بخشی از مقاله
مقدمه
فرسایش خاک یکی از جدیترین مسائل زیست محیطی در دنیاست. یکی از انواع مهم فرسایش آبی، فرسایش بین شیاری است که در مناطقی از جهان که در آنها شدت بارندگی زیاد است، میتواند قابل توجه باشد. عوامل متعددی بر شدت فرسایش در نواحی بینشیاری تاثیر میگذارند. این فاکتورها شامل خصوصیات باران - اندازه قطرات، مقدار و شدت بارندگی - ، خصوصیات خاک - ساختمان، بافت، پایداری خاکدانه، وزن مخصوص، رطوبت و غیره - و شرایط سطح خاک - شیب، پوشش گیاهی، توپوگرافی و غیره - است Sharma - ، . - 1996 در بین ویژگی-های باران، شدت بارندگی از یک طرف بر میزان جدا شدن ذرات خاک تاثیر داشته و از طرف دیگر با ایجاد رواناب، باعث تشدید نقش جریان رواناب در جدا کردن و انتقال ذرات میگردد.
از میان خصوصیات خاک که فرسایش را بیشتر تحت تاثیر قرار میدهد میتوان به ساختمان، بافت و کانیشناسی رس اشاره کرد. عوامل یاد شده از طریق تاثیر بر توزیع نیروهای فرساینده و همچنین نفوذپذیری خاک، بر قابلیت جدا شدن ذرات اثرگذار هستند Dlamini - ، . - 2010 عامل شیب نیز از جمله عوامل مهمی است که فرسایش خاک را تحت تاثیر قرار میدهد. یکی از خصوصیات شیب که در فرسایش خاک دخالت دارد طول شیب است.
با یکسان فرض کردن سایر شرایط در دو شیب هم درجه ولی با طول متفاوت میزان فرسایش در دامنه طولانی بیشتر از فرسایش در دامنه کوتاه است - رفاهی، . - 1386 نتایج تحقیقات نشان داده است که غلظت رسوب همراه با جریان نه تنها با افزایش درجه شیب بلکه با افزایش طول شیب به ویژه وقتی که درجه شیب به بیش از 10 درصد میرسد، زیاد میشود Kinnell - ، . - 2000 از دیدگاهی دیگر، فرسایش خاک فرآیندی دینامیک است که دارای تغییرات زمانی زیادی است - محمودآبادی و روحیپور، . - 1390 در شرایط طبیعی این تغییرات در اثر تغییر نیروهای فرساینده و عوض شدن شرایط و خصوصیات بستر فرسایشی رخ میدهد.
در مطالعات گذشته مشخص شده که در فرسایش ناشی از رواناب سطحی و در شرایط پایدار، تغییرات دینامیکی در خصوصیات رسوب بویژه توزیع اندازه رسوب رخ میدهد - محمودآبادی و سیرجانی، . - 1391 به طور کلی توزیع اندازه ذرات رسوب متاثر از عواملی نظیر توزیع اندازه ذرات خاک اصلی، میزان و نحوه خرد شدن خاکدانهها در حین فرسایش، سرعت تهنشینی ذرات در اندازههای مختلف و انتقال انتخابی ذرات با اندازههای متفاوت میباشد - محمودآبادی و روحیپور، 1390؛ Asadi و همکاران، . - 2011 بر این اساس، تحقیق حاضر به بررسی تغییرات زمانی دبی رواناب در طول شیبهای مختلف و همچنین توزیع اندازه ذرات رسوب در بازههای زمانی متفاوت در فرسایش ناشی از باران و رواناب در دامنههای 1، 6، 12 و 18 متر میپردازد.
مواد و روشها
برای انجام این تحقیق از سامانه شبیهساز باران و رواناب پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری که مجهز به یک فلوم شیبپذیر به طول 6 و عرض 1 متر است و قابلیت شبیهسازی باران و رواناب را به طور مجزا یا همزمان دارد، استفاده شد. برای انجام این آزمایش از یک نمونه خاک مارنی مربوط به منطقه طالقان که قبلا توسط ذرتیپور - 1391 - مورد آزمایش قرار گرفته بود، استفاده شد. از خصوصیات بارز این خاک درصد بالای رس - حدود 50 درصد - است. قبل از انتقال خاک به داخل فلوم، بستر آن با ذرات ماسهای درشتدانه به عنوان لایه زهکش به ضخامت 5 سانتیمتر پوشانده شد.
سپس خاک مورد نظر پس از عبور از الک یک سانتیمتری، به اندازه 20 سانتیمتر روی لایه زهکش ریخته شد، بعد از آن با استفاده از غلطک آن را فشرده کرده تا به وزن مخصوص خاک منطقه مورد نظر رسید. قبل از انجام هر آزمایش - حدود 24 ساعت قبل - خاک را به آرامی از زیر اشباع کرده، آزمایشها پس از خروج آب اضافی مربوط به اشباع اولیه، با قطع جریان زهکش در خروجی فلوم، تنظیم شیب فلوم و شدت بارندگی انجام شد. آزمایشها با طول دامنه 1 و 6 متر با شدت بارندگی 55/9 میلیمتر بر ساعت و شیب 20 درصد انجام شدند. در آزمایش بعدی با طول شیب 12 متر علاوه بر اعمال بارندگی با همان شدت، دبی اندازهگیری شده از آزمایش 6 متر نیز از ابتدای فلوم وارد شد.
