-248506-446

5311045-442406

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال چهارم، شماره چهارم، تابستان 1394

تخمین معکوس پارامترها و توابع هیدرولیکی خاك غیراشباع با استفاده از داده هاي آزمون دیسک
نفوذسنج

محمد نخعی 1، وهاب امیري 2* و میثم ودیعتی 3

دانشیار هیدروژئولوژي؛ دانشکده علوم زمین؛ دانشگاه خوارزمی؛ تهران؛ ایران
دانشجوي دکتري هیدروژئولوژي؛ دانشکده علوم زمین؛ دانشگاه خوارزمی؛ تهران؛ ایران
[email protected] :نویسنده مسئول مکاتبات*
دانشجوي دکتري هیدروژئولوژي؛ دانشکده علوم؛ گروه زمین شناسی؛ دانشگاه تبریز؛ تبریز؛ ایران
19673894318

تاریخ دریافت: 06/04/1393 تاریخ پذیرش: 13/02/1394

چکیده
تحلیل جریان در منطقه غیراشباع خاك بسیار پیچیده بوده و به دو تابع غیرخطی K(h) و θ(h) که توابع غیرخطی رفتار هیدرولیکی خاك هستند بستگی دارد .تخمین پارامترهاي هیدرولیکی خاك به روش هاي گوناگونی انجام می شود که استفاده از آزمون نفوذ یکی از این موارد می باشد. در این مطالعه از داده هاي جمع آوري شده از آزمون نفوذ بوسیله دیسک نفوذ (بار فشار و نفوذ تجمعی از سطح نمونه خاك) براي تخمین و بهینه یابی پارامترهاي هیدرولیکی خاك با استفاده از برنامه -HYDRUSD2 به روش حل معکوس استفاده شد. در این مطالعه از مدل van Genuchten-Mualem براي ارزیابی هیدرودینامیکی محیط استفاده شد. علاوه بر این، فرض شد که هیچ گونه پسماند رطوبتی در محیط وجود ندارد و محیط متخلخل کاملاً همگن و ایزوتروپ است .در این مطالعه نمونه اي از خاك سیلتی لوم به طول 7/20 سانتیمتر و قطر 7/20 سانتیمتر انتخاب شد. از داده هاي ثبت شده در بازه زمانی 150 ساعته به عنوان مشاهده هاي آزمایشگاهی در مدل حل معکوس استفاده گردید و توابع هیدرولیکی خاك تخمین زده شد. مدل در دو بخش مجزا و با استفاده از داده هاي بار فشار و سپس داده هاي نفوذ تجمعی اجرا شد و نتایج با هم مقایسه گردید. نتایج نشان می دهد که استفاده از بار فشار در عمق 4 سانتیمتري که در این مطالعه مورد توجه بود نمی تواند منجر به ارائه تخمین درستی از پارامترهاي هیدرولیکی خاك شود. نتایج استفاده از نفوذ تجمعی نشان می دهد که این اطلاعات به صورت موفقیت آمیزي می توانند در حل و تخمین معکوس پارامترهاي مورد نظر مفید باشند .
کلید واژه ها: تخمین پارامتر؛ توابع هیدرولیکی؛ حل معکوس؛ دیسک نفوذسنج
مقدمه
مدیریت بهینه منابع آب و خاك نیازمند مدل سازي ریاضی می باشد که قادر به شبیه سازي جریان و انتقال آلودگی باشد. این مدل ها به وضعیت فیزیکی و هندسه محیط، شرایط مرزي و خصوصیات هیدرولیکی خاك از جمله توابع هدایت هیدرولیکی و نگهداشت خاك وابسته
.(Jadoon et al., 2009)می باشند
اطلاع از ویژگی هاي هیدرولیکی خاك هاي غیراشباع مانند هدایت هیدرولیکی غیراشباع براي شبیه سازي جریان آب و مواد محلول در محیط متخلخل ضروري می باشد .مبناي کلیه روش هاي حل عددي براي شبیه سازي جریان و انتقال مواد محلول در محیط متخلخل معادله دیفرانسیلی
.(Raoof and Pilpayeh, 2011)ریچاردز می باشد
جریان یک بعدي آب در محیط غیراشباع و اشباع خاك تحت شرایط هم دما را می توان با شکل اصلاح شده معادله ریچاردز بصورت زیر ارائه نمود ( ;2002Kumar,
:(Taheri and Ataie, 2009

101156144742

   k(h  cos) (1)
t x   x
که در معادله بالا ، θ میزان رطوبت خاك ،t زمان ،x طول ،k هدایت هیدرولیکی و h میزان بار فشار می باشند .
زوایهφ زاویه جهت جریان با جهت قائم می باشد .
تحلیل جریان در منطقه غیراشباع خاك بسیار پیچیده
بوده و به دو تابع غیرخطی K(h) و θ(h) که توابع غیرخطی رفتار هیدرولیکی خاك هستند بستگی دارد (2010Dobre and Drobot, ). در این مطالعه از مدل وان گنوختن براي بررسی توابع غیرخطی K(h) و θ(h) استفاده شده است. توابع غیرخطی یاد شده به صورت زیر
:(Simunek and Nimmo, 2005)می باشند
s r
769430-8910

hr  1h nm hhs

s m2 hhs
K h K S( )  s el 1 1 Se1/m   که در روابط بالا ks هدایت هیدرولیکی اشباع و hs میزان مکش حد آستانه ورود هوا می باشند. در این مدل تحلیلی، توابع غیرخطی K(h) و θ(h) را بوسیله پنج پارامتر هیدرولیکی α ، Ks ،θs ،θr و n تعریف می کنند که θr رطوبت باقیمانده ،θs رطوبت اشباع ،Ks هدایت هیدرولیکی اشباع ،α و n پارامترهاي شکل می باشند.
40 / نخعی و همکاران

تخمین پارامترهاي موثر جریان در مدل محیط هاي غیراشباع مبتنی بر مشاهدات صورت گرفته در مقیاسی کوچک تر از مقیاس واقعی مدل می باشد که این موجب ایجاد مشکلاتی در تخمین پارامترهاي خاك هاي ناهمگن می شود. بنابراین باید سعی کرد مسیري را براي مطالعه در پیش گرفت که از این خطا و مشکل ذکر شده دوري کرد
.(Erdal et al., 2012)
اندازه گیري خصوصیات هیدرولیکی براي جریان غیراشباع به صورت مستقیم عموماً وقت گیر و پرهزینه می باشد. در روش مستقیم اندازه گیري پارامترهاي هیدرولیکی خاك با اندازه گیري میزان نفوذ از سطح یک نمونه خاك در آزمایشگاه پس از پایدار شدن جریان انجام می گیرد. استفاده از روش هاي غیرمستقیم تخمین خواص هیدرولیکی محیط متخلخل جایگزینی مناسب براي روش هاي وقت گیر و پرهزینه مستقیم می باشد( Bnouni
.(et al., 2010
یکی از روش هاي غیرمستقیم که مورد توجه محققین علم فیزیک خاك و جریان در محیط متخلخل قرار گرفته ،روش حل معکوس تخمین پارامترهاي مورد بحث می باشد. در این روش داده هاي حاصل از یک آزمایش غیرماندگار که “مشاهدات” نام دارند با روش حداقل مربعات بر اساس الگوریتم مارکورت بر داده هاي استخراج شده از مدل تشریح کننده پدیده مورد آزمایش بر هم منطبق شده و پارامترهاي محیط متخلخل تخمین زده می شود( 2010 Prasad et al.,).
تخمین پارامترهاي هیدرولیکی محیط متخلخل به روش حل معکوس بدین صورت است که با انتخاب یک تابع هدف که متشکل از خروجی هاي مدل حاکم بر جریان و مشاهدات اندازه گیري شده آزمایشگاهی و کمینه کردن آن به ازاي پارامترهاي مجهول در مدل یک سري مقادیر اولیه حدسی جایگزین گردیده و محاسبات با تغییر این پارامترها در جهت کمینه کردن تابع هدف ادامه می یابد تا جائیکه برازش خروجی هاي مدل و مشاهدات قابل قبول باشد( 2004Ritter et al., ). بنابراین در مسائل معکوس، هدف پیدا کردن یک بردار بهینه p* می باشد به گونه اي که تابع هدف g (p) را به نحوي کاهش دهد که در بهترین حالت ،(v(p*)) محاسباتی= (v) مشاهداتی
69530208094387

