علوم آب و خاک

---

اندازه‌گیری مستقیم هدایت هیدرولیکی غیراشباع (K(h) یا K(θ)) بسیار دشوار و وقت‌گیر است و در بسیاری از مدل‌های کاربردی، اغلب پیش‌بینی هدایت هیدرولیکی براساس اندازه‌گیری‌های منحنی مشخصه رطوبتی خاک و هدایت هیدرولیکی اشباع (Ks) انجام می‌شود. با وجود این، استفاده از KS به عنوان یک مرجع در بسیاری از مدل‌های تخمینی ممکن است باعث بیش برآورد K(θ) در ناحیه خشکی شود. بنابراین در این پژوهش از هدایت هیدرولیکی نقطه عطف منحنی مشخصه رطوبتی (Ki) و Ks به عنوان مرجع برای برآورد K(h) استفاده گردید. برای اندازه‌گیری K(h)، 30 نمونه خاک براساس تنوع بافت (8 کلاس بافتی از شنی تا رسی) و سایر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی از دشت کرج جمع‌آوری شدند. علاوه بر اندازه‌گیری Ks، مقادیر K(θ) در نمونه‌های دست‌نخورده با استفاده از روش جریان خروجی چند مرحله‌ای در مکش‌های ماتریک 1/0، 2/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 1 بار و نقطه عطف منحنی مشخصه رطوبتی به کمک ستون آب آویزان و دستگاه صفحه فشاری اندازه‌گیری شد. سپس مقادیر K(h) و پخشیدگی هیدرولیکی D(θ) اندازه‌گیری شده با مقادیر تخمینی از مدل‌های وان‌گنوختن و بروکس و کوری (با فرضیات معلم و بردین) مقایسه شدند. نتایج نشان داد که در 80 درصد نمونه‌ها مدل وان‌گنوختن- معلم با Ki دقیق‌ترین و بهترین مدل برای پیش‌بینی K(θ) بود. یعنی استفاده از Ki به عنوان مرجع در مدل وان‌گنوختن– معلم، باعث برازش بهتر مدل با داده‌های اندازه‌گیری شده گردید. هم‌چنین در 7/6 درصد موارد (دو نمونه خاک رس شنی) مدل بروکس و کوری-‌معلم با Ki و در 3/13 درصد خاک‌ها (دو نمونه رس سیلتی و دو نمونه لوم رسی سیلتی)، مدل وان‌گنوختن– معلم دارای برازش خوبی بر داده‌های اندازه‌گیری شده K(h) بود. علاوه بر این، در 20 درصد موارد (چهار نمونه لوم رسی و دو نمونه لوم سیلتی) دقت و کارآیی مدل‌های وان‌گنوختن– معلم با Ki و وان‌گنوختن– معلم در برآورد K(h) تقریباً یکسان بود. براساس آزمون t-Student میانگین پارامترهای RMSE و GSDER در مدل وان‌گنوختن-‌معلم با Ki در سطح آماری 1%، به طور معنی-داری کمتر از مدل وان‌گنوختن-‌معلم بود. در 90 درصد از نمونه‌های خاک مورد بررسی، مدل‌های وان‌گنوختن- معلم و بروکس و کوری- بردین برازش خوبی بر داده‌های اندازه‌گیری شده D(θ) داشتند، ولی در مواردی مدل وان‌گنوختن- بردین با Ki بهترین مدل برای برآورد D(θ) بود.

---

هدایت هیدرولیکی یک پارامتر مهم مورد نیاز در طراحی سازه‌های ژئوتکنیکی همچون سدهای خاکی، کف سازی‌ها، دیوارهای حایل و سازه‌های زیست محیطی می‌باشد. در خاک‌های غیراشباع هدایت هیدرولیکی آب تابعی از درصد رطوبت و مکش آب خاک یعنی منحنی مشخصه رطوبتی خاک است. در این پژوهش مقادیر هدایت هیدرولیکی غیراشباع دو نوع خاک (سری رامجردی و هسته سد ملاصدرا) در 5 تراکم مختلف با روش گاردنر اندازه‌گیری شدند. سپس هدایت هیدرولیکی غیراشباع توسط مدل‌های مختلف با استفاده از منحنی مشخصه رطوبتی تخمین زده شد و با مقادیر اندازه‌گیری شده مقایسه شدند. نتایج نشان داد مدل فردلاند و زینگ تخمین نسبتاً بهتری از منحنی مشخصه رطوبتی خاک را نسبت به مدل ون گنوختن ارایه می‌دهد. برای خاک سری رامجردی و تا رطوبت حجمی حدود 25/0 به‌ترتیب مدل‌های ون گنوختن-معلم و فردلاند و همکاران تخمین خوبی از هدایت هیدرولیکی غیراشباع را ارایه دادند و برای خاک هسته سد ملاصدرا هیچ‌کدام از مدل‌ها تخمین مناسبی برای هدایت هیدرولیکی غیراشباع را ارایه نکردند.

---

هدف از این پژوهش، بررسی رفتار هیدرولیکی نفت خام در خاک بود. بدین منظور، منحنی‌های نگهداشت خاک برای نفت خام و آب به‌وسیله دستگاه ستون آویزان و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک برای این سیالات به‌ روش بار پایا تعیین شد. پارامترهای منحنی‌های نگهداشت ‌خاک برای آب و نفت ‌خام براساس مدل‌های ون‌گنوختن، بروکس-کوری و کمپبل برآورد شد. هدایت هیدرولیکی غیر اشباع به‌عنوان تابعی از پتانسیل ماتریک خاک به‌وسیله مدل‌های معلم- ون‌گنوختن، معلم‌- بروکس‌- کوری، بوردین‌- بروکس- کوری و کمپبل تعیین شد. آنگاه، دقت مدل‌ها به‌وسیله آماره‌های ME، RMSE، EF، CD و CRM بررسی شد. مقدار پارامترهای توزیع تخلخل و نقطه ورود هوا در سیستم دو فازی نفت ‌خام- هوا نسبت به آب-هوا کاهش یافت. نتایج نشان دادند که به‌دلیل رفتار غیرمعمول نفت خام و برهمکنش‌های بین نفت خام و خاک که سبب باقی‌ ماندن مقدار زیادی نفت خام در محیط متخلخل می‌شود، مکش بیشتری برای خارج کردن نفت خام از خاک نسبت به آب لازم است. بنابراین خاک مورد آزمایش در یک مقدار معین از فاز مایع، نگهداشت بیشتری برای نفت خام نسبت به آب دارد. به‌دلیل لزوجت زیاد نفت خام، هدایت هیدرولیکی اشباع نفت‌خام کمتر از آب بود. لیکن، در مکش‌های بیشتر از 100 سانتی‌متر، هدایت هیدرولیکی نفت خام بیشتر بود.