-248506-480

5167789-451584

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال چهارم، شماره سوم، بهار 1394

ارزیابی پایداري خاکدانهها با استفاده از مدلهاي فرکتالی و روشهاي کلاسیک

شیوا محمدیان خراسانی 1*، مهدي همایی 2 و ابراهیم پذیرا 3

1*) دانش آموخته کارشناسی ارشد؛ گروه خاکشناسی؛ دانشکده کشاورزي و منابع طبیعی؛ دانشگاه آزاد اسلامی؛ واحد علوم و تحقیقات؛ تهران؛ ایران
*نویسنده مسئول مکاتبات: [email protected] 2) استاد؛ گروه خاکشناسی؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران؛ ایران
1824133338327

3) استاد؛ گروه خاکشناسی؛ دانشکده کشاورزي و منابع طبیعی؛ دانشگاه آزاد اسلامی؛ واحد علوم و تحقیقات؛ تهران؛ ایران تاریخ دریافت: 23/09/1393 تاریخ پذیرش: 10/03/1394

چکیده
ساختمان خاك ،شاخصی مهم براي مدیریت بهینۀ منابع خاك و آب میباشد. زیرا به گونهاي مستقیم، بر بسیاري از ویژگیهاي فیزیکی خاك همچون مقدار آب، هدایت آبی، گرما، تهویه، جرم ویژة ظاهري و تخلخل خاك اثر میگذارد. لیکن به دلیل پیچیدگی ساختمان خاك، توصیف کمی آن دشوار میباشد. یکی از روشهاي نوین براي توضیح کمی ساختمان خاك، استفاده از مفهوم هندسۀ فرکتالی است. در این روش، با تعیین بعد فرکتالی خاکدانهها میتوان وضعیت پایداري آنها را در مقیاسهاي مختلف به صورت کمی بررسی کرد. هدف از این پژوهش، کمیسازي ساختمان خاك با استفاده از شاخصهاي کلاسیک و مقایسۀ آن با بعد فرکتالی به دست آمده براي خاکدانههاي خاك در یک پهنۀ گسترده بود. بدین منظور، تعداد 41 نمونه خاك دست نخورده از یک منطقۀ زراعی برداشت و فراوانی نسبی اندازة خاکدانهها، جرم ویژة ظاهري و فراوانی نسبی اندازة ذرات خاك اندازهگیري شد. سپس میانگین وزنی و میانگین هندسی اندازة خاکدانهها در دو حالت تر و خشک با استفاده از روش
سري الکها اندازهگیري شد. آنگاه براي همان نمونهها ،بعدهاي فرکتالی Tyler-Wheatcraft ،Mandelbrot و Rieu-Sposito براي هر دو حالت خشک و تر تعیین شد. نتایج نشان داد که بعدهاي فرکتالی مدل تعداد – اندازة مندلبرات در سري الک خشک و مدل تعداد – اندازة ریو – اسپوزیتو در سري الک تر با دو شاخص تجربی قطر خاکدانهها بیشترین همبستگی را دارند.

کلید واژه ها: پایداري خاکدانهها؛ ساختمان خاك؛ مدلهاي فرکتالی؛ هندسۀ فرکتالی

مقدمه
خاك از منابع طبیعی ارزشمند جهان است که مدیریت پایدار آن تنها با حفظ و بقاي چرخۀ زیستی محقق می شود (1991(Lal and Pierce, . ذرات خاك از نظر اندازه و شکل بسیار متفاوت میباشند، بنابراین هیچگونه شکل هندسی خاصی را نمیتوان براي ساختمان خاك در نظر گرفت .ساختمان خاك به دلیل رابطۀ مستقیمی که با کارآیی و عملکرد خاك به ویژه در کشاورزي دارد، بسیار با اهمیت است. زیرا اثراتی فراوان بر فرآیندهاي فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیک ،توانایی خاك در حمایت از رشد گیاه، چرخۀ کربن، فراهمی ریزمغذيها، دریافت، ذخیره و انتقال آب و همچنین مقاومت در برابر فرسایش دارد .1به دلیل مدیریتهاي اکوسیستمی که در آن فعالیتهاي بشري موجب تغییرات کوتاهمدت و درازمدت

