موضوعات مورد بحث مقدمه مكانيزمهاي انتقال املاح در خاك معادله همرفت-انتشار حل تحليلي معادله همرفت- انتشار منحني رخنه توازن نمك وشوري

اهميت مطالعه 1- آلودگي آبهاي زيرزميني وانتخاب محل مناسب براي دفن زباله 2- مسأله شوري واراضي شور در دنيا وايران

مقدمه 1- همانطوريكه مي دانيد درحركت وانتقال آب در خاك همواره از آب خالص صحبت شده است درصورتيكه اينگونه نيست و آبي كه به صورت باران به زمين مي بارد باعث انحلال املاح سطح خاك مي گردد وسپس در خاك نفوذ مي كند. 2- سرنوشت املاح : الف- بخشي جذب خاك مي شود. ب- بخشي جذب گياه مي گردد. ج- بخشي نيز در خاك ته نشين مي گردد. 3- عوامل مؤثر بر سرنوشت املاح در خاك ، درجه حرارت، پتانسيل اكسيداسيون واحياء، تركيب وغلظت املاح pH

اهميت موضوع انتقال مواد و سابقه طولاني در رشته هاي مختلف شباهت با مبحث انتقال حرارت در جامدات انتقال آب و املاح در كشاورزي انتقال عناصر غذايي حاصلخيزي خاك مديريت كودي غلظت محلول انباشتگي در خاك

Density of Contaminant

- خاک دريافت کننده نهايی بسياری از ترکيبات زاِئد حاصل از فعاليت بشر است. - رديابی يک ترکيب در خاک مشکل, وقت گير و پرهزينه است. - داده های زياد از مطالعات مختلف حرکت املاح در مقياس های متفاوت ستون خاک, لايسيمتر و مزرعه موجود است. مدل سازی و استفاده از مدل های مختلف برای رديابی ترکيبات در خاک - مفهوم مدل سازی - به وجود آمدن مدل های رياضی فيزيکی و آماری مختلف از اوايل دهه شصت ميلادی - اغلب اين مدل ها در ابتدا بسيار ساده بودند. مثل مدل برنز (1974)

Retardation Slows the rate of transport

Surfaces of solids can possess an electrical charge Particularly true of clays, tend to possess excess negative charge Cations more likely than anions to be adsorbed Divalent ions more strongly adsorbed than monovalent ions HCO3- SO4 2- NO3- Size of ion matters if too large not adsorbed

DNAPL (Denser)

- رابطه آب و خاك و زهكشي(سرعت حركت آب در خاك معادلات حاكم و تاثير شرايط هيدروليكي) - شوري خاك(انتقال سديم و كلر) - خاك هاي سديمي(جذب سطحي سديم و كلسيم) - آلودگي خاك و آبهاي زيرزميني - انتقال آفتكشها و سموم آلي و تغييرات آنها در خاك - عناصر سمي مثل كادميوم و روي - آنيونها مثل نيترات - عناصر راديواكتيو

Transport With Water If Denser than Water

Leaking Gas Tanks

Free Concentration in Soil Solution Complexation Precipitation & Desolution Ion Exchange Free Concentration in Soil Solution Redox Reaction Acid - Base Reaction Mass Transfer (Mattigod et al 1981)

مكانيزمهاي انتقال املاح در خاك انتقال به صورت همرفت انتقال به صورت پخشيدگي انتقال به صورت انتشار

انتقال همرفت جريان آرام وروان املاح محلول در خاك مي باشد. در اين انتقال آب واملاح با يك سرعت متوسط يكسان حركت مي كنند كه C غلظت املاح برحسب جرم در واحد حجم محلول است.

انتقال به صورت پخشيدگي پروسه خودبخودي در نتيجه حركت تصادفي، برخورد وانحراف مولكولهاي حل شده است. در واقع انتقال از يك منطقه با غلظت بالا به يك منطقه با غلظت پايين اتفاق مي افتد. با توجه به اينكه ذرات جامد وهوا در مقابل انتقال املاح يك سدي را ايجاد مي كنند، پخشيدگي تابعي از راههاي قابل دسترس براي حركت است كه توسط اعوجاج تخمين زده مي شود. به همين دليل از ضريب Ds استفاده مي شود.

محاسبهDs براي محاسبهDs دو فرمول ارائه شده است: 1- كه n تخلخل وT() اعوجاج و  رطوبت است. 2- كهa,b ضرايب تجربي كه معمولا”b=10 وa از005/0 تا001/0 براي بافتSandy loam تاclay متغير است.

بنابراين براي جريانهاي غير يكنواخت در حالت اشباع معادله فيك به صورت زير درخواهد آمد: قانون دوم فيك براي جريانهاي غير يكنواخت:

انتقال به صورت انتشار تفاوت در سرعتهاي جريان در مقياس منافذ به واسطه تفاوت اندازه وشكل منافذ باعث انتقال املاح در سرعتهاي متفاوت شده ومنجر به مخلوط شدن يا انتشار املاح وارده در املاح قبلي مي گردد: كه Dh ضريب انتشار هيدروديناميك است كه خود وابسته به سرعت جريان ‌آب در منافذ داخلي وانتشار پذيري خاك است كه انتشارپذيري خود تابعي از اندازه وشكل منافذ است.

معادله همرفت- انتشار كل جريان املاح محلول در خاك نتيجه انتقال املاح توسط سه مكانيزم توضيح داده شده مي باشد كه توسط معادله همرفت- انتشار توضيح داده مي شود: كهJs كل املاح انتقال داده شده در يك سطح مقطع خاك در واحد زمان است De=Do+Dh

De در بيشتر جريانها ناشي از پروسه انتشار است و پروسه انتشار غالب است. براي جريانهاي غير يكنواخت از معادله پيوستگي استفاده مي شود كهc مقدار املاح محلول است. مقدار املاح محلول مي تواند در اثر جذب سطحي تغيير يابد: كهb وزن مخصوص ظاهري وS غلظت املاح جذب شده مي باشد.

حل تحليلي معادله انتشار- همرفت در اين بخش حل تحليلي براي دو حالت زير در نظر گرفته مي شود: در شرايطي كه يك پالس كوچك از املاح در ورودي ستون استفاده مي شود درشرايطي كه يك تغيير ناگهاني درغلظت در ورودي ستون رخ مي دهد

در شرايطي كه يك پالس كوچك استفاده مي شود در اين حالت يك پالس كوچكي از نمك با غلظتC0 در ورودي ستوني با غلظت اوليه صفر جمع مي شود. سپس در زمانهاي متوالي غلظت خروجي درX=L اندازه گيري مي شود. شرايط مرزي نيز به صورت زير تعريف مي شود

در شرايطي كه يك تغيير ناگهاني درغلظت ورودي اتفاق بيفتد در اين شرايط يك ستون با غلظت اوليهCi تحت شرايط ماندگار در زمانt=0 توسط يك محلول با غلظت ثابتC0 جايگزين مي گردد. يكي از راه حلهاي ارائه شده به صورت زير مي باشد: كهerfc تابع متمم خطا مي باشد. متمم تابع خطا يك تابع رياضي است كه با توزيع نرمال ارتباط دارد.

منحني رخنه اگر مقدار املاح محلول خروجي از ستون را به عنوان تابعي از زمان يا مسافت ويا شدت جريان تجمعي رسم كنيم منحني رخنه يا منحني عطف به دست مي آيد

شوري وتوازن نمك توازن نمك مكمل توازن آب در يك منطقه مي باشد ودقيقا” از آن پيروي مي كند: Ci+I+P=D+Cs+w كه P ميزان بارندگي وI ميزان ميزان آب آبياري،D ميزان زهكشي و w تغييرات رطوبت خاك در طول دوره ‌آزمايش

نظريه توازن شوري و وسايل كنترل شوري جزء آبشويي محاسبه ميزان آب آبياري براي زهكشي

جمع بندي عمده حركت املاح در خاك به صورت پخشيدگي است كل جريان املاح مي تواند به وسيله معادله انتشار- همرفت توضيح داده شود. آبشويي يكي از راههاي مؤثر مقابله با شوري است.

مانند جريان روان ـ پخشيدگي (CDE) - اطلاعات مهمي درباره وضعيت تخلخل، سرعت پخشيدگي، ميزان همگني، شرايط هيدروليكي و… - پرهزينه وقت گيرومشكل بودن عملي دنبال كردن يك تركيب در محيط خاك معادله و يا مدل مانند جريان روان ـ پخشيدگي (CDE)

جريان روان املاح پخشيدگي پراكنش ميزان جذب تركيب با معادله پيوستگي جريان

جريان روان املاح انتقال املاح همراه محلول خاك (سرعت جريان و حلاليت املاح) :Jm مقدار املاح انتقال يافته :q شدت جريان :C غلظت املاح در محلول

پخشيدگي املاح - اختلاف پتانسيل عامل پخشيدگي - در سيال در حال حركت يا سكون انجام ميشود قانون فيك: :Dm ضريب پخشيدگی مولکولی در خاک :X فاصله θ : رطوبت خاک

پراكنش املاح - اختلاف سرعت محلي محلول در نقاط مختلف - سرعت بيشتر محلول در خلل و فرج بزرگ و در مركز لوله موئينه - نتيجه مشابه با فرايند پخشيدگي :Dh ضريب پراکنش

Hydrodynamic Dispersion DiffusionCoefficient Molecular Diffusion Log(Water Flux Density) (Campbel 1985)

تركيب معادلات جريان روان، پخشيدگي و پراكنش: دو فرايند پخشيدگي و پراكنش معادلات و نتيجه (همگن كردن محلول) يكسان دارند D= Dm + Dh تركيب معادلات جريان روان، پخشيدگي و پراكنش: فرايند انتقال يكنواخت املاح و عدم تابعيت Js با زمان ومكان

با فرض خطي بودن همدماي جذب سطحي: با وجود جريانهاي غير يكنواخت و در نظر گرفتن جذب سطحي كاتيونها بايد از معادله پيوستگي جريان استفاده كرد: با فرض خطي بودن همدماي جذب سطحي: S = Kd. C :ρ جرم مخصوص ظاهری خاک :S املاح جذب شده توسط خاک :Kd ضريب تجربی جذب

در نظر گرفتن ضرايب توليد و نابودي براي بعضي از تركيبات: (Van Genuchten and Wiernga 1986) در نظر گرفتن ضرايب توليد و نابودي براي بعضي از تركيبات: اين دو پارامتر همه عوامل ناشناخته را در نظر مي گيرند پيچيده تر شدن حل معادلات و مشكل برآورد آنها

فرايند مدلسازي F(x)= ? Y= axn اطلاعات فيزيكي فرايندطبيعي +-+** /*+-/ Log 9 6 11 14 7 3.2 ساده سازي با فرضيات سيستم طبيعي تفسير جواب رياضي با عبارات فيزيكي تعميم به حالتهاي پيچيده تر پيشگويي

طبقه بندي مدلهاي انتقال املاح مكانيكي (پارامترهاي شدتي) مدلهاي جبري تابعي (پارامترهاي ظرفيتي ) مكانيكي مدلهاي تصادفي غير مكانيكي (Adiscott and Wagnet 1985)

مدل های پيچيده امروزی (مدل CDE) و تهيه نسخه های نرم افزاری (HYDRUS) مدل ساده برنز (1974) برای توزيع مجدد آب و املاح بعد از آبياری يا بارندگی رطوبت F.C. حداقل رطوبت - جهت دار شدن مطالعات - پيشرفت الکترونيک - روش های جديد محاسبات مدل های پيچيده امروزی (مدل CDE) و تهيه نسخه های نرم افزاری (HYDRUS)

مدل رطوبت متحرک-غيرمتحرک (MIM) Soil particles Mobile water Immobile water Air phase - حالت خاصی از مدل CDE است. - رطوبت خاک به دو بخش متحرک و ساکن تقسيم می شود

شکل کلی معادله

مرز ورودي حل اين معادلات Z = 0 پروفيل خاك شرايط اوليه Z = L مرز خروجي

مدل تابع انتقال تابع ورودي Z= 0 جعبه خاك Z= L تابع خروجي

Pdf Log Time

مدل غير تعادلي دومحل - دوناحيه اي جذب تعادلي فرايند جذب جذب غيرتعادلي (سرعتي) رطوبت متحرك وضعيت رطوبت خاك رطوبت غير متحرك

نرم افزار HYDRUS-1D - استفاده از مدل های CDE و MIM برای پيش بينی حرکت املاح - استفاده از معادله ريچارد برای بيان حرکت آب در خاک :h پتانسيل آب در خاک :θمحتوای رطوبتی :t زمان :X فاصله :S ضريب نابودی :K هدايت هيدروليکی :α زاويه بين جهت جريان و محور عمودی - از سه مدل تحليلی مختلف برای بيان ويژگی های هيدروليکی غير اشباع خاک استفاده می کند. از جمله مدل ون گنوختن (1980)

:θr رطوبت باقيمانده : θe رطوبت اشباع :Se محتوای رطوبتی موثر خاک n, l و α ضرايب تجربی مربوط به خلل و فرج خاک - برای حل معادله ريچارد از روش حذف گوس و برای حل معادله جريان روان-پخشيدگی از روش اجزای محدود گالرکين استفاده می شود