بررسی و مقایسه مدل‌های ریاضی فرید – کامبرنوس و بریگهام برای محاسبه انتشاپذیری نیترات در شرایط اشباع

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو

2 دانشیار، گروه آبیاری و زهکشی، دانشگاه شهید چمران اهواز

3 استاد، گروه محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

بررسی و مقایسه مدل‌های ریاضی فرید–کامبرنوس و بریگهام برای محاسبه انتشارپذیری نیترات در شرایط اشباع

چکیده
سابقه و هدف: در طول چند دهه گذشته، مطالعه حرکت آلاینده‌ها در منطقه اشباع با توجه به اثرات فیزیکی و شیمیایی زیادی که بر کیفیت آب‌های زیرسطحی دارد تبدیل به یک موضوع پراهمیت شده است. از طرفی افزایش استفاده از کودهای ازته به دلیل پویایی زیاد نیترات در خاک تهدیدی جدی برای آب‌های زیرزمینی و در نتیجه سلامت انسان است. از مدل‌های مهم انتقال آلاینده پایدار در محیط‌های متخلخل همگن در حالت اشباع تحت شرایط جریان دائمی، مدل بریگهام و مدل فرید–کامبرنوس می‌باشند که به-ترتیب برای محاسبه انتشارپذیری در فواصل انتقال کوتاه و طولانی پیشنهاد شده‌اند. هدف از این پژوهش بررسی و مقایسه مدل‌های ریاضی فرید–کامبرنوس و بریگهام برای محاسبه انتشارپذیری نیترات در شرایط اشباع در خاک‌های ماسه‌ای همگن در شرایط آزمایشگاهی بود.
مواد و روش ها: برای بررسی انتشارپذیری با دو مدل ریاضی فرید – کامبرنوس و بریگهام، محلول نمک خالص نیترات پتاسیم به عنوان آلاینده پایدار تحت رژیم ماندگار با غلظت 160 میلی گرم بر لیتر به ستون‌های خاک ماسه‌ای (در سه اندازه درشت، متوسط، ریز و در فواصل انتقال 20، 40 و 80 سانتی‌متری) اضافه شد، سپس به‌منظور استخراج پارامترهای مورد نیاز دو مدل مذکور غلظت نیترات خروجی در حجم‌های تخلخل متفاوت اندازه‌گیری و منحنی رخنه برای هر ستون رسم و پارامترهای مورد نیاز مدل‌های ریاضی فرید–کامبرنوس و بریگهام از آن استخراج گردید.
یافته‌ها: تحلیل داده‌های آزمایشگاهی توسط مدل‌های تحلیلی بریگهام و فرید–کامبرنوس نشان داد روند تغییرات انتشارپذیری در خاک ماسه‌ای ریز در هر دو مدل فرید–کامبرنوس و بریگهام تفاوت معناداری با انتشارپذیری به‌دست آمده برای خاک ماسه‌ای درشت و متوسط دارد. به طوری که با افزایش متوسط فاصله انتقال در ماسه درشت و متوسط، مقدار انتشارپذیری نیترات بیش‌تر شد. بررسی مقادیر محاسبه شده پارامتر β برای ماسه ریز در پژوهش نشان داد که مقدار این پارامتر با افزایش فاصله انتقال شدیدا افزایش می‌یابد که این بیان کننده بیشتر بودن سرعت انتقال آلاینده نسبت به سرعت حرکت آب در خلل و فرج در فواصل کوتاه‌تر ماسه ریز، و در نتیجه افزایش انتشارپذیری آن با افزایش فاصله انتقال می‌باشد.
نتیجه‌گیری: بررسی نتایج به‌دست آمده نشان داد که در فواصل انتقال کوتاه بر خلاف فواصل انتقال طولانی، نتایج دو مدل فرید-کامبرنوس و بریگهام متفاوت می‌باشد و نمی‌توان آن را برای فواصل انتقال طولانی نیز تعمیم داد. لذا مدل فرید–کامبرنوس برای فواصل انتقال کوتاه از کارایی لازم برخوردار نبود.
واژه‌های کلیدی: مدل بریگهام، مدل فرید–کامبرنوس، منحنی رخنه، انتشارپذیری

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The study and comparison of Fried-Combernous and Brigham mathematical models for calculating Nitrate dispersivity in saturated conditions

نویسندگان [English]

  • Atefeh Azadifar 1
  • Amir Soltani Mohammadi 2
  • Hadi Moazed 3
2 Associate Professor, Department of Irrigation and Drainage, Faculty of Water Science, Shahid Chamran University of Ahvaz
3 Professor, Department of Irrigation and Drainage, Faculty of Water Science, Shahid Chamran University of Ahvaz
چکیده [English]

The study and comparison of Fried-Combernous and Brigham mathematical models for calculating Nitrate dispersivity in saturated conditions


Abstract
Background and Objectives: In recent decades, the study and move pollutants in saturation zone due to the many chemical and physical effects that is subsurface water quality has become a significant issue. The increasing use of nitrogen fertilizers due to high dynamics of nitrate in the soil would be a serious threat to groundwater, and therefore, to human health. Brigham and Fried-Combernous models are important models of persistent contaminant transport in homogeneous saturated porous media under constant flow, which are proposed for calculating the dispersivity in short and long travel distance, respectively. The purpose of this study is evaluation and comparison of Fried-Combernous and Brigham mathematical models for calculating nitrate dispersivity in homogeneous saturated sandy soils under laboratory conditions.
Materials and methods: For the study of dispersivity with Fried-Combernous and Brigham models, pure potassium nitrate salt solution under the sustainable regime with concentration of 160 (mg⁄lit) was added in the sandy soil columns ( in three sizes coarse, medium and fine - distance transmission at 80, 40 and 20 cm ) as persistent contaminants, then for extracting the needed parameters the concentration of output nitrate in three different porosities volumes were measured and Breakthrough curves were plotted for each column.
Result: Laboratory analyze data showed that dispersivity increases as the hydraulic conductivity and soil particle size increases. The results also demonstrated that the obtained dispersivity for fine sandy soil in both Fried-Combernous and Brigham models has significant difference with obtained dispersivity for coarse and medium sandy soil. So that by increasing the average travel distance in medium and coarse sand the nitrate dispersivity increased. But the dispersivity of fine sand decreased as the travel distance increased. Check calculated values of β parameter for fine sand showed the value of this parameter increases dramatically with increasing travel distance. This represents a higher pollutants velocity transition than the water velocity in the pores at the shorter distances in fine sand, and therefore the travel distance is increased with increasing dispersivity.
Conclusion: The findings showed that the results of Fried-Combernous and Brigham models in the short travel distance is different, and it also cannot be generalized to long travel distances. Thereforre, the Fried-Combernous model was not efficient enough for short travel distance.
Keywords: Brigham model, Fried-Combernous model, Breakthrough curves, Dispersivity.

References
1. Alipoor, R., Dayer, A., Kashkooli, H. A. and E. Maroufpour. 2009. The study of vertical pollutants in the laboratory models and to use it To determine dispersion coefficient in homogeneous sandy soils. Th International Congress of Civil Engineering, University of Shiraz. 11-13 May

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brigham model
  • Fried - Combernous model
  • Breakthrough curves
  • Dispersivity
1.Alipoor, R., Dayer, A., Kashkooli, H.A., and Maroufpour, E. 2009. The study of vertical
pollutants in the laboratory models and to use it To determine dispersion coefficient in
homogeneous sandy soils. The International Congress of Civil Engineering, University of
Shiraz,. 11-13 May.
2.Alipour, R., and Kamanbedast, A. 2011. Investigation of vertical transmission of pollution at
laboratory model and its vitalizing for determination of dispersion coefficient at homogenous
sandy soil, World Appl. Sci. J. 14: 2: 351-355.
3.Al-Tabbaa, A., Ayotamuno, J.M., and Martin, R.J. 2000. One- dimensional Solute transport in
stratified sands at short travel distances. J. Hazard. Mater. A73, Pp: 1-15.
4.Ayotamuno, J.M. 1998. Contaminant transport and immobilization in stratified sands.
PhD Thesis, university of Birmingham, UK.
5.Brigham, W.E. 1974. Mixing equations in short laboratory columns. J. Soc. Petroleum Engin.
14: 91-99.
6.Freeze, R.A., and Cherry, J.A. 1979. Groundwater. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ,
604p.
7.Gillham, and Cherry, J.A. 1982. Contaminaant migration in saturated unconsolidated
geological Society of America, SpecialPaper. 189: 31-44.
8.Maroufpour, E., Kashcoli, H., Moazed, H., and Vali Samani, H.M. 2008. Comparative study
of mathematical models of Fried-Combernous Brigham to dispersion of conservative
pollutants in the homogeneous sandy soil. J. Agric. Sci. 30: 77-89. (In Persian)
9.Maroufpour, E., Kashcoli, H., and Moazed, H. 2007. Study of thickness dependence
dispersion in unsaturated homogeneous soils of sand. Sci. J. Shahid Chamran Univ.
14: 13-23. (In Persian)
10.Moazed, H., Farasti, M., and Ghamarnia, H. 2012. Dispersivity of chlorince through medium
and coarse granied soil materials. Reserch on Crops. 13: 1: 327-333.
11.Sharifipoor, M., Moazed, H., and Karami, M. 2009. The effect of Effects of soil thickness
soil texture and on the diffusion coefficient of sodium chloride. Second National Conference
on Irrigation and Drainage, Shahid Chamran University of Ahvaz, 27-29 January.
12.Wierenga, P.J. 2004. Solute transport in porous media. Scale Effects. From HTML.
Paper 72.
13.Zhang, D., Beven, K., and Mermoud, A. 2006. Acomparison of non-linear least square
and GLUE for model calibration and uncertainty estimation for pesticide transport in soils.
J. Adv. Water Resour. 29: 1924-1933.
14.Zhi-Ming, Q.I., Shao-Yuan, F., and Helmers, M.J. 2012. Modeling Cadmium Transport in
Neutral and Alkaline Soil Columns at Various Depths. Pedosphere. 22: 3: 273-282.