69560688298691

سال

چهارم
/
شماره

3

/

بهار
94

سال

چهارم

/

شماره

3

/

بهار

94

بر خاك میشوند و ممکن است این تغییرات شدید اثراتمثبت و یا زیانآوري بر عملکرد خاك بگذارند، باید بهساختمان خاك توجه ویژهاي شود و آن را به طور کمی مورد ارزیابی قرار داد.
توصیف کمی ساختمان خاك براي خاکشناسان با چالشهایی همراه است، زیرا روشی کاربردي، علمی و جهانی براي اندازهگیري آن وجود ندارد. برخلاف بافت خاك، ساختمان خاك براثر فعالیتهاي بیولوژیک، آب و هوا و مدیریتهاي مختلفی که بر آن انجام میشود، تغییر میکند .بنابراین، هیچگونه روش مشخصی براي اندازهگیري ساختمان خاك وجود ندارد، به گونهاي که میتوان گفت تا کنون به طور کیفی توصیف شده است. از دیگر سو، ساختمان خاك به مفهومی کمی نیاز دارد تا بتوان آن را به صورت یک ویژگی قابل سنجش بیان کرد. در حال حاضر، وضعیت خاکدانهها با استفاده از سه شاخص اندازه، شکل و پایداري ارزیابی میشود (1965 ,.(Harris et al.
پایداري خاکدانهها یکی از شاخصهاي ارزیابی عملکرد خاك است که براي تعیین کیفیت خاك مورد استفاده قرار میگیرد .هم اکنون براي سنجش پایداري ساختمان خاك از روشهاي کلاسیک( سري الکهاي خشک و تر) استفاده می گردد .این روش براي دانههاي درشتتر خاك قابل قبول است لیکن براي دانههاي بسیار ریز مناسب نیست، زیرا دانههاي بسیار ریز خاك به یکدیگر میچسبند.
با ارائۀ هندسۀ فرکتالی و به کار بردن آن در دانش خاکشناسی، به ویژه در تخمین پایداري ساختمان خاك و مقایسۀ آن با روشهاي کلاسیک میتوان به درکی بهتر دربارة ساختمان خاك به طور خاص و علوم خاك به طور عام دست یافت (1977(Mandelbrot, . هندسۀ فرکتالی توسط Mandelbrot (1982) به منظور کمی کردن و تشریح اشکال نامنظم طبیعت پایهریزي شد. پس از Mandelbort پژوهشگران زیادي از جمله Rieu-،(1991) Perfect-Kay a,b) Sposito 1991) وTyler-Wheatcraft (1992) از مفهوم هندسۀ فرکتالی در شاخههاي مختلف علوم خاك استفاده کردند. شکلهاي فرکتالی در مقیاس هاي مختلف خودهمانند ،بعد فرکتالی آنها عددي غیرصحیح و در مقیاس میکروسکوپی بسیار پیچیده می باشند. شکلهاي فرکتالی برخلاف شکلهاي هندسۀ اقلیدسی به هیچ وجه منظم نیستند. این شکلها سرتا سر نامنظم و میزان بی نظمی آنها در تمامی مقیاسها یکسان است به گونهاي که جسم فرکتالی از دور و نزدیک یکسان دیده میشود.
طی فرآیند سلسله مراتبی تشکیل خاکدانهها ،خاکدانه هاي با اندازة بزرگتر، خرد شده و به خاکدانههاي کوچکتر تبدیل میشوند و دوباره خاکدانههاي کوچک با قرار گرفتن در کنار یکدیگر باعث ایجاد خاکدانههاي بزرگتر میشوند. بنابراین، شکل و اندازة خاکدانههاي کوچکتر تابعی از تعداد واحدهاي بزرگتر بوده و این شیوة خرد شدن، به وسیلۀ بعد کسري یا بعد فرکتالی بیان می شود. به این ترتیب ساختمان خاك را میتوان با توابع مبتنی بر هندسۀ فرکتالی به صورت کمی بیان کرد (1997(Perfect and Blevins, . در سالهاي اخیر، امکان توصیف توزیع اندازة ذرات، اندازة منافذ و اندازة خاکدانهها با استفاده از هندسۀ فرکتالی، ابزاري مناسب در کمی کردن ساختمان خاك قلمداد شده است (Filgueira
et al., 2006; Miao et al., 2007; Montero, 2005; Rieu
.and Sposito, 1991 a,b; )
پژوهشگران به طور موفقیت آمیزي از فرکتالها براي مطالعۀ
ساختمان خاك (2007(Ding and Ding, ، نحوة الگوي توزیع مکانی متغیرهاي خاکی (1993 ,.(Eghbal et al، مدلسازي توزیع اندازة ذرات و تخلخل خاك (Perfect and Blevins, (1997، مدلسازي نگهداشت آب توسط خاك ,.(Perfect et al
4607808249923

سال

چهارم

/
شماره

3

/

بهار

9
4

سال



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید