بخشی از مقاله
خلاصه
فرسایش بادي و معضلات مربوط به آن هرساله خسارات سنگینی به بخش هاي زیست محیطی، اجتماعی و سلامت جامعه وارد می کند. کنترل و یا به حداقل رساندن این مشکلات در الویت برنامه هاي ارگان هاي ذیربط در هر منطقه و همچنین در کشور عزیزمان، ایران، قرار گرفته است.
کاربرد محلول هاي پلیمري به عنوان یک روش نوین در تثبیت خاك ها مطرح بوده و روز به روز در دنیا در حال پیشرفت می باشد. در این پژوهش اثرات ریزش محلول هاي پلیمري در برابر فرسایش پذیري خاك مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمون ها به صورت آزمایشگاهی و با استفاده از تونل باد مدار باز راه اندازي شده، انجام گرفتند. با توجه به اثرات بهینه کاربرد محلول هاي پلیمري و در نظر گرفتن جنبه هاي اجرایی، فنی، زمان و هزینه بر اساس مطالعات انجام شده، به عنوان یک روش مفید معرفی گردیده و با توجه به مشکلات کشور ناشی از وقوع ریزگردها و صدمات جبران ناپذیري که بسیاري از شهرهاي کشور با آن روبرو می باشند، می تواند در جهت کاهش مخاطرات بکار رود.
.1 مقدمه
تاثیر بادها بر خاك هاي ریزدانه بیابان ها دو مشکل اساسی را به وجود می آورد. اولین معضل، فرسایش بادي و هجوم ماسه هاي روان به تاسیسات و منابع زیستی است که بخش هاي وسیعی از کشور همواره با آن مواجه هستند. از آنجا که مهمترین عوامل تشدید کننده فرسایش بادي فقر پوشش گیاهی و خشک بودن خاك می باشد و این عوامل خاص مناطق خشک هستند لذا بخش وسیعی از کشور به وسیله این فرسایش تهدید می گردد. دومین مشکل حاصل از تاثیر بادها بر خاك هاي ریزدانه بیابان ها، ایجاد ریزگردها است. گرد و خاك و طوفان هاي ماسه اي ایجاد شده در برخی از مناطق کشور ضمن آسیب رسانی به تاسیسات مختلف، آلودگی محیط زیست را سبب شده و صدمات جبران ناپذیر تنفسی به انسان وارد می سازد.
رسوبات حاصل از باد شامل دو گروه اصلی رسوبات لسی و رسوبات ماسه هاي بادي است. رسوبات حاصل از ماسه هاي بادي حدود 6 درصد سطح خشکی هاي کره زمین را تشکیل می دهد که حدود 97 درصد آن در مناطق خشک و وسیع ماسه زارها قرار دارد .[1] گرد و غبار یا ریزگرد به ذراتی بسیار کوچک و سبک سیلتی و رسی یا ماسه اي اطلاق می گردد که در اثر فرسایش بادي و بیابانزایی توسط باد تا مسافت بسیار طولانی جابجا و انتقال می یابند.
روش هاي تثبیت ماسه هاي روان بسیار متنوع بوده ولی اصولاً همه آن ها بر پایه کاهش اثرات فرسایشی باد و ایجاد پوشش بر روي خاك استوار می باشد. روش هاي تثبیت ماسه هاي روان شامل عملیات مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی می باشد. معمولاً براي حصول نتیجه بهتر تعدادي از روش هاي تثبیت را تواماً انجام می دهند.
جلوگیري از حرکت خاك هاي ریزدانه بادرفتی سابقه طولانی شده و در اتحاد جماهیر شوروي سابق، لیبی، هندوستان، پاکستان، الجزایر و تونس اقدامات زیادي در این زمینه انجام گرفته است. از سال 1338 اقداماتی در جلوگیري از حرکت تپه ها به عمل آمده است. طبق آمار سازمان جنگل ها و مراتع کشور بیش از 700 هزار هکتار از ماسه هاي روان نهال کاري، بذرپاشی و مالچ پاشی شده است. با توجه به هزینه هاي بسیار سنگین کنترل فرسایش بادي، دشوار بودن شرایط کاري، انتخاب شیوه هاي اصولی و فنی در جهت تثبیت این مناطق علاوه بر افزایش راندمان کار در کاهش هزینه ها نیز موثر خواهد بود.
در سال هاي اخیر استفاده از مواد پلیمري مصنوعی، به منظور افزایش پایداري، افزایش قطر ذرات خاك و تثبیت آن مورد توجه جدي قرار گرفته است. از بارزترین خاصیت پلیمرها این است که باعث اتصال ذرات به یکدیگر شده و خاکدانه هاي درشت تري را ایجاد می نمایند که در واقع سبب افزایش پایداري خاك دانه ها می گردد و در صورتی که تمام دانه هاي سطحی تا عمق نفوذ پلیمر، به یکدیگر چسبیده شوند، لایه اي یکپارچه تشکیل می شود که کنده شدن آن لایه توسط نیروي باد، به آسانی میسر نیست.
در واقع مواد پلیمري محلول در آب پس از رقیق شدن در آب بر روي خاك پاشیده شده و در معرض هوا تشکیل شاخه هاي گسترده پلیمري می دهد که در نتیجه می تواند با ایجاد پیوند بین ذرات خاك، موجب افزایش مقاومت ذرات در برابر فرسایش باشد. با این حال عملکرد یک ماده پلیمري به عنوان تثبیت کننده خاك در برابر فرسایش بادي تابع عوامل مختلفی است که از جمله می توان به میزان غلظت محلول پلیمري، ارتفاع ریزش آن، چگونگی افزودن آن به خاك، نوع و اندازه ذرات خاك، توزیع دانه بندي خاك و دوام آن محلول پلیمري در برابر عوامل محیطی - رطوبت، دما و تغییرات آن ها - و بعضی عوامل دیگر اشاره نمود.
.2 مروري بر تحقیقات گذشته
پلیمرها پس از مخلوط شدن با حلال یا آب بر سطح خاك پاشیده می شوند. آب محلول پس از پاشیده شدن بر سطح خاك تبخیر شده و یا در عمق خاك نفوذ می کند و پلیمر ذرات خاك را به هم متصل می نماید و به این صورت یک لایه به هم چسبیده ولی قابل نفوذ ایجاد می گردد.
سیدیکی و مور - 1981 - ، در تحقیقی بر روي کنترل فرسایش بادي و آبی خاك ماسه اي نشان دادند که ترکیب پلیمري بوتادین- استیرن براي کنترل فرسایش بادي و آبی عالی است و نفوذپذیري خاك تیمار شده با این پلیمر بطور قابل توجهی کاهش یافته است. کاربرد این پلیمرها بر خاك به صورت اسپري، مزیت هایی به صورت مکانیکی بر روي مخلوط خاك و پلیمرها نیز خواهد داشت
بررسی هاي انجام شده توسط تلی شوا و شولگا - 1986 - ، نشان داد که استفاده از پلیمرهاي محلول در آب از نوع - Si-Ad - محتوي 0/5 تا 0/8 درصد سیلیکن و با مصرف 375 گرم بر مترمربع بر روي ماسه، باعث اتصال ذرات ماسه شده و یک لایه به ضخامت 14-4 میلی متر با مقاومت نفوذ 0/49 - 2/9 مگاپاسکال ایجاد نمود. بر اساس همین بررسی ها ماده پلیمري اضافه شده تبخیر از سطح خاك و میزان فرسایش بادي را کاهش داد و بر جوانه زنی و رشد بذرها هم اثرات نامطلوبی نداشت
نتایج کنث و نوانکو - 2001 - ، نشان می دهد که اثر پلیمرها بر روي خاك، به صورت تشکیل خاکدانه هاي بزرگ از به هم پیوستن خاکدانه هاي کوچک تر ظاهر می شود. بررسی انجام گرفته در زمینه کاربرد پلیمر استات به میزان 30 تا 50 گرم بر مترمربع بر روي خاکستر حاصل از فعالیت هاي صنعتی نشان داد که پلیمر مذکور با کاربرد 15 تا 20 گرم بر مترمربع تشکیل یک لایه محافظ می دهد که در برابر بادي با سرعت 20 متر بر ثانیه 72 - کیلومتر بر ساعت - مقاوم و به مدت 6 تا 8 ماه پایداري خود را حفظ می نماید. نتایج تحقیقات با استفاده از پلیمر پلی آکریل آمید نیز نشان داد که کاربرد این ماده پلیمري بر سطح خاك، ظرفیت مقاومت در برابر فرسایش بادي خاك را افزایش می دهد و در این رابطه مقدار 4 گرم بر مترمربع پلیمر اضافه شده، مؤثر تر از مقدار 2 گرم بر مترمربع عمل نموده است .
