بخشی از مقاله
چکیده
آب و خاك بهعنوان منابع طبیعی اصلی در عرصههاي آبخیز کشور، بهطور پیوسته در حال تخریب و از بین رفتن هستند. یکی از عوامل فرساینده که باعث هدررفت خاك میشود، رواناب سطحی است. فرسایش ورقهاي در اراضی کشاورزي باعث تخلیه عناصر غذایی و در نتیجه کاهش تولید محصول میشود. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر برخی پارامترهاي هیدرولیکی جریان بر غلظت رسوب حاصل از فرسایش ورقهاي با استفاده از فلوم شیبپذیر آزمایشگاهی اجرا شد. آزمایشها از طریق ایجاد ترکیبهاي مختلف شیب 2/1 - ، 2/8، 3 و 4 درصد - و دبی جریان 70 - و 100 میلیلیتر در ثانیه - بر روي 30 نمونه خاك کشاورزي متعلق به مناطق مختلف اطراف شهر کرمان انجام شد. طی هر رخداد فرسایش، با استفاده از روش ردیاب پرمنگنات پتاسیم، سرعت جریان سطحی اندازهگیري شد. در ادامه، شاخصهاي هیدرولیکی جریان شامل تنش برشی، قدرت جریان و قدرت جریان واحد تعیین شدند. نتایج نشان داد که با افزایش سه پارامتر یادشده، غلظت رسوب حاصل از فرسایش ورقهاي بصورت خطی افزایش یافت. در واقع افزایش شیب و دبی جریان ورقهاي، افزایش تلفات خاك را در پی داشت. یافتههاي این پژوهش لزوم توجه به اهمیت مدیریت صحیح و استفاده از روشهاي اصولی حفاظت خاك بهویژه در اراضی شیبدار تحت کشت دیم را نشان داد.
کلمات کلیدي: سرعت جریان، تنش برشی، قدرت جریان، قدرت جریان واحد، فلوم شیبپذیر.
مقدمه
خاك یکی از مهمترین منابع طبیعی هر کشور است که فرسایش خاك بهعنوان تهدیدي براي آن و در نتیجه بقاي بشر محسوب میشود - رفاهی، - 1385 با تشدید بهره برداري هاي انسان از طبیعت، فرسایش خاك و پیامدهاي ناشی از آن اثرات منفی خود را بر اکوسیستم حیاتی وارد ساخته است. اثرات ناشی از این دخالتها نه تنها در مکان وقوع، بلکه در خارج محل رویداد نیز بصورت انباشت رسوبات روي اراضی کشاورزي مرغوب، مراتع و کانال هاي آبیاري بیش از هر زمان دیگري مشهود و نمایان است . - Rahmati et al., 2016 - ایران یکی از هفت کشور آسیایی است که بیشترین میزان هدررفت خاك را دارد و در جهان از نظر حجم فرسایش خاك ایران داراي رتبه دوم است - بیات و همکاران، . - 1390 آب یکی از مهمترین عوامل فرسایشی پوسته زمین بوده و در مسیر حرکت خود موادي را بهصورت محلول، معلق و بار بستر حمل میکند و سبب بروز فرسایش آبی میشود. فرسایش آبی داراي دو پدیدهکاملاً متفاوت است، در مرحله اول ذرات خاك سطحی در اثر برخورد قطرات باران به سطح خاك خرد میشوند و در مرحله دوم رواناب سطحی حاصل از باران این ذرات خردشده را با خود حمل میکند - عابدي، . - 1391 رواناب سطحی یکی از عوامل پراهمیت در هدر رفت خاك است - . - Jones et al, 2014 رواناب ایجادشده بر اساس دبی رواناب و پارامترهاي دیگر مؤثر بر افزایش قدرت تخریب رواناب میتواند باعث جداشدن و حمل مواد شود و بهمرور باعث تخریب در محل برداشت و رسوبگذاري در نقاط دیگر میشود. تعیین خصوصیات هیدرولوژي و فرسایشی خاك مهمترین عامل در تعیین مراحل فرسایش خاك و عامل کلیدي در بسیاري از ارزیابیهاي خطر فرسایش و دستگاههاي مدیریت فرسایش است . - Scholten, 1977 -
عامل فرساینده رواناب به خصوصیات هیدرولیکی جریان نظیر سرعت و عمق جریان بستگی دارد . - Lal, 1988 - غلظت رسوب در رواناب از طریق دبی و غلظت رسوب تعیین میشود . - .Zhang et al, 2014 - فرآیند جداشدن توسط جریانهاي رواناب وقتی اتفاق میافتد که تنش برشی یا قدرت جریان براي بیرون کشیدن ذرات از بستر خاك، بهاندازه کافی بزرگ باشد - . - Zhang et al, 2003 هر جریان، تنش برشی مشخصی در سطح خاك ایجاد میکند که اگر بیشتر، از نیروي چسبندگی ذرات باشد موجب جدا شدن ذرات از سطح خاك میگردد . - Merritt et al, 2003 - افزایش قدرت جریان ناشی از افزایش شیب و یا دبی جریان، شرایط بهتدریج از حالت انتخابی براي ذرات ریز خارج شد و هم ذرات ریز و هم ذرات درشت منتقل میشوند - سیرجانی، . - 1391 اهمیت پارامترهاي هیدرولیکی در انتقال ذرات به خصوصیات جریان بهویژه قدرت جریان وابسته است . - Asadi et al, 2011 - در برخی پژوهشها، قدرت جریان بهترین برآوردکننده میزان رسوب در فرسایش ورقه اي شناخته شده است - . - Liu et al, 2014 در شرایطی که عامل فرساینده تنها جریان کمعمق رواناب باشد، غلظت رسوب بسیار کم است، اما با افزایش قدرت جریان ناشی از عامل فرساینده باران و رواناب غلظت رسوب بهشدت افزایش می یابد - ٢٠٠٧ . - Asadi et al, بطور معمول، غلظت رواناب با شیب و عمق رواناب رابطه مستقیم با یکدیگر دارند - - Nearing, 2001 بطوري که با افزایش شیب، نیروي برشی واردشده توسط سرعت جریان رواناب افزایش مییابد - . - Shi et al, 2012 تنش برشی، قدرت جریان و قدرت جریان واحد تابعی از عمق، سرعت جریان و شیب هستند - et al, 2003 . - Zhang پارامترهاي مختلف هیدرولیکی شامل تنش هیدرولیکی برشی، نیروي برشی طول واحد، قدرت جریان، قدرت جریان واحد و قدرت جریان مؤثر براي اندازهگیري قدرت جداسازي جریان استفاده میشوند - . - Guo et al, 2013 این پژوهش با هدف بررسی تاثیر پارامترهاي هیدرولیکی جریان بر غلظت رسوب ناشی از فرسایش ورقهاي با استفاده از فلوم شیب پذیر انجام شد.
مواد و روشها
با توجه به اهداف پژوهش 30 نمونه خاك زراعی از مناطق مختلف اطراف شهر کرمان تهیه شد. پس از تعیین منطقه با استفاده از GPS طول و عرض منطقه مورد نظر تعیین شد. نمونهبرداري از عمق 20-0 سانتیمتر سطحی خاك انجام و به آزمایشگاه منتقل گردید. ویژگیهاي فیزیکی ازجمله بافت خاك به روش هیدرومتري، رطوبت اشباع با استفاده از آون و ترازو و هدایت الکتریکی - EC - بهوسیله دستگاه هدایت سنج الکتریکی، واکنش خاك بهوسیله دستگاه pH متر دیجیتال اندازهگیري شد.
در این پژوهش براي بررسی فرسایش ورقهاي از فلوم شیبپذیر متعلق به آزمایشگاه فرسایش و حفاظت خاك استفاده شد. براي شبیهسازي فرسایش ورقهاي و جلوگیري از ایجاد شیار ابعاد سطح آزمایش به 180 در 20 سانتیمتر کاهش داده شد. در ابتدا هر نمونه خاك داخل فلوم ریخته و با دقت تسطیح شد. سپس نمونهها به آرامی از زیر اشباع و بعد از 24 ساعت آب زهکش تخلیه شد. براي ایجاد جریان ورقهاي آزمایشها بهصورت ترکیب چهار شیب 2/1 - ، 2/8، 3 و 4 درصد - و دو دبی 70 - و 100 میلیلیتر بر ثانیه - روي هر خاك اعمال شد. لازم به ذکر است که طی هر آزمایش، با استفاده از روش ردیاب پرمنگنات پتاسیم سرعت جریان سطحی تعیین شد. سایر پرامترهاي هیدرولیکی شامل تنش برشی، قدرت جریان و قدرت جریان واحد نیز تعیین شد Gimenez - Govers and، ٢٠٠٠ - . بر اساس دبی خروجی از فلوم و رسوب موجود در آن، غلظت رسوب محاسبه شد. در پایان، بین غلظت رسوب و پارامترهاي هیدرولیکی جریان ارتباط برقرار و معادله حاصل بدست آمد.
نتایج و بحث
برخی ویژگیهاي فیزیکی نمونه خاكهاي مورد مطالعه در جدول 1 ارائه شده است. طبق این جدول و با توجه به مقادیر شن، سیلت و رس کلاس بافت اکثر خاكها در دامنه لوم و لوم-شنی متغیر است. خاكها از نظر توزیع اندازه ذرات ثانویه باهم متفاوتند. میانگین وزنی قطر خاکدانه در حالت خشک داراي حداکثر 1/5 میلیمتر و حداقل 0/42 میلی متر و میانگین وزنی قطر خاکدانه در حالت تر داراي حداکثر 0/54 میلی متر و حداقل 0/09 میلی متر بود. ضریب تغییرات میانگین وزنی قطر خاکدانه در حالت تر با مقدار 50 درصد بیشتر از ضریب تغییرات میانگین وزنی قطر خاکدانه در حالت خشک با مقدار 31/25 درصد است.
جدول -1 حداقل، حداکثر، میانگین، انحراف معیار و ضریب تغییرات ویژگیهاي فیزیکی خاكهاي موردمطالعه.
ارتباط بین غلظت رسوب و پارامترهاي هیدرولیکی جریان در شکل 1 ارائه شده است. همانطور که مشخص است، با افزایش تنش برشی جریان، غلظت رسوب بهصورت خطی افزایش یافته است. در واقع با افزایش شیب به دلیل افزایش سرعت جریان رواناب و بهتبع آن تنش برشی و قدرت جریان، قدرت فرسایندگی رواناب افزایش مییابد و باعث افزایش میزان غلظت رسوب میشود. همچنین با افزایش شیب، نیروي برشی واردشده توسط سرعت جریان رواناب افزایش درحالیکه عمق رواناب کاهش مییابد shi et . - al, 2012 - همچنین غلظت رسوب با سرعت جریان رابطه معنیداري نداشت. همچنین رابطه مستقیم و خطی بین غلظت رسوب با قدرت جریان و نیز قدرت جریان واحد وجود دارد بهطوريکه با افزایش قدرت جریان و قدرت جریان واحد، غلظت رسوب بطور معنیداري افزایش پیدا کرد.
