - RMSE - 3 و ضریب تعیین - R2 - 4، استفاده شد. متغیرهای ورودی در هر مرحله در جدول 1 نشان داده شدهاند. نتایج توابع ایجاد شده بهتفکیک در مراحل مختلف مورد بررسی قرار گرفت:
مرحله 1
در PTF1 استفاده از نسبت سیلت به شن، رس و جرم مخصوص ظاهری به عنوان تخمینگر موجب تخمین ضعیف تا قابل قبول رطوبت در مکشهای مختلف شد . داس و ورما - 2011 - با استفاده از 59 نمونه خاک مقدار رطوبت در مکش 33 و 1500 کیلوپاسکال را با استفاده از سیلت، رس و جرم مخصوص ظاهری تخمین زدند و مقدار RMSE بهترتیب برابر با 0/012 و 0/023 و در مکش 1500 کیلوپاسکال با استفاده از سیلت و رس برابر با 0/024 سانتیمترمکعب بر سانتیمترمکعب گزارش کردند.
حق وردی و همکاران - 2012 - نیز از شن، سیلت، رس و BD، برای تخمین SMCC استفاده کردند و مقدار RMSE در مکش 5، 33، 100، 500 و 1500 کیلوپاسکال را بهترتیب برابر 0/055، 0/032، 0/037، 0/022 و 0/025 مترمکعب بر مترمکعب گزارش کردند. ولی در این تحقیق RMSE بهدست آمده برای این مرحله از 0/045 تا 0/088 سانتیمترمکعب بر سانتیمترمکعب متغیر بود که نسبت به نتایج مطالعات گزارش شده دقت معادل و یا کمتری داشت. شاید تنوع بافتی نمونههای این تحقیق عامل این نتیجه بوده باشد.
مرحله 2
در PTF2 اضافه کردن FSI به ویژگیهای پایه خاک موجب کاهش مقدار RMSE و افزایش R2 در بخش ایجاد و اعتبارسنجی تمام مکشها گردید. رابطهای بین FSI و نگهداشت رطوبت در خاک وجود دارد که باعث بهبود تخمین رطوبت شده است. مقدار رسهای موجود در خاک و نوع آنها بهشدت بر میزان نگهداشت آب در خاک تأثیر دارند. بهگونهای که هرچقدر میزان رسهای خاک افزایش یابد و یا نوع رسها از نوع دو به یک و بویژه اسمکتایت باشد، نگهداری رطوبت در خاک بیشتر خواهد شد - یوکلسن و کایا، . - 2010 از طرف دیگر مقدار و نوع رس از عوامل اصلی کنترل کننده FSI میباشند - داس و ورما، . - 2011 بههمین علت استفاده از FSI موجب بهبود تخمین رطوبت در مکشهای مختلف شد. مرحله 3 در PTF3 با اضافه کردن CEC به ویژگیهای پایه خاک در بخش ایجاد و اعتبار سنجی همه مکشها - بجز اعتبارسنجی مکشهای 10 و 30 کیلوپاسکال - مقدار RMSE کاهش و مقدار R2 افزایش یافت و باعث بهبود دقت تخمین PTFها شد.
در مکش 1500 کیلوپاسکال نیز بهبود نسبی 15/4 و 16/7 درصد، بهترتیب در مراحل ایجاد و اعتبارسنجی بهدست آمد، که معنیدار شد. با توجه به اینکه در خاکهای معدنی گنجایش تبادل کاتیونی بیشتر به نوع و میزان رسها مربوط است - میرخانی و همکاران، - 1384، به همین علت تأثیر آن در نگهداشت رطوبت در مکشهای بالا باید بیشتر باشد - ژانگ و همکاران، - 2008 که نتیجه حاصله دقیقاً آن را تأیید میکند. بهبود دقت تخمین PTFها هم در PTF2 و هم در PTF3 با افزایش مکش افزایش یافت. بطوریکه در مکش 1500 کیلوپاسکال در PTF3 در بخش ایجاد، بهبود دقت تخمین PTFها معنیدار شد. شیرانی - - 1390 گزارش کرد که همبستگی بین نقطه پژمردگی دائم با درصد رس مثبت و معنیدار بود - r=0/83 - که بیانگر تأثیر زیاد رس بر نگهداری رطوبت در این نقطه است.
