یکی از ویژگیهای مهم خاک منحنی مشخصه آب آنک است که در آبیاری، زهکشی، اصلاح و فرسایش کاربرد دارد. روش آزمایشگاهی تعیین این منحنی بسیار وقت گیر، پرهزینه، مشکل و همراه با خطا است به همین دلیل محققان سعی در ترسیم آن از طریق مدلهای ریاضی و آماری نموده اند. مدل آریا و پیریس (1981) از جمله مدل های اخیر می باشد. فکر اولیه این مدل از شباهت بین شکل منحنی توزیع تجمعی اندازه ذرات خاک و منحنی مشخصه آب خاک بوجود آمد. در این مدل ضریب α به عنوان یک ضریب تجربی گنجانده شده است. اریا و پیریس مقدار این ضریب را به طور متوسط 1.38 گزارش کردند. هدف این تحقیق بررسی بیشتر بر روی این مقدار برای خاکهای متفاوت از جنبه ویژگیهای فیزیکی بخصوص بافت می باشد. به همین منظور 5 سری از خاکهای دشت سراب (بالستان، ارزنق، شربیان، سراب و گنبدان) انتخاب گردید. درصد ذرات خاک، مقدار آب اشباع، درصد سنگریزه، جرم مخصوص ظاهری، جرم مخصوص حقیقی خاک و نیز رطوبت حجمی در مکش های معین در نمونه های تهیه شده از 7مکان برای هر سری تعیین گردید. از روی داده های حاصله، منحنی مشخصه آب خاک با بکارگیری مدل یاد شده و نیز با استفاده از دستگاه صفحه فشار در آزمایشگاه تعیین گردید. مقایسه رطوبت های حجمی محاسبه شده از مدل بدست آمده از آزمایشگاه نشان داد که میزان α در خاکهای مورد آزمایش در محدوده 1.2 تا 1.43 متغیربود. در این محدوده رقم 1.3 برای اکثر سری های خاکهای آزمایش مناسب می باشد. اگر در آزمایشات دیگر این رقم تعیین گردد این مدل قابل توصیه برای تعیین منحنی مشخصه آب خاک در انواع خاکها خواهد آمد.

توزیع جرم ذرات در اندازه های مختلف تاثیر اساسی در آرایش منافذ دارد؛ به طوری که پایه شکل گیری بسیاری از مدل های منحنی رطوبتی می باشد. نبود بخشی از اندازه ذرات می تواند منجر به توزیع دو الگویی اندازه ذرات شود که در این حالت مدل های توسعه یافته منحنی رطوبتی برای خاک های تک الگویی کارایی خود را از دست می دهند. در این پژوهش سعی شد میزان صحت برآورد منحنی رطوبتی توسط سه مدل Arya et al. (1999)، Mohammadi and Vanclooster (2011) (MV) و اصلاح شده آن با ادغام با مدل منحنی رطوبتی ونگنوختن (MV-VG) در کلاس های مختلف بافتی و به ویژه در نواحی دو الگویی مورد بحث قرار گیرد. بدین منظور 94 نمونه خاک از داده های پایگاه داده ای UNSODA که دارای اطلاعات مربوط به منحنی رطوبتی و توزیع اندازه ذرات بودند، انتخاب و منحنی رطوبتی آن ها بر اساس سه مدل مذکور برآورد شد. دقت برآورد با استفاده از سه آماره صحت سنجی RMSE، NSE و R2 ارزیابی شد. نتایج نشان داد که مدل ها در کلاس های بافت لوم، لوم سیلتی و رس سیلتی که تک الگویی هستند و نیز کلاس های بافت شنی، شن لومی و لوم شنی که درصد شن در آن ها زیاد است (حذف بخش سیلت اثر چندانی بر توزیع اندازه ذارت ندارد)، از دقت مناسبی برخوردار هستند. لیکن در کلاس های بافتی قرارگرفته در نواحی دو الگویی مثلث بافت خاک همانند لوم رس شنی، لوم رسی، رس شنی و رسی، صحت برآورد به شاخص دو الگویی نمونه خاک بستگی دارد. میانگین آماره های صحت سنجی RMSE، NSE و R2 برای سه مدل مورد بررسی، در دامنه توزیع تک الگویی به ترتیب 044/0، 378/0 و 921/0 و در دامنه دو الگویی 062/0، 501/2-و 859/0 به دست آمد. همچنین مشخص شد دقت سه مدل فوق با یکدیگر متفاوت بوده و مدل MV-VG ضمن اینکه مستقل از خاصیت دو الگویی توزیع اندازه ذرات بوده و همبستگی غیر معنی داری با شاخص دو الگویی داشت، با صحت بیشتری توانست منحنی رطوبتی را از توزیع اندازه ذرات برآورد نماید.

