عنوان

مطالعه آزمایشگاهی و شبیه‌سازی انتقال محلول در خاک تحت آبیاری یا بارندگی

Number

‭۱۶۸۵۵پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

مطالعه آزمایشگاهی و شبیه‌سازی انتقال محلول در خاک تحت آبیاری یا بارندگی

First Statement of Responsibility

/فرشید تاران

Name of Publisher, Distributor, etc.

: کشاورزی

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۵‬

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی کشاورزی- مهندسی منابع آبیاری و زهکشی

Date of degree

‮‭۱۳۹۵/۱۰/۰۸‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

خاک نه تنها محیطی برای رشد گیاه، بلکه انتقال دهنده بسیاری از آلاینده‌صها به آب‌صهای زیرزمینی است و مطالعه حرکت مواد در خاک اهمیت زیادی دارد .نخستین هدف تحقیق حاضر، بررسی تأثیر شیب توده خاک و شدت تزریق محلول بر حرکت محلول در خاک بود .بدین منظور، آزمایش‌صهایی در دو توده خاک شیب‌صدار) با شیب ‮‭۵/۲‬ درصد (و بدون شیب انجام گرفتند .در این آزمایش‌صها محلول غیرواکنش دهنده ‮‭NaCl‬ توسط یک دستگاه شبیه‌صساز بارندگی با دو شدت مختلف ‮‭۳۳/۰‬ و ‮‭۵/۰‬ سانتی‌صمتر بر دقیقه بر سطح خاک تزریق شد .خاک مورد استفاده، حاوی ‮‭۳‬ درصد رس، ‮‭۲/۴‬ درصد سیلت و ‮‭۸/۹۲‬ درصد شن بود و در مخزنی با طول، عرض و ارتفاع به ترتیب برابر با‮‭۲۰۰‬ ، ‮‭۱۰۰‬ و ‮‭۴۵‬ سانتی‌صمتر قرار داشت .نتایج نشان دادند که شیب خاک موجب افزایش انتقال محلول در جهت عرضی می‌صشود .همچنین افزایش شدت تزریق موجب تسریع حرکت محلول به سمت عمق خاک می‌صگردد .از نرم‌صافزار‮‭۲D - HYDRUS‬برای شبیه‌صسازی انتقال محلول ‮‭NaCl‬ استفاده شد .عملکرد‮‭۲D - HYDRUS‬بعد از بهینه‌صسازی پارامترهای ورودی، بهبود یافت و مقادیر غلظت محلول با ضریب تعیین ‮‭(R۲)‬ بین‮‭۸۴۸/۰- ۹۰۷/۰‬، ضریب بازدهی نش-ساتکلیف ‮‭(EF)‬ بین‮‭۸۰۵/۰ - ۹۰۷/۰‬و مقادیر پایین جذر میانگین مربعات خطا ‮‭(RMSE)‬ به خوبی شبیه‌صسازی شدند .هدف بعدی این تحقیق، بررسی انتقال یک ماده واکنش دهنده در خاک بود .برای این منظور، از محلول واکنش دهنده ‮‭KH۲PO۴‬ در آزمایشی جداگانه استفاده گردید و رفتار حرکتی آن با نحوه انتقال ‮‭NaCl‬ مقایسه شد .نتایج نشان داد که به علت خاصیت جذب شوندگی ‮‭KH۲PO۴‬ بر روی ذرات خاک، سرعت انتقال آن کمتر از ‮‭NaCl‬ بود .برای شبیه-سازی انتقال محلول ‮‭KH۲PO۴‬ با نرم‌صافزار‮‭۲D- HYDRUS‬، از مدل جذب همدمای خطی و دو مدل جذب همدمای غیرخطی فروندلیچ و لانگمویر استفاده گردید .نتایج نشان دادند که مدل فروندلیچ‮‭(۹۵۱/۰=R۲‬ ، ‮‭۹۲۰/۰=EF‬ و ‮‭gr/L ۰۶۴/۰=RMSE)‬ در شبیه‌صسازی حرکت محلول‮‭KH۲PO۴‬ ، بهتر از مدل لانگمویر‮‭(۸۱۱/۰=R۲‬ ، ‮‭۸۰۲/۰=EF‬ و ‮‭gr/L ۱۰۱/۰=RMSE)‬ و مدل خطی‮‭(۷۶۲/۰=R۲‬ ، ‮‭۷۶۱/۰=EF‬ و ‮‭gr/L ۱۱۱/۰=RMSE)‬ عمل کرد .در گام بعدی، به بررسی تأثیر پخش در دو جهت طولی و عرضی در انتقال محلول ‮‭NaCl‬ در توده‌صهای خاک شیبدار و بدون شیب پرداخته شد .بدین منظور، مقادیر مختلفی برای ضرایب پخشیدگی طولی و عرضی در دو توده خاک در نظر گرفته شد .در حالت اول، با ثابت نگه داشتن ضریب پخشیدگی عرضی، ضریب پخشیدگی طولی به تدریج افزایش داده شد و در حالت دوم، عکس این عمل برای این دو ضریب انجام گرفت .مقدار ‮‭RMSE‬ در شبیه‌صسازی توزیع غلظت ‮‭NaCl‬ برای محیطصهای شیبدار و بدون شیب در حالت اول به ترتیب در محدوده‮‭۳۵۱/۰ - ۷۹۸/۰‬و‮‭۳۹۰/۰ - ۷۵۱/۰‬و در حالت دوم به ترتیب در محدوده‮‭۳۵۱/۰ - ۳۶۸/۰‬و‮‭۳۹۰/۰ - ۵۰۳/۰‬گرم بر لیتر قرار گرفت .بنابراین، در هر دو محیط شیبدار و بدون شیب، تأثیر تغییرات ضریب پخشیدگی طولی بر توزیع غلظت، بیشتر از تأثیر تغییرات ضریب پخشیدگی عرضی بود، اما در محیط بدون شیب، تأثیر تغییرات ضریب پخشیدگی عرضی نسبت به حالت شیبدار افزایش یافت .بر این اساس، نتیجه گرفته شد که شیب محیط موجب افزایش اهمیت پخش در جهت عرضی می‌صشود .در انتها، برای بررسی تأثیر مسیرهای درشت‌صمنفذ در انتقال محلول، دو آزمایش دیگر انجام گرفت .در این دو آزمایش، از یک خاک با بافتی همانند با خاک آزمایش‌صهای قبلی به عنوان بخش ماتریکس استفاده شد .در آزمایش اول، محیط متخلخل، حاوی خاک) بخش ماتریکس (و لایه‌صهایی به ضخامت ‮‭۵‬ سانتی‌صمتر از سنگریزه‌صهایی به قطر ‮‭۲‬ تا ‮‭۴‬ میلی‌صمتر از سطح تا کف) لایه‌صهای درشت‌صمنفذ پیوسته (بود .در آزمایش دوم نیز محیط متخلخل، حاوی خاک) بخش ماتریکس (و لایه‌صهایی به ضخامت ‮‭۵‬ سانتی‌صمتر از سنگریزه‌صهایی به قطر ‮‭۲‬ تا ‮‭۴‬ میلی‌صمتر از سطح تا عمق ‮‭۳۵‬ سانتی‌صمتری) دارای لایه‌صهای درشت‌صمنفذ ناپیوسته (بود .انتقال محلول ‮‭NaCl‬ در این دو محیط متخلخل تحت شدت تزریق ‮‭۳۳/۰‬ سانتی‌صمتر بر دقیقه آزمایش شد و با نتایج مربوط به آزمایش انتقال محلول ‮‭NaCl‬ در توده خاک بدون شیب تحت تزریق ‮‭۳۳/۰‬ سانتی‌صمتر بر دقیقه) به عنوان یک محیط متخلخل همگن و بدون مسیر درشت‌صمنفذ (مقایسه گردید .محلول ‮‭NaCl‬ در محیط متخلخل دارای لایه‌صهای درشت‌صمنفذ پیوسته در مقایسه با محیط متخلخل بدون لایه درشت‌صمنفذ، سریع‌صتر انتقال یافت، اما تغییر قابل توجهی در سرعت انتقال محلول در لایه‌صهای درشت‌صمنفذ ناپیوسته مشاهده نشد .آزمایش-های مربوط به محیطصهای متخلخل حاوی لایه‌صهای درشت‌صمنفذ پیوسته و ناپیوسته، با استفاده از نرم‌صافزار ‮‭GeoStudio‬ شبیه‌صسازی شدند .این نرم‌صافزار با ‮‭R۲‬ بیش از‮‭۸۹۷/۰‬ ، ‮‭EF‬ بیش از ‮‭۸۸۵/۰‬ و ‮‭RMSE‬ کمتر از‮‭۲۵/۰‬ ، انتقال محلول ‮‭NaCl‬ را به طور رضایت‌صبخشی شبیه‌صسازی کرد.

