تحلیل حساسیت پارامترهای هیدرولیکی انتقال فلزات سنگین کادمیم، نیکل و روی در ستون‌های خاک لومی دست‌خورده و دست‌نخورده

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکدة کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تبریز، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکدة کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تبریز، تبریز، ایران

3 دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تبریز، تبریز، ایران

چکیده

تحلیل حساسیت برای تحلیل رفتار مدل تحت شرایط مختلف کاربرد دارد. نتایج تحلیل حساسیت به‌منظور تعیین دقت قابل‌قبول در اندازه‌گیری داده‌های ورودی مهم است. در این پژوهش، انتقال فلزات سنگین کادمیم، نیکل و روی در ستون‌های خاک لومی دست‌خورده و دست‌نخورده با غلظت‌های اولیة 50، 100 و 150 میلی‌گرم بر لیتر با استفاده از مدل Hydrus-1D شبیه‌سازی و پارامترهای انتقال املاح نظیر ضریب پخش (D)، ضریب توزیع (Kd) و ضریب پراکندگی (β) با استفاده از پارامترهای هیدرولیکی خاک و داده‌های مربوط به غلظت فلز کادمیم، نیکل و روی به روش مدل‌سازی معکوس برآورد شد. بررسی منحنی‌های رخنة حاصل از شبیه‌سازی مدل Hydrus-1D و داده‌های اندازه‌گیری ‌شده نشان‌دهندة تطابق بالای منحنی‌های شبیه‌سازی با داده‌های اندازه‌گیری بود. برازش مدل در خاک دست‌خورده نسبت به خاک دست‌نخورده بهتر بود که این امر ممکن است به‌دلیل بهم‌خوردگی ساختمان خاک و افزایش سطح تماس ذرات خاک در خاک دست‌خورده و وجود ناهمگنی ذرات در ستون خاک دست‌نخورده باشد. بر اساس نتایج تحلیل حساسیت، پارامترهای پراکندگی (β) و ضریب پخش (D) به‌ترتیب با دامنة حساسیت بیش‌تر از 5/1 و کم‌تر از 3/0 بیش‌ترین و کم‌ترین حساسیت را نسبت به تغییرات در هر دو نوع خاک دست‌خورده و دست‌نخورده نشان داد. در کل روند حساسیت پارامترهای مدل به‌صورت زیر بود: پارامتر پراکندگی> ضریب توزیع> ضریب پخش. به‌عبارتی با توجه به تأثیر قابل‌توجه تغییرات β بر مقادیر خروجی مدل، در صورت تعیین عملی و آزمایشگاهی این پارامتر بایستی با دقت بیش‌تری اندازه‌گیری شود و در مقابل می‌توان از خطاهای اندازه‌گیری پارامتر D چشم‌پوشی کرد. درجة حساسیت پارامترهای مستقل از میزان غلظت اولیة عناصر بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Bear, J. (1972). Dynamic of Fluids in Porous Media. American Elsevier Publishing, New York. doi:10.1016/S0166-2481(08)70538-5.
Burgers, S.L.G.E., Hofstede, G.J., Jonker, C.M., & Verwaart, T. (2010). Sensitivity analysis of an agent-based model of culture’s consequences for trade. In: Li Calzi, M., Milone, L., Pellizzari, P. (Eds.), Progress in Artificial Economics, 645, Springer, Berlin, Heidelberg, 253–264. doi: 10.1007/978-3-642-13947-5_21
Ersahin, S., Papendick, R.I., Smith, J.L., Keller, C.K., & Manoranjan, V.S. (2002). Macropore transport of bromide as influenced by soil structure differences. Geoderma, 108, 207-223. doi:10.1016/S1002-0160(17)60334-5
Feddes, R.A., Kowalik, P., & Zarandy, H. (1978). Simulation of field water use and crop yield. Pudoc. Wageningen, Pp. 189.
Gove, L., Cook, C.M., Nicholson, F.A., & 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. Bioresource Technology, 78, 171-179. doi:10.1016/S0960-8524(01)00004-9
Huang, G., Huang, Q., Zhan, H., Chen, J., Xiong, Y., & Feng, S. (2005). Modeling contaminant transport in homogeneous porous media with fractional advection dispersion equation. Science China Earth Sciences., 48, 295-302. doi:10.1360/05yd0001
Huang, G., Huang Q., & Zhan H. (2006) Evidence of one-dimensional scale-dependent fractional advectiondispersion. Journal of Contaminant Hydrology, 85(1-2), 53-71. doi:10.1016/j.jconhyd.2005.12.007
Jacques, D., Simunek, J., Timmerman, A., & Feyen, J. (2002). Calibration of Richards’ and convection–dispersion equations to field–scale water flow and solute transport under rainfall conditions. Journal of Hydrology, 259, 15-31. doi:10.1016/S00221694(01)00591-1
Jiang, Y., Yin, X., Guan, D., Jing, T., Sun, H., Wang, N., & Bai, J. (2019). Co-transport of Pb(II) and oxygen-content-controllable graphene oxide from electron-beam-irradiated graphite in saturated porous media. Journal of Hazardous Materials, 375, 297–304. doi:10.1016/j.jhazmat.2019.05.001
Jirka Simunek, J. (2014). Comparision of CXTIFIT and HYDRUS-1D pojects. University of California Riverside.
Jury, W.A. (1982). Simulation of solute transport using a transfer function model. Water Resources Research, 18, 363-368. doi:10.1029/wr018i002p00363
Kanzari, S., Hachicha, M., & Bouhlila, R. (2015). Laboratory method for estimating solute transport parameters of unsaturated soils. American Journal of Geophysics, Geochemistry and Geosystems., 4, 149-154. http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
Lamboni, M., Monod, H., & Makowski, D. (2011). Multivariate sensitivity analysis to measure global contribution of input factors in dynamic models. Reliability Engineering & System Safety, 96(4), 450–459. doi:10.1016/j.ress.2010.12.002
Li, N., & Ren, L. (2009). Application of continuous time random walk theory to non-equilibrium transport in soil. Journal of contaminant Hydrology, 108(3), 134–151. doi:10.1016/j.jconhyd.2009.07.002
Lin, Q., & Xu, Sh. (2020). Co-transport of heavy metals in layered saturated soil: Characteristics and simulation. Environmental Pollution, 261, 114072. doi:10.1016/j.envpol.2020.114072
Liu, H.F., Genard, M., Guichard, S., & Bertin, N. (2007). Model-assisted analysis of tomato fruit growth in relation to carbon and water fluxes. Journal of Experimental Botany, 58(13), 3567-3580. doi:10.1093/jxb/erm202
Liu, X., Guo, H., Zhang, X., Zhang, Sh., Cao, X.,  Ou, Z., Zhang, W., & Chen, Zh. (2022). Modeling the transport behavior of Pb(II), Ni(II) and Cd(II) in the complex heavy metal pollution site under the influence of coexisting ions. Process Safety and Environmental Protection, 162, 211-218. doi:10.1016/j.psep.2022.04.016
Lurette, A., Touzeau, S., Lamboni, M., & Monod, H. (2009). Sensitivity analysis to identify key parameters influencing Salmonella infection dynamics in a pig batch. Journal of Theoretical Biology, 258(1), 43-52. doi:10.1016/j.jtbi.2009.01.026
Mao, M., & Ren, L. (2004). Simulating non-equilibrium transport of atrazine through saturated soil. Groundwater, 42, 500-508. doi:10.1111/j.1745-6584.2004.tb02618.x
Michel, K., & Ludwig, B. (2005). Modelling of seepage water composition from experiments with an acid soil and a calcareous sediment. Acta Hydrochimicaet Hydrobiologica, 33, 595-604. doi:10.1002/aheh.200400603
Moradi, G., & Mehdinejadiani, B. (2018). Modelling Solute transport in homogeneous and heterogeneous porous media using spatial fractional advection-dispersion equation. Soil and Water Research, 13(1), 18–28. doi: 10.17221/245/2016-SWR.
Morsali, S., Babazadeh, H., Shahmohammadi-kalalagh, Sh., & Sedghi, H. (2019). Simulating Zn, Cd and Ni Transport in Disturbed and Undisturbed Soil Columns: Comparison of Alternative Models. International Journal of Environmental Research, 13, 721-734. doi:10.1007/s41742-019-00212-w
Nguyen Ngoc, M., Dultz, S., & Kasbohm, J. (2009). Simulation of retention and transport of copper, lead and zinc in a paddy soil of the Red River Delta, Vietnam. Agriculture, Ecosystems and Environment, 129, 8–16. doi:10.1016/j.agee.2008.06.008
Pang, L., & Close, M. (1999). Non-equilibrium transport of Cd in alluvial gravels. Journal of Contaminant Hydrology, 36, 185-206. doi:10.1016/S0169-7722(98)00110-7
Pietrzak, D. (2021). Modeling migration of organic pollutants in groundwater- review of available software. Environmental Modelling & Software, 144. doi:10.1016/j.envsoft.2021.105145
Raoof, M., Akbari Baseri, Z., Rasoulzadeh, A., & Azizi Mobaser, J. (2022). Sensitivity analysis of Hydrus software to input data in simulating water movement and root uptake of grass as reference plant. Water and Soil Management and Modeling, 2(3), 94-107 .doi: 10.22098/MMWS.2022.10847.1090. [In Persian]
Rouger, B., Goldringer, I., Barbillon, P., Miramon, A., Nanio Jika, A.K., & Thomas, M. (2023). Sensitivity analysis of a crop metapopulation model. Ecological Modelling, 475, 110174. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2022.110174.
Saadati, Z., Delbari, M., Panahi, M., & Amiri, E. (2018). Simulation of sugar beet growth under water stress using AquaCrop model. Journal of Water and Soil Resources Conservation, 7(3), 1-18. dor: 20.1001.1.22517480.1397.7.3.1.9
Saltelli, A., Aleksankina, K., Becker, W., Fennell, P., Ferretti, F., Holst, N., Li, S., & Wu, Q. (2019). Why so many published sensitivity analyses are false: A systematic review of sensitivity analysis practices. Environmental Modelling & Software, 114, 29–39. doi:10.1016/j.envsoft.2019.01.012
Simunek, J., Sejna, M., & Van Genuchten, M.Th. (1998). The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media, Version 2.0, IGWMC-TPS-70, Int. Ground Water Modeling Center, Colorado School of Mines, Golden, Co.
Shahmohammadi, Sh., & Beyrami, H. (2015). Modeling bromide transport in undisturbed soil columns with the continuous time random walk. Geotechnical and Geological Engineering, 33, 1511-1518.doi:10.1615/JPorMedia.v18.i12.20
Soares, L.M.V., & Calijuri, M.C. (2021). Sensitivity and identifiability analyses of parameters for water quality modeling of subtropical reservoirs. Ecological Modelling, 458, 109720. doi:10.1016/j.ecolmodel.2021.109720.
Tyler, L.D., McBride M.B. (1982). Mobility and Extractability of Cadmium, Copper, Nickel and Zinc in Organic and Mineral Soil  Columns. Soil Science, 134(3), 198-205. Doi: 10.1097/00010694-198209000-00009
Van Genuchten, M.Th. (1980). A closed–form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44(5), 892–898. doi:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x
Wang, H., Liu, J., Yao, J., He, Q., Ma, J., Chai, H., Liu, C., Hu, X., Chen, Y., Zou, Y., Xiong, J., & Huangfu, X. (2020). Transport of Tl(I) in water-saturated porous media: Role of carbonate, phosphate and macromolecular organic matter. Water Research, 186, 116325. doi:10.1016/j.watres.2020.116325
Xiong, Y., Huang, G., & Huang, Q. (2006). Modeling solute transport in one-dimensional homogeneous and heterogeneous soil columns with continuous time random walk. Journal of Contaminant Hydrology, 86(3-4), 163–175. doi:10.1016/J.JCONHYD.2006.03.001
Yang, B., Qiu, H., Zhang, P., He, E., Xia, B., Liu, Y., Zhao, L., Xu, X., & Cao, X. (2022). Modeling and visualizing the transport and retention of cationic and oxyanionic metals (Cd and Cr) in saturated soil under various hydrochemical and hydrodynamic conditions. Science of the Total Environment, 151467. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.151467
Yang, J., Ge, M., Jin, Q., Chen, Z., & Guo, Z. (2019). Co-transport of U(VI), humic acid and colloidal gibbsite in water-saturated porous media. Chemosphere, 231, 405–414. doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.05.091
Yuan, Y., & Peng, X. (2017). Fullerol-facilitated transport of copper ions in water-saturated porous media: influencing factors and mechanism. Journal of Hazardous Materials, 340, 96–103. doi10.1016/j.jhazmat.2017.07.001
Zhang, H., Lu, T., Shang, Z., Li, Y., He, J., Liu, S., Li, D., Zhou, Y., & Qi, Z. (2020). Transport of Cd(2+) through saturated porous media: insight into the effects of low-molecular- weight organic acids. Water Research, 168, 115182. doi:10.1016/j.watre. 2019.115182 
Zhi-Ming, Q., Shao-Yuan, F., & Helmers, M.J. (2012). modeling cadmium transp ort in neutral and alkaline soilcolumns at various depths. Pedosphere, 22(3), 273-282. doi:10.1016/S1002-0160(12)60014-9