4797247-99088

-92963189660

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال ششم ، شماره دوم، زمستان 1395

برآورد منحنی مشخصه آب خاک با استفاده از مدل پارامتریک مقیاس گذاری شده

سمانه امان آبادی1، محمد حسین محمدی2*و محمد حسن مسیحآبادی3

1( دانش آموخته دکتری فیزیک و حفاظت خاک؛ گروه خاک شناسی؛ دانشگاه آزاد اسلامی؛ واحد علوم و تحقیقات؛ تهران؛ ایران
2*( دانشیار؛ گروه علوم خاک؛ دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران؛ البرز؛ ایران
mohammadi@znu.ac.ir :نویسنده مسؤل مکاتبات *
3( استادیار؛ دانشگاه آزاد اسلامی؛ گروه خاک شناسی؛ واحد علوم و تحقیقات؛ تهران؛ ایران

15861793392

تاریخ دریافت: 05/11/1394 تاریخ پذیرش: 02/02/1395

چکیده
اندازه‏گیری‏مستقیم‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏به‏دلیل‏تغییرپذیری‏مکانی‏و‏زمانی‏زیاد‏خصوصیات‏هیدرولیکی،‏کاری‏دشوار‏و‏پرهزینه‏است،‏لذا‏تخمین‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏با‏استفاده‏از‏ویژگی‏های‏زودیافت‏پایه‏ای‏خاک‏مورد‏توجه‏واقع‏شده‏است.‏در‏این‏پژوهش،‏از‏داده‏های‏پراکنش‏اندازه‏ای‏ذرات‏12‏نمونه‏خاک‏پایگاه‏اطلاعات‏داده‏ای‏UNSODA‏برای‏مقایسه‏مدل‏های‏پارامتریک‏مقیاس‏گذاری‏شده‏و‏نرم‏افزار‏ROSETTA‏استفاده‏شد.‏نتایج‏نشان‏داد‏که‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏را‏می‏توان‏با‏استفاده‏از‏داده‏های‏منحنی‏پراکنش‏اندازه‏ای‏ذرات‏خاک‏برآورد‏نمود‏و‏عملکرد‏نسبی‏)RI( برآورد‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏با‏استفاده‏از‏مدل‏‏پارامتریک‏مقیاس‏گذاری‏شده‏3/50%‏بیشتر‏از‏نرم‏افزار‏ROSETTA‏می‏باشد.‏همچنین‏به‏دلیل‏عملکرد‏مستقل‏از‏داده‏های‏آزمایشگاهی‏و‏عدم‏نیاز‏به‏پارامترهای‏تجربی‏در‏روش‏مقیاس‏گذاری،‏استفاده‏از‏این‏روش‏نسبت‏به‏نرم‏افزار‏ROSETTA‏مناسب‏تر‏است.‏نتایج‏مقایسه‏آماری‏مدل‏مقیاس‏گذاری‏شده‏نشان‏داد‏که‏این‏روش‏بهترین‏برازش‏را‏بر‏داده‏های‏تجربی‏دارد.‏همچنین‏در‏مدل‏پارامتریک‏مقیاس‏گذاری،‏در‏مکش‏های‏بالا‏)رطوبت‏کم(‏و‏خشک‏شدن‏خاک،‏برآورد‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏عملکرد‏نسبی‏بهتری‏نسبت‏به‏نرم‏افزار‏ROSETTA‏نشان‏می‏دهد،‏بنابراین‏می‏توان‏از‏این‏روش‏برای‏برنامه‏ریزی‏آبیاری‏استفاده‏نمود.‏روش‏مقیاس‏گذاری‏نشان‏داد‏که‏با‏استفاده‏از‏درصد‏ذرات‏شن،‏سیلت‏و‏رس‏می‏توان‏منحنی‏مشخصه‏آب‏خاک‏را‏با‏دقت‏برآورد‏کرد،‏به‏دلیل‏تغییرپذیری‏مکانی-‏زمانی‏نسبتاًً‏ثابت‏درصد‏ذرات‏شن،‏سیلت‏و‏رس‏می‏توان‏از‏روش‏مقیاس‏گذاری‏در‏مقیاس‏های‏مطالعاتی‏بزرگ‏استفاده‏نمود. ‏

کلید واژه ها:‏داده‏های‏پراکنش‏اندازه‏ای‏ذرات،‏عملکرد‏نسبی‏مدل،‏پایگاه‏اطلاعات‏دادهای‏UNSODA،‏نرم‏افزار‏ROSETTA ‏