در سال های اخیر محققین زیادی برای تخمین توابع هیدرولیکی خاک (از جمله منحنی مشخصه رطوبتی و تابع هدایت هیدرولیکی) از روی منحنی توزیع اندازه ذرات (PSD) خاک کوشیده اند. در این گونه مطالعات یک مدل ریاضی برای نمایش PSD خاک ضروری به نظر می رسد، به گونه ای که بتواند برازش دقیقی به داده های مشاهده شده PSD داشته باشد. تاکنون چندین مدل ریاضی برای این مورد هر کدام با مزایا و معایبی ارایه شده اند. دقت برازش هر مدل به داده های مشاهده شده PSD با تعداد پارامترهای آن مدل رابطه مستقیم دارد. اما تخمین پارامترهای مدل های چندپارامتری که دارای مفهوم ریاضی و فیزیکی نمی باشند، خود یک مساله در این مدل ها می باشد. در این میان مدل توزیع لوگ – نرمال 5 دو پارامتری که پارامترهای آن دارای مفهوم ریاضی می باشند، اساس کار محققین زیادی قرار گرفته است. در این تحقیق نشان داده شده است که مدل توزیع لوگ - نرمال دو پارامتری نمی تواند نمایش دقیقی برای PSD همه کلاس های بافت خاک داشته باشد. به عنوان یک جایگزین، در این تحقیق مدل توزیع گامای 6 دوپارامتری برای نمایش دقیق تر PSD خاک پیشنهاد شده است به گونه ای که دو پارامتر این مدل نیز دارای مفهومی ریاضی و به راحتی قابل محاسبه می باشند. مقایسه دقت این دو مدل در نمایش PSD با برازش به داده های مشاهده شده تعداد 461 نمونه خاک پایگاه داده UNSODA مورد بررسی قرار گرفته است. بهبود دقت نمایش PSD توسط مدل توزیع گاما نسبت به مدل توزیع لوگ - نرمال کاملا مشهود بوده است. بر مبنای عامل ضریب برازش (R2) در تعداد 362 خاک و بر مبنای عامل ریشه میانگین مربعات خطا (RSME) در تعداد 323 خاک از مجموع 461 خاک بررسی شده، مدل توزیع گاما نمایش دقیق تری از PSD نسبت به مدل توزیع لوگ-نرمال داشته است. نتایج آزمونt  نشان داد که مقادیر R2 مدل گاما در سطح اعتماد 1% به طور معنی داری بزرگتر از مقادیر مربوط به مدل لوگ - نرمال بود. همچنین اختلاف معنی داری در سطح 5% بین مقادیر RMSE حاصل از دو مدل نشان داده شد. بنابراین به طور کلی این طور نتیجه گیری می شود که مدل گامای دو پارامتری در نمایش منحنی توزیع اندازه ذرات خاک بر مدل لوگ - نرمال دو پارامتری برتری دارد.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

به علت تغییرپذیری بالا و پیچیدگی خاک به دست آوردن ویژگی های هیدرولیکی خاک به طور مستقیم مشکل، وقت گیر و پرهزینه است. در نتیجه لازم است با روش های غیرمستقیم تخمین زده شوند. در این مطالعه 74 نمونه خاک از استان گیلان تهیه و متغیرهای توزیع اندازه ذرات و خاک دانه های ریز، جرم مخصوص ظاهری و رطوبت در مکش های 2، 5، 33، 100 و 1500 کیلوپاسکال اندازه گیری گردید. پارامترهای فرکتالی برای توزیع