تخمین منحنی مشخصه آب خاک با استفاده توزیع اندازه ذرات بر پایه روش فرکتال

آب و خاک

مقاله 6، دوره 29، شماره 3، شهریور 1394، صفحه 604-614   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v0i0.34661

نویسندگان

محمدمهدی چاری^{* 1}؛ بیژن قهرمان¹؛ کامران داوری¹؛ علی اصغر خشنود یزدی²

¹دانشگاه فردوسی مشهد

²دانشکده کشاورزی شیروان

چکیده

به دست آوردن منحنی رطوبتی در آزمایشگاه زمان بر و پرهزینه می باشد. به این دلیل پژوهش گران روش هایی را ارائه کرده اند که به کمک آن‌ها بتوان منحنی مشخصه را به آسانی به دست آورد. یکی از این روش ها، استفاده از هندسه فرکتال می باشد. از آن‌جا که به دست آوردن داده های فاز جامد یا توزیع اندازه ذرات (PSD) آسان تر از توزیع اندازه منافذ می باشد، تعیین رابطه بین بعد فرکتال توزیع اندازه ذرات (DPSD) و بعد فرکتال منحنی رطوبتی (DSWRC) می تواند مفید واقع شود. از طرفی در بسیاری از داده های خاک، اطلاعات کاملی از منحنی دانه بندی نیز موجود نمی باشد و تنها سه جزء (درصد رس، سیلت و شن) از آن اندازه گیری می شود. این پژوهش با هدف تعیین DPSD با استفاده از داده های زود یافت خاک و همچنین ایجاد رابطه ای بین DPSD و DSWRC انجام گردید. برای این کار 54 نمونه خاک از مناطق شمالی ایران انتخاب و به شش کلاس بافتی لوم، لوم رسی، رسی، لوم رس شنی، لوم سیلتی و لوم شنی تقسیم بندی شد. DPSD با استفاده از روش بسط داده شده منحنی دانه بندی (Dm1) و روش استفاده از سه نقطه (شن، سیلت و رس) (Dm2) به دست آمد. نتایج نشان داد که بعد فرکتال توزیع اندازه ذرات به دست آمده با هر دو روش اختلاف معنی داری با یکدیگر ندارند. DSWRC نیز با استفاده از داده های مکش-رطوبت به دست آمد. نتایج حاکی از این بود که هر سه بعد فرکتال وابسته به بافت خاک بوده و با افزایش مقدار رس خاک مقدار آن افزایش می یابد. هم‌چنین روابط رگرسیون خطی بین Dm1 و Dm2 با DSWRC با استفاده از 48 نمونه خاک ایجاد گردید که به ترتیب دارای ضریب تعیین 902/0 و 871/0 بودند. سپس بر اساس روابط به دست آمده، از چهار روش : 1- Dm1= DSWRC ، 2-استفاده از معادله رگرسیونی به دست آمده با Dm1 ، 3- Dm2= DSWRC و 4- استفاده از معادله رگرسیونی به دست آمده با Dm2 برای بیان DSWRC استفاده گردید. مدل ها برای تعیین درصد رطوبت خاک در مکش های مختلف با توجه به شاخص های آماری ریشه مربع میانگین خطاهای نرمال شده، میانگین خطا، نسبت خطای متوسط هندسی و راندمان مدل‌سازی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که به استثناء خاک لوم شنی در سایر خاک ها دقت روش ها مناسب بوده است. به طورکلی این پژوهش کارایی روش فرکتال را برای شبیه سازی منحنی رطوبتی با استفاده از داده زود یافت خاک با موفقیت اثبات کرد.

کلیدواژه‌ها

رس؛ بعد فرکتال اندازه ذرات؛ منحنی رطوبتی؛ مدل سازی

مراجع

1- Bird N.R.A., Bartoli F., and Dexter A.R. 1996. Water retention models for fractal soil structures. Eur Journal Soil science, 47: 1 – 6.

2- Bird N., Perrier E. and Rieu M. 2000. The water retention curve for a model of soil structure with pore and solid fractal distributions. Eur Journal Soil science, 55:55–63

3- Brooks R. H. and Corey A. T. 1964. Hydraulic propertes of porous media.Colorado State University, Fort Collins. Hydrology Paper No. 3 , 27pp

4- Campbell G.S. 1974. A simple method for determining unsaturated hydraulic conductivity from moisture retention data. Soil science, 177, 311 –314.

5- De Gennes P.G. 1985. Partial filling of fractal structure by a wetting fluid. In: Adler, D., et al., (Ed.) Physics of Disordered Materials. Plenum, New York, pp. 227 – 241.

