مقاله رطوبت اولیه و فرایند نفوذ آب در خاک

بخشی از مقاله

رطوبت اولیه و فرایند نفوذ آب در خاک
چکیده
نفوذ آب دار خاک به عوامل و عناصر مختلفی وابسته است، از جمله بافت و ساختمان خاک، شیب زمین، اندازه ذرات، میزان تخلخل و... که سرعت و مقدار نفوذ آب در خاک را تحت کنترل خود دارند. شناخت عوامل تاثیرگذار و فرایندهای حاکم بر نفوذ آب در خاک .3 اهمیت ویژهای برخوردار است زیرا با شناخت این عوامل می توان رفتارهای ایجاد سیل و جریان سطحی، مدیریت بهینه آب در مزارع و ... را برررسی کرد و با دستیابی به دانش کافی در این زمینه به برنامه ریزی بهتری در محیط زیست اقدام کرد. در این پژوهشی از بین فاکتورهای تاثیرگذار یاد شده به نقش رطوبت اولیه خاک، در میزان نفوذ آب در خاک پرداخته شده است و به آشکارسازی چگونگی رفتار این عامل (رطوبت اولیه) اقدام گردیده است بطوری که در یک خاک خشک با درز و شکافها و میزان تخلخل ویژه، هنگامی که بارانی صورت میگیرد میزان نفوذ زیاد بوده، آب نفوذ یافته بدلیل افزایش حجم خاک از میزان تخلخل میکاهد و همچنین مقدار کمی ساختار خاک را بهم زده و میزان تخلخل و ارتباط بین منافذ را کاهش می دهد و بطور کل به حالت اشباع درآمده و ظرفیت جذب رطوبت را کاهش میدهد، اما فرایند مهمتر زمانی است که منبع تغذیه خاک (بارندگی) پایان پذیرد، در این موقع آبهایی که در لوله های موئین (منافذخاک) در حال نفوذ هستند هنگام پائین رفتن به عمق زمین در اثر نیروی گرانش، یک نوع کشیدگی و مکش ایجاد نموده و نیروی گرانش را بوسیله نیروی جاذبه بین مولکولی (نیروی آدهزیون) به دیواره لوله های موئین منتقل و آنها را دچار کشیدگی و در نهایت تخریب می نماید و این اصلی ترین عامل متحدود کننده نفوذ در خاکی با رطوبت اولیه نسبت به خاک خشک می باشد و اگر دوباره بارانی صورت گیرد این فرایند ظرفیت نهایی نفوذ را در یک نوع خاک ویژه کاهش میدهد.
واژه های کلیدی: هیدرولوژی، خاک، رطوبت اولیه، میزان نفوذ
مقدمه :
قابلیت نفوذ آب در خاک از اهمیت خاصی برخوردار است و فرایندهای زیادی را از خود متاثر میسازد. خاکهایی که از قابلیت نفوذ خوبی برخوردارند در مقایسه با سایر خاکها از مزایایی چون کمتر بودن خطر احتمال سیل در منطقه، تغذیه بهتر آبهای زیرزمینی، فرسایش و شستشوی کمتر خاک و ... برخوردارند. کاهش قابلیت نفوذ خاک نیز نتایج معکوسی بهمراه دارد از جمله اینکه در مناطق جنگلی بخاطر بافت و ساختار مناسب هم چنین عدم شستشوی خاک بدلیل غیر مستقیم بودن ضربات وارده به زمین که در حین بارش ابتدا به شاخ و برگهای درختان و گیاهان برخورد می نماید و ... حتی در زمینهای شیب دار نیز به ندرت شاهد ایجاد پدیده سیل هستیم و این مناطق بخوبی آبهای زیرزمینی را تغذیه می کنند اما در این شرایط بهینه برای نفوذ آب در خاک حتی اگر یکی از عوامل مثلا جنگل را حذف کنیم وضع بگونه ای دیگر خواهد شد، بتدریج شرایط بهینه نفوذ از دسترس خارج