نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد هشتم، شمارۀ 4 زمستان 3131

برآورد پارامترهاي پراكندگي هيدروديناميكي و هدايت حرارتي خاك با روشهاي ژئوفيزيكي و حرارت سنجيمحمد نخعي؛ دانشگاه خوارزمي، دانشکدۀ علوم زمین چکيده
تاريخ: دريافت 2/7/33 پذيرش 31/1/32
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

در مباحث کشاورزي اطلاع از خصوصیات هیدرولیکی ،فیزیکی و حرارتی خاک بهمنظور پیش بینی دقیق تأثیر حرارت خاک بر چگونگی نمو دانه، نگه داشت آب در خاک، هدایت هیدرولیکی محیط غیراشباع و جریان بخار آب در خاک ضروري است. در تحقیق حاضر با استفاده از بررسی هاي ژئوفیزیکی و حرارت سنجی به تعیین خصوصیات هیدرولیکی و حرارتی محیط متخلخل غیراشباع پرداخته شد. از تزریق آب با دماي 05 درجۀ سانتی گراد و ثبت داده هاي حرارتی محیط به مدت 1200 ثانیه از شروع نشت با 2 حس گر حرارتی براي جمع آوري داده هاي مورد نیاز حل معکوس استفاده شد. از 44 دادۀ حرارتی حس گر نصب شده در عمق 05 سانتی متري و 44 داده برداشت شده از تغییرات دمایی آب تزریقی براي تعیین پارامترهاي هیدورلیکی و حرارتی استفاده شد. در این پژوهش از 323 موقعیت سونداژ ژئوالکتریکی براي برداشت داده به روش ونر، شلومبرژه و دوقطبی-دوقطبی استفاده شد. بررسی و تفسیر منحنی هاي به دست آمده از این سونداژها نشان داد که عمق سطح ایستابی در 70 متري است. لایه بالاي )منطقه غیراشباع( از نوع آبرفتی است که از سه لایه تشکیل شده است.
در این پژوهش از آآّبّب نمک با غلضت 25 گرم بر لیتر به عنوان آلودگی براي بررسی توزیع و پخش شدگی آن در منطقه غیراشباع استفاده شد. آرایه هاي ونر و قطبی- قطبی براي ردیابی و به تصویر در آوردن آلودگی استفاده شد. آرایۀ قطبی-قطبی نسبت به آرایۀ ونر گسترش پولوم را در جهت عمقی و افقی کم تر از مقدار واقعی نشان داد. به خصوص گسترش عمقی را خیلی کم تر از مقدار واقعی نشان می دهد. بر اساس تزریق آب در مجاورت ترانشه و مشاهدۀ زمان رسیدن آب به آن، سرعت واقعی آب در جهت 10 درجه نسبت به افق برابر 303/5 متر بر
7352
ساعت به دست آمد. ضریب گسترش عمودي به افقی برابر با 4/3 تعیین شد. بررسی خصوصیات هیدرولیکی و حرارتی محیط متخلخل غیراشباع با استفاده از نرم افزار هیدروس-2 D3 انجام شد. در این پژوهش 0 پارامتر هیدرولیکی خاک شامل n ،α ،θs ،θr و Ks و هم چنین 0 پارامتر انتقال حرارت خاک شامل Co،Cn ،λT ،λL وCw بهینه یابی شد. پس از اجراي مدل، تخمین پارامترها )تطبیق مقادیر حرارتی مشاهداتی و پیش بینی شده( با 2R برابر 37/5 و مقدار تابع هدف برابر 0/33 صورت گرفت. مقدار خطاي محاسباتی در بیلان جرمی نیز برابر با 17/5 درصد به دست آمد.
واژه های کليدی: محیط غیراشباع، ژئوالکتریک ،HYDRUS-2D، پارامترهاي هیدرولیکی خاک، پارامترهاي حرارتی خاک.

