Επίδραση των ιόντων και της συγκέντρωσης διαλυμάτων στην υδραυλική αγωγιμότητα εδαφών

Abstract

Η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία αφορά στη μελέτη της επίδρασης των ιόντων καλίου (K+) και νατρίου (Na+) στην υδραυλική αγωγιμότητα εδαφών. Επελέγησαν δύο εδάφη με διαφορετικές φυσικοχημικές ιδιότητες και διαφορετική ορυκτολογική σύσταση αργιλικών ορυκτών, ένα αμμοαργιλοπηλώδες με κυρίαρχο αργιλικό ορυκτό τον ιλλίτη (Ε1) και ένα αργιλλώδες με κυρίαρχο ορυκτό τον μοντμοριλλονίτη (Ε2). Επίσης, χρησιμοποιήθηκε και ένα έδαφος (Ε3) με παρόμοια μηχανική και ορυκτολογική σύσταση με το Ε2 και μεγάλο ποσοστό οργανικής ουσίας. Και στα 3 εδάφη έγιναν ξήρανση, κοσκίνισμα (≤ 2mm) και προσδιορίσθηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά (pH, κοκκομετρική σύσταση, οργανική ουσία, CaCO3, ΙΑΚ και ΕC στο εκχύλισμα πάστας κορεσμού). Οι μετρήσεις της υδραυλικής αγωγιμότητας διεξάχθηκαν σε διαταραγμένα δείγματα με τη μέθοδο σταθερού φορτίου. Εφαρμόσθηκαν τρία επίπεδα αλατότητας και τιμών SAR/PAR. Τα διαλύματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ισορροπία των δειγμάτων ήταν διαλύματα NaCl/CaCl2 και KCl/CaCl2. Οι τιμές του SAR και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των διαλυμάτων νατρίου ήταν SAR=44 - EC=16,75 dS m-1, SAR=22 - EC=9,68 dS m-1, SAR=8 - EC=5,02 dS m-1. Τα αντίστοιχα διαλύματα καλίου ήταν PAR=44 - EC=19,98 dS m-1, PAR=16 - EC=9,13 dS m-1, PAR=8- EC=5,00 dS m-1 . Η αρχική υδραυλική αγωγιμότητα των εδαφών προσδιορίσθηκε με τα αντίστοιχα διαλύματα. Στα εδαφικά δείγματα εφαρμόσθηκε έκπλυση με απιονισμένο νερό ηλεκτρικής αγωγιμότητας 0,03 dS/m. Προσδιορίσθηκαν οι τιμές της υδραυλικής αγωγιμότητας των εδαφικών δειγμάτων, καθώς και η ηλεκτρική αγωγιμότητα και οι τιμές του SAR/PAR στο νερό απορροής κατά την διάρκεια της έκπλυσης. Τα αποτελέσματα για το έδαφος (Ε1) με κυρίαρχο ορυκτό τον ιλλίτη έδειξαν ότι κατά την έκπλυση του εδάφους σε όλα τα επίπεδα SAR/PAR η παρουσία του καλίου σε σχέση με το νάτριο προκαλεί μικρότερες μειώσεις στην υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, κυρίως στα χαμηλά επίπεδα (SAR/PAR=8) που η διαφορά των τελικών μειώσεων της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας είναι μεγαλύτερη. Στο έδαφος με τον μοντμοριλλονίτη (Ε2), που ανήκει στην τάξη των Vertisols, το κάλιο σε σχέση με το νάτριο έδειξε παραπλήσια επίδραση στην υδραυλική αγωγιμότητα στα υψηλά επίπεδα (SAR/PAR=44), αφού υφίσταντο και τα δύο πλήρη διασπορά με 9 την έκπλυση με απιονισμένο νερό, σε διαφορετικούς όμως όγκους των πόρων (PV) (PVNa=2-2,5/PVK=13,5). Στα ενδιάμεσα επίπεδα (SAR=22/PAR=16) η επίδραση του καλίου είναι λιγότερο δυσμενής, αφού καταλήγει σε μικρότερη μείωση της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας σε σχέση με το ενδιάμεσο διάλυμα νατρίου. Στα χαμηλά επίπεδα SAR=8/PAR=8 τα δύο ιόντα παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά με μικρότερες μειώσεις της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας σε σχέση με τα άλλα επίπεδα SAR-PAR. Συγκρίνοντας τα δύο αργιλικά ορυκτά, το έδαφος με τον ιλλίτη (Ε1) παρουσιάζεται πιο ανθεκτικό στην μείωση της υδραυλικής αγωγιμότητας και για τα δύο ιόντα, ενώ το έδαφος με τον μοντμοριλλονίτη (Ε2) δείχνει να είναι περισότερο ευαίσθητο και για το κάλιο και για το νάτριο με τελικές μειώσεις σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες στα διάφορα επίπεδα SAR-PAR του ιλλίτη. Το έδαφος που έχει μεγάλο ποσοστό οργανικής ουσίας (Ε3) και παρόμοια ορυκτολογική σύσταση με το Έδαφος 2 παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά με αυτό, στα υψηλά επίπεδα, και στο νάτριο και στο κάλιο, με μια μεγαλύτερη μείωση της υδραυλικής αγωγιμότητας με την παρουσία καλίου.

This study examines the potential relative effects of potassium (K+) and sodium (Na+) ions on hydraulic conductivity of soils during leaching conditions prevailing at rainfall period. Two soils with different physicochemical properties and different mineralogical composition of clay minerals were selected, (a sandy clay loam with illite as predominant clay mineral, E1 and a clay with montmorillonite, E2). Another soil (E3) with similar mechanical and mineralogical composition with E2 with a high organic matter content was also used. All three soils were dried, sieved (≤ 2mm) and the basic characteristics were determined (pH, soil texture, organic matter content, CaCO3, CEC and EC of soil paste saturation extract). Hydraulic conductivity measurements were made on laboratory packed soil samples using the constant head method. Three levels of salinity and SAR/PAR values were applied. The solutions used to saturate soil samples were NaCl/CaCl2 and KCl/CaCl2. The SAR and the electrical conductivity values of sodium solutions were SAR = 44 - EC = 16,75 dS m-1, SAR = 22 - EC = 9,68 dS m-1, SAR = 8 - EC = 5,02 dS m-1. The corresponding potassium solutions were PAR = 44 - EC = 19,98 dS m-1, PAR = 16 - EC = 9,13 dS m-1, PAR = 8 - EC = 5,00 dS m-1. Initial hydraulic conductivity of soils was determined with the corresponding solutions. The soil samples were leached with deionized water (EC=0,03 dS m-1) and soil hydraulic conductivity values were determined. Leachate of soil column, during leaching, was collected and analyzed for EC, pH and ion concentration. The presence of potassium in relation to sodium ion at soil (E1) with Illite, causes lower reductions in soil hydraulic conductivity, at all SAR/PAR levels, during leaching, the difference being greater at low level (SAR/PAR = 8). At soil with montmorillonite (E2), potassium in relation to sodium showed a similar effect on the hydraulic conductivity at high levels (SAR/PAR = 44), since both were completely dispersed by leaching with deionized water but in different pore volumes (PV) (PVNa=2-2,5 / PVK=13,5). At intermediate levels (SAR = 22 / PAR = 16), the effect of potassium is less adverse than sodium as it results in lower reduction of soil hydraulic conductivity. At low SAR = 8 / PAR = 8 levels, the two ions exhibit similar behavior 11 with lower reductions in relative hydraulic conductivity compared to the other SARPAR levels. Comparing the two different soils, the soil dominant in illite (El) is more resistant to the reduction of the hydraulic conductivity for both ions, while the soil dominant in montmorillonite (E2) seems to be more sensitive at both potassium and sodium ions, with greater reductions of hydraulic conductivity than those at the various SAR-PAR levels of illite. Soil with a high organic content (E3) exhibits a similar behavior to that of soil (E2), at SAR/PAR=44, with a greater reduction in hydraulic conductivity in the presence of potassium.