بخشی از مقاله
چکیده
فرسایشپذیری شیاری نشاندهنده میزان مقاومت خاک در برابر جدا شدن توسط جریان آب است. این عامل یک متغیر ورودی مهم برای برآورد میزان فرسایش شیاری در بسیاری از مدلهای فرسایش است. در مدل پروژه پیشبینی فرسایش آبی - WEPP - ، فرسایشپذیری شیاری - Kr - به عنوان افزایش ظرفیت جدا شدن خاک به ازای هر واحد افزایش تنش برشی جریان آب بیان شده است. این پژوهش با هدف بررسی نقش شدت باران بر فرسایشپذیری شیاری در خاک رسی انجام گرفت. برای این منظور نمونههای خاک از عرصههای مارنی غرب زنجان جمعآوری شد و در شیارهایی به طول 4 متر و عرض 0/3 متر در داخل فلوم تحت باران شبیهسازی شده با شدت متغیر از 10 تا 100 میلیمتر بر ساعت مورد بررسی قرار گرفتند. آزمایش در 30 واحد آزمایشی تحت شرایط آزمایشگاهی انجام گرفت. نتایج نشان داد که فرسایشپذیری شیاری تحت تأثیر شدت باران قرار گرفت . - p<0/001 - شدت باران 30 میلیمتر بر ساعت به عنوان شدت باران آستانه برای انتقال ذرات از خاک شیار و ایجاد فرسایش شیاری بود. افزایش شدت باران، از یکسو افزایش ضربه قطرات باران و تخریب ساختمان خاک و از سوی دیگر تولید بیشتر جریان متمرکز در شیارها را به دنبال داشت.
واژههای کلیدی: جریان متمرکز، خاک مارنی، فرسایش شیاری
مقدمه
فرسایشپذیری شیاری1، حساسیت خاک دامنه را نسبت به تولید شیار تحت تأثیر جریان متمرکز آب نشان میدهد . - Foster et al., 1995 - در یک فرآیند فرسایشی، میزان جدا شدن ذرات خاک از شیار و در نتیجه فرسایشپذیری شیاری، تحت تأثیر ضربه قطرات باران و تنش برشی جریان رواناب در داخل شیار قرار دارد. سهم ضربه قطرات باران در فرسایشپذیری شیاری نیز به نوبه خود به شدت باران بستگی دارد. آگاهی از میزان تأثیر ضربه قطرات باران و تنش برشی جریان در مدلسازی فرسایش شیاری حائز اهمیت است. شدت فرسایش شیاری در مدلهای مختلف تابعی از تنش برشی جریان، تنش برشی آستانه و ظرفیت جدا شدن ذرات است . - Foster et al., 1995 - در مدل WEPP فرسایش شیاری و بینشیاری از یکدیگر جدا شده و از طریق معادله پیوستگی رسوب در حالت پایدار، برآورد میگردند . - Foster et al., 1995 - در مطالعه رومرو و همکاران - 2007 - ،
به تحقیق دربارهی فرسایشپذیری شیاری و بینشیاری در شمال کوهستانهای آند در جنوب غربی پرو پرداختند. برای انجام این پژوهش 17 مکان در سطح حوزه آبخیز انتخاب شد. سپس شیارهای دستساز در سه طول 3، 6 و 9 متر ساخته و تقریباً 10 دقیقه باران مصنوعی بر آنها اعمال شد بارندگی تا زمان وقوع فرسایش در شیار ادامه یافت. مقدار فرسایشپذیری شیاری از رابطه زیر تعیین شد : - Elliot et al., 1989 - که در آن: Dc ظرفیت فرسایش شیاری برای آب زلال - kg.m-2.s-1 - ، Kr فرسایشپذیری شیاری - Kg.N-1.s-1 - ، c تنش برشی بحرانی - N.m-2 - و تنش برشی جریان آب - N.m-2 - میباشد. مقدار - N.m-2 - بر اساس معادله - 2 - قابل محاسبه است: که در آن: وزن مخصوص سیال - N.m-3 - ، s شیب مسیر جریان است که برابر با - VLQ - و نیز بر حسب درجه میباشد،
h عمق جریان - m - ، u میانگین سرعت - m.s-1 - و w عرض جریان - m - میباشد. مقدار تنش برشی بحرانی - N.m-2 - - c - بر اساس عرض از مبدأ رابطه بین Dc و محاسبه میباشد. تنش برشی بحرانی کمترین مقدار تنشی است که باعث شروع رواناب و رسوب در خاک میشود که مقدار آن برابر 10-4 نیوتن بر متر مربع بود. در مطالعهای هایو و همکاران - 2016 - به بررسی اثرات شدت باران و درجه شیب بر روی فرآیند فرسایش شیاری در یک دامنه لوسی پرداختند. برای این منظور یک تشت خاک به طول 10 متر و درجه شیب قابل تنظیم 0-30 درجه تحت باران شبیهسازی شده قابل تنظیم 50، 75 و 100 میلیمتر بر ساعت قرار گرفت. نتایج نشان داد که فرسایش شیاری به صورت قابل توجهی به مقدار شدت باران و درجه شیب بستگی دارد . - p 0/001 - بررسیهای مختلفی درباره تأثیر ویژگیهای باران و خاک بر وقوع فرسایش خاک توسط آب انجام گرفته است.