نتیجه بررسی تأثیر ماده پلیمري با پایه پلی وینیل استات بر میزان فرسایش بادي خاك ها، توسط موحدان و همکاران - 1390 - ، نشان داد که ماده پلیمري مورد نظر با تشکیل یک لایه سطحی نسبتاً سخت که ماهیتاً با لایه تشکیل شده با آب در سطح خاك متفاوت است - به خصوص براي خاك با بافت متوسط و ماسه بادي - به خوبی می تواند فرسایش بادي با سرعت 26 متر بر ثانیه 93/6 - کیلومتر بر ساعت - را کاهش دهد .
تاثیر پلیمرهاي مختلف اوره-فرمالدئید - اگروال و رام، - 1981، اوره-فنول-فرمالدئید - پرکاش و کاپور، - 1981، اوره فرفورال فرمالدئید - لوکانیا، - 1968، پلی وینیل الکل - سیدیکی و مور، - 1981 و پلی وینیل استات - ساکاتا و همکاران، - 1970 بر روي مقاومت هاي فشاري نمونه هاي خاك تثبیت شده مورد بررسی قرار گرفته است. این ترکیبات می توانند جهت افزایش مقاومت ماسه هاي بادرفتی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین این ترکیبات شبیه مصالح تزریقی که تمایل به ژله اي شدن و یا همانند تثبیت کننده هاي پایه قیري که براي رشد گیاهان مضر هستند، نمی باشند. این یکی از فواید مهم این ترکیبات است که استحکام و مقاومت خاك را بهبود می بخشند، از فرسایش آن جلوگیري می کنند و حتی ممکن است براي رشد گیاهان مفید باشند
.3 تونل باد
اندازه گیري عوامل موثر بر فرسایش بادي در شرایط مزرعه، دشوار و غیرقابل کنترل است از این رو، استفاده از دستگاه سنجش فرسایش بادي - تونل باد - به عنوان یکی از روش هاي قابل اجرا مطرح شده است
تونل هاي باد براي مطالعه اثرات باد روي جابه جایی خاك، توسط گروه هاي زیادي همچون بریگادیر ساخته شده است. بگنولد یکی از نخستین تونل هاي باد براي مطالعه حد آستانه حرکت خاك ها را ساخت. بگنولد - 1941 - ، با شروع فرسایش خاك قابل توجه در آمریکاي مرکزي در طول سال هاي 1930 دستگاه تونل باد دیگري در دانشگاه کانزاس در واحد پژوهشکده فرسایش خاك راه اندازي نمود. بعد از او توسط دیگر محققین از جمله چپیل - 1945 - ، هوریکاوا و شن - 1960 - و لاگی - 1981 - به کار گرفته شد. تونل باد جهت مطالعه حرکت ذرات تحت حرکت سیال در سیاره مریخ یکی از نخستین ساخته هاي ناسا به راهنمایی پروفسور رونالد گریلی - 1981 - می باشد.
در تونل هاي باد ثابت براي اندازه گیري فرسایش بادي، سینی هاي محتوي خاك در کف تونل قرار داده می شود و باد با مشخصات معینی وزیده می شود. اختلاف وزن سینی در دو دفعه توزین نشان دهنده مقدار فرسایش از سطح معینی است.
از آنجا که در اینگونه آزمایش ها برخی از عوامل موثر در فرسایش بادي خاك مانند رطوبت، چسبندگی ذرات و نوع خاك در مقدار سرعت آستانه موثر می باشند در نظر گرفته نمی شود و همچنین از آنجا که اینگونه آزمایش ها در خاك طبیعی انجام نمی گیرد - انتقال خاك طبیعی به داخل تونل ثابت آزمایشگاهی به دلیل به هم ریختن ساختمان آن عملی نمی باشد - بنابراین در اندازه گیري ها خطا ایجاد خواهد شد. تونل هاي بادي ممکن است مدار بسته و یا مدار باز باشند.
به منظور انجام مطالعات در خصوص مساله مورد نظر، دستگاه تونل باد مدار باز در محل آزمایشگاه شخصی تولید، نصب و راه اندازي شد. این تونل مشابه با تونل باد ساخته شده توسط اختصاصی - 1371 - و موحدان - 1390 - با انجام اصلاحاتی طراحی و ساخته شد.
دستگاه راه اندازي شده از چهار جزء اصلی تقسیم شده است. جزء نخست شامل موتور تولید باد تک فاز با مشخصات 2800 دور در دقیقه، جریان 18 آمپر، توان 3 کیلووات، قطر پروانه 35 سانتی متر می باشد. با توجه به قابلیت چرخش موتور در دو جهت سیستم می تواند به صورت حالت مکش و حالت هوادهی عمل نماید. با آزمایش هاي صورت گرفته در مورد تعیین سرعت باد توسط بادسنج دستی تهیه شده سرعت باد در حالت مکش بر روي ظرف نمونه داخل تونل حدود 10 کیلومتر بر ساعت از حالت هوادهی فن بیشتر می باشد. البته این حالت امکان استفاده از چندین سرعت باد جهت انجام تست هاي مورد نظر را فراهم می کند. لازم به ذکر است با توجه به طولانی تر کردن مسیر حرکت باد در دستگاه به سرعت هاي متغیر ولی کمتر می توان دست یافت.
حداکثر سرعت اندازه گیري شده بر روي ظرف نمونه و مماس با جداره پایین تونل باد حدود 38 تا 42 کیلومتر بر ساعت اندازه گیري شده است. سکوي نشیمن دستگاه طوري تنظیم شده که محور چرخش پروانه موتور در مرکز محفظه تونل باد قرار گیرد. پروانه مورد استفاده از جنس چدن و مقاوم در برابر ضربه ذرات خاك مورد آزمایش و با پره هایی با جهت 45 درجه نسبت به راستاي محور چرخش طراحی و ساخته شده است. در دستگاه تونل باد ساخته شده از فن لوله محوري استفاده شده است. فن لوله محوري شبیه فن پروانهاي است اما به جاي قاب، الکتروموتور و پروانه درون محفظهاي به شکل استوانه قرار میگیرند و پروانه آن چهار الی هشت پره با طراحی آیرودینامیکی یا مسطح دارد. استوانه کارایی فن را افزایش میدهد و طوري طراحی شده که با نوك پرهها فاصله کمی داشته باشد.
جزء دوم شامل دهانه ورودي دستگاه تونل باد با مقطع اولیه دایره اي و مقطع ثانویه مربعی شکل جهت اتصال به قطعات دیگر می باشد. سطح مقطع ورودي با قطر 45 سانتی متر حدود 1590 سانتی متر مربع و سطح مقطع خروجی با ابعاد 30 در 30 سانتی متر حدود 900 سانتی مترمربع می باشد.
جنس قطعات مختلف تونل باد، آهن گالوانیزه است که توسط بوشن هاي مخصوصی به یکدیگر متصل می شوند.
قسمت سوم شامل جعیه مکعب مستطیلی به ابعاد 1 در 0/3 در 0/3 متر با سه محفظه جهت تصویربرداري و اندازه گیري مشخصات مورد نیاز در نمونه می باشد. این بخش شامل محفظه و یا سینی نمونه به ابعاد 0/3 در 0/4 متري می باشد که حدوداً در ناحیه مرکزي آن قرار گرفته است.
قسمت نهایی - چهارم - دستگاه شامل مقطع شیپوري جهت انتقال هوا به داخل دستگاه می باشد. سطح مقطع اولیه آن 30 30 سانتی مترمربع و سطح مقطع بیرونی آن حدود 40 40 سانتی مترمربع می باشد. نمایی از قسمت هاي مختلف دستگاه در شکل 1 نشان داده شده است.
.4 تهیه نمونه ها براي آزمایش
تمامی آزمایش ها بر روي سینی هاي مخصوص تهیه شده به ابعاد 0/2 در 0/3 متري انجام شد. پس از انتقال خاك ها به آزمایشگاه و انجام آزمایش هاي طبقه بندي و مقاومتی جهت شناخت نوع و خواص آن، در سه رده یعنی مابین الک 8 و 30 - با قطر متوسط 1/48 میلی متر - ، مابین الک 30 و 50 - با قطر متوسط 0/45 میلی متر - و همچنین رد شده از الک 50 - با قطر متوسط 0/225 میلی متر - طبقه بندي گردید. جهت انجام تست ها، خاك ها در هر رده درون سینی هاي مخصوص ریخته شد. جهت بررسی نوع مواد افزودنی، آزمایش ها در سه حالت خشک، با پوشش آب و با پوشش محلول پلیمري انجام پذیرفت. نحوه ریزش آب و محلول هاي پلیمري توسط اسپري و هم به صورت وزنی و سقوط آزاد توسط آب پاش هاي مخصوص بود.