6- Ersahin S., Gunal H., Kutlu T., Yetgin B., and Cuban S. 2006. Estimating specific surface area and cation exchange capacity in soils using fractal dimension of particle‐size distribution. Geoderma, 136:588‐597.

7- Filgueira R. R., Pachepsky Ya. A., Fournier L. L., Sarli G. and Aragon A. 1999. Comparison of fractal dimensions estimated from aggregate mass-size distribution and water retention scaling. Soil Science Society, 164: 217-223.

8- Fooladmand H.R., and Sepaskhah A.R. 2006. Improved estimation of the soil particle-size distribution from textural data. Biosystems Engineering, 94:133–138.

9- Ghanbarian-Alavijeh B., and Hunt A.G. 2012. Estimation of soil-water retention from particle-size distribution: Fractal approaches. Soil Science. Vol 177: 321-326

10- Ghilardi P., Kai A., and Menduni G. 1993. Self-similar heterogeneity in granular porous media at the representative element volume scale. Water Resour Research, 29: 1205 – 1214.

11- Haghverdi A., Cornelis W.M., and Ghahraman B. 2012. A pseudo- continuous neural network approach for developing water retention pedotransfer function with limited data. Journal of hydrology. 442: 46-54

12- Huang G., and Zhang R. 2005. Evluation of soil water retention curve with the pore-solid fractal model. Geoderma. 127:52-61.

13- Huang G., Zhang R. and Huang Q. 2006. Soil water retention curve with a fractal method. Pedosphere, 16(2) : 137-146.

14- Khoshnood Yazdi A. 1996. Soil moisture curves of the physical properties of soils in Iran. Msc thesis.Tehran university.140p.( in Persian)

15- Kravchenko A., and Zhang R. D. 1998. Estimating the soil water retention from particle-size distributions: A fractalapproach. Soil Science. 163: 171-179

16- Perfect E., McLaughlin N.B., Kay B.D. and Topp G.C. 1998. Reply to the comment on bAn improved fractal equation for the soil water retention curveQ . Water Resour. Research. 34: 933 – 935.

17- Perrier E., and Bird N. 2002. Modeling soil fragmentation: The pore solid fractal approach. Soil Tillage Research. 64:91–99.

18- Perrier E., Rieu M., Sposito G. and de Marsily G. 1996. Models of water retention curve for soils with fractal pore size distribution. Water Resour Research. 32: 3025 – 3031.s

19- Rawls W.J., and Brakensiek D.L. 1985. Prediction of soil water properties for hydrologic modeling. In: Jones, E., Ward, T.J. (Eds.), Watershed Manage. Eighties. Proceedings of the Sym-posium of ASAE, Denver, pp. 293–299.

20- Rieu M. and Sposito G. 1991a. Fractal fragmentation, soil porosity and soil water properties: I. Theory. Soil Science Society America Journal, 55: 231 – 1238.

21- Rieu M. and Sposito G. 1991b. Fractal fragmentation, soil porosityand soil water properties: II. Applications. Soil Science Society America Journal, 55: 1239 – 1244.

22- Saxton K.E., Rawls W.J., Romberger J.S. and Papendick R.I. 1986. Estimating generalized soil-water characteristics from texture. Soil Science Society America Journal, 50:1031–1036.

23- Schaap M.G., Nemes A. and van Genuchten M.Th. 2004. Compar-ison of models for indirect estimation of water retention and available water in surface soils. Vadose Zone Journal, 3: 1455–1463.

24- Skaggs T. H., Arya L. M., Shouse P. J. and Mohanty B. P. 2001. Estimating particle-size distribution from limited soil texture data. Soil Science Society America Journal, 65: 1038-1044.

25- Toledo P.G., Novy R.A., Davis H. T., Scriven L.E. 1990. Hydraulic conductivity of porous media at low water content. Soil Science Society America Journal, 54: 673–679.

26- Tyler S.W., and Wheatcraft S.W. 1989. Application of fractal mathematics to soil water retention estimation. Soil Science Society America Journal, 53: 987-996.

27- Tyler S.W., and Wheatcraft S.W. 1990. Fractal processes in soil water retention. Water Resour Research, 26:1047–1054.

28- Tyler S.W., and Wheatcraft S.W. 1992. Fractal scaling of soil-particle size distributions: analysis and limitations. Soil Science Society America Journal, 56: 362–369.

29- Van Genuchten M.T. 1980. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44: 892–898.

30- Vereecken H., Maes J., Feyen J. and Darius P. 1989. Estimating the soil moisture retention characteristic from texture, bulk density and carbon content. Soil Science, 148: 389–403.

31- Wosten J.H.M., Pachepsky Y.A. and Rawls W.J. 2001. Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics. Journal of Hydrology, 251: 123–150.