[email protected] نويسندۀ مسئول *

1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

مقدمه
در مباحث کشاورزي مانند جوانه زدن دانه و شروع و ادامه رشد آن اطلاع از خصوصیات فیزیکی و حرارتی خاک به منظور پیش بینی دقیق تأثیر حرارت خاک بر چگونگی نمو دانه ،نگه داشت آب در خاک، هدایت هیدرولیکی محیط غیراشباع و جریان بخار آب در خاک ضروري است ]3[. در سال هاي اخیر بررسی هاي فراوانی در زمینۀ تعیین خصوصیات حرارتی خاک مانند هدایت حرارتی خاک )λ(، ظرفیت حجمی حرارت)C( و انتشار حرارتی خاک )K( صورت گرفته است.
انتقال و مهاجرت حرارت در یک محیط عمدتاًعمدتا به مقاومت حرارتی )قابلیت یک ماده در جلوگیري از انتقال حرارت(، گرماي ویژه آن )توانایی ماده در ذخیرۀ حرارت( و انتشار حرارتی )ترکیبی از خصوصیات انتقالی و ذخیره اي ماده و محیط که نرخ تغییر حرارت در محیط را نشان می دهد( بستگی دارد ]2[.
تعیین پارامترهاي حرارتی خاک با استفاده از روش هاي مختلفی انجام می شود. در پژوهشی
-89176223041

که در سال 2551 مورتنسن و همکاران انجام دادند ]1[، پارامترهاي جریان، انتقال مواد محلول
3. HYDRUS-2D
و حرارت با بهره گیري از اندازه گیري حسگرهاي پالسی چند تابعی حرارت )3MFHPP( و استفاده از مدل سازي معکوس انتقال و حرارت در محیط نرم افزار هیدروس-2D به دست آمد ]1[.
انتقال حرارت و رطوبت در محیط خاکی بههم وابسته است و نمی توان آن ها را جدا از هم در نظر گرفت و ارزیابی کرد ]4[. پژوهش هاي فراوانی در زمینۀ تخمین پارامتر هیدرولیکی و حرارتی محیط متخلخل انجام شده است که در هر یک از این بررسی ها روش مختلفی ارزیابی شده است ]0[-]30[. بنا بر این، پیش از تعیین خصوصیات حرارتی خاک باید ساختار فیزیکی محیط را ارزیابی کرد و به بررسی خصوصیات هیدرولیکی آن پرداخت.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

اندازه گیري خصوصیات هیدرولیکی براي جریان آب و آلودگی در محیط غیراشباع به صورت مستقیم عموماعموماً وقت گیر و پرهزینه است. در روش مستقیم اندازه گیري پارامترهاي هیدرولیکی خاک با اندازه گیري میزان نفوذ از سطح نمونه اي از خاک در آزمایشگاه بعد از پایدار شدن جریان انجام می گیرد ]31[.
در این پژوهش از مدل هیدرولیکی و معادلات وان گنوختن ]22[ استفاده شد و فرض شد که هیچ پسماندي2 در محیط وجود ندارد. شبکه بندي محیط با استفاده از 455 گره1، 71 عنصر یک بعدي و 722 عنصر دو بعدي انجام شد.در این پژوهش 0 پارامتر هیدرولیکی خاک شامل 4n7 ،α1 ،θs0 ،θr و 4Ks و هم چنین 0 پارامتر انتقال حرارت خاک شامل 3Cn33 ، λT35، λL
-70761235072

،32oC و 31Cw بهینه یابی گردید.
1. Multi-Functional Heat Pulse Probe 2. Hysteresis 3. Node
4. Residual soil water content 5. Saturated soil water content
Parameter α in the soil water retention function
Parameter n in the soil water retention function
Saturated hydraulic conductivity 9. Longitudinal thermal dispersivity
11. Transverse thermal dispersivity
Volumetric heat capacity of the solid phase
Volumetric heat capacity of organic matter
31. Volumetric heat capacity of the liquid phase
7352
جریان یک بعدي آب در محیط غیر اشباع و اشباع خاک تحت شرایط هم دما را می توان بافرم اصلاح شده معادلۀ ریچاردز بدین صورت ارائه کرد:
   h
98868958635

t x k(x  cos) S )1(
که در معادلۀ )3(،  میزان رطوبت خاک ،t زمان ،x طول ،k هدایت هیدرولیکی و h میزان بار فشار هستند. زوایۀ  زاویه جهت جریان با جهت قائم و S میزان جذب آب به وسیلۀ ریشه گیاهان است . براي حل معادلۀ )3( نیاز به اطلاعات دقیق در مورد توابع K(h) و  (h) است.
تحلیل جریان در منطقه غیراشباع خاک بسیار پیچیده است و به دو تابع غیرخطی K(h) و
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

 (h) که پارامترهاي هیدرولیکی خاک نام دارند بستگی دارد. توابع غیرخطی K(h) و  (h) براساس مدل فوگل و همکاران ]21[ که در این مقاله استفاده شده است، فرم اصلاح شده مدل فان گنوختن ]22[ هستند که امروزه به عنوان یک استاندارد به کار گرفته می شوند. فرم این توابع غیرخطی به صورت معادله هاي )2( است.
)2(
 s r
r n m hhsKs Kr h hhs
805471-125820

h1h , KhKs hhs
3160163264168

s hhs Kr Sel 1

1FFs2, F  1mrr 1 m m ,
878023248737

 Fs   1s r 1 m m
m r  که در روابط فوق kr(h) تابع هدایت هیدرولیکی نسبی، ks هدایت هیدرولیکی اشباع و hs میزان مکش حد آستانه ورود هوا هستند.
در این مدل تحلیلی، توابع غیرخطیK(h) و  (h) را با شش پارامتر هیدرولیکی r، ، ks، m ،s و n تعریف می کنند که r رطوبت باقی مانده ، s رطوبت اشباع ، m پارامتر ساختگی ،ks هدایت هیدرولیکی اشباع ، و n پارامترهاي شکل هستند. تفاوت مدل فوگل و همکاران نسبت به مدل اصلی فان گنوختن براي پارامتر اضافی m است که کمی بزرگ تر از s است. این پارامتر هیچ تأثیري روي شکل  (h) ندارد ولی برروي تابع K(h) اثر بسیار زیادي دارد و در خاک هاي ریزدانه که ارتفاع موئین زیادي دارند بیان گر دقیق تر شکل تابع نسبت به مدل تحلیلی وانگنوختن است.
کنستانز وابستگی هدایت هیدرولیکی خاک به حرارت را با معادلۀ )1( ارائه کرد ]23[:
1325367145832

ref T*
KT  T ref Kref ()K Kref () )(
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

که در آنKref و KT بهترتیب هدایت هیدرولیکی در حرارت مرجعTref و حرارتT هستند.ref و T به ترتیب ویسکوزیته دینامیکی در حرارت مرجعTref و حرارتT هستند.
پارامتر*K ضریب مقیاس حرارتی هدایت هیدرولیکی خاک است.
معادلۀ دیفرانسیل حاکم بر انتقال حرارت در محیط متخلخل سه بعدي بر طبق معادلۀ سوفوکلئوس ]25[ به صورت معادلۀ )4( است:
161837273633

CTt  xi ij ()

xTj Cwqi

xTi )4(

در این معادله (ij ( هدایت حرارتی ظاهري خاک و (C( و Cwبه ترتیب ظرفیت حجمی حرارتی فاز جامد و مایع هستند.
یکی از روش هایی که در مقیاس بزرگ می تواند براي ارزیابی خصوصیات فیزیکی محیط و ارزیابی ویژگی هاي هیدرولیکی خاک مانند هدایت هیدرولیکی استفاده شود، روش هاي ژئوفیزیکی اند. اندازه گیري ها و داده هاي برداشتی با این روش می تواند اطلاعاتی با وضوح زیاد و کم ترین خطا را از محیط زیرسطحی در اختیار قرار دهد. با استفاده از دو روش 3GPR و2ETR 7357
)توموگرافی مقاومت الکتریکی( می توان محتویات رطوبتی و تغییرات هدایت الکتریکی خاکرا شناسایی کرد. داده هاي به دست آمده از این روش می تواند اطلاعات ارزشمندي از پارامترهايهیدرولیکی جریان و انتقال مواد محلول را در اختیار قرار دهد ]37[.
در یکی از جدیدترین بررسی هایی که در نیجریه با استفاده از روش سونداژ ژئوالکتریکی به بررسی و تعیین خصوصیات هیدرولیکی خاک پرداخته شده است، از داده هاي به دست آمده از 24 سونداژ الکتریکی قائم )3VES( برداشت شده براي تعیین هدایت هیدرولیکی خاک استفاده شد ]34[.
خصوصيات منطقۀ بررسي شده
منطقۀ مورد نظر در 40 کیلومتري غرب تهران و در شمال غربی شهر کرج در منطقۀ حصارک واقع شده است. محدودۀ بررسی شده در فضاي داخل دانشگاه خوارزمی قرار گرفته است که در شکل3 موقعیت محل مورد نظر نمایش داده شده است.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

