روش های اندازه گیری صحرایی هدایت هیدرولیکی

ارزیابی هدایت هیدرولیکی و روش های صحرایی تعیین آن 

هدایت هیدرولیکی خاک، ضریبی است که با نماد K نمایش داده می شود و یکی از ویژگی های مهم خاک است که نقش اساسی در حرکت و انتقال آب و املاح در خاک ایفا می کند. هدایت هیدرولیکی افقی از جمله مهم ترین پارامتر ها در مطالعات زهکشی است و برای مثال در محاسبه فاصله زهکش ها اهمیت ویژه ای دارد. میزان هدایت هیدرولیکی به عوامل مختلفی از جمله میزان نفوذ پذیری و درصد رطوبت خاک بستگی دارد. در ﭘﺮوژه های زهکشی، ﻣﻘﺪار ﻫﺪاﯾﺖ ﻫﯿﺪروﻟﯿﮑﯽ اﺷﺒﺎع ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار می ﮔﯿﺮد ﮐﻪ ﻣﻘﺪار آن تقریبا ﺛﺎﺑﺖ اﺳﺖ. ﺑﺎ اﯾﻦ ﻫﻤﻪ ﺑﻪ دﻟﯿﻞ ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﻓﯿﺰﯾﮑﯽ و ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ، ﺗﻐﯿﯿﺮات ﭘﯿﻮﺳﺘﻪ ای در ﺣﯿﻦ ﻋﺒﻮر آب از ﺧﺎک ﺻﻮرت ﻣﯽ گیرد.

روش های مختلفی برای اندازه گیری هدایت هیدرولیکی خاک ها به شکل عملیات صحرایی  وجود دارد که در مجموع می توان آنها را به دو دسته بالا و زیر سطح ایستابی تقسیم کرد:

۱- روش های زیر سطح ایستابی: روش هایی اطلاق می شود که سطح ایستابی در عمق یا لایه ای وجود دارد که اندازه گیری این ضریب مد نظر است.  برای تعیین هدایت هیدرولیکی خاک ها در زیر سطح ایستابی، روش های مختلفی وجود دارد که هر یک دارای مزایا و معایبی است:

روش های چاهک (Auger Hole Method)، پیزومتر(Piezometer Method) و دو چاهک (Two -Well Method) از جمله روش های تعیین هدایت هیدرولیکی زیر سطح ایستابی می باشند.

۲- روش های بالای سطح ایستابی: در حالتی که آب در ﻣﺤﻴﻂ اﻧﺪازه ﮔﻴﺮی ﻧﺒﺎﺷﺪ روش های ﭼﺎﻫﻚ ﻣﻌﻜﻮس یا پورشه (Inversed Auger Hole Method)، تزریق ﭼﺎﻫﻚ (Shallow Well Pump in Test Method) و روش ﻣﻮﺳﻮم ﺑﻪ ﻧﻔﻮذﺳﻨﺞ ﮔﻠﻒ (Guelph Permeameter Method) به کار برده می شود. علاوه بر هدایت هیدرولیکی افقی، هدایت هیدرولیکی قائم (عمودی) نیز حائز اهمیت است که روش های تیوب (Tube Method) و استوانه (Ring Method) از جمله روش های اندازه گیری آن می باشند.

لازم به ذکر است که در شرایط آزمایشگاهی روش های بار ثابت و بار افتان انجام می شود و یک سری مدل های کامپیوتری برای تخمین این ضریب نیز ارائه شده است.

در بین روش های فوق، روش پمپاژ به چاهک دارای دقت نسبتا بالایی دارد. اساس این روش ثابت نگه داشتن سطح آب در داخل چاهک و اندازه گیری میزان آب نفوذ یافته از چاهک به اطراف دیواره چاهک می باشد و از معایب این روش طولانی بودن زمان، نیاز به آب فراوان و صرف هزینه بالا برای انجام آزمایش است، لذا در بسیاری از کارهای مشاوره ای و اجرایی از این روش کم تر استفاده شده و یا فقط برای کنترل ضرایب هیدرولیکی به دست آمده از سایر روش های صحرایی به کار می رود. روش چاهک، متوسط هدایت هیدرولیکی افقی مربوط به مقطعی از خاک بین سطح ایستابی و ۱۰ تا ۱۵سانتی متر زیر عمق چاهک را اندازه گیری می کند و از این روش در لایه های تحت فشار نمی توان استفاده کرد. فرمول زیر جهت محاسبه هدایت هیدرولیکی در روش چاهک است:

در این فرمول C ضریبی است که از طریق روابط مربوط به رابطه ارنست محاسبه می شود و  سرعت متوسط خیز سطح  آب در چاهک (سانتی متر بر ثانیه).

روش پیزومتر یا روش حفره زیر لوله برای تعیین هدایت هیدرولیکی خاک های مطبق و لایه لایه توصیه می شود.  این روش، متداول ترین شیوه اندازه گیری هدایت هیدرولیک اشباع در لایه مشخص خاک به شمار می رود و شاید بتوان آن را روشی منحصر به فرد در نو ع خود بیان کرد. این روش، فقط در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالاست و در زمان مطالعه دارای مشکلات زهکشی است به شرطی که ضخامت لایه مورد بررسی از حدود ۳۰ سانتی متر کمتر نباشد، می تواند قابلیت کاربرد داشته باشد. علاوه براین، روش گفته شده اطلاعاتی را به دست می دهد که به کمک آن می توان لایه محدود کننده را تشخیص داد. رابطه زیر جهت محاسبه K از این روش ارائه شده است:

در رابطه فوق D قطر حفره زیر لوله (سانتی متر)، y_۱  فاصله بین سطح آب در پیزومتر تا سطح ایستابی متعادل (سانتی متر) در لحظه t_۱، y_۲  فاصله بین سطح آب در پیزومتر تا سطح ایستابی متعادل (سانتی متر) در لحظه t_۲، ضریب شکل (سانتی متر) که به خصوصیات هندسی حفره بستگی دارد.

دو روش فوق از جمله روش های پر کاربرد و متداول از دسته روش های صحرایی جهت محاسبه هدایت هیدرولیکی در زیر سطح ایستابی می باشد و روش دو چاهک یا مشتقات آن برای خاک های دارای سنگ یا خاک هایی با بافت درشت مناسب است اما برای خاک های با هدایت هیدرولیکی پایین (خاک های رسی) کاربرد ندارند.

در بالای سطح ایستابی و در حالت غیر اشباع سطح آب زیرزمینی پایین است و به عبارتی شرایط برای اجرای روش های زیر سطح ایستابی فراهم نیست. در ادامه به اختصار به آشنایی با این روش ها می پردازیم:

یکی از متداول ترین روش های صحرایی که بیشتر به کار می رود، روش چاهک معکوس است. در روش چاهک معکوس که به روش پورشه هم معروف است با استفاده از اوگر دستی چاهکی در مزرعه حفر و سپس چاهک تا سطح دلخواه پر از آب شده و افت سطح آب داخل چاهک نسبت به زمان اندازه گیری می شود. در این روش، آزمایش تا زمانی ادامه می یابد که هدایت هیدرولیکی خاک به مقدار ثابتی رسیده باشد. از مزایای این روش کوتاه بودن زمان لازم برای انجام آزمایش می باشد. عقیده بیشتر کارشناسان بر این است که این روش، در شرایط بالای سطح ایستابی، نتیجه های واقع بینانه تری را نسبت به روش تزریق به چاهک سطحی  به دست می دهد. این شیوه در مناطقی کاربرد دارد که ممکن است تمام یا قسمتی از اراضی آن در زمان مطالعه، دارای مشکل زهکشی نباشد؛ اما انتظار رود که در اثر اعمال آب آبیاری یا آبشویی با این مشکل مواجه شود و به این سبب، طراحی زهکشی زیرزمینی در شرایط حاضر در آن ها قابل پیشنهاد است. رابطه ای که برای محاسبه هدایت هیدرولیک اشباع خاک به روش چاهک معکوس به کار می رود، به صورت زیراست:

در این رابطه r شعاع چاهک، t زمان از شروع اندازه گیری افت سطح آب، h_o ارتفاع ستون آب در چاهک در زمان شروع.

شکل زیر چگونگی پارامتر ها را در روش چاهک معکوس نشان می دهد.

روش دیگر جهت محاسبه هدایت هیدرولیکی در بالای سطح ایستابی تزریق به چاهک سطحی (پمپاژ) است. از این روش در شرایطی که سطح ایستابی و لایه غیرقابل نفوذ هر دو پایین تر از محدوده ریشه گیاه باشند، استفاده می گردد. اساس این روش عبارت است از اندازه گیری حجم آبی که به صورت افقی وارد چاهی می شود که سطح آب در داخل آن به وسیله یک شیر شناور اتوماتیک ثابت نگه داشته شده است. آزمایش باید تا اشباع شدن کامل خاک اطراف چاهک و ثابت شدن دبی آب از مخزن ادامه یابد و سپس ضریب آب گذری خاک محاسبه شود. در این روش بسته به موقعیت سطح ایستابی نسبت به سطح آب در چاهک با استفاده از یکی روابط زیر K، محاسبه می شود:

در این روابط r شعاع چاهک، Q دبی جریان، h عمق آب در چاهک ، T_u فاصله کف چاهک تا سطح ایستابی یا لایه محدود کننده.

در شکل زیر چگونگی پارامترهای این روش نمایش داده شده است.

روش گلف، یکی از روش های اندازه گیری با بار ثابت است که با کمک آن می توان هدایت هیدرولیک اشباع خاک را به دست آورد.  این روش، مانند روش تزریق به چاهک است ولی اشکال اصلی آن را که نیاز به آب زیاد و زمان طولانی است، نداشته و به همین سبب در سال های اخیر مقبولیت زیادی پیدا کرده است.

روش های فوق از جمله روش های صحرایی برای محاسبه هدایت هیدرولیکی اشباع می باشد. روش های آزمایشگاهی نیز شامل روش های بار ثابت و بار افتان می باشد که در مباحث آتی به شرح کامل این روش ها خواهیم پرداخت و همچنین مدل ها و برنامه هایی همچون مدل های Rosetta و Retc جهت تخمین هدایت هیدرولیکی مورد استفاده قرار می گیرند.