سال

چهارم

/
شماره

4
/

تابستان

سال

چهارم

/

شماره

4

/

تابستان

.(Dobre and Drobot, 2010 )باشد

تخمین پارامترهاي هیدرولیکی خاك به روش هاي گوناگونی انجام می شود که از این بین می توان به مطالعات Samani و Lassabatere ،(2009) Fathi و همکاران (2010)، Prasad و همکاران (2010)،Jadoon و همکاران( 2009)، Mohammadzadeh-Habili و Bnouni ،(2011) Heidarpour و همکاران ( 2010)، Erdal وهمکاران( 2012)، اشاره کرد. استفاده از آزمون نفوذ یکی از روش هاي تعیین پارامترهاي هیدرولیکی خاك میباشد که به شکل هاي مختلف و در مطالعات گوناگون پیگیري شده است( Leong و همکاران( 2011)،
van و Simunek ،(1999 ) و همکاران Simunek
،(1998 ) و همکاران Simunek ،(1996) Genuchtan و همکاران Kodesova ،(2006 )و همکاران Ramos
(2010)). در این مطالعه از داده هاي جمعآوري شده از آزمون نفوذ بوسیله دیسک نفوذ (بار فشار و نفوذ تجمعی از سطح نمونه خاك) براي تخمین و بهینه یابی پارامترهاي هیدرولیکی خاك با استفاده از برنامه HYDRUS-2D به روش حل معکوس استفاده شد. این برنامه از الگوریتم بهینه یابی مارکورت-لونبرگ براي کمینه کردن تابع هدف استفاده می کند(2007Mallants et al., ).

مواد و روش ها
در این مطالعه مقداري خاك با دانهبندي مشخص (که رده خاك سیلتی لوم قرار داشت) تهیه شده و در یک ستون به طول 7/20 سانتیمتر و قطر 7/20 سانتیمتر ریخته شد. به منظور تعریف شرایط هیدرولیکی مشخص و مورد نظر در این ستون خاك ،شرایط مرزي هیدرولیکی بار
تخمین معکوس پارامترها و توابع هیدرولیکی خاك غیراشباع با استفاده از داده هاي آزمون دیسک نفوذسنج / 41

فشار ثابت برابر 14- سانتیمتر در مرز بالایی نمونه خاك بوسیله دیسک نفوذسنج تثبیت گردید.
شرایط مرزي در مرز پایین نمونه خاك نیز بصورت سطح نشتی در نظر گرفته شد به گونه اي که امکان تخلیه آزاد آب از انتهاي ستون خاك فراهم شده و از طریق یک قیف به یک ظرف در زیر این سامانه منتقل شود. پس از اعمال شرایط تعریف شده بالا ،شرایط اولیه خاك بدینگونه است که بار فشار برابر 5/32- سانتیمتر در عمق 4 سانتیمتري از خاك، بار فشار 1/25- سانتیمتر در عمق
7/10 سانتیمتري از سطح خاك و بار فشار 8/19- سانتیمتر در عمق 7/16 سانتیمتري از سطح خاك به ثبت رسید.
در شکل 1 شمایی از سامانه طراحی شده و تجهیزات مورد نیاز براي این آزمایش نمایش داده شده است. پس از شروع نفوذ آب به درون نمونه از مرز بالایی آن، میزان نفوذ تجمعی به درون خاك و همچنین میزان بار فشار در سه عمق از نمونه خاك (4، 7/10 و 7/16 سانتیمتري) بوسیله مکش سنج هایی که به دستگاه خودکار برداشت داده ها متصل بود ثبت گردید .
4272528054763

سال

چهارم

/

شماره

4
/

سال



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید