کاربرد مدل‌های فراکتالی دو و سه‌فازی در برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک

آب و خاک

مقاله 1، دوره 30، شماره 6 - شماره پیاپی 50، اسفند 1395، صفحه 1905-1917   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v30i6.48517

نویسندگان

الناز رضائی آباجلو^* ؛ کامران زینال زاده

دانشگاه ارومیه

چکیده

هدایت هیدرولیکی خاک یکی از مهمترین خصوصیات هیدرولیکی در حرکت آب و املاح در محیط متخلخل به شمار می‌رود. در سال‌های اخیر‏، مدل‌های متعددی به صورت توابع انتقالی، مدل‌های فراکتالی‏، مدل‌های تجربی و تکنیک مقیاس‌سازی به منظور برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع بکار گرفته شده است. ‏هدف اصلی تحقیق حاضر‏، ارزیابی مدل‌های فراکتالی مختلف در برآورد پارامتر هدایت هیدرولیکی اشباع خاک می‌باشد. به این منظور از مدل راولزو داده‌های اسخاپ و همکاران مشتمل بر شصت نمونه خاک استفاده شده است. در این مجموعه، بافت خاک به روش هیدرومتری‏، وزن مخصوص ظاهری به روش نمونه دست نخورده، هدایت هیدرولیکی اشباع با روش آزمایشگاهی بار ثابت‏، منحنی دانه‌بندی خاک به روش الک خیس و منحنی نگهداشت آب خاک به روش دستگاه صفحات فشاری برای تمام نمونه‌های خاک اندازه‌گیری شده است. نتایج تحقیق بیانگر برتری‏ مدل سه‌فاز یهانگ و زانگبا بالاترین میزان همبستگی‏، کمترین ریشه مجذور مربعات خطا (cm/h 41/0RMSE=) و آکائیک (cm/h 63/-0AIC=) در بین مدل‌های فراکتالی مورد مطالعه، در برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع می‌باشد. با توجه به نتایج آنالیز حساسیت، مدل ترکیبی راولز- هانگ کمترین حساسیت را نسبت به تغییرات تخلخل و مکش ورود هوا و بیشترین حساسیت را نسبت به تغییرات بعد فراکتال دارد. بررسی شاخص‌های خطا‏، بیانگر بالا بودن دقت برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع در ترکیب مدل‌های سه‌فازی (PSF) مبتنی بر داده‌های بافت خاک با مدل راولز می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد با وجود اینکه تمام نمونه‌های مورد بررسی دارای کمتر از 8 درصد رس در ترکیب خود می‌باشند، اما میزان رس خاک در برآورد بعد فراکتالی نقش تعیین‌کننده‌ و اساسی برخوردار است‏.

کلیدواژه‌ها

بعد فراکتال خاک؛ مدل فراکتالی هانگ و زانگ؛ مدل راولز

مراجع

1- Ahmadi A., Neyshabouri M. R., and Asadi H. 2011. Relationship between Fractal Dimension of Particle Size Distribution and Some Physical Properties of Soils. Water and Soil Science Journal of Tabriz University, 20.1(4), 72-81. (In Farsi).

2- Bird N. R. A., Perrier E., and Rieu M. 2000. The water retention function for a model of soil structure with pore and solid fractal distributions. Europian Journal of soil science. 51, 55-63.

3- Brooks R. H., and Corey A. T. 1964. Hydraulic properties of porous media. Hydrology paper No. 3. Colorado State University, Fort Collins, CO.

4- Campbell C. S. 1985. Soil Physics with basic: Transport models for Soil-Plant Systems. Elsevier, Amsterdam.

5- Campbell G. S. 1974. A simple method for determining unsaturated hydraulic conductivity from moisture retention data. SoilScience. 117, 311-314.

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

7- Fallico C., Tarquis A. M., De Bartoloa S., and Veltria M. 2010. Scaling analysis of water retention curves forunsaturated sandy loam soils by using fractal geometry. Eur. J. Soil Sci. 61: 4 25_436.

8- Fuentes C., Vauclin M., Parlange J. Y., and Haverkamp R. 1996. A note on the soil-water conductivity of a fractal soil, Transport in Porous Media Journal. 23,31-36.

9- Ghahraman B., Omidi S., and Khoshnood Yazdi A. 2012. Scaling and fractal concepts in saturated hydraulic conductivity: comparison of some models, Iran Agricultural Research Journal, 31(1), 1-16.

10- Ghanbarian-Alavijeh B. 2014. Modeling physical and hydraulic properties of disordered porous media: Applications from percolation theory and fractal geometry. Ph. D. dissertation, Wright State University.

11- Ghanbarian-Alavijeh B., and Milla´n H. 2009. The relationshipbetween surface fractal dimension and soil water content atpermanent wilting point. Geoderma 151, 224_232.

12- Ghanbarian-Alavijeh B., Humberto M., and Huang G. 2011. A review of fractal, prefractal and pore-solid-fractal models for parameterizing the soil water retention curve, Canadian Journal of soil science. 91, 1-14.

13- Ghanbarian- Alavijeh B., Hunt A. G. 2012. Unsaturated hydraulic conductivity in porous media: Percolation theory, Geoderma 187–188, 77–84. doi:10.1016/j.geoderma. 2012.04.007

14- Gime´nez D., Perfect E., Rawls W. J., and Pachepsky Ya. 1997. Fractal models for predicting soil hydraulic properties: a review. Engergygeology. 48, 161-183.

15- Huang G., and Zhang R. 2005. Evaluation of soilwater retention curve with the pore-solid fractal approach.Geoderma 127, 52-61.

16- Huang G., Zhang R., and Huang Q. 2006. Modelling soil water retention curve with a fractal model, Pedosphere 16(2), 137-146.

17- Hunt A. G., and Gee G. W. 2002. Water-retention of fractalsoil models using continuum percolation theory: Tests ofHanford Site soils. VadoseZone Journal. 1: 252-260.

18- Hwang S. I., Lee K. P., Lee D. S., and Powers S. E. 2002. Models for estimating soil particle-size distributions. Soil Science Society of America Journal, 66, 1143–1150.

19- Khatamainejad S.A., Tabatabaei S.H., Mohammadi J., and Hoshmand A. 2011. Estimating soil saturated hydraulic conductivity Using fractal dimension theory in different soils, Iranian journal of irrigation and drainage, 5(1), p.1-8. (In Farsi).

20- Kravchenko A., and Zhang R. 1997. Estimating soil hydraulicconductivity from soil particle-size distribution. Proceedings ofthe International Workshop on Characterization and Measurement of the Hydraulic Properties of Unsaturated PorousMedia.

21- Kravchenko A., and Zhang R. 1998. Estimating the soil waterretention from particle-size distributions: a fractal approach.Soil science. 163: 171-179.

22- Kutlu T., Ersahin S., and Yetgin B. 2008. Relations between solid fractal dimention and some physical properties of soils formed over alluvial and colluvial deposits, Journal of food, Agriculture and Environmental, 6 (3&4): 445-449.

23- Miyazaki T. 1996. Bulk density dependence of air entry suctions and saturated hydraulic conductivities of soils. Soil Sci. 161: 484-490.

24- Milington R. J., and Quirk J. P. 1961. Permeability of porous solids. Trans. Faraday society. 57, 1200-1206.

25- Omidifard M., and Mousavi S. A.A. 2015. The hydraulic properties Estimation in calcareous soils of Badjgah, Fars province Using regression transfer functions , Journal of soil and water science, 29 (1),P.83-92.(In Farsi).

26- Perrier E., Bird N., and Rieu M. 1999. Generalizing a fractal model of soil structure: the pore-solid fractal approach. Geoderma, 88, 137_164.

27- Perrier EMA., and Bird NRA. 2003. The PSF model of soil structure: a multiscale approach. In: Pachepsky Y, Radcliffe DE, Selim HM, editors. Scaling methods in soil physics. New York: CRC Press. p. 1–18.

28- Perfect E., Rasiah V., and Kay B.D. 1992. Fractal dimensions of soil aggregate-size distributions calculated bynumber and mass. Soil science society American journal, 56, 1407-1409.

29- Rawls W. J., Brakensiek D. L., and Logsdon S. D. 1993. Predicting saturated hydraulic conductivity utilizing fractalprinciples. Soil science society of American journal. 57, 1193-1197.

30- Rawls W. J., Brakensiek D. L., and Saxton K. E. 1982. Estimation of soil water properties. Trans. ASAE 25:1316-1320 and 1328.

31- Schaap M.G., Shouse P.J., and Meyer P.D. 2003. Laboratory measurements of the unsaturated hydraulic properties at the vadose zone transport field study Site, Department of Energy under Contract DE-AC06-76RL01830.

32- Sepaskhah A.R., and Tafteh A. 2013. Pedotransfer function for estimation of soil-specific surface area using soilfractal dimension of improved particle-size distribution. Archives of Agronomy and Soil Science, 59(1), 93-103.

33- Shepard S. J. 1993. Using a fractal model to compute thehydraulic conductivity function. Soil science society of American journal, 57:300-306.

34- Tyler S. W., and Wheatcraft S. W. 1990. Fractal processes in soil water retention. Water Resources Research. 26, 1047-1054.

35- Wang K., Zhang R., and Wang F. 2005. Testing the pore-solidfractal model for the soil water retention function. Soil Science Society of America Journal, 69: 776_782.

36- Wagner B., Tarnawski V. R., Hennings V.M., Muller U., Wessolek G., and Plagge R. 2001. Evaluation of pedo-transfer functions for unsaturated soil hydraulic conductivity using an independent data set. Geoderma, 102, 275-297.

37- Yazdani V., Ghahreman B., Davari K., and Fazeli M.E. 2012. Using fractal dimension of particle size in estimating saturated hydraulic conductivity, Journal of Water and Soil, 26 (3), Jul-Aug, p. 648-659. (In Farsi).

38- Zhuang J., Yu G. R., Miyazaki T., and Nakayama K. 2000. Modeling effects of compaction on soil hydraulic properties―a NSMC scaling method for saturated hydraulic conductivity. Adv. Geoecol. 32: 144-153.