بررسی انتقال تعادلی و غیرتعادلی بروماید در خاک های جنگلی و مرتعی در مقیاس آزمایشگاهی

زمینه و هدف: لازمه مطالعه و مدیریت بهتر انتقال املاح در محیط های متخلخل، شناخت رفتار انتقال آن ها با استفاده از مدل های مناسب می باشد. در این تحقیق، مدل های انتقال توده ای پخش (cde) و روان راکد (mim) به ترتیب به عنوان مدل های فیزیکی تعادلی و غیرتعادلی برای شبیه سازی انتقال بروماید در ستون های خاک جنگلی با بافت لوم رسی و خاک مرتعی با بافت لوم شنی (به طول 10 و قطر 6 سانتی متر) در دو حالت اشباع و غیراشباع بکار گرفته شدند.روش پژوهش: ستون های تهیه شده از خاک هوا خشک شده به قطر 6 و ارتفاع 10 سانتی متر جهت آزمایش های رخنه برومید به کار گرفته شد. آزمایش رخنه بروماید در دو حالت نزدیک اشباع (تحت بار آبی 1 سانتی متر) و اشباع (تحت بار آبی 3 سانتی متر) انجام شد. اشباع نمودن ستون ها از قسمت پایین با محلول زمینه 0.01 مولار ca(no3)2 انجام شد. در حالت نزدیک اشباع، محلول ردیاب cabr2 با غلظت 0.01 مولار (co) برابر با یک حجم منفذی به صورت پالسی از طریق دیسک نفوذ وارد ستون های اشباع شده از محلول زمینه گردید. در حالت اشباع نیز از یک ظرف ماریوت برای برقراری بار ثابت آبی سه سانتی متری استفاده شد. با شروع ورود پالس به ستون های خاک، نمونه های محلول خروجی به حجم 0.1 حجم منفذی به همراه درج زمان جهت تعیین غلظت بروماید در ظروف پلاستیکی جمع آوری شد. پس از ورود کامل پالس ردیاب (cabr2) دوباره جریان اشباع ماندگار محلول زمینه (ca(no3)2) در ستون ها برقرار و غلظت بروماید با استفاده از یک دستگاه ph متر مجهز به الکترود انتخاب گر برومید اندازه گیری شد. غلظت های اندازه گیری شده تبدیل به غلظت نسبی (c/co) گردید و منحنی های رخنه از ترسیم c/co در مقابل زمان (t) و یا حجم منفذی به دست آمد.یافته ها: پارامترهای ضریب تبادل جرمی ( omega) و کسر جزء روان ( beta) به عنوان شاخص تشخیص انتقال تعادلی و غیرتعادلی، به ترتیب با داشتن مقادیر کوچک تر از 100 و کوچک تر از 1 در هر دو نوع خاک مورد مطالعه نشان دادند انتقال بروماید به صورت انتقال نامتعارف یا انتقال غیرفیکی و غیرتعادلی بوده و مدل روان راکد، نسبت به مدل انتقال توده ای پخش که بر اساس قانون انتشار فیکی و فرض انتقال تعادلی املاح بنا شده است کارآمدتر بوده و برای شبیه سازی بروماید در ستون های خاک لوم رسی و لوم شنی توصیه می گردد. برازش و مقایسه منحنی های رخنه و مقادیر شاخص های آماری ضریب تبیین (r2) و جذر میانگین مربعات خطا (rmse) نیز کارایی مدل غیرتعادلی mim را در شبیه سازی انتقال بروماید در خاک های جنگلی و مرتعی تائید کرد.نتایج: برازش بهتر منحنی های رخنه اندازه گیری شده و برآورد شده بروماید با مدل غیرتعادلی بخصوص در قسمت دم یا انتهایی منحنی های رخنه بیانگر دقت و کارایی بیشتر مدل غیرتعادلی می باشد. با توجه به اینکه نمونه ها به صورت دست خورده در ستون ها جایگزین گشتند لذا می توان گفت شرایط ناهمگنی در ستون های مورد آزمایش برقرار بوده است و بر اساس گزارش huang و همکاران (2005) و berkowitz و همکاران (2008) ناهمگنی، می تواند یکی از دلایل توجیه کننده کارایی بهتر مدل های غیرتعادلی در تحقیق حاضر باشد. کارایی بهتر مدل غیرتعادلی روان راکد نسبت به مدل تعادلی انتقال پخش در این تحقیق آزمایشگاهی محدود و کنترل شده نمی تواند قضاوت محکم و مطمئنی در ارزیابی این مدل ها باشد قضاوت دقیق تر، در گرو انجام تحقیقات و آزمایش ها در شرایط واقعی و مزرعه ای و با لحاظ کردن بیشتر پارامترهای موثر و دخیل اشاره شده خواهد بود.

evaluating equilibrium and non equilibrium bromide transport in forest and rangeland soils on a laboratory-scale

background and aim: to better management of solute transport in porous media, it is essential to recognize their transport behavior using appropriate models. in this research, convection dispersion equation (cde) and mobile immobile model (mim), as physical equilibrium and non equilibrium models, respectively, were used to simulate the bromide transport through saturated and unsaturated forest soil, with clay loam texture, and rangeland soil, with sandy loam texture, columns (diameter of 6 and height of 10 cm).method: to obtain the btcs, the pvc soil columns with a height of 10 and a diameter of 6 cm were prepared. the breakthrough experiment was carried out in near saturation and saturated condition under a water head of 1 and 3 cm, respectively. the soil columns were saturated from the bottom with a ca(no3)2 solution of 0.01 molar as the background solution. at near saturation, the cabr2 solution with a concentration of 0.01 m equal to a pore volume was injected into the saturated columns of the background solution through the infiltration disk. a mariotte bottle was used to establish a constant water head. after cabr2 injection started, the effluents with a volume of 0.1 pore volume were collected at different times, and their bromide concentrations were determined using a ph meter equipped with a bromide selector electrode. after the complete injection of cabr2, the steady state saturated flow of the background solution was re established. the experiment continued until the bromide concentration in the effluent were almost zero. the measured concentrations, by dividing by the initial concentration, were converted to relative concentrations (c/co). then the btcs was plotted as c/co versus time or the number of pore volumes.results: the values of mass transfer coefficient ( omega; lt;100) and mobile water fraction ( beta; lt;1) as an indicator for determining the equilibrium and non equilibrium indicated that bromide transport behavior within these columns was anomalous or non fickian transport. hence, the non equilibrium or the mobile immobile model (mim) is suitable and more efficient than the fickian based cde model. the fitted breakthrough curves (btcs) and the higher determination coefficient (r2) and the lower root mean square error (rmse) values of the mim model compared to those of the cde confirmed the effectiveness of the mim model in simulating bromide transport in the forest and rangeland soil columns.conclusion: better fit of measured and estimated breakthrough curves of bromide with non equilibrium model compared to cde equilibrium model, especially in the tail of breakthrough curves indicates more accuracy and the should be added efficiency of the non equilibrium model. given that the samples were replaced in the columns as disturbed, it can be said that heterogeneity conditions were established in the columns experiments. according to huang et al. (2005) and berkowitz et al. (2008), heterogeneity could be one of the reasons to justify the better performance of non equilibrium models in the present study. the high efficiency of the non equilibrium model compared to the equilibrium model in this controlled laboratory research cannot be a reliable judgment in evaluating these models. accurate judgment will depend on conducting research and experiments in real and field conditions, taking into account more effective parameters.