-121677190413

4769804-351406

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال ششم، شماره سوم، بهار 1396

بررسی آزمایشگاهی تأثیر لایه های درشت منفذ پیوسته و ناپیوسته در انتقال محلول در خاک

فرشید تاران1*، علی اشرف صدرالدینی2، امیرحسین ناظمی3
1( دانشجوی دکتری گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
*نویسنده مسئول مکاتبات: farshidtaran@gmail.com 2( استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
3( استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

16077582031

تاریخ دریافت: 29/01/1395 تاریخ پذیرش: 02/04/1395

چکیده
یکی از مکانیزم های انتقال مواد محلول در خاک، جریان ترجیحی یا جریان از مسیر های درشت منفذ است. در این تحقیق، برای بررسی تأثیر مسیر های درشت منفذ در انتقال محلول، از سه توده خاک حاوی 3 درصد رس ،2/4 درصد سیلت و 8/92 درصد شن در مخزنی به طول 200، عرض 100 و ارتفاع 45 سانتی متر استفاده شد. توده خاک اول به صورت همگن )بدون مسیر درشت منفذ(، توده خاک دوم حاوی خاک و لایه هایی به ضخامت 5 سانتی متر از سنگریزه هایی به قطر 2 تا 4 میلی متر از سطح تا کف )دارای لایه های درشت منفذ پیوسته( و توده خاک سوم حاوی خاک و لایه هایی به ضخامت 5 سانتی متر از سنگریزه هایی به قطر 2 تا 4 میلی متر از سطح تا عمق 35 سانتی متری )دارای لایه های درشت منفذ ناپیوسته( تهیه شد. انتقال محلول سدیم کلرید در این سه توده خاک آزمایش و با نرم افزار GeoStudio شبیه سازی شد. محلول انتخابی در توده خاک دارای لایه های درشت منفذ پیوسته در مقایسه با توده خاک بدون لایه درشت منفذ ،27 درصد سریع تر انتقال یافت و غلظت های اوج محلول رخنه شده نیز زودتر مشاهده شد. تأثیر قابل توجهی در سرعت انتقال محلول در لایه های درشت منفذ ناپیوسته مشاهده نشد .نرم افزار GeoStudio با ضریب تعیین بیش از 89/0 و مقادیر جذر میانگین مربعات خطای کم تر از 25/0 انتقال محلول سدیم کلرید را به طور رضایت بخشی شبیه سازی کرد.

کلید واژه ها: توده خاک؛ جریان ترجیحی؛ مسیر درشت منفذ؛ CTRAN/W؛ SEEP/W

مقدمه
خاک دریافت کننده بسیاری از آلاینده ها مانند زائدات صنعتی، مواد شیمیایی کشاورزی، زباله های خانگی و فاضلاب ها است. این مواد همواره به خاک اضافه شده ،توسط بارندگی یا آبیاری در نیمرخ خاک حرکت کرده و وارد آب های زیرزمینی می شوند. آلودگی خاک و آب های زیرزمینی توسط این مواد خطرات جدی را متوجه محیط زیست می کند و به همین دلیل به ویژه در سال های اخیر توجه زیادی به مسئله انتقال مواد محلول در خاک شده است. اما به علت ناهمگنی طبیعی ساختمان خاک توصیف انتقال محلول در آن دشوار است. این دشواری در خاک های دارای مسیر های جریان ترجیحی1 بیشتر است .جریان ترجیحی یا جریان خارج از توده غالب خاک یکی از مکانیزم های انتقال در خاک است که در آن، محلول از مسیر های سهل الوصول حرکت می کند )امیری میجان و همکاران ،1387(. این مسیر ها شامل مجاری ایجاد شده توسط کرم های خاکی و ریشه های گیا هان و یا ترک های ایجاد شده در اثر فرایند های خشک شدن و مرطوب شدن ،یخ زدن و ذوب شدن، انبساط و انقباض و فرسایش هستند و منافذ درشت )ماکروپور(2 نامیده میشوند) Beven and

21– Preferential Flow PathsMacropores
69128648119872

سال

ششم

سال

ششم

.)White, 1985 ؛Germann, 1982
به طور کلی، انتقال محلول در خاک علاوه بر سه طریق جریان تود های1، پخش2 و انتشار3 توسط جریان ترجیحی نیز می تواند انجام گیرد. محلول از طریق حرکت در مسیر های جریان ترجیحی، بخش اعظم توده خاک را میان بر می زند و سرعت حرکت آن تا حد زیادی افزایش می یابد )پناهپور و همکاران ،1387(. خاک به عنوان یک محیط متخخل ناهمگن شامل انواع زیادی از منافذ درشت است. به دلیل نقش مهم منافذ درشت در حرکت ترجیحی محلول در خاک و ورود آن به آب های زیرزمینی، تحقیقات زیادی در مورد آن انجام شده است. با این وجود، ماهیت این نوع جریان هنوز بهخوبی مشخص نشده و سوال های زیادی در مورد نقش نسبی دو بخش درشت منفذ و ماتریکس خاک4 )توده غالب خاک( در انتقال محلول باقی مانده است. بر این اساس لازم است نقش منافذ درشت بیش تر مورد بررسی قرار گیرد .این بررسی ها به چهار صورت هستند) Buttle and Leigh, 1997(: 1- مطالعات میدانی که با مشکلاتی مانند تغییرات آب و هوا و پیچیدگ یهای مربوط به ارزیابی خصوصیات هیدرولیکی خاک همراه است )مانند 9891 ,Jardine et al. و 6002 ,Gardenas et al.(، 2- مطالعات آزمایشگاهی با خاک های دست نخورده تحت شرایط کنترل شده که در آن ها مانند شرایط میدانی، معمولاً اطلاعاتی در مورد ترکیبات داخلی خاک ها وجود ندارد )مانند Edwards et 3991 ,al. و زند سلیمی و همکاران ،1385(، 3- مدلسازی که بررسی تأثیرات آب و هوا و ماهیت خاک را بر جریان درشت منفذی آسان می کند )مانند 1991 ,Jarvis et al. و Booltink, 1994(. محدویت اصلی مدل سازی تعیین دقیق پارامترهایی مانند پیوستگی منافذ و شدت ورود آب به منافذ درشت است که جریان میان بر را کنترل می کنند، و

21– AdvectionDispersion
43– DiffusionSoil Matrix
4- مطالعات آزمایشگاهی شامل منافذ درشت مصنوعی با ابعاد معلوم که در آن ها تأثیر تغییرات بافتی و ساختمانی خاک بر رفتار فیزیکی خاک حذف می شود و تأثیر ویژگی های یک مسیر درشت منفذ در رفتار فیزیکوشیمیایی خاک قابل بررسی است .استفاده از مسیر های درشت منفذ مصنوعی بهترین روش جهت اجتناب از پیچیدگی توصیف تأثیر خصوصیات منافذ درشت بر جریان ترجیحی بوده است) 9002 ,Lamy et al.(. بر این اساس و بسته به اهداف تحقیق، نوع خاک و ابعاد ستون خاک روش های مختلفی برای ایجاد مسیر های درشت منفذ مصنوعی ارائه شد ه اند. Castiglione و همکاران) 2003( برای آزمایش نفوذ آب در یک ستون خاک با قرار دادن یک لوله استیلی میان تهی به قطر یک میلی متر از سطح خاک تا کف آن، یک مسیر درشت منفذ مصنوعی در مرکز ستون ایجاد کردند .شناخت کافی از هندسه این مسیر درشت منفذ و شرایط تحت کنترل آزمایش به آن ها کمک کرد تا بین جریان از بخش های ماتریکس و درشت منفذ خاک تمایز قائل شوند .
Lamy و همکاران) 2009( به مطالعه آزمایشگاهی افزایش سرعت انتقال یک محلول غیرواکنش دهنده) NaCl( از طریق یک مسیر درشت منفذ استوانه ای شکل به قطر 5 میلی متر و طول 27 سانتی متر در مرکز یک ستون خاک شنی به قطر 10 و طول 27 سانتی متر پرداختند .Mori و همکاران) 2014( به منظور افزایش نفوذپذیری خاک از مسیر های درشت منفذ مصنوعی استفاده نمودند. آن ها برای این کار شکاف هایی استوانه ای به قطر 1 میلی متر و طول 50 سانتی متر در خاک ایجاد کرده و برای استحکام این شکاف ها الیاف های شیشه ای داخل آن ها قرار دادند.
5234948149590

