پروپوزال رساله دکتری حجت قربانی واقعی (نمون‌‌سازی خصوصیات هیدرولیکی و توزیع رطو

 

کشور ایران در منطقه خشک و نیمه خشک واقع شده است و عمده نیاز آبی گیاهان از منابع آب زیر زمینی تامین می‌گردد. عدم مدیریت صحیح در مصرف منابع آب زیر زمینی موجب کاهش سطح آب زیر‌زمینی و افزایش تجمع نمک در سطح خاک و شور شدن بسیاری از خاک‌های کشور شده است. ایجاد رطوبت بهینه و جلوگیری از هدرروی آب به طریق نفوذ عمقی و همچنین کاهش تلفات آب ناشی از تبخیر از سطح خاک از جمله مسایلی است که دانشمندان را بر آن داشته است تا به ارائه روش‌های جدید و مقرون به صرفه در مدیریت صحیح آب آبیاری دست بزنند ((Jiusheng et al., 2004 : Siyal and Skaggs, 2009. تحقیقات متعددی در مورد این مساله انجام شده است ولی تحقیقی که تلفیق مدیریت آب و خاک در راستای تامین رطوبت بهینه خاک در حد آب قابل استفاده خاک و تامین آب در محدوده‌ی رشد ریشه‌ها و جلوگیری از اتلاف آب به صورت نفوذ عمقی از ناحیه رشد ریشه‌ها در آن لحاظ شده باشد، نادر است.

در سالیان اخیر رویکرد گسترده‌ای به سمت استفاده مجدد از سفال برای طراحی روش‌های بهینه در تامین رطوبت خاک ایجاد شده است. سابقه استفاده از سفال در تامین آب مورد نیاز گیاه به بیش از هزار سال بر می‌گردد و در حال حاضر نیز در بسیاری از کشور‌های واقع در کمربند خشک و نیمه خشک به صورت انفرادی و یا سیستماتیک از آن استفاده می‌شود.  امروزه هنوز هم در بخش‌هایی از ایران، پاکستان، هند، اردن و چند کشور آفریقای جنوبی این روش مشاهده می‌شود (Bainbridge, 2001). اما تاکنون روش قابل قبول که پاسخگوی منتقدان علمی و هم مورد اقبال کشاورزان و نیز از نظر اقتصادی قابل دفاع باشد، عرضه نشده است. وزن زیاد، اندازه‌ بزرگ، شرایط حمل و نقل و کارگذاری نسبتا وقت‌گیر و سخت آن در اراضی از دلایل عمده‌ی عدم تمایل کشاورزان و مسئولان در استفاده و ترویج این روش می‌باشد (Abu-Zreig et al., 2006).

این تحقیق بدنبال آن است تا با طراحی و ساخت قطعات سفالی کوچک با قابلیت‌ تراوایی متفاوت امکان احیای مجدد سیستم آبیاری سفالی را در راستای تامین رطوبت بهینه خاک در حد ظرفیت زراعی فراهم آورد. عوامل زیادی در میزان تراوایی قطعات نقش دارند. نوع رس، ضخامت دیواره قطعات، درصد رس، درصد شن، درجه حرارت پخت، میزان آهک و زمان پخت در قطر خلل و فرج محیط متخلخل قطعات سفالی موثر است. لذا این عوامل بر میزان تراوش قطعات سفالی نیز موثر خواهند بود)  Bainbridge, 2001: Abu-Zreig and Atoum, 2004: Abu-Zreig et al., 2006: Al-Amireh, 2006: Freyburg and Schwarz, 2007(علاوه‌ بر این فشار هیدروستاتیکی و تبخیر و تعرق نیز میزان تراوش قطعات سفالی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. این تحقیق برای کاربردی کردن آبیاری سفالی در مزارع و درختان بوته‌ای و جلوگیری از مصرف زیاد آب در هر بار آبیاری قصد دارد تا با تغییر عوامل موثر بر آبدهی قطعات سفالی به قطعاتی با دبی‌های متفاوت دست یابد.  منطقه توسعه ریشه گیاهان متفاوت است لذا باید الگوی توزیع رطوبت قطعات سفالی از پیش مشخص و متناسب با الگوی توسعه ریشه گیاهان باشد. لذا بررسی توزیع رطوبت از قطعات در آبدهی‌های متفاوت یکی دیگر از اهداف مورد نظر در این تحقیق می‌باشد. در نهایت برای نشان دادن اهمیت موضوع کارایی آب قابل استفاده گیاه خیار نسبت به روش‌ آبیاری قطره‌ای سطحی (روش رایج) در گلخانه‌ مورد بررسی و مقایسه قرار می‌گیرد. 

  الف) تغییر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک‌‌های رسی در دما‌های زیاد

با افزایش دما از میزان آب موجود در منافذ خاک و نیز آب ساختاری کانی‌های رسی کاسته می شود (Newman, 1987 : Jordan et al., 2008). مطالعات مونتریو و وییرا (Monteiro and Vieira, 2004) در چهار نوع رس کائولینیتی، کائولینیتی- ایلایتی، اسمکتایت و رس ژلنایت کربناتی در دما‌های مختلف نشان می‌دهد که بیشترین مقدار کاهش رطوبت در رس کائولینیت است. درصد آبزدایی در کانی‌های  رسی هالوسیت وکائولینیت در دما‌های بیش از 500 درجه سانتی‌گراد به شدت افزایش ‌می‌یابد. در حالی‌که در کانی‌های رسی 2:1 مانند ایلیت و مونت‌موریولونیت، روند آبزدایی به صورت پیوسته و صعودی با افزایش دما افزایش نشان می‌دهد.

مطالعات محققان نشان داده است که افزایش دما به دلیل تغییر ساختار کانی‌های رس باعث تغییر قطر خلل و فرج خاک می‌شود ( خدابخش، 1382 :Hajjajiet al., 2001; Monteiro and Vieira, 2004). هم چنین مطالعات آنها نشان می‌دهد که تغییر محتوای فاز کانی‌ها، ویژگی‌های تکنیکی و ساختار واحد سلولی کانی‌های رسی در طول پختن به طور ویژه متأثر از ترکیب مواد خام، زمان و دمای پخت قرار دارد. در رس‌های کائولینیتی، با افزایش دمای پخت، متوسط توزیع اندازه قطر منافذ، از 03/0 میکرومتر در دمای 800 درجه سانتیگراد به 8/0 میکرومتر در دمای پخت 1200 درجه سانتی‌گراد گسترش می‌یابد (Monteiro and Vieira, 2004).

در تحقیقی به بررسی تاثیر حرارت بر روی خصوصیات فیزیکی خاک رس کائولینیت تحت دماهای مختلفی از 100 تا 800 درجه سانتیگراد از قبیل حدود روانی و خمیری، توده ویژه، مقاومت تک محوری مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد حدود روانی، خمیری و توده ویژه آن با افزایش دما، کاهش می‌یابد و مقاومت تک محوری آن افزایش می‌یابد. این نوع رس تحت اثر حرارت زیاد (بیش از 500 درجه) خواص چسبندگی خود را به کلی از دست می دهد (عربانی و همکاران، 1385).

شایان ذکر است وجود ترکیبات ثانویه در خاک های رسی مثل کربنات‌ها گچ، آهن، اکسید تیتانیون موجب تغییر قطر منافذ در سفال می‌گردد(ویسه، 1373). بررسی مطالعات تخلخل در آجرها در دمای پخت بین 700 تا 1100 درجه نشان داده است که حضور یا غیاب کربنات‌ها به شدت روی گسترش تخلخل و درجه استحکام تأثیر دارد. پخت آجرهای محتوی رس‌های خام کربناتی در دمای 800- 1000 درجه سانتیگراد، موجب افزایش اندازه منافذ کوچکتر از 1 میلی‌متر می‌شود (Bouzza et al., 2007: Zentar et al., 2009). زیرا کربنات‌ها در دمای بالا تخریب شده و گاز دی‌اکسید کربن از خود آزاد می‌سازند. ماده بجامانده از تخریب کلسیت، آهک زنده نامیده می‌شود که در جوار آب به سرعت واکنش داده و آهک مرده بجا می‌گذارد دولومیت‌ها نیز رفتاری شبیه کلسیک‌ها از خود بجای می‌گذارند. (ویسه، 1373:Cultrone et al., 2004).

 برای کاهش میزان تخلخل سازها و افزایش استحکام آنها توصیه می‌گردد در صورت امکان از خاک‌های کمتر از 5 درصد آهک استفاده شود و یا به ترکیب رس خام (Raw clay) ضایعات و خاکه‌‌های پخته‌شده و بجا‌مانده از پخت قبلی اضافه گردد. حسن اضافه کردن ضایعات پخته‌شده در آن است که با آتش خوری مجدد، مینرالوژی این مواد تغییر نیافته و تغییر حجم مشاهده نمی‌شود (Schmitz et al., 2004: Freyburg and Schwarz, 2007; Pontikes et al., 2009).

 

 

ب) سوابق تحقیق در طراحی و ساخت قطعات سفالی و ضرورت آن

میزان آبدهی نازل‌ها باید متناسب با نرخ برداشت آب توسط تبخیر و تعرق صورت گیرد تا از هدر رفت آب به لایه‌های زیرین جلوگیری شود ((Neelam and Rajput, 2008.  مطالعات محققان نشان داده است که مساحت، قطر، عمق خیسیدگی و زمان آبیاری از اهمیت ویژه‌ای در آبیاری از منبع تغذیه نقطه‌ای برخوردار است (میرزایی، 1386: Qiaosheng et al., 2007 : Siyal and Skage, 2009).

تلاش‌های صورت گرفته برای شناسایی و معرفی فاکتور‌های موثر بر خروج آب از قطعات سفالی در سطح بین‌المللی محدود است (Stein, 1997: Abu-Zreig and Atoum, 2004: Abu-Zreig et al., 2006). آبدهی قطعات سفالی تحت تاثیر هدایت هیدرولیکی، ضخامت دیواره، مساحت سطح ، نوع خاک، نوع گیاهان زراعی و نرخ تبخیر و تعرق قرار دارد. مهمترین فاکتور تاثیر‌گذار در نرخ خروج آب از قطعات سفالی، هدایت هیدرولیکی اشباع است (Abu-Zreig and Atoum, 2004: Abu-Zreig et al., 2006). استین (1997) دریافت که مساحت سطح و نوع مواد و فرآیند تولید پیتچر‌ها موجب تغییرات متنوع در مقدار هدایت هیدرولیکی می‌گردند (Stein, 1997).نتایج آزمایشات ابوزریگ و اتوم (Abu-Zreig and Atoum, 2004) نشان می‌دهد که با افزایش دمای آب بر میزان هدایت هیدرولیکی قطعات افزوده می‌شود.

مطالعات باستانی در ایران تنها مدرک مستند در آبیاری زیر‌زمینی توسط لوله‌های سفالی است (باستانی، 1382). باستانی با جمع آوری خاک‌های مختلف آجرپزی در نقاط مختلف ایران و پخت آنها در 16 دمای متفاوت، میزان آبگذری، تخلخل و مقاومت مکانیکی لوله‌های سفالی را اندازه‌گیری نموده است و با آزمایشاتش نشان داده است که می‌توان فرمول یا رابطه‌ای برای میزان و چگونگی ترکیب مواد جهت نیل به لوله‌های سفالی با آبدهی‌‌های مشخص ارایه نمود. اما مستندات علمی بیشتری در مجلات از کار‌های ایشان به چاپ نرسیده است.  

 

     ج) سوابق تحقیق در خصوص کاربرد قطعات سفالی در کشاورزی و منابع طبیعی

مطالعات بسیاری در زمینه آبیاری زیر سطحی گیاهان با انواع لوله‌ها و قطره‌چکان‌های پلاستیکی صورت گرفته است. آبیاری گیاه گوا (Guava)به روش زیر سطحی موجب صرفه‌جویی 18 درصدی در مصرف آب آبیاری نسبت به روش سطحی شده است ( Chauhan, 2006). در محصول باقلا با کارگذاری سیستم زیر سطحی آبیاری در عمق 70 سانتی‌متری از سطح زمین افزایش عملکرد مشاهده شده است (Hutmacher et al., 1996). این افزایش عملکرد برای محصول پنبه نیز توسط کمپ و همکارانشان بیان شده است (Camp et al., 1997). اما مطالعات در خصوص استفاده از لوله‌های سفالی در سیستم آبیاری زیر سطحی محدود است و توجه خاصی از سال 2000 به بعد به این روش نشان داده شده است. تنظیم خودکار آب مورد نیاز گیاهان توسط قطعات سفالی نسبت به آبیاری قطره‌ای کارایی آن را قابل توجه ساخته است ( .(Abu-Zreig et al., 2006 قطعات سفالی همانند قطره چکان‌ها حساس به گرفتگی نیستند. البته آنها هم بعد از سه الی 4 فصل زراعی ممکن است مسدود گردند که توسط گرما دهی مجدد قابل احیا می‌باشند (باستانی، 1382 : Bainbridge, 2001).

سیستمآبیاری سفالی در اراضی خشک مناطق هند، پاکستان و آمریکای لاتین هنوز به طور محدود دیده می‌شود. در این اراضی دامنه وسیعی از مرکبات و درختان آجیلی کشت شده‌اند. در ایران اگر چه سابقه‌ی استفاده از سفال به بیش از هزار سال بر می‌گردد اما در چند سال اخیر اقدام موثر و قابل ذکری که فراتر از استفاده از قطعات سفالی به صورت خودجوش و انفرادی آنهم برای کاشت محصولات خاصی نظیر هندوانه در برخی از نواحی صورت نگرفته است. در دو دهه اخیر دو حرکت به موازات هم در وزارت جهاد سازندگی و وزارت کشاورزی سابق صورت پذیرفته بود و در مقاطعی هم به شدت مورد توجه رسانه‌ای قرار گرفت ولی با عدم اقبال مواجه شد و به سردی و افول گرایید. اما همچنان از طرف ابداع کنندگان آبیاری برخی کشت‌ها بدین روش ادامه دارد.

کارایی مصرف آب در این سیستم به عوامل زیادی چون نوع خاک، نوع گیاهان زراعی مدیریت کنترل علف‌های هرز و اقلیم بستگی دارد. نتایج تحقیقات در عملکرد اراضی تحت کشت هندوانه در هند موید آن است که عملکرد تولید در سیستم سفالی 25 تن بر هکتار است در حالی که در مقایسه با آبیاری غرقابی میزان تولید به مقدار 8 تن بر هکتار کمتر است. در این مقدار کاهش تولید به میزان 2400 متر مکعب آب صرفه‌جویی شده است   در تحقیق دیگری بر روی گیاه ذرت نشان داده شده است که میزان آب مصرفی به روش سفالی 1/0 مقدار آب به روش رایج در مزارع ذرت کالیفرنیا است. در عملکرد گیاه خیار با این روش 54 مترمکعب آب صرفه جویی شده است (Bainbridge, 2001).

آزمایشات و تجربیات بدست آمده از هند و کنیا نشان می‌دهد که قطعات سفالی نسبت به سایر روش‌‌های متداول آبیاری از کارایی بهتری در خاک‌های شور برخوردار هستند. زیرا نمک را از اطراف ناحیه‌ی ریشه گیاهان می‌زداید. شایان ذکر است آندسته از قطعاتی که در دمای پایین پخت شده‌اند برای این دسته از‌خاک‌ها مناسب نیستند زیرا واکنش‌های شیمیایی بین آنها رخ می‌دهد(Alemi, 1980).

قدرت جوانه‌زنی بذور در روش سفالی نسبت به سایر روش‌ها 70 تا 100 درصد گزارش شده است و در حالی که سایر روش‌ها این قدرت جوانه‌زنی را ندارند یا مصرف آب آنها بسیار زیاد است (Bainbridge, 2001).

د) سوابق تحقیق در خصوص شبیه‌سازی الگوی توزیع رطوبت

شکل الگوی رطوبتی از پارامتر‌های مهم و تاثیر‌گذار در انتخاب انواع قطره‌چکان‌هاست و در حجم آب مصرفی موثر است. ابعاد پیاز رطوبتی (الگوی خیش شده نیمرخ خاک) تحت تاثیر خصوصیات هیدرولیکی خاک، دبی خروجی نم‌‌ور و زمان آبیاری می‌باشد. معادله حاکم بر حرکت آب در خاک در حالت غیر اشباع معادله ریچاردز می‌باشد. در سال‌های 1970 تا 1989 محققین بسیاری به تحلیل مساله نفوذ در آبیاری قطره‌ای و تعیین شکل الگوی رطوبتی و فاصله قطره‌ چکانها پرداخته‌اند.  راه‌ حل‌های تحلیلی و عددی متعددی را با در نظر گرفتن ساده‌سازی‌ها و فرضیات متفاوت ارائه نمودند. تحقیقات زیادی نیز در زمینه حل عددی و تحلیلی معادله ریچاردز انجام شده است و مدل‌های عددی متفاوتی مانند CSMP،HYDRUS-2D &3D، و SWMS-2D کارایی بالایی در پیش‌بینی شکل الگوی رطوبتی و پروفیل خیس‌شده خاک از خود نشان داده‌اند. به یقین دقیق‌ترین و بهترین روش برای تعیین ابعاد پیاز رطوبتی حل معادله ریچاردز تحت شرایط اولیه و مرزی است اما به علت عدم دسترسی آسان به خصوصیات هیدرولیکی خاک‌ها و نیز فقدان نرم‌افزار‌های شبیه‌سازی در داخل کشور، متاسفانه طراحان سیستم‌های آبیاری تمایل چندانی به استفاده از روش‌های ذکر شده ندارند (پلنگی و آخوند علی، 1387).

 

 

 

شوارتزمن و زور (1986) اولین کسانی‌بودند که توانستند رابطه نیمه‌تجربی بین عمق خیسیدگی، قطر خیسیدگی، هدایت هیدرولیکی اشباع و دبی‌ قطره چکان‌ها برای تعیین ابعاد پیاز رطوبتی به ازای منبع تغذیه نقطه‌ای و خطی به کمک آنالز ابعادی بدست آورند.  میرزایی و همکاران (1386) با دخالت عوامل فیزیکی موثر بر حجم خاک مرطوب‌شده در منبع تغذیه نقطه‌ای و خطی و با استفاده از قضیه  باکینگهام و انالیز ابعادی روابطی را برای قطره چکانها ارائه نمودند. معادلات آنها شبیه معادلات شوارتزمن و زور است با این تفاوت که روابط آنها تابعی از زمان هستند و در هر زمان امکان محاسبه قطر و عمق خیسیدگی را ممکن می‌سازد. کاملترین رابطه که در آن به ازای قطر خیسیدگی امکان محاسبه عمق خیسیدگی و بلعکس را فراهم می‌آورد در سال 2007 توسط کیاوشنگ و همکاران با استفاده از آنالیز ابعادی برای قطره چکانها ارایه شده است (Qiaosheng et al., 2007).

 

که در آن W پهنای خیسیدگی ، k هدایت هیدرولیکی و qD حاصلضرب دبی و عمق خیسیدگی می‌باشد.

تاکنون مطالعات جامع و قابل استنادی در خصوص تامین رطوبت بهینه خاک در منطقه ریشه‌ها و در مقیاس ماکروسکوپی و در سطح مزرعه با قطعات کوچک مقیاس سفالی صورت نگرفته است. این تحقیق بدنبال  آن است تا شبیه‌سازی الگوی توزیع رطوبت را به سه روش آنالیز ابعادی، رگرسیون غیر خطی و سیستم فازی تجربه نماید.

مواد اولیه برای ساخت قطعات سفالی از روستای نصرآباد شهر گرگان با بافت یکسان لوم رسی انتخاب می‌شود. شایان ذکر است، آنالیز خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مانند تعیین بافت خاک، جرم‌ویژه‌ی ظاهری، جرم ویژه‌ی حقیقی، درصد ماده آلی، درصد آهک، میزان آهن، آلومی‌نیوم و سیلیس بر روی مواد اولیه صورت می‌گیرد.

 برای ساخت قطعات سفالی با خصوصیات هیدرولیکی متفاوت به میزان 0، 200، 400، 600، و 800 گرم بر هریک کیلوگرم خاک اولیه شن نرم (ذرات کوچکتر از 1/0 میلی‌متر و بزرگتراز 05/0 میلی‌متر) اضافه می‌شود. سپس مواد آماده شده با میزان مناسب آب (در حدود 150 تا 250 میلی‌لیتر به ازای یک کیلوگرم خاک) مخلوط شده و عمل هم زدن آن به کمک خمیر‌گیر برای نیل به یک خمیر همگن صورت می‌گیرد. خمیر آماده شده به مدت 72 ساعت در یک محفظه سربسته و به دور از نور خورشید به حال خود رها می‌شود.پس از گذشت این مدت گل آماده بوده و از آن برای ساخت قطعات سفالی به طول 6  و با قطر‌‌های خارجی 5/2، 5/3، و 5/5 سانتی‌متری و قطر داخلی 5/1 سانتی‌متر به شکل استوانه‌ای استفاده می‌شود. هدف از انتخاب بعد طولی 6 سانتی‌متر با حجم داخلی کوچک آن است تا از حجم قطعات سفالی بزرگ مورد استفاده محققین پاکستانی، ژاپنی، هندی و ایرانی به طول حداقل 30 سانتی‌متر و قطر داخلی حداقل 10سانتی‌متر کاسته شود به شرطی که خصوصیات هیدرولیکی قطعات سفالی کوچک قابل رقابت با قطعات سفالی بزرگ باشد. برای نیل به این هدف ترکیب مواد اولیه قطعات سفالی مورد تغییر قرار می‌گیرد. گل‌ آماده به داخل دستگاه فیلتر پرس انتقال داده می‌شود و با استفاده از این دستگاه، قطعات سفالی مورد نظر ساخته می‌شود (شکل 1).

 

 الف- تعیین دما و زمان پخت مناسب قطعات سفالی

دما و زمان پخت بر روی تغییر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ذرات خاک تاثیر به سزایی دارد. رس‌های خاک بسته به نوع‌ خود در دو محدوده‌ی دمایی 600-700 درجه سانتی گراد و 900-1000 درجه سانتی‌گراد تغییر فاز ساختاری شدیدی نشان می‌دهند. برای تعیین انتخاب دقیق دمای پخت در محدوده‌های 600-700 و 900-1000 درجه سانتی‌گراد و زمان مناسب پخت، آزمایش‌های زیر انجام می‌شود:

1) تعیین نوع ذرات تشکیل دهنده‌ی خاک با XRD.

2) تعیین نوع عناصر تشکیل دهنده‌ی خاک با XRF.

3) آزمایش تعیین استحکام خمشی، فشاری و کششی قطعات سفالی.

/ 0 نظر / 30 بازدید