کاربرد روش های تحلیلی و عددی در شبیه سازی آبشویی یون های نیترات و آمونیوم در یک خاک شنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 طراحی و نظارت/مهندسین مشاور گوهرآب کلار

2 استاد دانشگاه شهید چمران اهواز

3 دکترای آبیاری و زهکشی از دانشگاه شهید چمران اهواز- کارشناس فنی و مطالعات شبکه آبیاری و زهکشی آبادان و خرمشهر- شرکت مهندسی مشاور جاماب.

چکیده

چکیده
آبخوان ها در معرض آلودگی ناشی از فعالیتهای صنعتی وکشاورزی می باشند که سهم بخش کشاورزی از بقیه بیشتر است. کودهای ازته بیشترین مصرف را در بخش کشاورزی دارند. نیترات به دلیل داشتن بار منفی و عدم جذب توسط خاک، آبشویی و وارد آبهای سطحی و زیر زمینی می شود که این روند در خاکهای شنی سرعت بیشتری دارد. برای بررسی حرکت نیترات در خاک و تأثیر آن بر آلودگی آبهای زیرزمینی، از مدلهای تحلیلی و عددی استفاده می شود. کاربرد این مدلها، منوط به تعیین ضرایب انتشار و تأخیر می باشد. بنابراین تخمین کمی این ضرائب برای حل مسائل مرتبط با حرکت آلاینده ها ضروری است. مقادیر پارامترها به وسیلۀ مقایسه داده های آزمایشگاهی یا صحرائی مقابل نتایج تئوری بدست می آید. هدف، تخمین هر چه دقیق تر این پارامترها و کاربرد پارامترهای تخمین زده شده در پیش بینی رفتار سیستم در شرایطی غیر از شرایط آزمایش می باشد. هدف از انجام این تحقیق کاربرد سه مدل منحنی رخنه، حداقل مربعات و مدل عددی هایدروس برای تعیین ضرایب انتشار (D) و تأخیر (R) یونهای نیترات و آمونیوم در یک خاک لوم شنی اشباع است.
مواد و روش‌ها: جهت انجام آزمایش از ستون خاک به ارتفاع 50 سانتیمتر و قطر داخلی 5/10 سانتیمتر استفاده شد. کود نیترات آمونیم با غلظت 10 گرم بر لیتر به ستون های خاک در قالب 3 تکرار اضافه گردید و سپس ستون های خاک آبشویی شدند. با استفاده از غلظت نیترات و آمونیوم در پساب خروجی منحنی رخنه ترسیم شد و با استفاده از این منحنی که به شکل سیگموئیدی است ضرائب انتشار و تأخیر محاسبه شد. در روش حداقل مربعات خطا، یک تابع خطا با دو پارامتر مجهول ضریب انتشار و خطا بر منحنی رخنه برازش داده می شود که با کاربرد داده های آزمایشگاهی و با یک روش حداقل سازی ضرائب مجهول محاسبه می شود. در نرم افزار Hydrus-1D از دو مدل تعادلی جابجائی-انتشار و غیر تعادلی روان- ساکن با کاربرد مدلسازی معکوس، در برآورد پارامترهای انتقال استفاده شد.
یافته ها: ضرائب انتشار و تأخیر برای بون نیترات در روشهای مختلف به ترتیب در رنج 15/0- 09/0 و48/0- 44/0 و برای یون آمونیوم در رنج 053/0-042/0 و 37/0-24/0 بدست آمده است.
نتیجه گیری: در این تحقیق برای تخمین سریع و دقیق ضرائب انتشار و تأخیر با استفاده از داده های ستون خاک، از سه مدل استفاده شد. مدلهای به کاربرد شده در این تحقیق، نتایج تقریباً یکسانی در برآورد ضرائب انتشار و تأخیر داشته اند. یون نیترات نسبت به یون آمونیوم به ذرات خاک بیشتر جذب شده و در نتیجه ضریب انتشار و تأخیر بیشتر و آبشوئی کمتری نسبت به یون آمونیوم داشته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Simulation of Nitrate and Ammonium Ions Leaching in a Sandy Loam Soil using Analytical and Numerical Models

نویسندگان [English]

  • Mahboobeh Kafil 1
  • Hadi Moazed 2
  • Mostafa Moradzadeh 3

1 Designer and supervisor/ Goharab Kalar Consulting engineers

2 استاد دانشگاه شهید چمران اهواز

3 Ph.D Candidate of Irrigation & Drainage Engineering. Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University, Ahvaz, Iran.

چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Industrial and agricultural activities may result in aquifer pollution. Nitrogen fertilizer is widely used in agricultural activities. Nitrate ion with negative charge is not absorbed by soil particles; therefore, it is subjected to surface and ground water leaching which is more intensive in sandy loam. Analytical and numerical models applied to investigate nitrate transport between soil and groundwater and its effect on groundwater contamination. For using these models, dispersion, and retardation factors are required. Therefore, quantitative estimation of these factors for solving the problems related to solute and metal transport in the soil, is necessary. The parameters were estimated by comparing laboratory and field data versus theoretical ones. The objective of this study is to determine dispersion and retardation factors of nitrate and ammonium ions with three different methods including breakthrough curve (BTC), least square, and Hydrus models in a saturated sandy loam soil.
Materials and Methods: The study was conducted in the soil columns of  centimeter and  diameter with three replications. Before leaching, ammonium nitrate fertilizer is added to soil columns with concentration of g per liter. Concentration of nitrate and ammonium in leached water at the end of soil column with time, commonly known as the breakthrough curve (BTC), is determined. BTC as the first method, resulting from a step input of solute is often of sigmoidal shape and the dispersion and retardation factors are determined with this curve. The second method is least square one. In this method an error function model that fits to a breakthrough curve is presented with two unknown parameters. The parameters can be estimated by using laboratory data and a least square method. The last method is Hydrus model. In Hydrus model, the convection-dispersion and mobile-immobile models through inverse modeling were used to estimate the parameters.
Results: Dispersion and retardation factors for nitrate ion were in the range of  and  and for ammonium ion were in in the range of , and  respectively.
Conclusions: For quick and accurate estimation of dispersion and retardation factors from a soil column data, three methods are discussed. All of the models discussed in this study, have approximately the same result in estimating dispersion and retardation factors. Dispersion and retardation factors of nitrate ion was higher than ammonium ion showing nitrate ion was absorbed to soil particles more than ammonium ion which consequently leads to less hazard of leaching to the groundwater.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ammonium nitrate
  • BTC
  • Dispersion factor
  • Retardation factor
1.Abbasi, F. 2007. Advanced soil physics. Tehran University Press, 320p. (In Persian)
2.Abbasi, F., Simunek, J., Feyen, J., Van Genuchten, M.T., and Shouse, P. 2003b. Simultaneous
inverse estimation of soil hydraulic and solute transport parameters from transient field
experiments: Homogeneous soil. Transactions of the ASAE. 46: 4. 1085-1095.
3.Amoozegar-Fard, A., Warrick, A.W., and Fuller, A.H. 1983. A simplified model for solute
movement through soils. J. Soil Sci. 47: 1047-1049.
4.Anderson, P., and Christensen, T.H. 1988. Distribution coefficients of Cd, Co, Ni and Zn in
soils. J. Soil Sci. 39: 1. 15-22.
5.Fonseca, B., Figueiredo, H., Rodrigues, J., Queiroz, A., and Tavares, T. 2011. Mobility of Cr,
Pb, Cd, Cu and Zn in a loamy sand soil: A comparative study. J. Geoderma. 164: 232-237.
6.Gaganis, P., Skouras, E., Theodoropoulou, M., Tsakiroglou, C., and Burganos, V. 2005. On
the evaluation of dispersion coefficients from visualization experiments in artificial porous
media. J. Hydrol. 307: 1. 79-91.
7.Gove, L., Cook, C.M., Nicholson, F.A., and Beck, A.J. 2001. Movement of water and heavy
metals (Zn, Cu, Pb and Ni) through sand and sandy loam amended with biosolids under
steady-state hydrological conditions. J. Bioresour. Technol. 78: 171-179.
1397 266
8.Inoue, M., Simunek, J., Shiozawa, S., and Hopmans, J.W. 2000. Simultaneous estimation
of soil hydraulic and solute transport parameters from transient infiltration experiments.
J. Adv. Water Resour. 23: 677-688.
9.Jacques, D., Kim, D.J., Diels, J., Vanderborght, J., Vereecken, H., and Feyen, J. 1998.
Analysis of steady–state chloride transport through two heterogeneous field soils. Water
Resources Research. 34: 10. 2539-2550.
10.Jacques, D., Simunek, J., Timmerman, A., and Feyen, J. 2002. Calibration of Richards’ and
convection–dispersion equations to field–scale water flow and solute transport under rainfall
conditions. J. Hydrol. 259: 15-31.
11.Kool, J., Parker, J., and Van Genughtun, M.T. 1987. Parameter estimation for unsaturated
flow and transport models-a review. J. Hydrol. 91: 3. 255-293.
12.Liu, C.L., Chang, T.W., Wang, M.K., and Huang, C.H. 2006. Transport of cadmium, nickel,
and zinc in Taoyuan red soil usingone-dimensional convective–dispersive model. J.
Geoderma. 131: 181-189.
13.Minasny, B., and Perfect, E. 2004. Solute adsorption and transport parameters. J. Dev. Soil
Sci. 30: 195-224.
14.Misra, C., and Mishra, B.K. 1977. Miscible displacement of nitrate and chloride under field
conditions. J. Soil Sci. Soc. Amer. 4: 496-499.
15.Mochoge, B. 1984. Simulation of nitrate movement in undisturbed soil columns. J.
Agriculture, ecosystems & environment. 11: 2. 105-115.
16.Moradzadeh, M., Moazed, H., and Sayyad, Gh. 2012. Dynamic sorption of ammonium in a
sandy loam soil treated with zeolite and assessing equation of convection-dispersion and
mobile-immobile models. J. Agric. Technol. Sci. 16: 62. 163-175. (In Persian)
17.Moradzadeh, M., Moazed, H., and Sayyad, Gh. 2013. Simulation of nitrate ion leaching in a
sandy loam soil treated with zeolite. J. Water Soil Sci. 23: 1. 95-107. (In Persian)
18.Moradzadeh, M., Moazed, H., Sayyad, G., and Khaledian, M. 2014. Transport of nitrate and
ammonium ions in a sandy loam soil treated with potassium zeolite–Evaluating equilibrium
and non-equilibrium equations. Acta Ecologica Sinica. 34: 6. 342-350.
19.Mirza, M., Hosseini, M., and Shirdast, M. 2006. Assessing the trend of nitrogen movement
and its leaching rate in a soil column from different source of nitrate. National symposium
on soil. Environment & sustainable development. 16-17 Nov. Tehran University. (In Persian)
20.Nakhaei, M., and Šimůnek, J. 2014. Parameter estimation of soil hydraulic and thermal
property functions for unsaturated porous media using the HYDRUS-2D code. J. Hydrol.
Hydromech. 62: 1. 7-15.
21.Šimůnek, J., Van Genuchten, M.T., and Šejna, M. 2012. HYDRUS: model use, calibration,
and validation. Tansac Asabe, 55: 4. 1261-1274.
22.Singh, S. 2002. Estimating dispersion coefficient and porosity from soil-column tests.
J. Environ. Engin. 128: 1095-1099.
23.Tafteh, A., and Sepaskhah, A.R. 2012. Application of HYDRUS-1D model for simulating
water and nitrate leaching from continuous and alternate furrow irrigated rapeseed and maize
fields. J. Agric. Water Manage. 113: 19-29.
24.Van Genuchten, M.Th., and Wierenga, P.J. 1986. Solute dispersion coefficients and
retardation factors. No. 9, U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside, CA.
25.Van Genuchten, M.Th. 1980. Determining transport parameters from solute displacement
experiments. Research Report No. 118, U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside,
CA.
26.White, R. 1985. A model for nitrate leaching in undisturbed structured clay soil during
unsteady flow. J. Hydrol. 79: 1. 37-51.
27.Zhi-Ming, Q., Shao-Yuan, F., and Helmers, M.J. 2012. Modeling Cadmium Transp ort in
Neutral and Alkaline SoilColumns at Various Depths. J. Pedosphere. 22: 3. 273-282.