اندازه ذرات خاک و خاک دانه های ریز و پارامترهای توزیع اندازه ذرات مدل فردلاند و همکاران محاسبه و از آن ها برای تخمین رطوبت در مکش های موردنظر استفاده شد. نتایج نشان داد استفاده از پارامتر های فرکتالی توزیع اندازه ذرات خاک موجب بهبود تخمین رطوبت نگردید. استفاده از پارامتر های فرکتالی توزیع اندازه خاک دانه های ریز موجب بهبود معنی دار تخمین رطوبت در مکش های مختلف گردید و میزان ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) را در مرحله اعتبارسنجی تا 6.5 درصد بهبود بخشید. این نتیجه نشان دهنده تاثیر ساختمان خاک در نگهداری رطوبت می باشد. اما استفاده از پارامترهای توزیع اندازه ذرات مدل فردلاند و همکاران تاثیر بیش تری در تخمین رطوبت داشت و RMSE را در مرحله اعتبارسنجی تا 27 درصد بهبود بخشید. بهترین تخمین در مکش 5 کیلوپاسکال مشاهده شد که ضریب تعیین مرحله ایجاد 0.36 افزایش یافت. شاید علت آن تعداد بیش تر پارامترهای مدل فردلاند و همکاران و شبیه سازی دقیق تر توزیع اندازه ذرات خاک باشد. به طورکلی استفاده از پارامترهای مدل های توزیع اندازه ذرات و خاک دانه های ریز موجب بهبود تخمین منحنی نگهداری آب خاک می گردد.

گام مهم در استفاده از توزیع اندازه ذرات (PSD) خاک برای پیش بینی منحنی مشخصه رطوبتی خاک تعیین یک منحنی پیوسته صحیح برای آن است. مدل های بسیاری برای توصیف منحنی PSD و برازش بر داده های تجربی آن ارائه شده است، اما به ندرت توانایی برازش تعداد زیادی از آنها در خاک های مختلف و گروه های بافتی متفاوت مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. هدف از این پژوهش، بررسی قابلیت برازش 15 مدل PSD بر داده های تجربی و انتخاب بهترین مدل از بین آن ها برای کل نمونه های خاک و برای هر کدام از گروه های بافتی می باشد. در این پژوهش 160 نمونه خاک رویین و زیرین از استان های گیلان، همدان و کرمانشاه برداشت و بعد از تعیین PSD و بافت خاک، به گروه های بافتی خاک های شنی، لومی و رسی تفکیک شدند. پانزده مدل PSD بر داده های تجربی همه نمونه ها برازش شد. دقیق ترین مدل یک بار برای کل داده ها و یک بار برای هر گروه به تفکیک بر اساس معیارهای ارزیابی خطا انتخاب شدند. نتایج نشان داد که مدل ویبول در کل نمونه خاک های بررسی شده و همچنین در گروه های بافتی لومی و رسی، بالاترین دقت برازش را داشت. بعد از مدل ویبول، مدل های روسین راملر، ون گنوختن و فردلاند قرار گرفتند، اما تفاوت معنی داری در سطح 95 درصد با هم نداشتند. در گروه درشت بافت مدل S شکل، برازش بهتری نسبت به سایر مدل ها داشت. با توجه به نتایج به دست آمده، مشخص می گردد که در گروه های بافتی مختلف، دقت برازش مدل های متفاوت با هم فرق داشتند.

منحنی رطوبتی خاک، یکی از مهمترین خصوصیات هیدرولیکی در مطالعات انتقال آب و املاح در خاک می باشد. از آنجا که اندازه گیری مستقیم این ویژگی، زمان بر و هزینه بر است، محققین روش های غیرمستقیمی همچون توابع انتقالی و مدل های تجربی را برای تعیین آن پیشنهاد داده اند. در این پژوهش، از مدل های فرکتالی برای تخمین منحنی رطوبتی خاک استفاده شده است. بدین منظور بعد فرکتالی توزیع اندازه ذرات و منحنی رطوبتی خاک با استفاده از مدل های فرکتالی تعیین و رابطه بین بعد فرکتالی منحنی رطوبتی خاک (DSWRC) با بعد فرکتالی توزیع اندازه ذرات خاک (DPSD)، درصد رس، سیلت و شن، میانگین هندسی ذرات خاک (dg) و چگالی ظاهری (ρb)، مورد بررسی قرار گرفت. منحنی رطوبتی و توزیع اندازه ذرات خاک برای 40 نمونه خاک تعیین شد که 33 نمونه خاک برای آنالیز رگرسیونی و 7 نمونه برای اعتبارسنجی مدل استفاده گردید. نتایج نشان داد که رابطه معنی داری (در سطح 1 درصد) بین DSWRC و DPSD و dg با ضریب تبیین (R2=0.95) برقرار است که از این رابطه برای تخمین منحنی رطوبتی خاک استفاده گردید. نتایج بیانگر تخمین مناسبی از منحنی رطوبتی برای خاک های با بافت سبک بود اما برای خاک های با بافت ریز، استفاده از این مدل دارای بیش برآورد بود که این بیش برآورد با واسنجی مدل اصلاح گردید.

منحنی توزیع اندازه منافذ خاک و استفاده از حدود بهینه شاخص­های موقعیت و شکل این منحنی می­تواند به عنوان ابزاری برای بررسی و ارزیابی کیفیت فیزیکی خاک استفاده گردد. پژوهش حاضر در اراضی ایستگاه تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی طرق واقع در جنوب شرقی شهر مشهد با هدف تعیین حدود بهینه شاخص­های منحنی توزیع اندازه منافذ با استفاده از شاخص کیفیت فیزیکی خاک انجام شد. از 30 نقطه در قسمت­های مختلف ایستگاه با بافت و ساختمان متفاوت نمونه خاک تهیه و آزمایشات صحرایی و آزمایشگاهی لازم برای تعیین و محاسبه 35 ویژگی فیزیکی خاک انجام شد. شاخص عددی کیفیت فیزیکی خاک در قالب انتخاب مهم­ترین ویژگی­ها با استفاده از تجزیه مؤلفه­های اصلی، وزن­دهی و امتیازدهی آنها محاسبه و از آن به عنوان معیاری جهت دسته­بندی خاک­های مورد مطالعه در چهار کلاس کیفیت خاک استفاده شد. خاک­های کلاس یک با بیشترین کیفیت فیزیکی ملاک تعیین حدود بهینه شاخص­های موقعیت و شکل منحنی توزیع اندازه منافذ خاک قرار گرفت. نتایج نشان داد که خاک­های با بیشترین کیفیت فیزیکی نسبی، دارای منافذ با میانگین اندازه بزرگتر و تنوع اندازه کمتر از مقادیر بهینه ارائه شده در منابع می­باشند. در این مطالعه حدود بهینه شاخص­های موقعیت منحنی توزیع اندازه منافذ شامل میانگین، میانه و مد اندازه منافذ به ترتیب 7-2، 16-5 و 92-29 میکرومتر و شاخص­های شکل شامل انحراف معیار، کشیدگی و افراشتگی منحنی به ترتیب 81-22 میکرومتر، (33/0-)-(38/0-) و 15/1-14/1 تعیین گردید. استفاده از نتایج این مطالعه به منظور ارزیابی و مقایسه کیفیت فیزیکی خاک­های با بافت متوسط و سبک در مناطق با اقلیم نیمه­خشک ایران توصیه می­گردد.