می شود و در چنین مناطقی اگر زمین شیب زیادی هم داشته باشد بطور مکرر شاهد ایجاد سیل خواهیم بود و هر بار که این پدیده رخ میدهد مقدار زیادی از بافت مناسب سطحی خاک را با خود حمل نموده و خاک را مورد شستشو قرار می دهد و بستر مناسب تری را برای ایجاد سیلهای بعدی فراهم می نماید، پدیده ای که در چند سال اخیر در مناطق کوهستانی استان گلستان بطور مکرر در اواخر تابستان مشاهده می شود. نفوذ آب در خاک بایستی از دو جنبه مورد بررسی قرار گیرد. یکی شدت نفوذ و دیگری مقدار نفوذ. شدت یا سرعت نفوذ به مقدار آبی گفته می شود که اگر در روی زمین وجود داشته باشد می تواند در واحد زمان در زمین نفوذ کند. آب فقط زمانی در سطح زمین انباشته یا جاری می شود که شدت بارندگی از سرعت نفوذ آب در خاک بیشتر باشد. سرعت نفوذ یکی از خصوصیات فیزیکی خاک است و به عوامل متعددی بستگی دارد، با توجه به اینکه سیلابهای حاصله از بارندگیها علاوه بر شدت بارندگی به سرعت نفوذ آب در خاک نیز بستگی دارد، لذا برآورد سرعت نفوذ آب در خاک در حوضههای آبریز حائز اهمیت فراوان است. نفوذپذیری خاک در شرایط اقلیم خشک و بویژه نیمه خشک (مستعدترین مناطق سیل خیز) از اهمیت بیشتری برخوردار است زیرا که شرایط آب و هوایی در این مناطق شرایط مساعدی برای ایجاد خاکی با بافت و ساختار مناسب جهت نفوذ فراهم نمی نماید و از طرف دیگر بویژه در مناطق گرم، بارانها حالت رگباری داشته منطقه نیز از پوشش گیاهی مناسبی برخوردار نیست که این عوامل به بارانهای شدید و رگباری اجازه شستشو، فرسایش و در نهایت ایجاد پدیده سیل را به راحتی می دهد. در نیم قرن اخیر که آب و هوای کرهزمین بدلیل فعالیتهای مخرب بشر همچون افزایش گازهای گلخانه ای، دچار تغییراتی از جمله گرمایش جهانی گشته است، پدیدههای جوی نیز روندی متفاوت را در پیش گرفته اند بطوری که از اثرات تغییرات کنونی آب و هوا میتوان خشکسالیهای شدید(که میتواند پوشش گیاهی منطقه ای را از بین ببرد)، ترسالی، رگبارهای شدید و افزایش قدرت و تواتر طوفانهای حارهای - گرد و غبار - رعد وبرق را نام برد که همگی این عوامل می توانند منجر به تشکیل سیلهای بزرگ گردند و در آینده شدت این تغییرات روبه فزونی گذارده که مدیریت و برنامهریزی مناسب جهت مقابله با این بلایای طبیعی لزوم شناخت بیشتر و بهتر عوامل تاثیرگذار در نفوذپذیری خاکها و ایجاد شرایط مناسبب زهکشی زمین را میطلبید تا بدینوسیله اثرات چنین پدیده ای را به حداقل ممکن رساند. منابع آبهای زیرزمینی نیز بمیزان زیادی به نفوذپذیری خاک بستگی دارند. زیرا که عدم زهکشی مناسب خاک باعث می شود بیشتر بارشهای وی بطرق مختلف در سطح زمین جریان یافته و از دسترس خارج شوند. بعلاوه جهت آبیاری در مزارع، یکی از فاکتورهای مدیریت صحیح آب در مزرعه به شناخت فرایندهای حاکم بر نفوذ آب در خاک بستگی دارد، بگونه ای که در مناطقی که از کمبود آب رنج می برند این عامل بسیار تاثیر گذار بوده و با کاهش مصنوعی آن می توان زمینهای بیشتری را زیر کشت محصولات کشاورزی برد. بهرحال نفوذپذیری خاک در طبیعت از اهمیت زیادی هم برای جوامع بشری و هم محیط زیست برخوردار است و شناخت و مدیریت مناسب فاکتورهای کنترل کننده آن می تواند از بلایای طبیعی از جمله سیل و کاهش منابع آبهای زیرزمینی بکاهد، زیرا شناخت و کنترل فرایندهای حاکم بر نفوذ آب در خاک از دو جنبه می تواند برای جوامع بشری مفید باشد. ابتدا در مورد جلوگیری از ایجاد پدیده سیلاب، شستشوی خاک، فرسایش و تغذیه آبهای زیرزمینی که با فراهم کردن شرایط مناسبتر برای نفوذ آب می توان در این زمینه فعالیتهای مفیدی در حوضه های آبریز انجام داد و از طرف دیگر درمواردی چون مدیریت آب در مزارع، افزایش آبهای سطحی (با هر هدفی) و ... میتوان با انجام فعالیتهایی در جهت نفوذ کمتر آب در خاک به اهداف مورد نظر رسید.
فرایندهای حاکم بر نفوذ آب در خاک ورود آب به داخل خاک در اثر دو نیروی گرانشی و موئینگی صورت میگیرد. در ابتدا که خاک خشک است هر دو این نیروها در فرایند نفوذ شرکت دارند و نیروی موئینگی بطور گسترده و قوی عمل می کند تا اینکه خاک به حالت اشباع درآید و از این زمان به بعد تنها نیروی گرانشی زمین است که آب را به سمت پائین میکشد و باعث نفوذ می شود. اما در فرایند نفوذ عوامل تاثیرگذار دیگری نیز وجود دارند که باعث تسریع و محدودیت در فعالیت دو نیروی بالا شده و نفوذ را از خود متاثر می کنند، از جمله : بافت و ساختمان خاک، پوشش گیاهی، شیب زمین، قابلیت پراکندگی ذرات سطحی و رطوبت اولیه خاک می توانند فرایند نفوذ را از خود متاثر نمایند.
از نظر اندازه قطر کانی ها؛ هرچه دانه ها ریزتر باشند بطور طبیعی نسبت تراکم آنها زیادتر خواهد بود و برعکس در دانه های درشتتر فضاهای خالی بیشتری وجود خواهد داشت. شکل دانه ها؛ نیز بدین صورت عمل می کند که هر اندازه دانههای سنگ یا خاک از تنوع شکل بیشتری برخوردار باشند تخلخل زیادتری خواهند داشت و هر چه دانه ها به حالت کروی نزدیک تر باشند، تراکم زیادتری داشته و در دانههای بی شکل، نسبت تراکم کمتر و فضاهای خالی بیشتری وجود دارد. بنابراین هرچه دانه ها درشتتر و بی شکل تر باشند میزان قابلیت نفوذ آنها زیادتر خواهد بود. در مورد سنگها عامل دیگری نیز دخالت دارد و آن درز و ترکهایی هستند که منشاء متفاوتی داشته و هر چه این درزها بیشتر بوده و با یکدیگر ارتباط بهتری داشته باشند، قابلیت نفوذ را بالا می برند. بطورکلی نفذ پذیری سنگها نتیجه میزان تراکم حفره ها و یا درجه شکافدار بودن آنها می باشد. پوشش گیاهی؛ از چند جنبه شرایط بهتری را برای نفوذ فراهم می کند، ابتدا اینکه بوسیله ریشه های خود حفرهها و شکافهایی در خاک ایجاد میکنند، دیگر اینکه گیاه خاک حاصل از مواد آلی گیاهی حالت فیبری داشته و بهبود بافت خاک برای فرایند نفوذ کمک می نماید، هم چنین پوشش گیاهی از برخورد مستقیم قطرههای باران به خاک و شستشو و یا فشرده کردن خاک جلوگیری می کند و بالاخره اینکه پوشش گیاهی این توان را دارد که علاوه بر متلاشی شدن قطرههای باران در اثر برخورد با پوشش گیاهی و تشکیل ذرات ریزتر، میتواند مقداری از آب حاصل از بارش را در لابلای شاخه و برگهای خود نگه داشته و بمانند یک منبع ذخیره ای آنرا بمرور زمان به سمت زمین هدایت نماید که به باران گیرش و یا برفگیرش مشهور میباشد. بطور کلی در زمینهای عاری از پوشش گیاهی، سطح خاک بسرعت سله بسته و جلو نفوذ آب سد می شود، درصورتی که در زمینهای با پوشش گیاهی، بدلیل خوب بودن ساختمان خاک این اتفاق نمی افتد. شیب زمین؛ نیز بطور آشکاری در جریان نفوذ آب دخالت دارد بدینگونه که هر چه زمین شیب دارتر باشد زمان نفوذ آب حاصل از بارش کمتر بوده و فرصت کمتری برای نفوذ وجود دارد و آب حاصله بسرعت جریان یافته و از دامنه ها جاری می شود، اما در یک زمین مسطح برای جریان یافتن آب بر روی زمین شیبی وجود نداشته و آب بصورت تقریبا راکد بر سطح زمین باقی می ماند و فرصت کافی برای نفوذ به داخل خاک برایش فراهم میگردد. قابلیت پراکندگی ذرات سطحی؛ نیز بدین صورت عمل میکتد که در حین برخورد قطرات باران به سطح زمین اگر لایه سطحی خاک حاوی مقدار زیادی یون قابل تبادل سدیم باشد، پس از مرطوب شدن ذرات خاک پراکنده شده و ظرفیت نفوذ را بشدت کاهش می دهد زیرا که ذرات لای و رس در لابلای منافذ خاک قرار گرفته و جلو نفوذ آب را سد می کنند. به همین دلیل نفوذ آب به داخل خاک در زمینهای رسی و سیلتی بسیار اندک است. فرایند نفوذ هم چنین به درصد رطوبت اولیه خاک قبل از بارندگی نیز بستگی دارد و دلیلی که برای این امر آورده می شود اینست که سرعت نفوذ آب در خاک مرطوب بخاطر بالا بودن درصد رطوبت اولیه کاهش پیدا کرده و لذا بخش زیادی از بارش ممکن است در سطح زمین جاری شود که در ادامه این پژوهشی به بررسی دلایل دیگر تاثیر رطوبت اولیه در کاهش نفوذ آب به خاک پرداخته شده است.
تاثیر رطوبت اولیه در نفوذ آب به خاک خاکی که از رطوبت اولیه برخوردار است نسبت به زمانی که خشک است از سرعت نفوذ بسیار پائینتری برخوردار است که می توان آنرا به دو مکانیزم زیر نسبت داد. در خاکی که رطوبت اولیه ندارد و خشک است، منافذ آن خالی و از هوا اشغال شده است و این منافذ ارتباط خوبی با یکدیگر دارند، در واقع خاکی که رطوبت دارد با خشک شدن آن و خارج شدن رطوبت، دچار کشش شد و چون حجم آن کمتر می شود، شکستگیها، منافذ و درزهای متعددی در آن بر اثر کشش حاصل از این کاهش ایجاد می شود و قابلیت نفوذ خوبی بد دسسهت می آورد، این خاک خشک وقتی که بوسیله یک منبع رطوبتی تغذیه شود مثل باران، سرعت نفوذ در آن بسیار زیاد بوده و منافذ از پیش ایجاد شده در آن بصورت آبراهههایی عمل کرده آب را به اعماق زمین میفرستد. آبهایی که در این منافذ در حال نفوذ هستند زمانی که تحت نیروی گرانش زمین به عمق خاک می روند روندی حال پائین رفتن است. اما با قطع رطوبت و منبع تغذیه کننده، آبهایی که در این منافذ در حال نفوذ هستند هنگام پائین رفتن به عمق زمین دراثر نیروی گرانش، بدلیل اینکه دیگر بوسیله آبهای بعدی تغذیه نمی شوند و جایگزینی غیر از هوا ندارند، در این زمان نوعی اختلاف چگالی بر منافذ وارد می شود که ناشی از چگالی و فشار بیشتر آب و چگالی و فشار بسیار کمتر حاصل از هوا است. در حقیقیت بمانند یک لوله عمل می کنند که آب از آن در حال پائین رفتن است و اگر منبع تغذیه کننده آن پایان پذیرد به ناچار بدنبال آخرین قطرات آب، هوا جایگزین میگردد و این اختلاف چگالی بر جدار لولههای موئین خاک نوعی فشار و مکش ایجاد کرده و آنها را تخریب می کند. مهمترین از این مورد، در همین زمان که منبع تغذیه کننده آب قطع می شود، آخرین قطرات آب که در حال پائین رفتن از منافذ هستند، هنگام پائین رفتن به عمق زمین یک نوع کشیدگی و مکش را در این منافذ ایجاد کرده که این بدلیل قدرت جذب بین مولکولی در مولکولهای غیر همجنسی (آدهزیون) می باشد که کشیدگی و مکش شدیدتری از اختلاف چگالی بر جدار لولههای موئین وارد می کند و آنها را دچار تخریب می کند. به بیان روشنتر آب بدلیل نیروی گرانش در خاک نفوذ میکند و بدنبال آن در جریان پیوسته، این آبهای در حال نفوذ، انرژی حاصل از گرانش زمین را بوسیله نیروی کوهزیون (نیروی جذب مولکولی بین مولکولهای همجنس)، به سایر مولکولهای آب منتقل کرده و نفوذ میکنند. اما با قطع بارش این نیروی گرانش که آب را به پائین میکشد، توسط آخرین قطرات آب نفوذی، از طریق نیروی آدهزیون (نیروی جذب بین مولکولهای غیر همجنس) که بسیار قوی می باشد، به جدار لوله های موئین و ذرات خاک منتقل می شود. دقیقا بمانند کسی که از ارتفاع (مثلا چاه) در حال سقوط است و با دستش دیگری را نیز بگیرد که در این حالت نیروی گرانش زمین را به وی نیز منتقل می کند و او را از حالت تعادل خارج و به پرتگاه میکشاند. در مورد اختلاف چگالی نیز چنین فرایند مشابه ای وجود دارد.

شکل.۱ منافذ خاک و نحوه عملکرد انتقال نیروی گرانش به جدار منافذ توسط مولکولهای آب.
بطورکلی اگر بارش از دو قسمت تشکیل شده باشد، با پایان یافتن قسمت اول بارش و نفوذ آب به داخل خاک، آبهای نفوذی بطور پیوسته از منافذ موئین پائین می روند و تنها با حجیم شدن خاک بدلیل مرطوب شدن، بمقدار کمی منافذ خاک کاهش مییابد. پس از این مرحله با قطع بارش، آخرین قسمت آبهای نفوذی از بارش اول، در حین پائین رفتن بدلیل اینکه بوسیله آبهای دیگر جایگزین نمی شوند هوا جای آنها را گرفته و اختلاف چگالی حاصل از تفاوت چگالی آب نسبت به هوا و همچنین مکش و کشیدگی حاصل از انتقال نیروی گرانش زمین (که بوسیله نیروی آدهزیون آخرین قطرات نفوذی آب) بر جدار منافذ ایجاد می شود، لوله های موئین را دچار تخریب می کنند. بنابراین اگر پس از مدتی قسمت دوم بارش شروع شود، دیگر از شرایط مناسب اولیه برای