ارزيابي پايداري خاكدانه‌ها با استفاده از مدل‌هاي فركتالي و روش‌هاي كلاسيك1

Evaluating soil aggregate stability using classical methods and fractal models

ساختمان خاك، شاخصي مهم براي مديريت بهينه منابع خاك و آب مي باشد. زيرا به گونه اي مستقيم، بر بسياري از ويژگي هاي فيزيكي خاك همچون مقدار آب، هدايت آبي، گرما، تهويه ، جرم ويژه ظاهري و تخلخل خاك اثر مي گذارد. ليكن به دليل پيچيدگي ساختمان خاك، توصيف كمّي آن دشوار مي باشد. يكي از روش هاي نوين براي توضيح كمّي ساختمان خاك، استفاده از مفهوم هندسه فركتالي است. در اين روش، با تعيين بُعد فركتالي خاكدانه ها مي توان وضعيت پايداري آنها را در مقياس هاي مختلف به صورت كمّي بررسي كرد. هدف از اين پژوهش، كمّي سازي ساختمان خاك با استفاده از شاخص هاي كلاسيك و مقايسه آن با بُعد فركتالي به دست آمده براي خاكدانه هاي خاك در يك پهنه گسترده بود. بدين‌منظور، تعداد 41 نمونه خاك دست نخورده از يك منطقه زراعي برداشت و فراواني نسبي اندازه خاكدانه ها، جرم ويژه ظاهري و فراواني نسبي اندازه ذرات خاك اندازه گيري شد. سپس ميانگين وزني و ميانگين هندسي اندازه خاكدانه ها در دو حالت تر و خشك با استفاده از روش سري الك-ها اندازه گيري شد. آنگاه براي همان نمونه ها، بُعدهاي فركتالي Mandelbrot، Tyler-Wheatcraftو Rieu-Sposito براي هر دو حالت خشك و تر تعيين شد. نتايج نشان داد كه بُعدهاي فركتالي مدل تعداد – اندازه مندل برات در سري الك خشك و مدل تعداد – اندازه ريو - اسپوزيتو در سري الك تر با دو شاخص تجربي قطر خاكدانه ها بيشترين همبستگي را دارند.

Soil structure is an important indicator for optimal management of soil and water resources. Because it directly influencing several physical characteristics of soils such as soil water status, hydraulic conductivity, heat and air contents, soil porosity and bulk density. However, due to complexity of soil structure, its quantitative description is rather difficult. One of the relatively new methods proposed to explain soil structure in a quantitative manner is the so-called fractal geometry concept. In this concept, by determining the fractal dimension of bulk soil, the stability of aggregates can be quantitatively analyzed at different scales. The objective of this study was to quantify soil structure stability using some classic indicators and fractal approach in a large scale. Consequently, 41 intact soil samples were taken from an agricultural area and their particle size distribution, soil bulk density and aggregate bulk density, were measured. The weighted mean diameter and geometric mean diameter of both dry and wet aggregates were measured using dry and wet sieving method. The fractal dimensions of all dry and wet aggregates were obtained using fractal models of Mandelbrot, Tyler-Wheatcraft and Rieu-Sposito. The results indicated that fractal dimensions of the number-size model of Mandelbrot for dry sieve series and the number-size model of Rieu-Sposito in the wet sieve series perform quite well. These two models could also provide reasonable agreement with classical geometric mean and weighted mean diameters of aggregates.