ارزیابی سه مدل فراکتالی برای تعیین منحنی مشخصه آب خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب دانشگاه زابل

2 استادگروه مهندسی آب دانشگاه شیراز،

چکیده

پارامترهای هیدرولیکی خاک (منحنی مشخصه آب خاک) برای تعیین حرکت آب و املاح در خاک از پایه‌های اساسی است که اندازه‌گیری مستقیم این ویژگی­ها زمان­بر و هزینه­بر است. برای حل این مشکل روش‌های غیر مستقیم ارائه شده است که یکی از این روش‌ها تحلیل فراکتالی است. مدل Pore- Solid Fractal (PSF) توسط پژوهشگران زیادی برای مدل‌سازی ساختار خاک و تابع نگهداری آب- خاک بکار برده شده است. مدل PSF یک بیان عمومی برای تابع نگهداری آب- خاک است که بصورت‌های خاص دیگری هم توسط پژوهشگران دیگر ارائه شده است. هدف این تحقیق ارزیابی تابع عمومی PSF بر اساس بعد فراکتالی با داده‌های مکش- آب خاک و مقایسه آن با مدل‌های بروکس – کوری و تایلر – ویت کرافت می باشد. در این تحقیق با استفاده از داده­های آزمایشگاهی اندازه­گیری شده که از منابع منتشر شده بدست آمد، منحنی مشخصه آب خاک برای خاک های مورد بررسی با تابعPSF ، حالت‌های خاص آن (بروکس – کوری و تیلر – ویت کرافت) بدست آمد. برای درک صحت نتایج بدست آمده، مقایسه‌ای بین رطوبت‌های پیش بینی شده از مدل های مورد بررسی و رطوبت‌های اندازه‌گیری شده برای خاک‌هایی از بانک UNSODA صورت گرفت. نتایج نشان داد که برای خاک های مورد بررسی تابع تیلر- ویت کرافت در مقایسه با تابع PSF و تابع
بروکس-کوری تطابق بهتری را نشان می دهد. برای محاسبه مکش ورود هوا ( ) و رطوبت اشباع خاک ( ) نیز استفاده از هر کدام از معادلات PSF، و تیلر - ویت کرافت، و بروکس - کوری تفاوت معنی داری با یکدیگر ندارند. اما برای محاسبه بعد فراکتال ( ) استفاده از معادله تیلر - ویت کرافت توصیه می شود. با استفاده از پارامترهای زود یافت خاک مدل‌های ساده تجربی به صورت رابطه‌ای میان میانگین هندسی (dg)  و انحراف معیار هندسی (σg) ذرات خاک با  و  و  بدست آمد. سپس به کمک آن برای خاک‌هایی از بانک UNSODA، معادله منحنی مشخصه تخمین زده شد. بدون توجه به بافت خاک تمامی رطوبت‌های حجمی پیش‌بینی و اندازه‌گیری شده با خط یک به یک مقایسه شدند. نتایج نشان داد که تفاوت معنی‌داری بین رطوبت پیش بینی شده ( ) و اندازه‌گیری شده ( ) با خط یک به یک وجود ندارد. بنابراین بنظر می‌رسد که مدل های ساده تجربی ارائه شده قادر است منحنی مشخصه آب خاک را با دقت قابل قبولی تخمین بزند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation three fractal model to determine soil water retention curve

نویسندگان [English]

  • parisa keykhamoghadam 1
  • Alireza . sepaskhah 2
2 Professor, Water Engineering Department, shiraz University
چکیده [English]

Abstract
Soil hydraulic parameters (soil water retention curve) is a fundamental soil property employed to quantify plant available water and for modeling water and solute movement in soils that the determination of this property via direct methods is expensive and time consuming. For solve this problem Indirect methods have been proposed that fractal analysis is one of the methods. Pore- Solid Fractal model was used for modeling soil structure and soil water retention function by many researchers. PSF model is a public expression for maintenance function soil water that is provided by other researchers in special form. The aim of this study was to assess PSF public function based on fractal dimension of soil water suction data and comparison with Brooks- Corey and Tyler-Wheatcraft models. In this study, with using laboratory data from unpublished sources, obtained soil water retention curve for soils under investigation by the PSF, special cases (Brooks-Corey and Tyler-Wheatcraft).To verify the results, a comparison between the predicted and measurement soil water content for many soil of UNSODA database. The results showed that for the soils investigated Tyler–Wheatcraft function were better match in compared with the PSF and the Brooks-Corey function. To calculate the intake air ( ) and soil saturation ( ),using any of the equations PSF, and Tyler and Wheatcraft, and Brooks-Corey not significantly different from each other. But for calculating the fractal dimension (D) using Eq Tyler-Wheatcraft was recommended. Empirical simple models was developed with ready available data by relationship between the geometric mean (dg) and geometric standard deviation (σg) with  ,  and . Then, soil water retention curve was calculated For many soil of UNSODA database. Regardless texture soil, all predicted and measured volumetric soil moisture were compared with a one-to-one. The result showed no significant difference between the predicted moisture content ( ) and measured ( ) with a one-to-one. So it seems that the empirical simple model is able to estimate soil water retention curve with reasonable accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Key words: fractal dimension
  • soil water retention curve
  • texture soil

منابع

خشنودی یزدی، ا. 1370. برآورد منحنی رطوبتی خاک از روی خصوصیات فیزیکی در برخی از خاک‌های ایران. پایان‌نامه کارشناسی ارشد بخش خاکشناسی. دانشگاه تهران. 140 صفحه.

خشنودی یزدی، ا. ب. قهرمان. 1383. بررسی روابط بافت خاک و پارامتر مقیاس‌بندی برای برآورد رطوبت خاک. مجله تحقیقات مهندسی کشاورزی. جلد 5، شماره20 ، ص 17-34.

سپاسخواه، ع. ر. 1380. نامه فرهنگستان علوم، دوره: 6، شماره: 17، ص. 147 تا 169.

Bird, N., E. Perrier and M. Rieu. 2000. The water retention curve for a model of soil structure with pore and solid fractal distributions. Eur. J. Soil Sci. 55:55–63. 

 

 

Bittelli, M., G. S. Campbell, and M. Flury. 1999. Characterization of particle-size distribution in soil with a fragmentation model. Soil Sci. Soc. Am. J. 63:782–788.

 Brooks, R. H., and A. T. Corey. 1964. Hydraulic properties of porous    media. Hydrol. Paper No. 3, Colorado State Univ. Fort Collins, CO, USA.

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

Medina, H., M. Tarawally, A. Del Valle and M. Ruiz. 2006. Estimating soil water retention curve in rhodicferralsols from basic soil data. Geoderma, 108:277‐285.

Perfect, E., and B. D. Kay. 1991. Fractal theory applied to soil aggregation. Soil Sci. Soc. Am. J. 55:1552–1558.

Perrier, E. and N. Bird. 2002. Modeling soil fragmentation: The pore solid fractal approach. Soil Tillage Res. 64:91–99.

Perrier, E., N. Bird and M. Rieu. 1999. Generalizing the fractal model of soil structure: The PSF approach. Geoderma, 88:137-164.

Rieu, M., and G. Sposito. 1991. Fractal Fragmentation, soil porosity, and soil water properties. I. Theory. Soil Sci. Soc. Am. J. 55:1231-1238.

Turcotte, D. L. 1986. Fractals and fragmentation. J. Geophys. Res. 91:1921–1926.

Tyler, S. W. and S. W. Wheatcraft. 1990. Fractal processes in soil water retention. Water Resour. Res. 26:1047–1054.