شبیه سازی حرکت آب در یک خاک آب گریز در جریان دو بعدی با اصلاح پارامترهای هیدرولیکی خاک
چکیده
عموماً خاک ها به راحتی آب را جذب می کنند اما خاک های آب گریز، در برابر مرطوب شدن از خود مقاومت نشان می-دهند. با توجه به اهمیت موضوع و مطالعات کم صورت گرفته در ایران در زمینه آب گریزی خاک، هدف از پژوهش حاضر بررسی منحنی مشخصه رطوبتی، تغییرات پارامترهای معادله ون گنوختن و شبیه سازی جریان آب در یک خاک آب گریز در جریان دوبعدی بود. بدین منظور، ابتدا روش های مختلف آب گریز نمودن خاک بررسی و میزان آب گریزی به روش زمان نفوذ قطره آب (wdpt) و درصد محلول اتانول (med) اندازه گیری شد. در روش ایجاد آب گریزی با استفاده از مواد نفتی، 10، 25 و 50 درصد وزنی نفت سفید به خاک اضافه شد و در طی مدت چهار ماه آب گریزی آن ها بررسی شد. در روش ایجاد آب گریزی در اثر گرمادهی، خاک اولیه پس از ترکیب با کمپوست در دماهای 100، 200، 300، 400 و 500 درجه سانتی گراد در کوره به مدت 30 دقیقه حرارت داده شد. همچنین به منظور بررسی کاربرد پساب فاضلاب بر آب گریزی خاک، دو منطقه زینبیه اصفهان و سلطانیه فولادشهر که بیش از هشت سال از پساب فاضلاب در آن ها استفاده شده، مورد بررسی قرار گرفتند. نهایتاً به منظور تهیه خاک با درجات مختلف آب گریزی از لجن فاضلاب استفاده شد. در این راستا خاک با بافت لوم رسی از منطقه ای در مجاورت تصفیه خانه فاضلاب فولادشهر برداشت شد و درجات مختلفی (25، 50،65 و 80 درصد) از لجن تصفیه خانه فاضلاب شهری به آن اضافه شد و تیمارهای s0، s25%، s50%، s65% و s80% بدست آمد و حدوداً 50 روز بعد آب گریزی آن ها تعیین شد. نتایج نشان داد که در روش افزودن مواد نفتی پس از گذشت 4 ماه آب گریزی بسیار اندکی (wdpt حدود 5 ثانیه) فقط در خاک با50% ماده نفتی مشاهده شد. در روش حرارت دادن خاک، تیمار شاهد (خاک اولیه- حرارت ندیده) و خاک حرارت دیده در دمای 300 درجه به ترتیب دارای wdpt و med برابر با 45 ثانیه و 17%، 80 ثانیه و 23% بودند. به این ترتیب خاک مورد نظر در ابتدا دارای آب گریزی اندک بود و سپس با گرمادهی در 300 درجه آب گریزی قوی در آن ایجاد شد و با بالاتر رفتن دما تا 400 درجه، ناگهان آب گریزی از بین رفت. در روش کاربرد لجن فاضلاب افزودن مقادیر فوق از لجن فاضلاب درجات آب گریزی اندک تا شدید در خاک ایجاد کرد. به گونه ای که مقدار wdpt و med در تیمار با کمترین مقدار لجن، 11 ثانیه و 4 درصد بود و در تیمار آب گریز شدید با 80 درصد لجن فاضلاب 76 ثانیه و 22 درصد بود به این ترتیب افزایش لجن فاضلاب در خاک سبب افزایش درجه آب گریزی گردید. کمترین مقدار ماده آلی در خاک بدون لجن فاضلاب، 65/1 درصد و بالاترین مقدار آن در تیمار با آب گریزی شدید، 65/6 درصد بود. نتایج نشان داد که بین زمان نفوذ آب در خاک در مقیاس لگاریتم و مقدار ماده آلی همبستگی مثبت و خطی بدست آمد. منحنی مشخصه رطوبتی تیمارها توسط دستگاه غشاء نایلونی فشار و دستگاه جعبه ماسه ای تعیین شد. پارامترهای معادله ون گنوختن به روش حداقل سازی مجموع مربعات و با استفاده از برنامه retc تعیین گردید. سپس با استفاده از نرم افزار sas8 و آزمون فیشر اثر لجن فاضلاب بر پارامترهای این معادله مشخص شد. نتایج نشان داد افزودن این مواد به خاک موجب آب گریزی آن شد و با افزایش درصد آن، درجه آب گریزی نیز افزایش یافت. بیشترین میزان پارامتر رطوبت اشباع ?s در تیمار آب گریز با 80 درصد لجن فاضلاب و کمترین میزان ?s در خاک آبدوست مشاهده شد. علت این موضوع احتمالاً بافت لوم رسی و مواد آلی کم تر درخاک آبدوست و مواد آلی بالاتر در خاک آب گریز s80% است. میزان رطوبت باقیمانده ?r در تیمار آب گریز s80% نسبت به سایر تیمارها کمتر بود در حالی که تیمار آبدوست s0 رطوبت باقیمانده بیشتری داشت. پارامتر ? در تیمارهایs65% وs80% بیشتر از سایر تیمارها با درجه آب گریزی اندک بود که نشانه دامنه کوچکتری از ورود هوا به خاک می باشد. با تعیین روابط بین پارامترهای معادله ون گنوختن در تیمار آب گریز نسبت به تیمار آبدوست مشخص شد پارامترهای معادله ون گنوختن در تیمار آب گریز شدیداً تحت تأثیر همان پارامتر در تیمار آبدوست بود. تیمارهای آب گریز، آب ثقلی و آب قابل استفاده بیشتری نسبت به تیمار آبدوست اولیه داشتند. نتایج شبیه سازی حرکت آب در خاک توسط نرم افزار hydrus 2d نشان داد، مدل روند تغییرات را مشابه آنچه که در پروفیل خاک رخ داده است بخوبی شبیه سازی می نماید. البته در درجات آب گریزی بالا دقت مدل نیز کاهش یافت. به طوری که کمترین میزان ضریب همبستگی و نیز کمترین مقدار p در آزمون t-test (به ترتیب 77/0 و 058/0) و بالاترین مقدار me (حداکثر خطا، 10/14 دقیقه) در تیمار آب گریز s80% مشاهده شد.
اساتید راهنما و مشاور
عبدالرحیم هوشمند، سید حسن طباطبایی، محمد رضا نوری امامزاده، شجاع قربانی دشتکی