مقدمه
امروزه در سطح جهانی تقاضا برای دسترسی به اطلاعات کمی درباره خاک ها به منظور بررسی های زیست محیطی
و مدل سازی افزایش یافته است )Hartemink and McBratney 2008(. دسترسی به اطلاعات مکانی دقیق، به روز و قابل اعتماد از خصوصیات هیدرولیکی خاک ها در مقیاس مزرعه ،حوضه آب خیز، منطقه ای و قاره ای برای تامین آب ،موادغذایی و مدیریت اکوسیستم های آبی و
68938147905750

سال

ششم
/
شماره

2
/
زمستان

سال

ششم

/

شماره

2

/

زمستان

خاکی ضروری می گردد )3102 ,.Wösten et al(. 1 منحنی رطوبتی خاک، رابطه بین میزان آب خاک و پتانسیل ماتریک، ظرفیت و توانایی خاک را در نگهداری آب نشان میدهد که برای مدل سازی آب و انتقال نمک ها در خاک های غیراشباع کاربرد دارد، از آنجائیکه روش هایآزمایشگاهی اندازه گیری منحنی رطوبتی وقت گیر و باخطا توام است، مدل سازی منحنی رطوبتی مورد توجهواقع شده است )بایرام و بهمنی ،1394؛ ,.Antinoro et al
,20132014, Hunt et al., ( روش های صحرایی و آزمایشگاهی زیادی برای اندازه گیری خصوصیات هیدرولیکی برروی نمونه های دست نخورده و یا دست خورده توسعه یافته اند لیکن این روش ها به رغم دهه ها کار متناوب متخصصین فیزیک خاک و سایر رشته ها همچنان سخت و وقت گیر است. همچنین در آینده نزدیک نیز احتمال پیشرفت روش های آزمایشگاهی در بررسی روابط میزان آب خاک و پتانسیل ماتریک وجود ندارد(1002 ,.Nemes et al). انتقال نمکها در زیر سطح خاک معمولاً توسط میزان و جهت جریان آب تعیین می شود. متأسفانه به سبب غیر خطی بودن خصوصیات هیدرولیکی غیر اشباع خاک، اندازه گیری و توصیف جریان آب در خاک های غیراشباع دشوار است )Mohammadi
and Vanclooster 2011(. برای بررسی تغییرپذیری زمانی و مکانی ذاتی خصوصیات هیدرولیکی در مزرعه تعداد زیادی نمونه خاک لازم است تا بتوان این پراکنش مکانی را به طور دقیق تجزیه و تحلیل نمود )Ghanbarian-Alavijeh et
0102 ,.al(.برای تخمین هدایت هیدرولیکی غیراشباع با استفاده از سایر خصوصیات محیط متخلخل مانند پراکنش اندازه ای ذرات )9991 ,.Arya et al( و پراکنش اندازه ای خلل و فرج )Mualem 1976(، روش های تئوری پیشرفت شایانی داشته اند )Ghanbarian-Alavijeh and Hunt 2012(، روش های غیرمستقیم برآورد خصوصیات هیدرولیکی خاک به سه گروه تقسیم می شوند: 1( روشهای تجربی )آماری( و شبکه عصبی که خصوصیات هیدرولیکی خاک را به خصوصیات زود یافت فیزیکی و مانند جرم مخصوص ظاهری، درصد شن، سیلت و رس مربوط میکنند و ارتقا آن ها آسان است. عملکرد مدلهای تجربی به مجموعه دادههایی که مدل با آنها کالیبره و تست شده است بستگی دارد )فولادوند و علاسوند ،1394؛2009 Weynants et al.,؛
9991 ,Wösten et al.(. 2( مدلهای شبه فیزیکی که بر اساس وجود شباهت ظاهری بین منحنی رطوبتی خاک و منحنی تجمعی پراکنش اندازهای ذرات است )Zhuang et 1002 ,Haverkamp et al., 2005, Schaap 2005, al. , ,Hwang and Choi 2006(. شباهت ظاهری بین این دو منحنی حاکی از ارتباط مستقیم پراکنش اندازهای خلل و فرج و پراکنش اندازهای ذرات است ) Arya et al.,2008(. این روش دیدگاه مفهومی ارزشمندی را پیشنهاد میدهد. در نتیجه این مدلها بنیان و اساس مفهومی قویتری نسبت به روش های تجربی دارند لیکن همچنان حداقل یک پارامتر تجربی دارند که کاربرد آن ها را محدود میکند و این پارامتر تجربی مدل شبه فیزیکی را به دادهها وابسته میکند )-Mohammadi and MeskiniVishkaee 2013(. 3( مدل های مفهومی که براساس برخی فرضیات مفهومی بدون پارامترهای تجربی خصوصیات هیدرولیکی خاک را برآورد می کنند.