در برخی پژوهشها تأثیر انرژی جنبشی باران بر تخریب خاکدانهها، پاشمان ذرات و تراکم خاک بررسی شده است. با افزایش میزان انرژی جنبشی قطرات باران، تخریب خاکدانهها افزایش و در نتیجه میانگین وزنی قطر خاکدانهها به طور معنیدار کاهش مییابد . - Valettea et al., 2006 - از سوی دیگر قطرات باران با افزایش مقدار رطوبت خاک، میزان تخریبپذیری خاک را افزایش میدهند . - Ruiz-Sinoga and Romero Diaz, 2010 - پدیدههایی مانند سله و تراکم خاک نیز به شدت تحت تأثیر ضربه قطرات باران قرار میگیرند - Neave and Rayburg, 2007 - و نقشی مهم در تشکیل جریان و فرسایش خاک ایفاء میکنند.
در پژوهشهای پیشین غالباً به بررسی فرسایشپذیری شیاری در یک یا چند نوع خاک تحت شیب معین پرداخته شده است. با این وجود تأثیر شدت باران که به عنوان یک عامل اصلی در تخریب خاکدانهها میباشد، بر روی فرسایشپذیری شیاری 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 فرسایشپذیری شیاری در بارانهای با شدت مختلف مورد اندازهگیری و محاسبه قرار گیرد و از آن تأثیر شدت باران بر فرسایشپذیری شیاری مورد تحلیل قرار گیرد.
مواد و روشها
آزمایش در نمونه خاک مارنی که دارای بافتی رسی بود در شرایط آزمایشگاهی تحت بارانهای شبیهسازی شده با 10 شدت بارندگی 10 - تا 100 میلیمتر بر ساعت - و در 3 تکرار انجام گرفت . - 10×3=30 - 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 درصد از سطح استان زنجان را دربرگرفتهاند . به علت داشتن ترکیبات خاص، نسبت به فرسایش حساس هستند، به طوری که بیشترین میزان فرسایش و تولید رسوب حوزه آبخیز سفیدرود را تولید مینمایند. بر حسب ترکیبات کانیشناسی، ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی، شرایط اقلیمی و توپوگرافی اشکال گوناگون فرسایش بر روی مارنها مشاهده میشود.
هر واحد آزمایشی عبارت از فلومی به ابعاد 0/9×4 متر مربع و به ارتفاع 30 سانتیمتر است که تحت شیب 10 درصد مستقر شد. کف فلوم دارای یک لایه شنی با قابلیت زهکشی بود و در درون آن خاک تا عمق 15 سانتیمتر ریخته شد. تعداد 3 شیار شبیه جویچه شخم به فاصله 30 سانتیمتر و ارتفاع 15 سانتیمتر و با طول 4 متر در راستای شیب به صورت دستی ایجاد شد. در پایان هر شیار تجهیزات جمعآوری رواناب و رسوب تعبیه شد - شکل . - 1 خاک داخل فلوم قبلاً از الکی به قطر 3 سانتیمتر عبور داده شد. برای اعمال شدتهای باران دستگاه شبیهساز باران با سیستم آبفشانی طراحی شد. در هر یک از شدتهای باران خاک هواخشک به داخل فلوم منتقل و پس از ایجاد شیار باران مورد نظر اعمال شد . مدت بارندگی در هر یک از شدتها یک ساعت در نظر گرفته شد و نمونه رواناب و رسوب از هر شیار جمعآوری شد. جرم و حجم نمونهها تعیین شد و سپس رسوب از رواناب با استفاده از کاغذ صافی جدا شد.
پس از خشک شدن نمونههای رسوب در آون 105 - درجه سلسیوس به مدت 24 ساعت - ، جرم رسوب و در ادامه حجم رواناب تعیین شد. دادههای رواناب و رسوب برای محاسبه شدت فرسایشپذیری شیاری - Kr - با استفاده از رابطه - 1 - مورد استفاده قرار گرفتند. به منظور تجزیه و تحلیل دادهها، ابتدا نرمال بودن توزیع آماری دادهها با استفاده از چولگی و کشیدگی تعیین شد. مقایسه میانگین بین شدت باران و شدت فرسایشپذیری شیاری به روش آزمون دانکن تعیین شد. برای این منظور از نرمافزار SPSS نسخه 20 بهره گرفته شد. برای رسم نمودارها از نرمافزار Excel نسخه 2013 استفاده شد.
نتایج و بحث تأثیر شدت باران بر فرسایشپذیری شیاری
نتایج تجزیه واریانس تغییرات فرسایشپذیری شیاری - Kr - در شدتهای مختلف باران نشان داد که شدت باران اثری قابل توجه بر فرسایشپذیری شیاری - p<0/000 - داشت - جدول . - 2 این نتیجه به این دلیل میتواند باشد که از یکسو افزایش شدت باران، افزایش تأمین آب در سطح خاک و در نتیجه تولید رواناب بیشتر را به دنبال دارد و از سوی دیگر در حالت وجود ضربه قطرات باران با افزایش شدت باران و در نتیجه افزایش تعداد ضربات قطرات باران، فروپاشی خاکدانهها افزایش مییابد. این
