بخشی از مقاله
معرفي مدل هاي رياضي و کامپيوتري برآورد فرسايش بادي
چکيده
فرسايش و پيامدهاي ناشي از آن گرچه سابقه اي به قدمت شروع زندگي انسان بر روي کـره زمـين دارد، اما سرعت تاثير آن بر اکوسيستم حياتي، از اوايل قرن بيـستم فزونـي يافتـه و بـا امتـزاج پديـده جغرافيايي ديگري به نام رسوب ، کاملاً نقش مخرب خود را نمايان ساخته است . لذا در جهت بـرآورد و پيش بيني اين پديده گام هاي موثري برداشته شده است ، کـه از آنجملـه بهـره گيـري از مـدل هـاي شبيه سازي فرسايش است که ابزار مناسبي جهت پيش بيني فرسايش و رسوب حاصل از آن مي باشد.
در واقع پيشرفت تکنولوژي، استفاده روزافزون از برنامه هاي نـرم افـزاري و مـدل هـاي کـامپيوتري را موجب گرديده و دامنه بهره گيري از آنها را در علوم مختلف گسترده تر ساخته است . در همين راسـتا در اين مقاله به معرفي تعدادي از مدل هاي شبيه ساز باد و برآورد فرسايش بادي همچـون RWEQ، WEPS،TEAM ،WEQ و WEELS پرداخته شده است . اين مدل ها بيـشتر کـاربرد منطقـه اي داشته و چهار مدل اول براي استفاده در ايالات متحده و مدل آخري جهت استفاده در خاکهاي سبک اروپا طراحي شده است . ليکن اين مدلها با استفاده از ورودي هاي مناسب در هر نقطـه از جهـان قابـل استفاده ميباشد. شايان ذکر است که در بيشتر موارد خروجيهاي اين مدل ها منطبق بر مقادير واقعي اندازه گيري شده است و لذا استفاده از آنها جهت برآورد ميزان فرسايش بادي توصيه مي شود.
کلمات کليدي: مدل هاي شبيه سازي، فرسـايش بـادي، WEQ،RWEQ ،WEPS ،TEAM ، .WEELS
پيشرفت تکنولوژي نرم افزارهاي کامپيوتري و شـناخت فرآينـدهاي فرسـايش و رسـوب و تـشخيص نسبي عوامل موثر بر آن ، امکان استفاده از انواع مدلهاي رياضي١ را فراهم نموده است . باد عامـل اصـلي تخريب و فرسايش در مناطق بياباني محسوب مي گردد، بنابراين براي جلوگيري از اثـرات تخريبـي آن بايد شناخت کافي از آن داشت (١) . فرسايش ، حمل ورسوب مواد توسط باد يا همان فرسـايش بـادي در بالغ بر يک سوم از اراضي سطح زمين رخ مي دهد(٩) .
شايان ذکر است که فرسايش بادي پديده اي نيست که صـرفاً ويـژه نـواحي خـشک باشـد بلکـه در کشورهاي شمال غرب اروپا نظير کشور سوئد نيز فرسايش بادي به عنوان يک معـضل وجـود دارد کـه اين معضل با عمليات کشت فشرده و سنگين در اراضي سبک بافت نيز تشديد مي گردد (٤). به طـور کلي در مواردي که سرعت باد از آستانه مورد نياز فرسايش پذيري خـاک بـالاتر بـوده و سـطح خـاک توسط پوشش گياهي، بقاياي سطحي، زبري خاک و بادشکن ها ٢ حفاظت نـشود، فرسـايش بـادي رخ مي دهد (٥).
به هر حـال گـستردگي و پيچيـدگي خـصوصيات بـاد و ارتبـاط فرسـايش بـادي بـا مجموعـه اي از خصوصيات اقليمي، پوششي و خاک سبب شده که امروزه از مجموعـه اي از روش هـا و تکنيـک هـاي نوين در جهت شناسايي کانون ها و محل هاي وقوع فرسايش بادي و روش هاي مبارزه با اين فراينـد و جلوگيري از توسعه آنها اتخاذ گردد . در اين زمينه مي توان بـه بهـره گيـري از اصـول GIS٣ RS٤ و اشاره نمود . اما آنچه که بيشتر مورد توجه و استفاده قرار مي گيرد استفاده از روش هاي مدل سازي و شبيه سازي خصوصيات باد و منطقه به کمک مدل هاي شبيه سازي٥ مي باشد . ماهيت اين مـدل هـا به اين صورت است که بخشي از اطلاعات و خصوصيات منطقه ، اقلـيم ، خـاک و پوشـش را بـه عنـوان ورودي از کاربر گرفته و پس از انجام عمليات پردازش خروجي ها را در اختيار کاربر قـرار مـي دهنـد.
اکثر مدل ها بر اساس معادلات ديفرانسيل و معادلات رياضي استوار مي باشـند و بهـره گيـري از ايـن مدل ها ميزان دقت عمل را بالا ميبرد، لذا در همين راستا ايجاد مدل ها و گسترش استفاده از آنها بـه نحو چشم گيري در حال افزايش مي باشد. نکته قابل توجهي که در مـورد ايـن مـدل هـا وجـود دارد قابليت استفاده از داده هاي واقعي (بطور مثال شرايط روزانه آب و هوايي ثبت شـده در ايـستگاه هـاي هواشناسي ) و يا شبيه سازي اين داده هاي از طريق زير روالهاي طراحي شده و در نهايت بکار گيـري هر يک ازاين دسته داده در محاسبات مي باشد. از اين مزيت ميتوان جهت بررسي کارايي شبيه سازي مدل در منطقه استفاده نمود .
شايان ذکر است که فرسايش بادي همانند بـسياري از نقـاط جهـان يـک مـساله جـدي در اراضـي کشاورزي ايالات آمريکا مي باشد و بـدين سـبب دپارتمـان کـشاورزي آمريکـا (USDA) و سـازمان حفاظت منابع طبيعي آمريکا ، فعاليت ها و تلاش هاي گسترده اي را در جهت ايجاد و توسعه اسـتفاده
1 از مدل هاي برآورد فرسايش آبي و بادي انجام داده انـد . واحـد تحقيقـات فرسـايش بـادي آمريکـا ، فعاليتهاي گسترده اي را در جهت گسترش مدل هاي پيش بيني فرسايش بادي انجام داده اسـت کـه نتيجه آن ايجاد مدل رياضي قدرتمند و پرکاربرد WEPS ميباشد .
مفهوم مدل
مدل ها در واقع بروز فرآيندها و وقايع را به صورت يک سلسله عوامل موجود در جوامع ، با زبان رياضي به نمايش مي گذارند (٣). مدل سازي فرسايش خاک فرآيندي است که در آن جداشدن ، حمـل و تـه نشست ذرات بر روي سطح زمين به صورت رياضي شرح داده مي شوند (٨) .
به بيان ديگر، تعيين و تشخيص روابط بهينه عوامل دخيل در بروز يک فرآيند و نمايش آن بـه صـورت قوانين مختلف رياضي منجر به تهيه مدل يا الگو گرديده کـه بعـضا بـه منظـور جلـوگيري از عمليـات پيچيده و وقت گير دستي، از ماشين و يا کامپيوتر در قالب نرم افزارهاي گونـاگون اسـتفاده مـي شـود (٢). لازم به ذکر است که مي توان سه دليل مهم و اساسي را جهت مدل سازي فرسايش خـاک بيـان نمود ، اولاً مدل ها را ميتوان به عنوان ابزاري پيش بيني گر جهت ارزيابي از دست رفـت خـاک و بـه دنبال آن به منظور طراحي روش هاي حفاظتي استفاده نمود، ثانياً مدل هاي رياضي بـا پايـه فيزيکـي مي تواند پيش بيني کند که کجا و چه موقع فرسايش خاک رخ مي دهد و ثالثاً مدل ها را مي توان به عنوان ابزاري جهت فهم و درک فرآيندهاي فرسايش خاک استفاده نمود (٨).
طبقه بندي مدل ها
به طور کلي مدل ها را به ٣ دسته تقسيم مي کنند کـه عبـارت از ، مـدل هـاي تجربـي٢، مـدل هـاي مفهومي ٣ و مدل هاي با پايه فيزيکي٤ يا مدل هاي رياضي مي باشند(٦). دسته اول يعنـي مـدل هـاي تجربي دسته اي از مدل ها هستند که در وهله اول بر پايه مـشاهدات اسـتوار مـي باشـند و عمومـاً در طبيعت به صورت آماري مي باشند. در واقع مدل هاي تجربي بر اساس منطـق اسـتقرايي٥ اسـتوارند و عموماً فقط براي مناطق و شرايطي که براي آن کاليبره شده اند قابل استفاده مـي باشـند. دسـته دوم يعني مدل هاي مفهومي به عنوان حدواسط بين مدل هاي فيزيکي و تجربي مي باشند و به نـوعي بـر اساس معادلات پيوستگي رسوب و پارامترهاي متوسط فضايي استوار هستند . دسته سـوم مـدل هـاي فيزيکي مي باشند که مجموع اجزا مشخصي را که بر روي فرسايش موثرند، همچون تـاثيرات پيچيـده
بين عوامل مختلف و تغييرپذيري هاي فضايي و موقتي آنها را شامل مـي شـوند ايـن دسـته از مدل ها به طور کامل بر پايه معادلات ديفرانسيل استوارند (٦).
مدل هاي تجربي: اين دسته از مدل هاي فرسايش به سـه دسـته تقـسيم مـي شـوند کـه عبـارت از مدل هاي جعبه سياه ١ ، مدل هاي جعبه خاکستري ٢ و مدل هاي جعبه سفيد٣ مي باشند .