به همین ترتیب در طول دامنه 18 متری نیز دبی خروجی اندازهگیری شده از طول شیب 12 متر وارد شد. در تمامی آزمایشهای فوق، در زمانهای معین از رواناب حاوی رسوب خروجی نمونهبرداری صورت گرفت. بر این اساس، دبی رواناب خروجی و همچنین غلظت و دبی رسوب تعیین شد. دبی میانگین در هر آزمایش از تقسیم حجم کل رواناب به زمان جریان محاسبه گردید. برای محاسبه دبی ویژه مقادیر دبی متناظر به سطح دامنه - طول دامنه ضربدر یک - تقسیم شد. علاوه بر این، در کلیه آزمایشها تمامی رواناب حاوی رسوب در بازههای زمانی 10 دقیقه به منظور توزیع اندازه ذرات رسوب جمعآوری شد. برای تعیین توزیع اندازه ذرات بزرگتر از 0/063 میلیمتر از الک تر و ذرات کوچکتر از آن از روش هیدرومتری استفاده شد - توضیح آنکه دانهبندی مربوط به دامنه 12 متر فقط با الک تر انجام گرفته است - .
نتایج و بحث
جدول 1 نتایج مربوط به تغییرات دبی رواناب را نشان میدهد. با توجه به جدول مربوطه و مشاهده دبی جریان در بازههای زمانی 10، 20 و 30 دقیقه مشاهده شد که با گذشت زمان حجم رواناب بیشتر میشود. این به دلیل کم بودن رواناب و نرخ بالاتر نفوذپذیری در ابتدای آزمایش است. با گذشت زمان بتدریج خاکدانههای سطحی خرد شده و نفوذپذیری کاهش یافته و دبی زیاد میشود - ذرتیپور،. - 1391 همچنین با مقایسه دادهها میتوان بیان نمود که هر چه طول دامنه بیشتر میشود، میانگین دبی ویژه جریان خروجی بالاتر میرود. زیرا هر چه طول شیب افزوده میشود سطح بارش موثر افزایش مییابد و جریان زیر قشری در انتهای فلوم با ایجاد شرایط اشباع، نفوذپذیری را کم کرده و رواناب خروجی را افزایش میدهد.
در آزمایش 1 متری به علت کوتاه بودن طول دامنه، جریان زیر قشری شرایط اشباع را در انتهای فلوم فراهم نمیکند و رواناب خروجی کم میشود. همچنین در طول 6 متر باران تنها عامل موثر بر جدایی ذرات است پس دبی خروجی از آن نسبت به طول دامنههای بالایی، کمتر است. از طرفی در دامنههای 12 و 18 متر به این علت که علاوه بر بارندگی، رواناب هم از همان ابتدای آزمایش وارد شد، دبی جریان خروجی بیشتر شد. این روند افزایشی در دامنه 18 متر به دلیل بالاتر بودن مقدار دبی ورودی نسبت به 12 متر بیشتر است. نتایج تحقیقات Chaplot و - 2003 - Le Bissonnais هم نشان میدهد حجم رواناب با افزایش شدت باران، درصد شیب و طول شیب افزایش مییابد.
بررسی نتایج توزیع اندازه ذرات رسوب در سه بازه زمانی 10 دقیقهای برای 4 دامنه با طولهای 1، 6، 12 و 18 متر در شکل 1 - الف-د - نشان داده شده است. در دامنه 1 متری به دلیل کم بودن میزان رسوب خروجی تنها یک نمونه در پایان آزمایش دانهبندی شد که در این طول شیب، رسوب خروجی ریزتر از خاک اصلی است - شکل 1، الف - . در سایر دامنهها مقایسه دانهبندی در زمانهای متفاوت نشان میدهد با گذشت زمان درصد ذرات ریز کاهش مییابد و در مقابل درصد ذرات درشت به تدریج در رسوب خروجی بالا میرود - شکل 1، ب، ج، د - . همچنین با توجه به نمودارها میتوان نتیجهگیری کرد که در ویژگیهای رسوب به ویژه توزیع اندازه ذرات رسوب تغییرات دینامیکی وجود دارد که با گذشت زمان این تغییرات بیشتر دیده میشود.
همچنین مشاهده می-شود توزیع اندازه ذرات رسوب ناشی از جریان بین شیاری ریزتر از خاک اصلی میباشد. دلیلی که میتوان ذکر کرد این است که این ریزتر بودن رسوبات نسبت به خاک اصلی به دلیل عدم توانایی جریان بین شیاری در انتقال بخش درشتتر رسوبات جداشده ناشی از برخورد قطرات باران است. در ادامه با افزایش طول دامنه و بیشتر شدن نقش رواناب در جدا شدن ذرات، به تدریج رسوبات درشتتر شده و توزیع اندازه ذرات رسوب به خاک اصلی نزدیکتر میشود - محمودآبادی و سیرجانی، . - 1391 نتایج پژوهشهای Asadi و همکاران - 2011 - این روند را در ارتباط با تغییرات زمانی دانهبندی رسوب نشان میدهد.
