كاربرد روش هاي تحليلي و عددي در شبيه سازي آبشويي يون هاي نيترات و آمونيوم در يك خاك شني

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

آبخوان ها در معرض آلودگي ناشي از فعاليت هاي صنعتي و كشاورزي مي باشند كه سهم بخش كشاورزي از بقيه بيشتر است. كودهاي ازته بيشترين مصرف را در بخش كشاورزي دارند. نيترات به دليل داشتن بار منفي و عدم جذب توسط خاك، آبشويي و وارد آب هاي سطحي و زير زميني مي شود كه اين روند در خاك هاي شني سرعت بيشتري دارد. براي بررسي حركت نيترات در خاك و تأثير آن بر آلودگي آبهاي زيرزميني، از مدل هاي تحليلي و عددي استفاده مي شود. كاربرد اين مدل ها، منوط به تعيين ضرايب انتشار و تأخير مي باشد. بنابراين تخمين كمي اين ضرائب براي حل مسائل مرتبط با حركت آلاينده ها ضروري است. مقادير پارامترها به وسيلۀ مقايسه داده هاي آزمايشگاهي يا صحرائي مقابل نتايج تئوري بدست مي آيد. هدف، تخمين هر چه دقيق تر اين پارامترها و كاربرد پارامترهاي تخمين زده شده در پيش بيني رفتار سيستم در شرايطي غير از شرايط آزمايش مي باشد. هدف از انجام اين تحقيق كاربرد سه مدل منحني رخنه، حداقل مربعات و مدل عددي هايدروس براي تعيين ضرايب انتشار (D) و تأخير (R) يونهاي نيترات و آمونيوم در يك خاك لوم شني اشباع است. مواد و روش‌ها: جهت انجام آزمايش از ستون خاك به ارتفاع 50 سانتيمتر و قطر داخلي 10/5 سانتيمتر استفاده شد. كود نيترات آمونيم با غلظت 10 گرم بر ليتر به ستون هاي خاك در قالب 3 تكرار اضافه گرديد و سپس ستون هاي خاك آبشويي شدند. با استفاده از غلظت نيترات و آمونيوم در پساب خروجي منحني رخنه ترسيم شد و با استفاده از اين منحني كه به شكل سيگموئيدي است ضرائب انتشار و تأخير محاسبه شد. در روش حداقل مربعات خطا، يك تابع خطا با دو پارامتر مجهول ضريب انتشار و خطا بر منحني رخنه برازش داده مي شود كه با كاربرد داده هاي آزمايشگاهي و با يك روش حداقل سازي ضرائب مجهول محاسبه مي شود. در نرم افزار Hydrus-1D از دو مدل تعادلي جابجائي-انتشار و غير تعادلي روان- ساكن با كاربرد مدلسازي معكوس، در برآورد پارامترهاي انتقال استفاده شد. يافته ها: ضرائب انتشار و تأخير براي بون نيترات در روش هاي مختلف به ترتيب در رنج 015- 0/09 و 0/48- 0/44 و براي يون آمونيوم در رنج 0/053-0/042 و 0/37-0/24 بدست آمده است. نتيجه گيري: در اين تحقيق براي تخمين سريع و دقيق ضرائب انتشار و تأخير با استفاده از داده هاي ستون خاك، از سه مدل استفاده شد. مدلهاي به كاربرد شده در اين تحقيق، نتايج تقريباً يكساني در برآورد ضرائب انتشار و تأخير داشته اند. يون نيترات نسبت به يون آمونيوم به ذرات خاك بيشتر جذب شده و در نتيجه ضريب انتشار و تأخير بيشتر و آبشوئي كمتري نسبت به يون آمونيوم داشته است.

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.