سال

ششم

/

شماره

سال

ششم

/

شماره

در بیش تر این مطالعات فرض شده که مسیر های درشت منفذ در تمام پروفیل خاک به صورت پیوسته از سطح خاک آغاز شده و به صورت موازی با جهت جریان امتداد یافته اند. در حالی که واقعیت چنین نیست و حتی مسیر های درشت منفذ مصنوعی با وجود مؤثر بودن ،شکننده هستند و نمی توانند همواره پایدار باقی بمانند )3002 ,Munyankusi .)Castiglione et al. و همکاران )1994( بیان نمودند که تعداد مسیر های درشت منفذی که یک سوی آن ها در سطح زمین قابل مشاهده است، برای مدل سازی انتقال محلول در خاک کافی نبوده و باید از طول و پیوستگی این مسیر ها نیز آگاهی داشت .Li و Ghodrati )1997( در آزمایش خود دریافتند که 5/1 سانتی متر از بخش پایینی برخی مسیر های درشت منفذ مصنوعی ایجاد شده در اثر جریان محلول تخریب شد ه اند و پیوستگی آن ها به هم خورده است .به همین دلیل جریان ترجیحی قابل توجهی رخ نداد .بسته به پیوستگی یا ناپیوستگی از سطح تا کف ستون خاک ،مسیر های درشت منفذ همواره نمی توانند به حرکت محلول در خاک کمک کنند. پیوستگی مسیر های درشت منفذ فاکتور مهمی است که در مدل سازی انتقال محلول باید مد نظر قرار گیرد )0002 ,.Leung et al(. Mori و Hirai )2014( اظهار داشتند که ساختمان مسیر های درشت منفذ مصنوعی معمولاً در بلندمدت تخریب و مسدود می شود و احتمال دوام آن ها اندک است .
این اتفاق مانع نفوذ پیوسته آب در خاک در زمان های طولانی می شود. بنابراین تأثیر پیوستگی مسیر های درشت منفذ در ایجاد جریان ترجیحی نیاز به مطالعات بیش تری دارد.
در این تحقیق، به جای استفاده از میله ها و استوانه های میان تهی، برای ایجاد مسیر های ترجیحی در داخل توده خاک ،لایه هایی از خاک با منافذ درشت تر )ماکروپور( قرار داده شد و تأثیر مسیر های درشت منفذ و همچنین پیوستگی آن ها از سطح تا کف توده خاک در انتقال محلول بررسی گردید. بدین منظور، سه توده خاک به این ترتیب تهیه شدند: 1- توده خاک همگن و بدون لایه های درشت منفذ، 2- توده خاک دارای لایه های درشت منفذ از سطح تا کف خاک، و 3- توده خاک دارای لایه های درشت منفذ از سطح خاک تا یک عمق معین بالاتر از کف آن. انتقال محلول غیرواکنش گر سدیم کلرید در این محیط های متخلخل با توجه به منحنی های رخنه آن بررسی شد و از آنجا که مدل سازی در کنار مطالعات آزمایشگاهی می تواند به بررسی جریان ترجیحی و وابستگی آن به خصوصیات مسیر های درشت منفذ )مانند پیوستگی و خصوصیات هیدرولیکی آن( کمک کند، آزمایش های انتقال با استفاده از برنامه های SEEP/W و CTRAN/W موجود در مجموعه نرم افزاری GeoStudio نسخه 2007 شبیه سازی شدند.

مواد و روش ها
آزمایش‌های‌انتقال‌محلول
آزمایش های انتقال محلول در مدل فیزیکی موجود در آزمایشگاه منابع آب دانشگاه تبریز در دی ماه 1394 انجام گرفتند. مدل فیزیکی مذکور شامل یک مخزن مستطیلی به ابعاد 200، 100 و 45 سانتی متر )به ترتیب طول، عرض و ارتفاع( بود. در کف این مخزن و در راستای عرض آن ،چهار لوله زهکش قرار داشت. در بالای آن و در ارتفاع 60 سانتی متری نیز 8 آبپاش برای تزریق پیوسته و یکنواخت آب و محلول قرار داشتند. از دو مخزن و دو پمپ برای تأمین و تزریق آب خالص و محلول استفاده شد. شکل 1 شماتیکی از مخزن خاک را نشان می دهد.
برای بررسی تأثیر مسیر های درشت منفذ و همچنین پیوستگی آن ها از سطح تا کف توده خاک، سه آزمایش انجام گرفت. در آزمایش اول، مخزن خاک با استفاده از خاکی حاوی 3 درصد رس ،2/4 درصد سیلت و 8/92 درصد شن و هدایت هیدرولیکی اشباع 68/0 سانتی متر بر دقیقه پر شد. برای انجام آزمایش های دوم و سوم، ابتدا با استفاده از ورقه های پلاستیکی نازک )طلق( با ابعاد 100×45 سانتی متر مربع )هم عرض و هم ارتفاع با مخزن خاک(، محفظه هایی با ضخامت 5 سانتی متر و هم ارتفاع با توده خاک در کنار تمام زهکش ها ایجاد شد.
69128648119872

سال

ششم

سال



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

پاسخ دهید