نوع آبخوان به صورت آزاد و آبرفتی است. شرکت مهندسین مشاور لار در سال 3144بر اساس بررسی هایش، مقدار ضریب انتقال )T( در محدودۀ بررسی شده تقریباتقریباً 305 مترمربع بر روز برآورد شده است.
مواد و روش کار
پژوهش مورد نظر در دو بخش کلی دنبال شد:
3.بررسی ژئوالکتریکی و تعیین برخی پارامترهاي هیدرولیکی و انتقال آلودگی خاک
2. بررسی حرارت سنجی و تخمین پارامترهاي هیدرولیکی و انتقال حرارت.
-821911514728

در مرحلۀ اول، محل مناسبی واقع در محوطۀ پردیس کرج دانشگاه خوارزمی براي انجام پروژه انتخاب شده و با استفاده از سونداژهاي ژئوالکتریکی و تهیه پروفیل از برداشت هاي صورت گرفته، عمق سطح آب و لیتولوژي منطقه تعیین شد. پس از تعیین عمق سطح آب ،به منظور تعیین نحوۀ انتقال و تحلیل گسترش مکانی و زمانی پلوم آلودگی در محیط از تزریق محلول آبنمک استفاده شد. در این بخش از بررسی، روش هاي مختلف ژئوالکتریکی همزمان با پیش روي پلوم آلودگی بررسی و نهایتاً پروفیل هاي تهیه شده با هر یک از روشها ارزیابی شد.
1. Vertical Electrical Sounding
7355
در ادامه و پس از برداشت هاي ژئوالکتریکی صورت گرفته در سطح منطقه، تعیین مقدارسرعت نفوذ آب در خاک با انجام آزمون نفوذ و مشاهده سطح نشت از دیواره یک ترانشهحفاري شده در نزدیکی چاله نفوذ در دستور کار قرار گرفت.
انجام مرحلۀ دوم پژوهش که تعیین پارامترهاي انتقال حرارت در محیط غیراشباع است، با استفاده از تزریق آب گرم و ثبت تغییرات دمایی محیط با استفاده از سنسورهاي حرارتی دنبال شد. اطلاعات حرارتی برداشت شده در این مرحله براي استفاده در مدل عددي هیدروس-2D و تعیین پارامترهاي حرارتی خاک بهصورت حل معکوس استفاده شد.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:35 IRST on Saturday October 28th 2017

شکل2 . موقعيت منطقۀ بررسي شده واقع در محوطۀ دانشگاه خوارزمي بحث و نتيجهگيری
الف( بررسي های ژئوالکتريکي
در این پژوهش با ایجاد منشأ آلودگی مصنوعی به بررسی نحوۀ انتقال هالۀ آلودگی در محیط غیراشباع پرداخته شد. به منظور تزریق آلودگی به زمین، چاله اي با ابعاد 3 متر و عمق 3 متر حفر شد. اطراف چاله تزریق مختصات بندي و محدودۀ مربعی شکل به ابعاد 45 متري 7355
انتخاب شد به طوري که محل تزریق در وسط قرار گرفته و فضاي درونی محدودۀ مشخصشده به فاصله هاي 4 متري شبکه بندي شد.در این پژوهش از 323 موقعیت سونداژ ژئوالکتریکیبراي برداشت داده به روش ونر- شلومبرژه استفاده شد.
بعد از بررسی هاي زمین شناسی براي تعیین محل انجام پروژه، تعداد 1 نقطه سونداژ به روش شولومبرژه با AB/2=305m در محل انجام شد. این سونداژها به منظور بررسی لیتولوژیکی و عمق، ضخامت منطقه غیراشباع به کار گرفته شد )شکل 1(.



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید