Investigation and simulation of hydrodynamic coefficients of soil in the area of the right bank of the Surgical River

Subject Areas : Sustainable production technologies

Fahimeh Sayadi Shahraki ¹ , Ali Sheini Dashtgol ² , Atefeh Sayadi shahraki ^{3 *}

1 - Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Shahr-e-Qods Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 - Researcher of Khuzestan Sugarcane Research and Training Institute, Khuzestan Sugarcane Research and Training Institute
3 - Researcher, Soil and Water Research Department, Chaharmahal and Bakhtiari Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Shahrekord, Iran

Received: 2024-10-29 Accepted : 2025-03-18 Published : 2025-03-20

Keywords: Hydraulic conductivity, Porsche, Ernest, Artificial Neural Network.,

Abstract :

The aim of the hydraulic conductivity above the water table wells with reverse and well below the water table with ernst, the right bank irrigation and land drainage Ramshir, this study was conducted. Studies also show that the hydraulic conductivity in the study area within the factor 0.53-2.52 m/day varies. Much difference in the two approaches to ernst & Porsche measurements taken there. Hydraulic conductivity in terms of the size of these two methods are comparable. Based on the results of tests to determine the hydraulic conductivity above the water table and the water table methods Reverse the wells and wells ernst, 83% of measurements average of %17 of the class Per class they were actually fairly quick. On the other hand, the depth of the layer with low permeability, studies show that %45.3 of the wells in the deep layer of 250-300 cm, in 37.7 % of the wells at depths greater than 300 cm , in 11.3% wells at a depth of 200-250 cm and a 5.7 % of the wells at a depth of 150-200 cm is located, thus limiting layer at an average depth of about 250 cm and located in the area of ​​gender restrictive layer is made ​​of marl in the clay and limestone and lime combine to make soil pores become blocked and this will decrease the permeability of the soil

References:

Aimrun, W., M.S.M. Amin and S.M. Eltaib. 2004. E-ffective porosity of paddy soils as an estimation of its saturated. hydraulic conductivity. Geoderma. 121: 197–203.
Alizadeh, A. 2005. New drainage. Planning and management of drainage systems. Astan Quds Razavi Printing and Publishing Institute. [In Persian]
Anonymous. 2005. Instructions for determining the hydraulic conductivity of soil by different methods, Vice-Chancellor of Technical Affairs, Ministry of Energy, publications of the country's management and planning organization - Ministry of Energy. Publication No. 322. [In Persian]
Baybordi, M. 2008. Principles of drainage engineering and soil improvement, University of Tehran Printing and Publishing Institute, Tehran, Iran. [In Persian]
Clap, R.B. and G.M. Hornberger. 1978. Empirical equations for soil-hydraulic properties. Water Resources Resaarch.117: 311-314.
Dehghan, M., Kashkouli, H.A. and Jafari, S. 2010. Comparison of the coefficient of hydraulic conductivity obtained from the inverted well method with the method of pumping into the well in heavy soil, the third national conference on management of irrigation and drainage networks, Ahvaz, Shahid Chamran University, Ahvaz. [In Persian]
Fuentes, J.P., Flury, M., Bezdicek, D.F. 2004. Hydraulic properties in a silt loam soil under natural prairie, conventional tillage and no-till. Soil Sci. Soc. Am. J. 68: 1679–1688.
Habibzadeh Azar, B., Babazadeh, H. and Zeinalzadeh, K. 2008. Comparison of two methods of golf and inverted well infiltration meter in measuring the hydraulic conductivity of soil saturation, the second national conference on management of irrigation and drainage networks, Shahid Chamran University of Ahvaz. [In Persian]
Heidarpour, M. and Mohammadzadeh, J. 2006. Comparison of the hydraulic conductivity coefficient obtained from the reverse well method and the pumping method into the well. Proceedings of the Second National Conference on Management of Irrigation and Drainage Networks, Shahid Chamran University of Ahvaz. [In Persian]
Lambert. k smedema, Villem F. Voltman, David W. Rycroft, 2005., Modern Design and Management of Agricultural Drainage Systems.
Mohammadnejad, B. and Beigi, A. 2015. Evaluation of field measurement methods in determining soil saturated hydraulic conductivity, Second National Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Qom, Qom University of Technology. [In Persian]
Nemes, A., W.J. Rawls and Y.A. Pachepsky. 2005. Influence of Organic Matter on the Estimation of Saturated Hydraulic Conductivity. Soil Science Society of American Journal. 69:1330-1337.
Nosrati Karizak, F., Movahedi Naeini, A., Hezar Jeribi, A., Roshani, Gh. and Dehghani, A. 2012. The use of artificial neural network to estimate saturated hydraulic conductivity from the characteristics of soil precipitation. Journal of soil management and sustainable production, 2 (1): 95-110. [In Persian]
Parasurman, K., Elshorbagy, A. and Si, B. 2006. Estimating saturated hydraulic conductivity in spatially variable fields using neural network in Ensembles. SSSA. J. 70: 1851-1859.
Shayan, F. 2013. Investigating temporal changes of unsaturated hydraulic conductivity in wheat cultivated lands using a disk penetrometer device (case study of lands of Shahid Chamran University of Ahvaz), master's thesis, Shahid Chamran University, Ahvaz. [In Persian]
Sheinidashtgol, A. 2012. Soil layering studies and determination of hydrodynamic coefficients and soil permeability related to the irrigation and drainage network of lands east of the Karun River, Arvand Water and Energy Company, Khuzestan Water and Electricity Organization, final report of the study project. [In Persian]
Soroush, A., Mostafa Zadeh, B. and Eslamian, S. 2003. Design and construction of water level stabilization device. 8th National Seminar on Irrigation and Evaporation Reduction, Shahid Bahonar University, Kerman, Iran. [In Persian]
Yao, R. J., Yang, J. S., Wu, D. H., Li, F. R., Gao, P., and Wang, X. P. 2015 Evaluation of pedotransfer functions for estimating saturated hydraulic conductivity in coastal saltaffected mud farmland. Journal of Soils and Sediments, 1-15.

Full-Text:



78       پژوهش‏های علوم کشاورزی پایدار/جلد 4 /شماره 4/زمستان 1403 / ص 97-78

https://sanad.iau.ir/journal/sarj

 

https://doi.org/10.71667/sarj.2025.1188774

 

بررسی و شبیه­سازی ضرائب هیدرودینامیکی خاک در اراضی ساحل راست رودخانه جراحی

 

 

فهیمه صیادی شهرکی1، علی شینی دشتگل2 و عاطفه صیادی شهرکی3*

 

1-استادیار، گروه مهندسی برق، واحد شهر قدس، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2-پژوهشگر موسسه تحقیقات و آموزش نیشکر خوزستان، خوزستان، ایران

3-محقق بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان چهارمحال و بختیاری، سازمان 

تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، شهرکرد، ایران

* ايميل نویسنده مسئول: [e-mail]

(تاریخ دریافت: 8/8/1403- تاريخ پذيرش: 28/12/1403)

 

چکیده

هدايت هيدروليكی، يكي از مهم‌ترين مشخصه‌هاي هيدروديناميكي خاك است كه در محاسبه فاصله‌ زهكش‌ها و ارزیابی جریان آب زیرزمینی مورد نياز بوده و در مطالعات زهكشي مورد توجه است. روش‌هاي متعددي براي اندازه‌گيري صحرايي هدايت هيدروليكی اشباع خاك وجود دارد كه اساس كليه آن‌ها بر اندازه‌گيري سرعت جريان افقي آب در خاك استوار است. هدف از این مطالعه هدف بررسی ضرائب هدايت هيدروليکي اراضي ساحل راست رودخانه جراحی با استفاده از روش پورشه و چاهک ارنست به‌ترتیب در بالای سطح و در زیر سطح ایستابی، می‌باشد. نتایج نشان داد که این فاکتور در محدوده 52/2 -53/0 متر بر روز متغیر بوده و تفاوت چندان زیادی در اندازه‌گیری‌های صورت گرفته با دو روش ارنست و پورشه مشاهده نشد و حدود 83 درصد از نتایج اندازه‌گیری‌ها در کلاس متوسط و 17 درصد در کلاس نسبتاً سریع واقع گردیدند. بررسی‌­ها نشان داد که بافت لایه‌ی محدود‌کننده عمدتاً سنگین تا خیلی‌سنگین بوده، که این لایه در عمق متوسط 250 سانتیمتری واقع گردیده و از جنس مارن است. نتایج آنالیز آماری نشان داد که هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی با روش پورشه دارای میانگین بالاتری از هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی با روش ارنست است، به‌طوری که این تفاوت در سطح پنج درصد معنی‌دار است. همچنین نتایج حاصل از شبیه‌سازی هدایت هیدرولیکی با استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی حاکی از بالاتر بودن دقت مدل در شبیه‌سازی داده‌های ارنست نسبت به پورشه بود، به‌طوریکه مقادیر RMSE برای روش ارنست و پورشه به ترتیب 98/0 و 15/1 محاسبه گردید.

واژه‏هاي کليدي: هدایت هیدرولیکی، چاهک معکوس، چاهک ارنست، شبکه عصبی مصنوعی

 

مقدمه

به طور کلی هدایت هیدرولیکی یا ضریب آبگذری عبارت است از مقدار آبی که تحت شيب هيدروليکی يک از واحد سطح مقطع خاک در واحد زمان عبور می‌کند و با توجه به موقعیت و شرایط منطقه مورد مطالعه، در بالای سطح ایستابی و زیر سطح ایستابی قابل اندازه‌گیری است که به هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی، هدایت هیدرولیکی غیر‌اشباع و به هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی، هدایت هیدرولیکی اشباع می‌گویند. روش‌هاي متعددي براي اندازه‌گيري صحرايي هدايت هيدروليكی اشباع خاك وجود دارد كه اساس كليه آن‌ها بر اندازه‌گيري سرعت جريان افقي آب در خاك استوار است. چنان‌چه سطح ايستابي بالا باشد و در حقيقت در هنگام مطالعه مشكل زهكشي وجود داشته باشد، روش‌های تعيين هدايت هيدروليكی اشباع خاك در زير سطح ايستابي مورد توجه قرار مي‌گيرند. از جمله اين روش‌ها مي‌توان به روش چاهك و روش پيزومتر اشاره كرد. در روش‌هاي اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی در بالاي سطح ايستابي، تركيب شيميايي آبي كه به‌كار مي‌رود، بايد تا جاي ممكن به تركيب شيميايي آب درون خاك نزديك باشد(Anonymous, 2005). 

 در عمل برای طرح پروژه‌های زهکشی بایستی هدایت هیدرولیکی را برای یک منطقه تعیین کرد و چون خاک محیط همگنی نیست، لذا نتایج حاصل از آزمایش‌ها تعیین هدایت هیدرولیکی خاک حتی در یک نوع خاک معین تا صد در صد می‌تواند متفاوت باشد. بنابراین بهتر است که هدایت هیدرولیکی در چند نقطه اندازه‌گیری شود تا بتوان تصویر بهتری از نوسان آن داشت. در مناطق وسیع، هدایت هیدرولیکی عمودی و افقی نسبت به مکان فرق می‌کنند و این بدان علت است که اولاً خاک از افق‌های مختلف با هدایت هیدرولیکی متفاوت تشکیل شده است و ثانیاً چندین نوع خاک ممکن است در منطقه مورد نظر باشد، بنابراین برای هر نوع خاک بایستی 10-5 آزمایش صورت گیرد. نکته‌ دیگری که در بررسی هدایت هیدرولیکی بایستی تعیین شود، عمق اندازه‌گیری است. اگر هدایت هیدرولیکی لایه افقی یک‌دهم لایه فوقانی باشد، این لایه برای سیستم زهکشی لایه غیر‌قابل نفوذ تلقی می‌شود. بدیهی است که این اصل را نمی‌توان در مواردی که سفره آب زیرزمینی تحت فشار است و مقداری از آب به علت تراوش به افق‌های فوقانی راه می‌یابد، به کار بست (Baybordi, 2008). به‌طور معمول، در طرح‌هاي بزرگ و نسبتاً بزرگ شبكه زهكشي، بيشترين ابعاد شبكه نقاط مشاهده‌اي و اندازه­گيري در مطالعات شناسایی 2 ×2 کیلومتر (دست کم یک نقطه برای هر 400 هکتار) در مطالعات مرحله اول 1×1 کیلومتر (دست کم یک نقطه برای هر 100 هکتار) و در مطالعات مرحله دوم 5/0×5/0 کیلومتر (دست کم یک نقطه برای هر 25 هکتار) در نظر گرفته و پيشنهاد مي‌شود كه در هر مرحله از مطالعات، محل نقاط جديد در نصف فاصله بين نقاط بررسي شده در مرحله قبل قرار گيرد. در خاك‌هاي با پروفيل مطبق، گاه ضرورت ايجاب مي‌نمايد كه هدايت هيدروليكی اشباع لايه‌هاي مختلف را اندازه‌گيري نمود. در مطالعات صحرايي، طرح‌هاي زهكشي، اندازه‌گيري‌هاي هدايت هيدروليكی اشباع لايه‌هاي مختلف نيمرخ خاك، زماني قابل پيشنهاد است كه اين لايه‌ها به شكل مشخص و بارزي با يكديگر تفاوت داشته باشند. وقتي تفاوت در مشخصات، در لايه‌های خاك ناچيز يا در حدي است كه انتظار نمي‌رود اختلاف در مقادير اندازه‌گيري شده هدايت هيدروليكی آنها از حدود خطاهاي معمول دراندازه‌گيري تجاوز نمايد، تلاش براي تعيين هدايت هيدروليكی هريك از آنها نيز قابل پيشنهاد نخواهد بود. با توجه به مطالب گفته شده، عمق چاهك اندازه‌گیری هدايت هيدروليكی اغلب تا 3 متر از سطح زمين انتخاب مي‌شود. در صورتي كه در نظر باشد هدايت هيدروليكی اشباع لايه‌هاي خاك در عمق‌هاي بيشتر اندازه‌گيري شود، پيش‌بيني امكانات ويژه به خصوص تأمين آب كافي به‌خصوص برای روش‌هاي بالاي سطح ايستابي بايد فراهم شود (Anonymous, 2005).

  خاك‏هاي مختلف داراي هدايت هيدروليكي متفاوتي هستند و اين موضوع به‌دليل تفاوت خصوصيات ذاتی خاكهاست كه بر هدايت هيدروليكي آنها مؤثر مي‌باشند. بافت و كلاس‌هاي بافتي خاك اغلب برای بيان همبستگي ميزان هدايت هيدروليكي با ديگر ويژگي‌هاي هيدروليكي خاك‌ (ظرفيت نگهداشت آب خاك و منافذ قابل زهكشي خاک) به‌كار مي‌رود (Clap & Hornberger, 1978). افزایش مواد آلی خاک، به هدايت هيدروليكي اشباع بالا منجر مي‌شود (Nemes et al., 2005). هدايت هيدروليكي به خصوصيات فيزيكي و شيميايي خاك، پايداري خاكدانه‌ها، اقليم، عمليات شخم و کشت و زرع، كاربري اراضي، ديناميك ريشه و فعاليت موجودات زنده خاك بستگي دارد (Fuentes et al., 2004). هدايت هيدروليکي اشباع از جمله مهم‌ترين پارامترها جهت شبيه‌سازي تخلخل مؤثر خاک و فرآيندهاي مرتبط با آبياري، زهکشي، هيدرولوژي، جريان آب زيرزميني، آبشویي و ساير فرآيندهاي هيدرولوژيکي و کشاورزی به‌شمار مي‌رود (Aimrun et al., 2004). در اکثر روش‌هاي اندازه‌گیري هدایت هیدرولیکی اشباع خاك دو پارامتر زمان و عمق آب اندازه‌گیري می‌شوند که حجم آب بر مبناي تغییر ارتفاع سطح آب در چاهک و یا در منبع با معلوم بودن سطح مقطع محاسبه می‌گردد. لذا بهره‌گیري از روش­هاي دقیق و حتی‌الامکان خودکار جهت ثبت نوسانات سطح آب با زمانبندي مشخص، به بالارفتن درجه اطمینان از نتایج آزمایش، همچنین سرعت و سهولت اندازه‌گیري‌ها می‌انجامد. تاکنون تلاش­هاي بسیاري براي خودکار کردن فرایند اندازه‌گیري هدایت هیدرولیکی اشباع خاك صورت گرفته است که انواع روش­هاي اندازه‌گیري آزمایشگاهی و مزرعه‌اي را شامل می‌شوند. با توجه به اینکه متغیر اندازه‌گیري غالبًا تغییرات سطح آب (افت یا خیز) می‌باشد، روش‌هاي اتوماسیون نیز بر مبناي شیوه اندازه‌گیري این متغیر داراي انواع گوناگونی می‌باشند (Soroush et al., 2003). استفاده از مقادير بزرگتر يا کوچکتر از مقدار واقعی هدایت هیدرولیکی سبب افزايش يا کاهش فاصله زهکش­ها مي‌شود که اولی به‌دليل فراهم نکردن شرايط مناسب جهت خروج زه‌آب‌ها و دومی با افزايش هزينه‌هاي اجرايی طرح، خسارات زيادي را در پی خواهند داشت. در کليه پروژه‌هاي زهکشی ضريب آبگذري خاك در زير سطح ايستابی و يا در بخش فوقانی سطح ايستابی بسته به اهداف زهکشی تعيين مي‌گردد. هدايت هيدروليکی خاک عمدتاً بستگی به توزيع هندسی منافذی از خاک که از آب پر شده‌اند، دارد. اگر وضعيت خاک طوری باشد که آب برای حرکت لازم باشد از مسير پرپيچ و خم منافذ ريز خاک عبور کند، مقدار هدایت هیدرولیکی کوچک خواهد بود. مانند خاک‌های غير اشباع که در آن‌ها آب موجود فقط به‌صورت غشايي و در منافذ ريز وجود داشته و مسير حرکت آب بسيار نامنظم و پر از موانع است. هدايت هيدروليکی در نقاط مختلف يک مزرعه و حتی در يک نقطه در اعماق مختلف خاک متفاوت است، بنابراين هدايت هيدروليکی پارامتری است که تغییرپذیری آن نسبت به مکان زياد است. در خاک‌های لايه‌ای هدايت هيدروليکی هر لايه با لايه ديگر متفاوت می‌باشد و ممکن است هدايت هيدروليکی يک نقطه در جهت افقی با هدايت هيدروليکی همان نقطه در جهت عمودی نيز متفاوت باشد (Alizadeh, 2005). در تحقيقی که (Habibzadeh et al., 2008) انجام دادند، ضريب هدايت هيدروليكي به دو روش چاهك معكوس و پرمامترگلف در 16 نقطه در محدوده‌ای به وسعت يك هكتار در اراضي دانشكده كشاورزي دانشگاه اروميه اندازه‌گيري شد، نتايج نشان داد كه روش چاهك معكوس اصلاحي همواره مقادير بزرگ‌تري از ضريب هدايت هيدروليكی را نسبت به روش پرمامترگلف و آن هم نسبت به روش چاهك معكوس رايج به دست مي‌آورد، به طوري­كه ضريب هدايت هيدروليكي بدست آمده از روش چاهك معكوس رايج 15 درصد روش چاهك معكوس اصلاحي و 9/21 درصد روش پرمامتر گلف مي‌باشد و ضريب هدايت هيدروليكي بدست آمده از روش پرمامتر گلف 7/69 درصد روش چاهک معکوس اصلاحی می‌باشد. ( Dehghan et al., 2010)، دقت عمل دو روش چاهك معكوس بعنوان رايج‌ترين روش و پمپاژ به داخل چاهك به‌عنوان يك روش نسبتا دقيق در تعيين هدايت هيدروليكي در بالاي سطح ايستابي را مورد ارزيابي قرار دادند. (Habibzadeh Azar et al., 2008)، ضريب هدايت هيدروليکی بدست آمده از روش چاهك معكوس و روش پمپاژ به داخل چاهك را مقايسه كردند. نتايج بدست آمده از دو روش فوق نشان داد كه روش چاهك معكوس به‌طور متوسط مقادير ضريب هدايت هيدروليكي را 56 درصد بيشتر از روش پمپاژ به داخل چاهك برآورد مي‌نمايد. ( Nosrati Karizak et al., 2012)، برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع با استفاده از پارامترهای زودیافت خاک را مورد بررسی قرار دادند و نتایج نشان داد که بهترین مدل از نظر دقت و سرعت هدایت هیدرولیکی اشباع، مدلی بود که از پارامترهای ورودی لگاریتم میانگین هندسی قطر ذرات، تخلخل کل و درصد شن و رس استفاده شد. (Parasurman et al., 2006) برای برآورد هدایت آبی اشباع در مقیاس مزرعه‌ای دو مدل شبکه عصبی طراحی نمودند. پارامترهای ورودی در مدل اول درصد رس، شن و سیلت و در مدل دوم علاوه بر سه ویژگی یاد شده جرم مخصوص ظاهری نیز اضافه شد. نتایج نشان داد که شبکه عصبی مدل دوم دقت بالاتری نسبت به مدل اول دارد. ( Yao et al., 2015) به تخمین مقدار هدایت هیدرولیکی اشباع خاك با کمک شبکه عصبی مصنوعی در زمین‌هاي کشاورزي ساحلی و شور جیانگسوي شمالی در کشور چین پرداختند و به عنوان نتیجه‌گیري مهم، شوري خاك را یکی از تأثیرگذارترین فاکتورها در مقدار این پارامتر برشمردند. به­منظور بررسی تغییرات خصوصیات هیدرولیکی خاک، آزمایشات توسط یک دستگاه نفوذسنج دیسک انجام و نتیجه واریانس سهم جریان در محدوده‌های منافذ آبگذر نشان داد به‌جز میانگین هندسی قطر ذرات، محدوده منافذ ماکروپور، سایر محدوده‌های منافذ، تغییری با زمان نداشتند. همچنین نتایج آنالیز واریانس مقادیر هدایت هیدرولیکی غیراشباع (بجز در پتانسیل ماتریک 15- سانتیمتر) و مقادیرα اختلاف آماری معنی‌داری را در سطح 5% نشان داد. در تحقیق (Mohammadnejad & Beigi, 2015)، کارایی دو روش چاهک معکوس و نفوذسنج گلف در خاک­های حوضه آبریز دریاچه ارومیه مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در هر دومنطقه مورد آزمایش میانگین حسابی هدایت هیدرولیکی اشباع بدست آمده از روش چاهک معکوس بزرگتراز میانگین حسابی هدایت هیدرولیکی اشباع بدست آمده از روش نفوذ سنج گلف بود که دلیل این امر می تواند استفاده از حجم خاک بیشتر در روش چاهک معکوس نسبت به روش نفوذسنج گلف باشد. این مطالعه به‌منظور طراحی سیستم زهکشی اراضی ساحل راست رودخانه جراحی در رامشیر انجام شد. لذا هدف اصلی، تعيين هدايت هيدروليکی در زير سطح ايستابی و بالای سطح ايستابی با روش‌های چاهک ارنست و چاهک معکوس(پورشه) و شبیه‌سازی نتایج حاصل از اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی حاصل از دو روش فوق با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی می‌باشد و سایر اهداف جانبی جهت نیل به اهداف اصلی عبارتند از : اهمیت نقش هدایت هیدرولیکی در طراحی سیستم زهکشی، رابطه بين بافت خاک و هدايت هيدروليکی و تخمين هدايت هيدروليکی با توجه به بافت خاک. تعيين سطح آب زيرزمینی و عمق لايه محدود­کننده و ضخامت آن در منطقه. اندازه‌گيري مستقيم ويژگي هاي هيدروليکي خاک وقت‌گير و پر هزينه بوده و تا حدي به علت غيرهمگن بودن خاک و خطاهاي آزمايشگاهي غيرقابل اعتماد است .مدل‌های شبکه عصبی از جمله آسان‌ترین، کم هزینه‌ترین و مناسب‌ترین روش‌ها جهت تخمین ويژگي‌هاي هيدروليکي خاک هستند. 