Arya وParis )1981( نشان دادند برآورد منحنی رطوبتی با استفاده از دادههای پراکنش اندازهای خلل و فرج خاک )مدل AP(که ارتباط تنگاتنگی با پراکنش اندازهای ذرات دارد، امکان پذیر است. نامبردگان برای افزایش کارآیی مدلهای شبه فیزیکی، روش کاملاً جدیدی را ارائه کردند که اندازه خلل و فرج به صورت حجم خلل و فرج در نظر گرفته میشود و میتوان آن را با استفاده از فاکتور مقیاس گذاری، به عنوان تابعی از طول خلل و فرج مقیاس گذاری نمود. همچنین نشان دادند که می توان طول خلل و فرج را با فرض کروی بودن ذرات نسبت به طول خلل و فرج طبیعی خاک مقیاس گذاری نمود و نیز نشان دادند که مقدار میانگین شاخص مقیاس گذاری شده ی α برابر با 38/1 است.
Haverkamp وParlange )1986( مدل شبه فیزیکیساده ای ارائه کردند که منحنی رطوبتی را به تابع پراکنشاندازهای ذرات ربط میداد، این مدل میتوانست پدیدهپسماند رطوبت (hysteresis) را در خاکهای شنی خالص توضیح دهد )مدل Hwang.)HP وpower )2003(، چهار مدل پراکنش اندازهای ذرات را در نظر گرفتند تا با انتخاب مدل پیوستهی پراکنش اندازهای ذرات منحنی رطوبتی دقیقتری برآورد کنند. هر یک از مدلهای پراکنش اندازهای ذرات به کار رفته منحنی رطوبتی را با تعداد مختلفی پارامتر برازش، تخمین میزند، نتایج نشان داد که رابطهی غیرخطی بین پراکنش اندازهای ذرات و پراکنش اندازهای تخلخل نسبت به رابطه خطی ارائه شده در مدل AP منحنی رطوبتی دقیقتری برآورد میکند.
Hwang وChoi )2006( دو تابع برای تخمین منحنی رطوبتی با استفاده از دادههای پراکنش اندازهای ذرات به دست آورند که در آنها رابطهی بین پراکنش اندازهای ذرات و پراکنش اندازهای تخلخل را خطی و غیر خطی در نظر گرفته شده بود .آنها نشان دادند که نتایج مدل سازی در طیف وسیعی از بافتهای مختلف خاک معتبر است .همچنین نتیجهگیری کردند که پراکنش اندازهای ذرات و پراکنش اندازهای تخلخل در خاکهایی با بافت ریز از پراکنش لوگ نرمال تبعیت نمیکند و مدل شان در این خاکها عملکرد ضعیفی ارائه میدهد. اخیراً Mohammadi وVanclooster )2011( مدل ساده و کارآمدی بر اساس مفهوم پراکنش اندازهای ذرات ارائه دادند )مدل MV( و عملکرد مدل را از طریق مقایسه با مدل AP و HP بررسی کردند و مقدار پارامتر تجربی n را مقیاس گذاری نمودند که برای برآورد منحنی رطوبتی به هیچ پارامتر تجربی نیاز ندارد .
اساس روشهای مقیاس گذاری، برازش منحنیهای
تجربی بدون در نظر گرفتن مفهوم فیزیکی فاکتور
Millan and وPerfect 2005( مقیاسگذاریاست
Gonzalez-Posada2005 (. اولین مرحله برای استفاده از روشهای مقیاس گذاری تعیین فاکتور مقیاس گذاری است .
با توجه به پیچیدگی اندازهگیری پراکنش حجم و اندازه خلل و فرج، تخمین فاکتور مقیاس گذاری کار بسیار پیچیده و دشواری است. در همین راستا مطالعات متعددی صورت گرفته است تا فاکتور مقیاس گذاری را به بافت
خاک ارتباط دهد )2003 Millan et al.,(. روشهای مقیاس گذاری مدلسازی و برآورد منحنی رطوبتی را بهبود
میبخشند)2001 Tuli et al.,(. نتایج نشان داد که مدل MV مقدار رطوبت را در محدوده ی رطوبت کم منحنی رطوبتی، کمتر از مقدار واقعی برآورد می کند و خطای مدل ناشی از واجذب ناقص آب در خلل و فرج در محدوده ی مکش بالا و سادهسازی فرضیات مدل درباره ی مفهوم هندسی خلل و فرج است )Mohammadi and 2011 ,Vanclooster(. از آنجایی که پراکنش اندازهای خلل و فرج و وضعیت آن ها بر منحنی رطوبتی تأثیر میگذارد این میزان سادهسازی وضعیت هندسی خلل و فرج باعث خطای قابل ملاحظه در تخمین جریان آب و انتقال نمکها در محیطهای غیراشباع به ویژه در رطوبتهای کم میگردد )1996 ,Nitao and Bear
Hui and وMohammadi and Vanclooster, 2011و
4038607904988

سال

ششم
/
شماره

2
/
زمستان

سال

ششم

/

شماره



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

پاسخ دهید