تغییرپذیری مکانی ویژگیهای هیدرولیکی خاک با استفاده از هندسه فرکتالی، مقیاس سازی و k.n.n در مقیاس مزرعه ای
چکیده
هرچند در دهه های اخیر پیشرفت های قابل توجهی در زمینه توصیف و مدل سازی توابع هیدرولیکی در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی به دست آمده، لیکن تحلیل های دقیق در مقیاس مزرعه ای اندک بوده است. عمده ترین علت این امر را می توان به پیچیدگی های ذاتی ناشی از ناهمگنی خاک در مقیاس مزرعه ای نسبت داد. این ناهمگنی موجب می شود تا هر گونه توصیف کمّی فرآیندهای هیدرولیکی خاک با مقداری نااطمینانی توأم گردد. هدف از این پژوهش، بیان کمّی فرآیندهای هیدرولیکی خاک با استفاده از روش های نوینی همچون هندسه فرکتالی، فرامقیاس سازی و k- نزدیکترین همسایه در مقیاس مزرعه ای بود. بدین منظور، در مرحله نخست، تغییرپذیری مکانی ویژگیهای فیزیکی و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از طیف فرکتالی چندگانه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که توزیع فرکتالی متغیرهای جرم ویژ? ظاهری، شن و سیلت به شکل قابل قبولی از الگوی خطی پیروی کرده و مماس با خط 1:1 امتداد یافته-اند که این بیانگر ماهیت فرکتالی یگانه توزیع این متغیرهاست. بر خلاف متغیرهای فوق، متغیرهای رس، کربن آلی و ضریب آبگذری اشباع خاک در دو انتهای توزیعشان تمایل به افتادگی داشته و حالت محدب به خود می گیرند. بنابراین می توان نتیجه گرفت؛ توزیع این متغیرها از نوع فرکتالی چندگانه می باشد. این امر بیانگر لزوم مطالعه روابط بین ویژگیهای هیدرولیکی خاک و ضریب آبگذری اشباع آن در مقیاسهای مختلف می باشد. بنابراین در مرحله دوم، رویکرد فرامقیاس سازی تصادفی برای تخمین ضریب آبگذری اشباع خاک، در سه مقیاس بالاتر از مقیاس مشاهده ای به کار گرفته شد. برای مقایسه بین مقادیر اندازه گیری شده و برآورد شده توسط مدل از آماره های ضریب همبستگی پیرسون (8/0=r)، کارآیی مدل (5/0=ef)، ریشه میانگین مربعات خطا (22/42=rmse)، ضریب تبیین (76/0=cd) و ضریب جرم باقی مانده (11/0=crm) استفاده شد. نتایج نشان داد که رویکرد پارامتریک استفاده شده برای تخمین ضریب آبگذری اشباع (فرامقیاس سازی تصادفی)، افزون برتمایل به بیش برآوردی تخمینها (بر اساس آماره های cd و crm) کارآیی متوسطی(بر اساس آماره ef) در تخمین مقادیر هدایت هیدرولیکی اشباع دارد. بنابراین در مرحله سوم، رویکرد غیرپارامتریک k - نزدیکترین همسایه، برای تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع خاک با استفاده از دیگر ویژگیهای کمکی خاک شامل توزیع اندازه ذرات، هدایت الکتریکی عصاره اشباع (ece)، رطوبت اشباع (s?)، درصد کربن آلی (oc)، مقدار مواد خنثی شونده (tnv) و جرم ویژ? حقیقی و ظاهری بکار گرفته شد. بر اساس روش ارزیابی تقاطعی، برای تخمین هدایت هیدرولیکی اشباع هر نمونه خاک هدف، تعداد ده نمونه خاک که حداکثر تشابه با خاک هدف را داشتند، از بانک مرجع که حاوی 151 نمونه خاک بود، انتخاب و مقدار هدایت هیدرولیکی اشباع آنها برآورد گردید. استفاده از آماره های ضریب هبستگی پیرسون (80/0=r)، ریشه میانگین مربعات خطا (5/71=rmse)، ضریب تبیین (32/1=cd)، کارآیی مدل (65/0=ef) و ضریب جرم باقیمانده (046/0-=crm) نشان داد که در بیشتر موارد، این تکنیک بصورتی قابل قبول توانایی تخمین ضریب آبگذری اشباع را دارد. مقایسه کمّی دو رویکرد پارامتریک فرامقیاس سازی و غیرپارامتریک k - نزدیکترین همسایه، نشان داد که تکنیکk-nn می تواند به عنوان روشی جایگزین برای تخمین ویژگیهای هیدرولیکی خاک بکار رود.