مدل هاي جعبه سياه
اين مدل ها، ساده ترين دسته از مدل هاي پارامتري فرسايش هستند که از دست رفتن خاک و رسوب را به بارش باران و يا رواناب سطحي و يا وزش باد نسبت مي دهند. اين دسته از مدل ها بر تمرکز رسـوب نسبت به تخليه رسوب بيشتر استوار و متکي ميباشـند . مـدل هـاي جعبـه سـياه توضـيحي پيرامـون چگونگي وقوع فرسايش نمي دهند.
مدل هاي جعبه خاکستري
اين دسته از مدل ها به عنوان حد وسط مدل هاي کاملاً فيزيکي و مدل هاي جعبه سياه قرار گرفتـه انـد.
مدل هاي جعبه خاکستري در مواردي که برخي از جزئيات سيستم مورد مطالعه شـناخته شـده باشـد، استفاده ميشوند. و علل و دلايل بيشتر و بزرگتري از فرسايش را ميتوان با استفاده از اين مدل هـا بـه دست آورد. اين دسته از مدل ها معمولاً تجربي هستند و غالباً به صورت عبـاراتي هـستند کـه در آنهـا ارتباط بين از دست رفت رسوب و تعدادي زيادي از متغيرها، نشان داده مي شود.
مدل هاي جعبه سفيد
اين دسته از مدل ها در مواردي که کليه اطلاعات و جزئيات منطقه در دسترس باشد مـورد اسـتفاده قرار ميگيرند، چون فقط به ورودي و خروجي کار ندارند بلکه مجموعـه خـصوصيات درون سيـستم را نيز در نظر مي گيرند. عمده اين دسته از مدل ها ، جهت تامين اطلاعات اساسي بر روي وضـعيت آب و باد بسيار مناسب مي باشند .
در اينجا به معرفي و شرح برخي از مدل هاي برآورد فرسايش بادي که از دامنه کاربري وسـيع تـري برخوردارند پرداخته مي شود.
معرفي برخي از مدل هاي برآورد فرسايش بادي مدل WEQ
پس از انجام مطالعات و تحقيقات گسترده توسط دانشمندان و پژوهشگران علم فرسايش خـاک ، در نهايت اولين معادله جهت تخمين ميزان فرسايش بادي ودر سال ١٩٦٥ بـه دنبـال اصـلاحات کلـي در معادله جهاني فرسايش بادي٤که در سال ١٩٦١ ايجاد شده بود مدلي تحـت عنـوان معادلـه فرسـايش
بادي ١ توسط وودروف و سيدووي پيشنهاد شد(٨). اين مدل در نتيجه تحقيقات مختلف به منظور فهـم فرآيند فرسايش بادي و عوامل مختلف موثر بر آن و به دنبـال آن توسـعه روش هـاي مناسـب کنتـرل فرسايش بادي، ايجاد شده و توسعه يافته است ، شايان ذکر است که اين مدل جـز دسـته مـدل هـاي تجربي مي باشد . در اين معادله ميانگين پتانسيل سالانه از دست رفت خاک با نماد (E) و بـه صـورت تابعي از عوامل زير بيان مي شود .
در اين معادله (I) ايندکس فرسايش پذيري خـاک، (K) عامـل زبـري خـاک (C)، عامـل آب و هـوا (L)، عامل عرض يا پهناي مزرعه و (V) به عنوان پوشش گياهي سطح زمين است .
در واقع معادله WEQ به عنوان اولين مدل برآورد فرسايش بادي مـي باشـد، ايـن مـدل نـسبت بـه مدل هاي جديد رياضي از محدوديت هاي کاربري برخوردار است ، به اين معني که مدل WEQجهت برآورد فرسايش از مزارع منفرد ، جدا و همـسان اسـتفاده مـي شـود در حاليکـه مـدل WEPS بـراي شرايط غيرهمگن نيز قابل استفاده است (٧).
مدل RWEQ
مدل RWEQ به عنوان يک مدل نيمه تجربي يعني حدواسط مدل هاي تجربي و رياضي مي باشد، به بيان بهتر اين مدل به عنـوان ترکيبـي از مـدل هـاي تجربـي و رياضـي يـا مرحلـه اي مـي باشـد.
مدل RWEQ در نتيجه مجموعه مطالعات و فعاليتهاي يک تيم علمي به سرپرستي فريرير، زيـر نظـر دپارتمان کشاورزي و سازمان تحقيقات کشاورزي آمريکا و به دنبال انجام يکسري تغييرات و اصلاحات در مدل WEQ در سال ١٩٩٨ ايجاد گرديد . اين مدل بر اساس يکسري از معـادلات رياضـي اسـتوار مي باشد .
اين مدل و تکنولوژي فرسايش بادي ، فرسايش ذرات و حمل آنها توسط بـاد را بـين سـطح خـاک و ارتفاع ٢ متري از سطح تخمين مي زند . البته با توجه به اينکه ذرات ريز و معلق با وزش باد به ارتفـاع