Text of Note

Soil is not only a medium for plant growth but also a transmitter of contaminants to groundwater. Therefore, studying the movement of substances in soil is important. The first aim of this study is investigation of soil bulk slope and solute injection intensity on solute transport in soil. For this purpose, experiments were conducted in two sloping (with a slope of 2.5 ) and not-sloping soil bulks. In these experiments, the conservative solute of NaCl was injected on soil surface with two intensities of 0.33 and 0.5 cm/min by a rainfall simulator. The soil containing 3 clay, 4.2 silt and 92.8 sand was filled in a cube-shaped soil box with dimensions of 200 cm length, 100 cm width and 45 cm height. The results showed that the soil slope increases the solute transport in the lateral direction. Also the increase of injection intensity accelerates the solute movement towards the depths. The HYDRUS-2D software was used to the simulation of the NaCl solution transport. The performance of the HYDRUS-2D improved after the optimization of the input parameters and the values of solute concentration were well simulated with RMSE=0.847-0.907 g/L, EF=0.805-0.907 and the low values of RMSE. The next aim of this study is the investigation of a non-conservative solute transport in soil. For this purpose, a non-conservative solute (KH2PO4) was used in a separate experiment and its transport behavior was compared with that of NaCl. The results showed that because of the adsorption of KH2PO4 by the soil particles, its transport velocity was slower than NaCl. For simulating the KH2PO4 transport by HYDRUS-2D, a linear adsorption isotherm and two non-linear adsorption isotherms (Freundlich and Langmuir) were used. The results indicated that the Freundlich model (R2=0.951, EF=0.920 and RMSE=0.064 g/L) performed better than the Langmuir model (R2=0.811, EF=0.802 and RMSE=0.101 g/L) and the linear model (R2=0.762, EF=0.762 and RMSE=0.111 g/L). In the next step, the effect of dispersion in two longitudinal and transverse directions on NaCl solution transport was investigated. For this purpose, various values in two groups were considered for the longitudinal and transverse dispersivity coefficients in the sloping and not-sloping soil bulks. In the first group, the longitudinal dispersivity coefficient was gradually increased while the transverse dispersivity coefficient was fixed, and vice versa, in the second group, the longitudinal dispersivity was fixed and the transverse dispersivity was increased. The RMSE values in the simulation of NaCl concentration distribution for the sloping soil bulk and not-sloping soil bulks, in the first case were ranged in 0.351-0.798 and 0.390-0.751, respectively. Also, the RMSE values in the second were ranged in 0.351-0.368 and 0.390-0.503, respectively. Therefore, in both the sloping and not-sloping soil bulks, the impact of longitudinal dispersivity coefficient changes on concentration distribution was more than that of the transverse dispersivity coefficient. However, in the not-sloping soil bulk, the impact of the transverse dispersivity coefficient increased compared to in the in the sloping soil bulk. On this basis, it was concluded that the mediums slope increases the importance of dispersion in the transverse direction. At the end of this study, two other experiments were conducted to investigate the influence of macropore paths on solute transport. In these two experiments, a soil with the same texture of those used in the previous experiments was used as matrix medium. In the first experiment, the porous medium contained the soil (matrix) and layers of 2-4 mm gravel from surface to bottom (continuous macropore layesrs). In the second experiment, the porous medium contained the soil (matrix) and layers of 2-4 mm gravel form surface to the depth of 35 cm (non-continuous macropore layers). Transport of NaCl in these two porous medium under the injection intensity of 0.33 cm/min was experimented and the results were compared with those of the not-sloping soil bulk (as a homogeneous porous medium with no macropore layer) and the injection intensity of 0.33 cm/min. In the porous medium having continuous macropore layers, in comparison with the one with no macropore layer, the solute traveled the distance between the surface and the bottom in a shorter time. However, the non-continuous layers had no significant impact on the speed of solute transport. The transport of NaCl solution in these two porous media was then simulated using GeoStudio software. GeoStudio satisfactorily simulated the solute transport with R2 more than 0.897, EF more than 0.885 and RMSE less than 0.25 g/L

تاران، فرشید

ناظمی، امیر حسین، استاد راهنما

اشرف صدرالدینی، سید علی، استاد راهنما

دین پژوه، یعقوب، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی