بخشی از مقاله
خلاصه
فرسایش پسرونده یک تغییر ناگهانی در ارتفاع یا شیب است که آبکندها و درههایی را ایجاد میکند و بسته به عوامل مختلف میتواند در محدودهي ارتفاعی کم تر از یک اینچ تا چندین فوت تغییر نماید و به سمت بالادست حرکت کند. در تحقیق حاضر تعداد پنج نمونه خاك چسبنده، با ترکیب متفاوت رس و سیلت و با تحکیم بلندمدت و کوتاهمدت در شرایط طبیعی، مورد آزمایش قرارگرفت و در نهایت میزان تغییرات مهاجرت و رسوب تولید شده بررسی شد.
نتایج نشان داد که با افزایش درصد رس، مهاجرت طولی به سمت بالادست با زاویهي قائمتري صورت میگیرد. کاهش یکسان مقدار رس در تحکیم بلندمدت وکوتاهمدت، باعث شد که مقدار کل مهاجرت طولی و کل حجم رسوب تولید شده تقریباً 2/5 برابر در تحکیم بلندمدت نسبت به کوتاهمدت افزایش یابد. تاثیر کاهش میزان درصد رس در نمونه تحکیم بلندمدت مشهودتر بود.
1. مقدمه
خاك به عنوان یکی از مهم ترین منابع طبیعی نقش بسیار عمدهاي در زندگی انسان را دارا میباشد. امروزه فرسایش خاك و تولید رسوب، معضلی است که روز به روز روند افزایشی پیدا میکند .[1] فرسایش خاك در مقیاس جهانی، منطقهاي و محلی یکی از معضلات اساسی میباشد .[2] فرسایش پسرونده1 یکی از مشخصترین انواع فرسایش در تلفات خاك است .
بیشتر از 60 درصد فرسایشها در رودخانهها از همین نوع است .[4] این نوع فرسایش در بسیاري از کشورها منبع اصلی تولید رسوب حوزهها میباشد 5]، 6 و .[7 تا جایی که مشارکت آن در تولید رسوب نسبت به کل فرسایش خاك از 10 تا 94 درصد گزارش شده است . این پدیده یک تغییر ناگهانی در ارتفاع یا شیب است که آبکندها و درههایی را ایجاد میکند و بسته به عوامل مختلف میتوانند در محدودهي ارتفاعی کمتر از یک اینچ تا چندین فوت تغییر نماید و به سمت بالادست حرکت کند
وقوع این پدیده بر خطالقعر رودخانهها، به ویژه رودخانههاي کوچک، تاثیر میگذارد و عامل اولیهاي براي گسترش فرسایش و آبشستگی سواحل رودخانهها میباشد . هرچه چسبندگی رسوب بستر بیشتر باشد، حرکت این آبشارها به سمت بالادست با زاویهي قائمتري مشاهده میشود. پدیده فرسایش پسرونده میتواند در مناطق با چسبندگی کمتر هم دیده شود. هر چه چسبندگی کمتر باشد، سرعت حرکت بیشتر میشود. با حفظ شرایط طبیعی حوضه آبخیز، یعنی توجه به نوع جریان، رسوب و شیب آن، می توان از وقوع فرسایش پسرونده جلوگیري کرد .
در نواحی مختلف ایران تاثیرات مخرب فرسایش پسرونده - آبکندي - بر محیط زیست، به صورت میدانی، بررسی شده است. با بررسی این پدیده در جنوب استان فارس این نتیجه بیان شد که مساحت و شیب لازم براي گسترش آبکندها در مناطق مختلف، به علت سازند زمین شناسی و خاك موجود در منطقه، تفاوت دارد.[14] همچنین مشاهده شد که رسوبات حاصل از فرسایش پسرونده در شمال غرب شیراز، در پشت سدهاي احداثی تهنشین شده و آنها را کاملا پر کردهاند.
روند فرسایش و رسوبگذاري ذرات دانهاي بسیار متفاوت از ذرات چسبنده و رسی میباشد وعموماً مهمترین چالشها در این زمینه، خصوصا در مجاورت سازههاي دریایی و آبی به چشم میخورد .[16] به دلیل پیچیدگیهاي خاك چسبنده، علیرغم وجود سازندهاي وسیع ریزدانه رسی موثر و حائز اهمیت بر فرسایش در کشور[17]، تحقیقات کافی در این زمینه وجود ندارد. لذا این تحقیق با هدف بررسی آزمایشگاهی میزان پسروي، کاهش تراز پیشانی آبشار و تولید رسوب فرسایش پسرونده در خاك چسبنده، با ترکیب متفاوت رس و سیلت و با تحکیم بلندمدت وکوتاهمدت در شرایط طبیعی، انجام شد.
2. مواد و روشها
به منظور انجام آزمایشها، از فلوم آزمایشگاهی موجود در موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو استفاده شد. فلوم به طول 12 متر، ارتفاع 60 سانتیمتر و عرض 45 سانتیمتر میباشد، که بازه مشاهداتی در تمامی آزمایشها، 3 متر طول دارد. شکل 1 سامانه آزمایشگاهی و بازه مشاهداتی را نشان میدهد.
طول بالادست آبشار 1/6 متر بود. در واقع آبشار تقریبا در وسط این بازه ایجاد شد. بدین ترتیب جریان در بالادست و پاییندست آبشار قابل مشاهده بود. همچنین در دورهي زمانی انجام تمامی آزمایشها، میزان پسروي درطول کمتر از 1/6 متر به یک مقدار ثابت رسید و فرصت براي توسعه یافتن جریان هنگام ورود به بازه مشاهداتی ایجاد شد. بالادست آبشار بدون شیب - سطح صاف - بوده، اما ارتفاع آبشار متفاوت است. در تمامی نمونهها، ضخامت لایه خاك چسبنده در پاییندست آبشار برابر 10 سانتیمتر و ضخامت آن در بالادست آبشار، مجموع ضخامت پاییندست و ارتفاع آبشار بود. با توجه به مغشوش بودن جریان در رودخانه، در بالادست بازهي مشاهداتی شن ریز ریخته شده تا جریان مشابه جریان رودخانهاي در فلوم ایجاد شود.
شکل-1 الف - سامانه آزمایشگاهی. ب - بازه مشاهداتی
جهت اطمینان از ایجاد جریانی مشابه جریان رودخانهاي در فلوم، قبل از شروع آزمایشها، بایستی تغییرات سرعت در عرض و ارتفاع جریان در فلوم را مورد بررسی قرار داد. این کار براي دبیها و عمقهاي مختلف در تمام طول 12 متري فلوم با استفاده از دستگاه سرعتسنج یک جهته مغناطیسی انجام شد. شرایط کف بستر فلوم در زمان برداشت سرعت کاملا صاف و صیقلی بوده و زبري کف روي پروفیل سرعت تاثیري ندارد. لذا سرعتهاي برداشت شده با پروفیل سرعت روي بستر نرم با تبعیت از قاعده لگاریتمی سرعت - قانون دیوار - براي بستر صاف، مقایسه شد. بین مقادیر اندازهگیري شده و مقادیر محاسبه شده هم خوانی قابل قبولی مشاهده شد.
به منظور انجام آزمایشها روي نمونههاي رسوبی، در ابتدا نسبت به آمادهسازي بستر براي چسبندگیهاي متفاوت و دوره تحکیم بلندمدت و کوتاهمدت اقدام شد. خاك چسبنده مورد استفاده، رس - کائولینیت - میباشد که توسط میزان اختلاط متفاوت با سیلت، میزان چسبندگی آن تغییر میکند. براي آمادهسازي بستر، ابتدا رسوبات معلق یکنواخت با کمک مخزن اختلاط رسوب و تعبیه صفحه پخش رسوب، از مخزن به بازه مشاهداتی، از طریق ایجاد باران رسوبی، پمپاژ شد. از آببند در فلوم و در دو طرف بازه مشاهداتی، به منظور خشک نگه داشتن بازه مشاهداتی در دوره پر کردن فلوم، استفاده شد. سپس فرصت رسوبگذاري و تحکیم به رسوبات - با توجه به نوع تحکیم - داده شد. زمان براي تحکیم کوتاهمدت یک روز و براي تحکیم بلندمدت هفت روز در نظر گرفته شد.در تمامی نمونهها، تحکیم به صورت طبیعی و تحت وزن رسوبات انجام گرفت. در تمام نمونهها، تحکیم به صورت طبیعی و تحت وزن رسوبات انجام گرفت. توسط شکافهاي موجود در کف فلوم آزمایشگاهی، زهکشی از یک سمت انجام شد. دبی جریان نیز توسط دستگاه تنظیم فرکانس موتور پمپ قابل تنظیم میباشد. مشخصات پنج آزمایش انجام شده در جدول 1 ذکر شده است. در پنج آزمایش انجام شده، ارتفاع آبکند: 15 سانتیمتر، متوسط عمق آب در بالادست آبکند: 5 سانتیمتر، دبی جریان: 5/6 لیتربرثانیه میباشد.
جدول -1 مشخصات آزمایشهاي انجام شده
بازه زمانی مشاهداتی تمامی آزمایشها یکسان و از دقیقه اول تا دقیقه 17 میباشد.6 نقطهي زمانی به عنوان مبناي اندازهگیري درنظر گرفته شده است - دقیقههاي 1، 2، 3، 5، 10 و . - 17 در طول انجام تمامی آزمایشها، از تغییرات آبشار فیلمبرداري و عکسبرداري شد. حرکت پسروي و افت آبشار، در عرض 45 سانتیمتري فلوم، به صورت یکنواخت نبود. به همین علت در تمامی آزمایشها، سه نقطهي مکانی به عنوان مبناي اندازهگیري میزان پسروي و افت آبشار در نظر گرفته شد - شکل . - 2 یک نقطه در وسط فلوم و دو نقطه دیگر به فاصلهي پنج سانتیمتري از جداره فلوم - به منظور حداقل شدن اثر جدارهها بر اندازهگیريها - . میانگین اعداد برداشت شده از این سه نقطه، در بازه زمانی مربوطه، در تجزیه و تحلیلها استفاده شد.
شکل-2 سه نقطه مکانی مبناي اندازهگیريها
3. نتایج و بحث
مطابق با نتایج ویلکوکس و همکاران - 18 - ، مشاهده شد که هرچه درصد رس بیشتر باشد، مهاجرت آبشار به سمت بالادست با زاویهي قائمتري میباشد. بطوریکه در شرایط رس خالص - آزمایش - 1 زاویه شیب آبشار نسبت به خط قائم 34/6 درجه است، اما در خاك با با 50 درصد رس به 40 درجه افزایش یافت، و این به دلیل چسبندگی بیشتر خاك رس و مقاومت خاك در مقابل فرسایش است.
تاثیر نوع تحکیم و درصد رس در این پنج آزمایش، مورد بررسی قرار میگیرد. در جدول 2 مشخصات آزمایشهاي مورد مقایسه ارائه شده است.
جدول -2 مشخصات آزمایشهاي مورد مقایسه
