بخشی از مقاله
چکیده
فرسایش شیاری که در نتیجه تمرکز رواناب بر روی شیب به وجود میآید، یکی از انواع مهم فرسایش خاک در دامنهها بهویژه در مناطق خشک و نیمهخشک با پوشش گیاهی ضعیف است. این نوع فرسایش خاک بهعنوان آغازین مرحله فرسایشهای درون آبراههای محسوب میشود. به همین دلیل، شناخت عوامل مؤثر بر آن از اولویت بالایی برخوردار است. تحقیق حاضر بهمنظور بررسی اثر شدت باران بر تنش برشی جریان در خاک مارنی انجام گرفت. آزمایش در 10 شدت مختلف باران - از 10 تا 100 میلیمتر بر ساعت - در سه تکرار در شرایط آزمای شگاهی انجام گرفت.
نمونههای خاک مارنی از منطقه نیمهخ شک غرب زنجان برداشت گردید و به فلومهایی به طول 4 متر و عرض 0/9 متر ریخته شد. فرسایش شیاری در سه شیار دست ساز تحت شرایط آزمای شگاهی بر ا ساس مدل WEEP مورد برر سی قرار گرفت. نتایج ن شان داد که تنش بر شی تحت تأثیر شدت باران قرار دارد
شدت باران 30 میلیمتر بر ساعت بهعنوان شدت باران آستانه برای شروع تنش برشی بود. تنش برشی جریان از روند ثابتی همگام با افزایش شدت باران پیروی نکرد. در شدت باران 60 میلیمتر بر ساعت، تنش برشی جریان به اوج رسید و از آن پس به دلیل افزایش سرعت جریان نسبت به دبی و نیز کاهش غلطت رسوب از میزان تنش برشی جریان به تدریج کاسته شد. به طور کلی این پژوهش نشان میدهد که شدت بارندگی، عامل مهم تغییرات شاخصهای جریان است.
مقدمه
فرسایش شیاری عبارت از جداسازی ذرات و انتقال آنها توسط جریان متمرکز آب روی دامنه است که منجر به تشکیل کانال فرسایشپذیر باریک و دراز روی دامنه میشود . - 2 - فرسایش شیاری در کنار فرسایش ورقهای بیشترین نقش را در فرسایش خاک در دامنهها ایفاء میکند
فرسایش شیاری از تمرکز جریانهای کمعمق و نازک سطحی رخ میدهد. به طوری که رواناب تمرکز یافته، ذرات خاک را با سرعت بیشتری نسبت به فرسایش بینشیاری جدا مینماید. با تداوم بارش، نیروی جریان و جدا شدن ذرات خاک در اراضی شیبدار، شیارها را بزرگتر مینماید
گسترش فرسایش شیاری به شدت بارندگی، سرعت جریان آب، خصوصیات هیدرولیکی جریان، درجه، طول شیب - 17 - و خصوصیات خاک - 19 - وابسته است. تأثیر خصوصیات خاک بر فرسایش شیاری را میتوان در مفهومی به نام فرسایشپذیری شیاری1 بیان کرد.
فرسایش شیاری تابعی از عامل فرسایشپذیری خاک، ظرفیت انتقال رواناب و تنش هیدرولیکی جریان آب میباشد . - 11 - نیروی برشی آب یکی از عوامل مهم در ایجاد فرسایش شیاری است. با افزایش نیروی برشی آب، قدرت آب در کندن خاک بیشتر شده و به تدریج شیار در سطح خاک به وجود میآید. هر چه نیروی برشی آب بیش تر باشد، خاک بیشتری کنده شده و شیارهای عمیقتری ایجاد میشود
آستانه تشکیل شیار زمانی است که تنش برشی بر مقاومت زبری هیدرولیکی خاک برتری یابد و این امر متأثر از میزان پوشش سنگریزهای سطح خاک و برخی ویژگیهای رواناب میباشد . بر اساس قانون آستانه حرکت ذرات، در جریانهای سطحی ناشی از بارش، کنش ذرات وقتی صورت میگیرد که تمام متغیرهای هیدرولوژیکی نظیر دبی جریان، قدرت آبراهه و تنش برشی بزرگتر از مقادیر بحرانی آنها در خاک گردند
شروع حرکت ذرات در نتیجه وارد شدن نیروی تنش برشی جریان ناشی از باران به ذرات است. همچنان که تنش برشی بر روی دامنههای شیبدار به آهستگی افزایش مییابد - با در نظر گرفتن دیگر آستانههای هیدرولیکی جریان - ، به نقطه بحرانی خواهد رسید که در آن، ذرات در جهت شیب دامنه شروع به حرکت مینمایند. بررسی تغییرات تنش برشی و پارامترهای هیدرولیکی جریان جزء اصول اولیه در بررسی زیرفرآیندهای فرسایش آبی و به بیان دیگر فرسایشهای ورقهای، بینشیاری و شیاری است
در پژوهشهای پیشین غالباً به بررسی فرسایشپذیری شیاری در یک یا چند نوع خاک تحت شیب معین پرداخته شده است. با این وجود ارتباط بین تأثیر شدت باران که بهعنوان یک عامل اصلی در تخریب خاکدانهها میباشد، بر روی خصوصیات مختلف جریان مانند تنش برشی تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است. اهمیت این موضوع در سازندهای مارنی که دارای ساختمان ضعیف و ناپایدار میباشند، بسیار بیشتر است. در این مطالعه سعی گردید که تغییرات تنش برشی جریان در بارانهای با شدت مختلف مورد اندازهگیری و محاسبه قرار گیرد و از آن تأثیر شدت باران بر تنش برشی جریان مورد تحلیل قرار گیرد.
مواد و روشها
نمونهبرداری خاک
نمونهبرداری خاک از بخش غربی حوزه آبخیز زنجانرود در شمال غرب استان زنجان انتخاب شد. از نظر زمینشناسی این منطقه بر روی رسوبات کوارتزی واقع شده است. سازندهای مارنی گسترده وسیعی از این منطقه را دربرگرفتهاند به طوری که حدود 20 در صد از سطح ا ستان زنجان را دربرگرفتهاند. فرآیند فر سایش در سازندهای مارنی بسیار فعال ا ست و م شاهدات ن شان میدهد که فر سایش شیاری در کنار سایر ا شکال فر سایش - سطحی و خندقی - از عمدهترین اشکال فرسایش آبی در این سازندها است.
تعیین ویژگیهای خاک
نمونهبرداری خاک از دامنهای تحت فر سایش شیاری از عمق صفر تا 30 سانتیمتر در سه نقطه در طول دامنه بردا شت و با هم مخلوط و یک نمونه مرکب تهیه شد. در مجموع حدود 4 تن خاک بردا شت و پس از هواخ شک شدن و عبور از الک 6 میلیمتر در آزمایشگاه مورد تجزیه فیزیکی و شیمیایی قرار گرفتند. برای این منظور توزیع نسبی اندازه ذرات به روش هیدرومتری - 8 - ، چگالی ظاهری خاک - BD - با استفاده از سیلندر فلزی به قطر 5 سانتیمتر و ارتفاع 4/9 سانتیمتر در صحرا - 5 - ، درصد سنگریزه - قطر 2 تا 8 میلیمتر - به روش وزنی، پایداری خاکدانه در خاکدانههای با قطر 6 تا 8 میلیمتر بر اساس میانگین وزنی قطر خاکدانههای پایدار - MWD - در آب به روش الک تر - 12 - تعیین شدند.
طراحی فلوم فرسایشی و دستگاه شبیهساز باران
برای برر سی تنش بر شی یک د ستگاه فلوم به طول 4 متر و عرض 90 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر و از جنس آهن طراحی و ساخته شد - شکل . - 1 برای اعمال بارانهای با شدت متفاوت، یک دستگاه شبیه ساز باران با صفحه بارشی به طول 4/5 متر و به عرض 100 سانتیمتر و ارتفاع 180 سانتیمتر طراحی و ساخته شد.