 

مواد و روش‏ها

الف: منطقه‌ مورد مطالعه

 منطقه‌ مورد مطالعه در اراضی ساحل راست رودخانه جراحی در رامشیر و دارای مساحتی بالغ بر 4/5305 هکتار بوده و به‌صورت طولی به موازات رودخانه جراحی در نزدیکی روستای ابوطویج از نقاط به مختصات 347000 شرقی و 3422500 شمالی و همچنین 346500 شرقی و 3424000 شمالی شروع می‌شود و در عرض خود از یک طرف به جاده غرب جراحی و از طرف دیگر به زهکش سیلاب‌بر و سرانجام به زهکش بستین در نقطه‌ای به مختصات 334728 شرقی و 3414999 شمالی و دیگری در نقطه‌ای به مختصات 332500 شرقی و 3417500 شمالی ختم می‌شود. مطالعات تعيين ضرائب هدايت هيدروليکي این پروژه بر اساس موقعيت نقاط مشخص شده بر روي نقشه توپوگرافي20000 : 1 منطقه طرح (نقشه 1)، انتخاب شد. با توجه به ‌اینکه در مطالعات مرحله اول 1×1 کیلومتر، حداقل در یک نقطه برای هر 100 هکتار، هدایت هیدرولیکی خاک تعیین می­شود، لذا هدایت هیدرولیکی در 22 نقطه بالای سطح ایستابی و زیر سطح ایستابی برای 31 نقطه اندازه‌گیری شد.

 

 

شکل 1- موقعيت نقاط اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی

 

ب- اندازه گيری ضريب آبگذری با استفاده از روش چاهك ارنست

  در اين روش برابر دستورالعمل استاندارد، در ابتدا چاهکي به قطر 7 سانتيمتر تا سطح لايه با نفوذپذيري کم حفاري خواهد شد. در صورت عدم وجود لايه با نفوذپذيري کم، حفاري اين چاهک تا عمق 3 متري انجام مي‌شود، سپس براي چند بار به وسيله بيلر آب به آرامي درون چاهک تخليه شده تا آب گل­آلود کاملاً از چاهک خارج گردد. چاهک براي مدت 24 ساعت به حال خود رها شده و در روز بعد وضعيت داخلي چاهک براي اطمينان از عدم ريزش داخلي چاهک بررسي می‌شود. پس از آن با بيلر آب درون چاهک طوري تخليه می‌شود که حداقل 15-10 سانتيمتر آب در کف چاهک مانده و ميزان تخليه شده نيز به بيش از 2/0 عمق آب درون چاهک بالغ گردد. بلافاصله سرعت بالا ­آمدن آب درون چاهک براي سه بار متوالی اندازه­گيري می‌شود. اندازه‌گيری بالا ­آمدن سطح آب در چاهک به کمک شناوری که به ميله مدرج اتصال دارد، بلافاصله پس از آبکشی از چاه انجام می‌گيرد که در زمان­های ثابت صعود سطح آب يادداشت می‌گردد؛ البته فاصله زمانی قرائت‌ها بستگی به سرعت بالا­آمدن آب درون چاهک دارد و اندازه‌گيری بايستی قبل از اينکه يک­چهارم مقدار آب کشيده شده از درون چاهک ترميم گردد، پايان پذيرد، لذا سرعت بالا آمدن آب درون چاهک براي سه بار متوالی اندازه‌گيري می‌شود. اين آزمايش با در نظر گرفتن چهار شرط اساسي حاکم بر روش مذکور صورت گرفته و از طريق اندازه‌گيري­هاي معتبر اقدام به محاسبه ضرايب هدايت هيدروليکي به روش ارنست گرديده و نتايج ارائه خواهند شد. در اين محاسبات حروف آورده شده در شکل (2) نشان داده شده است که شامل موارد زير می‌باشند (3):

1- شعاع چاهک بين 3 تا 7 سانتيمتر (7< r <3)

2- فاصله کف چاهک تا سطح ايستابی متعادل بين 20 تا 200 سانتيمتر(200 <H <20)

3- داده‌های آزمايش تا هنگامی معتبر شناخته شود که بيش از يک چهارم آب پمپ شده از چاهک به داخل آن بازنگشته باشد. (∆Y<0.25Y0).

 4- عمق آب برداشت شده از چاهک از 20 درصد عمق آب داخل چاهک بيشتر باشد. (Y>0.2H )

با اين وجود، اندازه‌گيري‌هاي خارج از محدوده حذف شده و از طريق اندازه‌گيري‌هاي معتبر اقدام به محاسبه ضرايب هدايت هيدروليکي به روش ارنست گرديده و نتايج ارائه خواهند شد. روابط ارنست که امروزه متداول‌ترين شيوه براي محاسبه هدايت هيدروليکی به روش چاهک به‌شمار مي روند، به شرح زير هستند:

الف- هنگامي که لايه محدود کننده در فاصله نسبتا زيادي از کف چاهک قرار داشته باشد (S>H/2):

ب- هنگامي که کف چاهک روي لايه محدود کننده قرار داشته باشد(S=0)، k: هدايت هيدروليکی بر حسب متر در روز، 

 C: ضريبی که تابع مقادير y، H، r و S است.

r: شعاع چاهک برحسب سانتيمتر، H: فاصله سطح ايستابي متعادل تا کف چاهک يا عمق آب در چاهک بر حسب سانتيمتر

∆y: مقدار خيز سطح آب (برحسب سانتيمتر) در فاصله زماني ∆t (برحسب ثانيه)، S: فاصله کف چاهک تا لايه محدود کننده بر حسب سانتيمتر .

y: ميانگين فاصله سطح ايستابي متعادل تا سطح آب درون چاهک در فاصله‌ای که داده‌ها اعتبار دارند

(1 )
(2)
(3)
(4)

 W: فاصله سطح زمين تا سطح آب زيرزمينی در حال تعادل است و D: فاصله کف چاهک تا سطح زمين می باشد.

 

(5)

)

 

شکل 2- نمايی از اجراي روش ارنست همراه با علائم کاربردي (Anonymous, 2005)

 

 

 

 

ج- اندازه­گيری ضريب آبگذری با استفاده از روش چاهك وارونه (پورشه)

  براي اندازه­گيري هدايت هيدروليکي با اين روش، ابتدا حفره­اي بـه قطر 10-5 سانتي­متـر با مته نمونـه­برداري خاک، حفر مي­شود، به­طوري­که کاملاً در لايه­اي که قرار است هدايت هيدروليکي اندازه­گيري شود، فرو رفته باشد. برای جلوگيري از ريزش ديواره­ها، کارگذاري لوله مشبک در چاهک نياز است و لايه­اي از شن يا سنگريزه در کف چاهک براي جلوگيري از فرسايش (در اثر ريزش آب) ريخته شود. سپس چاهک را تا سطح مشخصي از آب پر کرده و به تدريج که آب در جدار چاهک نفوذ مي­کند، افت سطح آب در زمان­هاي مختلف يادداشت مي­شود. قرائت سطح آب زماني انجام می­گردد که آب به اندازه کافي در ديواره چاهک نفوذ کرده و خاک اطراف آن را کاملاً اشباع کرده باشد. چنانچه در فاصله زماني مشخص، مقدار آب نفوذ يافته بـه حد نسبتاً ثابتي برسد، مي­توان خاک را اشباع شده تلقي کرد. در ايـن روش فرض مي‌شود، ميزان آبي که در جدار چاهک نفوذ مي­کند برابر هدايت هيدروليکی اشباع است و اين موضوع فقط در خاک­هاي با بافت متوسط تا سنگين صادق است. در حقيقت، پورشه جريان خروجي را ثابت و به طور تقريب برابر با جريان آب از جداره­ها و کف چاهک بدون اين که چاهک از آب پر شده باشد، می­داند و از بار فشاري ناشي از وجود آب در چاهک صرف­نظر مي­کند. اگر آب از ديواره‌ها و كف چاهك نفوذ كند:

(6)

A(ti): سطحي كه آب از آن در زمان ti نفوذ مي‌كند.

R: شعاع چاهك و h (ti) : ارتفاع سطح آب درون چاهك در زمان ti است. در صورتي که بر روي يک کاغذ نيمه لگاريتمي،  ht + 1/2r روي محور لگاريتمي عمودي و t بر روي محور معمولي افقي رسم گردد شيب خط حاصله (tanα) خواهد بود که در اين صورت مي­توان معادله فوق را به صورت زير نوشت:

(7)	K=1/15 r tanα (cm/s) K = 993/6 r tanα   (m/d)

در اين روش، براي اندازه­گيري تغييرات سطح آب نسبت به زمان معمولاً از يك جسم شناور متصل به شاخص مدرج با شكل‌هاي گوناگون استفاده مي­شود. در شکل (3)، نمايی از اجراي این روش و علائم و نشانه‌هاي کاربردي آمده است.

 

 

 

 شکل 3- نمايی از اجراي روش چاهک معکوس و علائم کاربردي (Anonymous, 2005)

 

قبل از اندازه‌گیری هدايت هيدروليکی، بايستی بافت خاک را از نظر ظاهری مشاهده نموده و حدودی را برای آن تخمين زد. خاک‌های شنی نفوذپذيری بالاتری نسبت به خاک‌های سنگين دارند. اين تخمين ما را هدايت خواهد کرد که چه ارقامی از انجام آزمايش قابل انتظار است. دامنه تغييرات ضريب هدايت هيدروليکی در خاک‌های مختلف در جدول (1)، ارائه شده است ادامه شکل 3- نتایج به دست آمده از تشخیص سیب روی درخت در تصاویر مختلف پوشه اعتبارسنجی

 

 

جدول 1- تيپ دامنه تغييرات هدايت هيدروليکی (Anonymous, 2005)

بافت خاک	تيپ دامنه تغييرات k (m/day )
شن تمیز	864-86400
ماسه درشت	64-864/8
ماسه ریز	64/86-8/0
لای	86/0086-0/0
رس	کمتر از 00086/0

 

از لحاظ تعداد نقاط مورد آزمایش، بسته به اينکه خاک همگن يا غيرهمگن باشد و بر اساس فاصله زهکش‌ها، از پيشنهاد فائو استفاده می‌شود (15). در جدول (2) تعیین کلاس شدت آبگذری براساس نشریه 153 سازمان برنامه و بودجه (3) ارائه شده و درصد هر کدام از کلاس‌ها آمده است.

 

 

 

 

جدول 2- بررسی کلاس شدت آبگذری به همراه درصد آنها در محدوده منطقه مورد مطالعه

ردیف	شدت آبگذری (m/day)	کلاس شدت آبگذری
1	<12/0	آهسته
2	5/0-12/0	نسبتا آهسته
3	5/1-50/0	متوسط
4	3- 5/1	نسبتا سریع
5	> 3	سریع

 

 

د- مدل شبکه عصبی مصنوعی

 شبکه عصبی مصنوعی سامانه‌ای است با تعداد زیادی ورودی و تنها یک خروجی و شامل دو حالت آموزش و عملکرد می‌باشد. در حالت آموزش یاد می‌گیرد که در مقابل الگوهای ورودی خاص برانگیخته شود. در حالت عملکرد وقتی یک الگوی ورودی شناسایی شده وارد شود، خروجی متناظر با آن ارائه می‌شود. شبکه‌های عصبی با توانایی قابل توجه خود در استنتاج نتایج از داده‌های پیچیده می‌توانند در استخراج الگو‌ها و گرایش‌های مختلفی که برای انسان‌ها و کامپیوتر شناسایی آن‌ها بسیار دشوار است، استفاده شوند. عنصر کلیدی این الگو ساختار جدید سیستم پردازش اطلاعات آن بوده و از تعداد زیادی عناصر (نرون) با ارتباطات قوی داخلی که هماهنگ با هم برای حل مسائل مخصوص کار می‌کنند، تشکیل شده است. شبکه­های عصبی مصنوعی با پردازش روی داده­های تجربی، دانش یا قانون نهفته در ورای داده‌ها را به ساختار شبکه منتقل می‌کند که به این عمل یادگیری می‌گویند. با استفاده از دانش برنامه‌نویسی رایانه می‌توان ساختار داده‌ای طراحی کرد که همانند یک نرون عمل کند. سپس با ایجاد شبکه‌ای از این نورون‌های مصنوعی به هم پیوسته، ایجاد یک الگوریتم آموزشی برای شبکه و با اعمال این الگوریتم به شبکه آن را آموزش داد. نمایش ریاضی شبکه عصبی در شکل(4) نشان داده شده است. در این شکل جمع­کننده، حاصل ضرب هر یک از سیگنال‌های ورودی X در وزن مربوطه به سیناپس مربوط به آن سیگنال ورودیW را جمع می­نماید و تابع محرکه  خروجی را به گونه‌ای محدود می‌نماید که مقدار آن در بازه‌ی معینی قرار گیرد. Bk یا بایاس یک آستانه خارجی است. بنابراین خروجی Yk با معادله زیر بیان می‌شود.

 

با توجه به معادله (8)، می­توان گفت پردازش داخلی از دو بخش تشکیل می‌شود. در بخش اول یک مجموع از n مولفه بردار ورودی ایجاد شده و سپس یک مقدار بایاس به آن اضافه می‌شود. در بخش دوم یک پردازش غیرخطی صورت می‌پذیرد و این پردازش تابع محرکه  نامیده می‌شود. در این پژوهش سطح آب زیرزمینی، بافت خاک، عمق و ضخامت لایه محدود کننده به عنوان ورودی مدل شبیه‌ساز هدایت هیدرولیکی در نظر گرفته شد. همچنین 75 درصد از داده‌های هدایت هیدرولیکی برای آموزش و 25 درصد برای واسنجی و تست انتخاب گردیدند

 

 

شکل4- نمايش ریاضی مدل شبکه عصبی مصنوعی

 

 

ه. معیارهای ارزیابی مدل: برای تعیین میزان دقت مدل‌ها از مقادیر RMSE و MAE استفاده شد:

 

(8)

 

نتایج و بحث

 نتايج مطالعات لايه محدود کننده همراه با جنس و ضخامت لايه و روش اندازه‌گيري هدايت هيدروليکي و سطح آب زیر زمینی و موقعیت جغرافیایی نقاط اندازه گیری، در جدول (3) نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 3- خلاصه نتايج مطالعات لايه محدود کننده، ضخامت لايه همراه روش اندازه­گيري هدایت هیدرولیکی

(9)
(10)

شماره چاهک		موقعیت جغرافیایی نقطه			عمق لايه محدود کننده (cm)		ضخامت لایه محدود کننده (cm)		جنس لايه محدود کننده		روش اندازه‌گيري		هدایت هیدرولیکی (m/day)				سطح آب زیرزمینی (24ساعته)
		X		Y
1		346483		3423955	360		90		مارن*		پورشه		95/1		-		خشک
2		343986		3423596	300		40		مارن		ارنست		-		64/1		245
3		343034		3423088	330		110		مارن		پورشه		08/1		-		خشک
4		344455		3423016	300		50		مارن		پورشه		96/0		-		295
5		346174		3422987	300		100		مارن		ارنست		-		85/0		205
6		342104		3422536	300		100<		مارن		ارنست		-		53/0		155
7		344999		3422433	370		150<		مارن		ارنست		-		90/0		225
8		347084		3422625	370		150<		مارن		پورشه		49/1		-		315
9		341311		3422096	300		120<		مارن		ارنست		-		75/0		140
10		345974		3421990	320		100<		مارن		ارنست		-		21/1		225
11		341939		3421469	300		140<		مارن		پورشه		91/0		-		305
12		343587		3421591	220		80		مارن		پورشه		08/1		-		305
13		345045		3421444	270		90		مارن		ارنست		-		15/1		190
14		339495		3421046	350		70		مارن		پورشه		27/1		-		255
15		342583		3420934	380		60<		مارن		ارنست		-		64/0		190
16		345524		3421099	400		200<		مارن		ارنست		-		65/1		260
17		338430		3420514	250		200		مارن		پورشه		07/1		-		300
18		341480		3420455	340		60		مارن		ارنست		-		75/0		245
19		342968		3420351	350		70<		مارن		پورشه		88/0		-		300
20		344453		3420547	360		100		مارن		ارنست		-		38/1		240
21		337566		3420057	330		70<		مارن		پورشه		94/0		-		300
22		342089		3420046	260		110<		مارن		ارنست		-		56/0		90
23		344955		3420015	360		40		مارن		پورشه		30/1		-		260
24		337366		3419458	300		100<		مارن		ارنست		-		27/1		260
25		338897		3419392	300		300<		مارن		پورشه		25/1		-		290
26		341981		3419463			300		120<		مارن		ارنست		-		60/0		180
27		336956		3419002			300		120<		مارن		ارنست		-		64/0		190
28		341568		3419112			350		250<		مارن		ارنست		-		64/0		190
29		334071		3418494			210		150		مارن		پورشه		34/1		-		295
30		336050		3418556			230		130		مارن		پورشه		08/2		-		290
31		336985		3198521			280		190<		مارن		پورشه		04/1		-		295
32		338158		3418609			290		130<		مارن		ارنست		-		84/0		205
33		339960		3418487			300		170<		مارن		ارنست		-		71/0		210
34		333118		3417909			350		50		مارن		پورشه		97/0		-		290
35		334027		3418009			300		60		مارن		ارنست		-		91/1		230
36		339082		3417965			270		330<		مارن		ارنست		-		58/0		80
37		340994		3418028			300		300<		مارن		پورشه		08/2		-		290
38		333508		3417505			180		100		مارن		ارنست		-		52/2		205
39		335341		3417611			260		60		مارن		پورشه		91/0		-		295
40		338550		3417545			330		150<		مارن		ارنست		-		67/0		145
41		333205		3417135			250		50		مارن		ارنست		-		08/1		210
42		334953		3417067			300		120<		مارن		ارنست		-		17/1		205
43		335989		3416993			370		150<		مارن		پورشه		69/1		-		295
44		338986		3417111			300		180<		مارن		ارنست		-		66/0		136
45		333561		3416485			200		110		مارن		پورشه		02/1		-		296
46		334470		3416482			200		60		مارن		ارنست		-		41/1		206
47		336476		3416573			340		90<		مارن		ارنست		-		70/0		236
48		337410		3416417			350		150<		مارن		پورشه		99/0		-		295
49		338936		3416594			300		200<		مارن		ارنست		-		84/0		246
50		335102		3416129			250		240<		مارن		ارنست		-		86/0		185
51		336991		3415932			320		30		مارن		پورشه		88/1		-		خشک
52		335542		3415521			300		200<		مارن		ارنست		-		57/0		218
53		335297		3415002			250		240<		مارن		ارنست		-		04/1		212

* مارن به ترکيبي از ذرات رس و آهک اطلاق مي‌گردد که در آن آهک، خلل و فرج خاک را مسدود نموده است

 

 

 

همان‌طوری که از نتایج اندازه‌گیری‌ها ملاحظه می‌شود، هدایت هیدرولیکی منطقه مورد مطالعه در محدوده 52/2 -53/0 متر بر روز متغیر است. در بخش‌هایی از منطقه به‌دلیل بافت سنگین خاک، هدایت هیدرولیکی خاک کمتر از یک متر در روز است. این امر تا حدودی به بافت سنگین خاک و تراکم در زمان رسوب‌گذاری مربوط می‌گردد که منجر به کم شدن هدایت هیدرولیکی خاک شده است. تفاوت چندان زیادی در اندازه‌گیری‌های صورت گرفته به دو روش ارنست و پورشه وجود ندارد، به عبارتی هدایت هیدرولیکی در این دو روش از روند و اندازه نسبتاً مشابهی برخوردارند. اگرچه این دو روش از تفاوت ذاتی برخوردار هستند و در چاهک ارنست، روش اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی صورت می‌گیرد ولی در روش پورشه هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی اندازه‌گیری شده و خاک در حد رطوبتی کمتر از حد اشباع مزرعه‌ای قرار دارد. به‌دلیل عدم همگونی شرایط خاک در این مطالعه، امکان این مقایسه وجود نداشته است. هدایت هیدرولیکی خاک رابطه مستقیمی با بافت خاک دارد و با سنگین‌تر شدن بافت خاک، حرکت آب در منافذ خاک (هدایت هیدرولیکی)، کندتر و با سبک‌تر شدن بافت خاک، حرکت آب در منافذ خاک راحت‌تر و سریع‌تر انجام می‌شود. یعنی از روی بافت خاک می‌توان هدایت هیدرولیکی تقریبی خاک را تخمین زد. خاک‌های شنی نفوذپذيری بالاتری نسبت به خاک‌های سنگين دارند، لذا اين تخمين ما را هدايت خواهد کرد که چه ارقامی از انجام آزمايش قابل‌ انتظار است. با توجه به جدول (2) و براساس نتایج حاصله از آزمایش‌های تعیین ضریب هدایت هیدرولیکی خاک در بالای سطح ایستابی و زیر‌سطح ایستابی با روش‌های چاهک معکوس (پورشه) و چاهک ارنست، 83 درصد از نتایج اندازه‌گیری‌ها در کلاس متوسط و 17 درصد از آن‌ها در کلاس نسبتا سریع واقع گردیدند، یعنی نتایج هدایت هیدرولیکی خاک‌های منطقه بیانگر این است که مطابق جدول (2)، در کلاس متوسط تا نسبتاً سریع قرار دارند. در آزمايشی که در اراضی ساحل شرقی رودخانه کارون از اهواز تا دارخوين انجام شد، هدایت هیدرولیکی خاک‌های منطقه در کلاس‌های متوسط تا نسبتاً سریع قرار داشتند (Sheinidashtgol, 2012). نتایج این مطالعه همچنین نشان داد که نوسانات سطح آب‌زیرزمینی در زمان‌های مختلف و نسبت به موقعیت در منطقه تغییر نموده است. عواملی چون تخلخل ویژه خاک‌ها، نفوذپذیری سطحی خاک، روش‌های آبیاری و نحوه‌ استفاده از اراضی (دیم یا آبی)، تغییرات تغذیه و تخلیه موجب می‌گردد که سطح ایستابی تحت تأثیر عوامل فوق در مکان‌های مختلف و در ماه‌های متفاوتی در نوسان باشد. با این وجود اندازه‌گیری سطح ایستابی در حال تعادل در چاهک‌های حفر‌شده نشان می‌دهد که سطح آب زیرزمینی بین 3- 5/1 متری از سطح زمین قرار گرفته است. بررسی‌های صورت گرفته در منطقه نشان می‌دهد که بافت لایه محدود کننده عمدتاً سنگین تا خیلی‌سنگین بوده و به‌دلیل نفوذپذیری کم این لایه نسبت به لایه‌های بالای آن و ایجاد آب‌ماندگی، در این لایه شرایط ماندابی مشاهده گردد. بسته به کیفیت آب زیرزمینی و سطح آن در طول سال در لایه‌های بالایی از سطح این لایه نیز ممکن است عوارض هیدرومورفی تشکیل شده باشد. از طرف دیگر، در خصوص عمق لایه با نفوذپذیری کم، بررسی‌ها نشان می‌دهد که در 3/45 درصد چاهک‌ها این لایه در عمق 300- 250 سانتیمتری، در 7/37 درصد چاهک‌ها در عمق بیش از 300 سانتیمتری، در 3/11 درصد چاهک‌ها در عمق 250- 200 سانتیمتری و در 7/5 درصد چاهک‌ها در عمق 200- 150 سانتیمتری واقع شده است، لذا لایه محدود­کننده در منطقه در عمق متوسط حدود 250 سانتیمتری واقع گردیده و جنس آن از جنس مارن بوده که در آن ذرات رس و آهک با هم ترکیب شده و آهک باعث مسدود شدن خلل و فرج خاک گشته و این موضوع باعث کاهش نفوذپذیری خاک گشته است. همچنین سطح ایستابی در 2/30 درصد از چاهک‌ها در عمق 300-250 سانتیمتری، در 7/5 درصد چاهک‌ها در عمق بیش از 300 سانتیمتری، در 2/30 درصد چاهک‌ها در عمق 250- 200 سانتیمتری و در 15 درصد چاهک‌ها در عمق کمتر از 150 سانتیمتری واقع شده است، لذا سطح ایستابی در عمق متوسط حدود 250 سانتیمتری واقع گردیده است. در جدول (4)، نتایج آنالیز آماری هدایت هیدرولیکی در بالا و زیر سطح ایستابی با استفاده از نرم افزار آماری SPSS و در جدول (5)، با استفاده از آزمون مستقلt ، آنالیز آماری فاکتورهای فوق مورد بررسی قرار گرفته اند.

 

 

جدول 4- آنالیز آماری هدایت هیدرولیکی بالا و زیر سطح ایستابی با استفاده از نرم افزار آماری SPSS

هدایت هیدرولیکی	سطح اندازه‌گیری	تعداد	میانگین	انحراف استاندارد	خطای استاندارد میانگین
	بالای سطح ایستابی(پورشه)	22	281/1	4016/0	856/0
	زیر سطح ایستابی(ارنست)	31	991/0	4622/0	830/0

 

 

جدول 5- آزمون t مستقل جهت مقابسه هدایت هیدرولیکی بالای سطح ایستابی و زیر سطح ایستابی

t	درجه آزادی	سطح معنا‌داری	تفاوت میانگین ها	خطای استاندارد تفاوت
37/2	51	021/0	2899/0	1222/0

 

 

 

با توجه به اطلاعات به‌دست آمده از توصیف آماری دو نوع هدایت هیدرولیکی انداره‌گیری شده، می‌توان گفت که هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی با روش پورشه دارای میانگین بالاتری از هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی با روش چاهک ارنست است. نتایج آزمون t نمونه‌های مستقل برای مقایسه این دو سطح اندازه‌گیری (جدول 5)، نشان‌دهنده‌ی معنی‌دار بودن (در سطح 5 درصد) هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی نسبت به هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی است. 

 

نتایج شبیه‌سازی مدل شبکه عصبی مصنوعی

برای نشان دادن دقت مدل شبکه عصبی مصنوعی در شبیه‌سازی نسبت به مقادیر واقعی جدول‌های (6) و (7) تهیه گردیده است. جدول (6) مقادیر میانگین RMSE و MAE بین نقاط اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده برای دو روش پورشه و ارنست را نشان می‌دهد. همچنین برای مقایسه آماری بین مقادیر اندازه گیری با شبیه‌سازی شده آزمون مقایسه میانگین جامعه آماری به روش t در سطح خطای یک درصد استفاده شد و نتایج آن برای دو روش اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی در جدول (7) نشان داده شده است.

 

 

جدول 6- میانگین RMSE و MAE هدایت هیدرولیکی

	مدل شبکه عصبی مصنوعی
روش اندازه‌ گیری	میانگین RMSE	میانگین MAE
پورشه	15/1	92/1
ارنست	98/0	25/1

 

جدول7- آماره‌های محاسبه شده برای مقادیر شبیه‌سازی و اندازه‌گیری شده هدایت هیدرولیکی

مدل شبکه عصبی مصنوعی و اندازه گیری شده			مقایسه
P-value	STD ERROR DIFF	MEAN DIFF	روش اندازه گیری
587/0n.s	061/0	084/0	پورشه
886/0n.s	0241/0	018/0	ارنست

·       n.s: تفاوت معنی‌دار وجود ندارد

 

با توجه به جدول (1) خطای شبیه‌سازی در روش ارنست کمتر از روش پورشه ارائه گردیده است به طوریکه مقادیر RMSE و MAE در روش ارنست کمتر از روش پورشه می‌باشند.

جدول‌ (7) بیانگر این موضوع است که نتایج مدل‌ شبکه عصبی مصنوعی برای پیش‌بینی هدایت هیدرولیکی قابل قبول می‌باشند. به‌طوری‌که با توجه به جدول (7) بین مقادیر شبیه‌سازی و داده‌های اندازه‌گیری شده هر دو روش پورشه و ارنست در سطح خطای یک درصد اختلاف معنی‌داری وجود ندارد. همچنین با توجه به این اعداد مشاهده می‌شود، مقادیر خطای شبیه‌سازی در کلیه آماره‌های محاسبه شده، در روش ارنست کمتر از روش پورشه می‌باشد.

شکل (5) منحنی برازش شده بین نقاط اندازه گیری و شبیه سازی توسط مدل شبکه عصبی مصنوعی با استفاده از دو روش پورشه و ارنست را نشان می‌دهد.

 

شکل 5- منحنی برازش شده بین نقاط اندازه گیری و شبیه سازی توسط مدل شبکه عصبی مصنوعی با استفاده از دو روش پورشه و ارنست

 

نتیجه‏گیری

 

نتایج مطالعات هدایت هیدرولیکی نشان می‌دهد که این فاکتور در محدوده 52/2 -53/0 متر بر روز متغیر است. در بخش‌هایی از منطقه، هدایت هیدرولیکی خاک کمتر از یک متر در روز است که این امر تا حدودی به بافت سنگین خاک و تراکم در زمان رسوبگذاری مربوط می‌گردد، لذا بافت خاک عاملی تعیین کننده است. تفاوت چندان زیادی در اندازه‌گیری‌های صورت گرفته به دو روش ارنست و پورشه وجود ندارد، به عبارتی هدایت هیدرولیکی در این دو روش از روند و اندازه نسبتاً مشابهی برخوردارند. اگرچه این دو روش از تفاوت ذاتی برخوردار هستند و در چاهک ارنست، روش اندازه‌گیری هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی (در بخش اشباع خاک ) صورت می‌گیرد ولی در روش پورشه هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی اندازه‌گیری شده و خاک در حد رطوبتی کمتر از حد اشباع مزرعه‌ای قرار دارد، بنابراین انتظار می‌رود که در شرایط مساوی خاک، اندازه‌گیری ارنست نسبت به پورشه نتایج عددی بیشتری را حاصل نماید که به‌دلیل عدم همگونی شرایط خاک در این مطالعه، امکان این مقایسه وجود نداشته است. براساس نتایج حاصله از آزمایش‌های تعیین ضریب هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی و زیر سطح ایستابی با روش‌های چاهک معکوس (پورشه) و چاهک ارنست، 83 درصد از نتایج اندازه‌گیری‌ها در کلاس متوسط و 17 درصد از آن‌ها در کلاس نسبتا سریع واقع گردیدند. نتایج این مطالعه نشان داد که نوسانات سطح آب زیرزمینی در زمان‌های مختلف و نسبت به موقعیت در منطقه تغییر نموده است. عواملی چون تخلخل ویژه خاک‌ها، نفوذپذیری سطحی خاک، روش‌های آبیاری و نحوه استفاده از اراضی (دیم یا آبی)، تغییرات تغذیه و تخلیه موجب می‌گردد که سطح ایستابی تحت تأثیر عوامل فوق در مکان‌های مختلف و در ماه‌های متفاوتی در نوسان باشد. با این وجود اندازه‌گیری سطح ایستابی در حال تعادل در چاهک‌های حفر شده نشان می‌دهد که سطح آب زیرزمینی بین 3- 5/1 متری از سطح زمین قرار گرفته است. این فاکتور در 2/30 درصد از چاهک‌ها در عمق 300-250 سانتیمتری، در 7/5 درصد چاهک‌ها در عمق بیش از 300 سانتیمتری، در 2/30 درصد چاهک‌ها در عمق 250- 200 سانتیمتری و در 15 درصد چاهک‌ها در عمق کمتر از 150 سانتی‌متری واقع شده است، لذا سطح ایستابی در منطقه در عمق متوسط حدود 250 سانتی‌متری واقع گردیده است. همچنین مطالعات لایه‌بندی صورت گرفته نشان می‌دهد که بافت خاک سطحی در عمق 100-0 سانتیمتری عمدتاً متوسط تا نسبتا سنگین بوده است. در عمق‌های پایین‌تر بافت خاک از متوسط تا خیلی سنگین مشاهده گردید. در برخی از قسمت‌های منطقه نیز لنز ماسه‌ای مشاهده شد. این لنز‌های ماسه‌ای در اثر بادرفت‌هایی که در منطقه جریان دارد، پدید آمده است. به عبارتی خشکی منطقه در برخی از سال‌ها سبب انتقال ماسه از بخش‌هایی از منطقه و تجمع آن در قسمت‌های گود منطقه شده و این فرآیند سبب ایجاد این پدیده در منطقه شده است. در احداث سازه‌ها در منطقه لازم است که به وجود لنزهای ماسه‌ای در منطقه توجه ویژه‌ای گردد. تشخیص عمق لایه با نفوذپذیری کم (لایه محدود کننده) در مطالعات زهکشی یک نیاز اساسی است که هم در محاسبات ضرائب هدایت هیدرولیکی و هم در تعیین فواصل زهکش‌ها از آن استفاده می‌شود. در تعیین این لایه لازم است که به وجود شواهدی از جمله تغییر بافت خاک، شرایط احیایی، ماتل و مقاومت در مقابل حفاری و غیره توجه گردد. با توجه به شرایط منطقه و وجود مواد مادری آهکی، نوسانات سطح آب زیرزمینی همراه با بافت سنگین لایه غیر قابل نفوذ، سبب گشته که این لایه برای آب، هوا و ریشه گیاهان در این خاکها که از جمله خاک‌های آهکی هستند تشکیل شود. از طرف دیگر، در خصوص عمق لایه با نفوذپذیری کم، بررسی‌های صورت گرفته در منطقه نشان می‌دهد که بافت لایه محدود کننده عمدتاً سنگین تا خیلی سنگین بوده و به‌دلیل نفوذپذیری کم این لایه نسبت به لایه‌های بالای آن و ایجاد آب‌ماندگی، در این لایه شرایط احیایی مشاهده گردد. بسته به کیفیت آب زیرزمینی و سطح آن در طول سال در لایه‌های بالایی از سطح این لایه نیز ممکن است عوارض هیدرومورفی تشکیل شده باشد. همچنین در خصوص عمق لایه با نفوذپذیری کم، بررسی‌ها نشان می‌دهد که در 3/45 درصد چاهک‌ها این لایه در عمق 300- 250 سانتی‌متری، در 7/37 درصد چاهک‌ها در عمق بیش از 300 سانتی‌متری، در 3/11 درصد چاهک‌ها در عمق 250- 200 سانتی‌متری و در 7/5 درصد چاهک‌ها در عمق 200- 150 سانتی‌متری واقع شده است، لذا لایه محدود کننده در منطقه در عمق متوسط حدود 250 سانتیمتری واقع گردیده و جنس لایه محدود کننده از جنس مارن بوده که در آن ذرات رس و آهک با هم ترکیب شده و آهک با‌عث مسدود شدن خلل و فرج خاک گشته و این موضوع با‌عث کاهش نفوذپذیری خاک می‌گردد. نتایج آنالیز آماری نشان داد که هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی با روش پورشه دارای میانگین بالاتری از هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی با روش ارنست است، به‌طوری که این تفاوت در سطح 5 درصد معنی‌دار است.

 

 

 

 

REFERENCES

Aimrun, W., M.S.M. Amin and S.M. Eltaib. 2004. E-ffective porosity of paddy soils as an estimation of its saturated. hydraulic conductivity. Geoderma. 121: 197–203.

Alizadeh, A. 2005. New drainage. Planning and management of drainage systems. Astan Quds Razavi Printing and Publishing Institute. (In Farsi)

Anonymous. 2005. Instructions for determining the hydraulic conductivity of soil by different methods, Vice-Chancellor of Technical Affairs, Ministry of Energy, publications of the country's management and planning organization - Ministry of Energy. Publication No. 322. (In Farsi)

Baybordi, M. 2008. Principles of drainage engineering and soil improvement, University of Tehran Printing and Publishing Institute, Tehran, Iran. (In Farsi)

Clap, R.B. and G.M. Hornberger. 1978. Empirical equations for soil-hydraulic properties. Water Resources Resaarch.117: 311-314.

Dehghan, M., Kashkouli, H.A. and Jafari, S. 2010. Comparison of the coefficient of hydraulic conductivity obtained from the inverted well method with the method of pumping into the well in heavy soil, the third national conference on management of irrigation and drainage networks, Ahvaz, Shahid Chamran University, Ahvaz. (In Farsi)

Fuentes, J.P., Flury, M., Bezdicek, D.F. 2004. Hydraulic properties in a silt loam soil under natural prairie, conventional tillage and no-till. Soil Sci. Soc. Am. J. 68: 1679–1688.

Habibzadeh Azar, B., Babazadeh, H. and Zeinalzadeh, K. 2008. Comparison of two methods of golf and inverted well infiltration meter in measuring the hydraulic conductivity of soil saturation, the second national conference on management of irrigation and drainage networks, Shahid Chamran University of Ahvaz. (In Farsi)

Heidarpour, M. and Mohammadzadeh, J. 2006. Comparison of the hydraulic conductivity coefficient obtained from the reverse well method and the pumping method into the well. Proceedings of the Second National Conference on Management of Irrigation and Drainage Networks, Shahid Chamran University of Ahvaz. (In Farsi)

Lambert. k smedema, Villem F. Voltman, David W. Rycroft, 2005., Modern Design and Management of Agricultural Drainage Systems.

Mohammadnejad, B. and Beigi, A. 2015. Evaluation of field measurement methods in determining soil saturated hydraulic conductivity, Second National Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Qom, Qom University of Technology. (In Farsi)

Nemes, A., W.J. Rawls and Y.A. Pachepsky. 2005. Influence of Organic Matter on the Estimation of Saturated Hydraulic Conductivity. Soil Science Society of American Journal. 69:1330-1337.

Nosrati Karizak, F., Movahedi Naeini, A., Hezar Jeribi, A., Roshani, Gh. and Dehghani, A. 2012. The use of artificial neural network to estimate saturated hydraulic conductivity from the characteristics of soil precipitation. Journal of soil management and sustainable production, 2 (1): 95-110. (In Farsi)

Parasurman, K., Elshorbagy, A. and Si, B. 2006. Estimating saturated hydraulic conductivity in spatially variable fields using neural network in Ensembles. SSSA. J. 70: 1851-1859.

Shayan, F. 2013. Investigating temporal changes of unsaturated hydraulic conductivity in wheat cultivated lands using a disk penetrometer device (case study of lands of Shahid Chamran University of Ahvaz), master's thesis, Shahid Chamran University, Ahvaz. (In Farsi)

Sheinidashtgol, A. 2012. Soil layering studies and determination of hydrodynamic coefficients and soil permeability related to the irrigation and drainage network of lands east of the Karun River, Arvand Water and Energy Company, Khuzestan Water and Electricity Organization, final report of the study project. (In Farsi)

Soroush, A., Mostafa Zadeh, B. and Eslamian, S. 2003. Design and construction of water level stabilization device. 8th National Seminar on Irrigation and Evaporation Reduction, Shahid Bahonar University, Kerman, Iran. (In Farsi)

Yao, R. J., Yang, J. S., Wu, D. H., Li, F. R., Gao, P., and Wang, X. P. 2015 Evaluation of pedotransfer functions for estimating saturated hydraulic conductivity in coastal saltaffected mud farmland. Journal of Soils and Sediments, 1-15.

                             

 

Investigation and Simulation of Hydrodynamic Coefficients of Soil in the Area of The Right Bank of The Jarahi River

 

Fahimeh Sayadi Shahraki1, Ali Sheini Dashtgol2 and Atefeh Sayadi Shahraki*3

 

1 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Shahr-e-Qods Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

2 Researcher of Khuzestan Sugarcane Research and Training Institute, Khuzestan, Iran

3 Researcher, Soil and Water Research Department, Chaharmahal and Bakhtiari Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Shahrekord, Iran

* Corresponding Author’s Email: [e-mail]

(Received: October. 29, 2024 – Accepted: March. 18, 2025)

 

ABSTRACT

Hydraulic conductivity is one of the most important soil hydrodynamic characteristics that in between the drains interspace calculating and groundwater flow assessment used and in the drainage studies, is important. Severa methods are for field measurements hydraulic conductivity of soil saturated that the Based on horizontal velocity of water in the soil. The aim of the hydraulic conductivity above the water table wells with reverse and well below the water table with Ernst, the right bank irrigation and land drainage Ramshir, this study was conducted. Studies also show that the hydraulic conductivity in the study area within the factor 0.53-2.52 m/day varies. Much difference in the two approaches to ernst & Porsche measurements taken there. Hydraulic conductivity in terms of the size of these two methods are comparable. Based on the results of tests to determine the hydraulic conductivity above the water table and the water table methods Reverse the wells and wells Ernst, 83% of measurements average of %17 of the class Per class they were actually fairly quick. On the other hand, the depth of the layer with low permeability, studies show that %45.3 of the wells in the deep layer of 250-300 cm, in 37.7 % of the wells at depths greater than 300 cm , in 11.3% wells at a depth of 200-250 cm and a 5.7 % of the wells at a depth of 150-200 cm is located, thus limiting layer at an average depth of about 250 cm and located in the area of gender restrictive layer is made ​​of marl in the clay and limestone and lime combine to make soil pores become blocked and this will decrease the permeability of the soil . According to the statistical analysis of two kinds of hydraulic conductivity measured in this study, we can say that the hydraulic conductivity above the water table higher average hydraulic conductivity with Porsche under the table with sink is Ernest, so that the difference is statistically significant at the 5% Level. The results showed that the Artificial Neural Network model for Ernest method has a highest accuracy in prediction of hydraulic conductivity. So that the average RMSE for Ernest and Porsche method between measured and predicted with Artificial Neural Network models obtained 0. 98, 0.098 and 1.15 respectively

 

Keywords: Hydraulic conductivity, Porsche, Ernest, Artificial Neural Network.