شکل۱-۲ مکانیسم جداشدن ذرات خاک در اثر برخورد قطرات باران
۲-۱-۲ عوامل موثر بر فرسایش پاشمانی
۱-۲-۱-۲ خصوصیات باران
مقدار خاک پاشمان شده توسط قطرات باران به چندین عامل از قبیل شدت بارندگی، ویژگی­های قطره باران (سرعت سقوط، توزیع اندازه قطره) بستگی دارد (پلنچون و همکاران^[۱۳]،۲۰۰۰). قطرات باران پس از برخورد با زمین ذرات خاک را متلاشی می­ کند و به روند فرسایش آبی سرعت می­بخشد. در واقع انرژی قطرات باران عامل اصلی از هم پاشیدگی خاکدانه­های خاک است. و میزان آن تابع قطر قطرات، شدت و انرژی جنبشی باران است. شدت جدا شدن ذرات خاک در اثر پاشمان به انرژی جنبشی باران (کوآنشا^[۱۴]، ۱۹۸۱؛ شارما و همکاران^[۱۵]، ۱۹۹۱) بستگی دارد. گائو و بائو^[۱۶](۲۰۰۱) بیان کردند یک رابطه خطی بین مقدار فرسایش پاشمانی و حاصلضرب انرژی جنبشی باران و متوسط قطر قطرات باران (Ed₅₀) وجود دارد. و مقدار پاشمان با افزایش مدت بارندگی کاهش­می یابد. به گفته­ی جیانگ و لیو^[۱۷](۱۹۸۹)، انرژی باران و حداکثر شدت بارندگی در طی یک بارندگی کوتاه مدت، حداکثر تاثیر معنی­دار را بر فرسایش پاشمانی دارد. کینل (٢٠٠٣) در بررسی خود در استرالیا معادله­ نمایی بین میزان خاک متلاشی شده در اثر ضربه قطرات باران و انرژی جنبشی را به صورت معادله ۱-۲ ارائه کرده است:

۱-۲

Lose = ۰.۰۱۱(åE^1.16 )

که در آن E : انرژی جنبشی قطرات باران (ژول بر متر مربع بر میلی­متر باران) و Lose میزان پاشمان خاک (گرم).
الیسون ( ١٩۴۴) اندازه گیری پاشمان را با بهره گرفتن از کاسه مخصوص که توسط خود او طراحی شده انجام داده است. وی برای پاشمان رابطه سه مجهولی را ارائه داده که بر اساس آن فرسایش خاک تابعی از عوامل سرعت، شدت و قطر قطره بود. بیسال^[۱۸] (١٩۶۰) مقدار خاک پاشمان شده از خاک را بر حسب اندازه و سرعت قطرات در آزمایشگاه اندازه ­گیری کرد و به این نتیجه رسید که مقدار پاشمان خاک را می­توان از رابطه (۲-۲) تخمین زد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۲-۲

G=KDV^1.4

که در آن G: وزن خاک پاشیده شده برحسب گرم، K: ضریبی است که برحسب نوع خاک تغییر می­ کند، D: قطر قطره باران برحسب میلی­متر، V: سرعت برخورد قطره باران بر سطح خاک برحسب متر بر ثانیه.
وی وزن خاک جا‌به‌جا شده را تابعی از نوع خاک، قطر قطره و سرعت حد می­داند، با توجه به این نکته سرعت برخورد قطرات خود تابع قطر قطرات است لذا میزان ذرات جابه­جا شده بستگی به نوع خاک و قطر قطرات دارد. از آنجایی که جنس خاک بستگی به عواملی از قبیل میزان هوموس و مواد آلی، جنس سنگ بستر و غیره دارد، از اینرو با فرض ثابت بودن جنس خاک تنها عامل مؤثر در پاشمان همان اندازه قطرات است (خالدیان،۱۳۸۹). مورگان^[۱۹](۱۹۸۱) نشان داد که میزان جداشدن ذرات در اثر پاشمان با انرژی جنبشی باران رابطه توانی دارد و معادله­ آن به صورت ۳-۲ است.

۳-۲

که در آن، SD: میزان جدایش ذرات خاک برحسب کیلوگرم بر مترمربع و KE: انرژی جنبشی باران برحسب ژول بر متر مربع و a و b ثابت­های تجربی معادله هستند.
تینگ^[۲۰] ( ٢٠٠٨) در تحقیقی نتیجه گرفته که میزان پاشمان با شدت بارندگی و برخی خصوصیات فیزیکی خاک بستگی دارد. خالدیان و همکاران (۱۳۸۹) به منظور به­دست آوردن میزان فرسایش پاشمانی و رابطه آن با شدت بارندگی در ایستگاه­های هواشناسی کردستان تحقیقی انجام دادند، به طور کلی نتایج آنها رابطه منطقی و ریاضی بین میزان متلاشی شدن ذرات ماسه و شدت بارندگی را مشخص کرد و از آن جایی که میزان پاشمان در واحد زمان تابع شدت است، چنانچه پایه زمانی مورد نظر طولانی­تر شود، نوسانات شدت بارندگی بیشتر است. بنابراین هر چه پایه زمانی در نظر گرفته شده برای آزمایش اندازه ­گیری پاشمان کوتاه­تر باشد، دقت نتایج بیشتر است. علاوه بر انرژی جنبشی باران شاخص­ های دیگری شامل نیروی حرکت آنی قطرات باران(M) (رز^[۲۱]، ۱۹۶۰) یا انرژی جنبشی و محیط(پیرامون) قطره باران (سالس و همکاران^[۲۲]، ۲۰۰۰) ارائه شده است. سالس و پوسن^[۲۳] (۲۰۰۰) گزارش کردند که MD: ضرب نیروی حرکت آنی قطرات باران (M) در قطر قطره(D)، بهترین شاخص قطره باران در تعیین میزان جداشدن ذرات خاک در اثر برخورد قطرات باران است.
در همه مطالعات برای محاسبه انرژی جنبشی باران، فرض شده است که توزیع اندازه قطره تابعی از شدت بارندگی است و سرعت قطره باران، سرعت نهایی قطره در هوای آرام است. و در بعضی از مقالات اغلب آستانه شدت بارندگی به طور قراردادی و اختیاری در نظر گرفته شده است. به عنوان مثال هادسون در آفریقا شدت بزرگتر از ۲۵ میلی­متر در ساعت، مورگان در انگلستان شدت بیش از ۱۰ میلی­متر در ساعت را در نظر گرفت و در حالی که بولین تنها بارش بیش از ۱ میلی­متر در ساعت را در نظر گرفت.
در جنگل­ها عامل عمده ایجاد فرسایش بین شیاری، جداشدن ذرات خاک در اثر برخورد قطرات باران می­باشد. و در جنگل­ها به دلیل اثرات تاج پوشش(Throughfall)، ویژگی­های قطرات تاج بارش با ویژگی­های بارش در مناطق باز متفاوت است(میورا و همکاران^[۲۴]، ۲۰۰۲) . اندازه قطرات تاج بارش در مقایسه با باران­های باز، بزرگتر است زیرا در تعداد کمتری چکانده می­ شود (نانکو و همکاران^[۲۵]، ۲۰۰۴). به علاوه سرعت قطرات تاج بارش کمتر از سرعت حد است (لاوز،۱۹۴۱). زیرا ارتفاع سقوط آن­ها کمتر است. از این رو قطرات تاج بارش فرم­های ناپایداری دارند و فرم­های آنها بین کشیده و پهن تغییر می­ کند (اپما و ریزوبوس^[۲۶]، ۱۹۸۴)، قطرات کشیده قدرت فرسایش­گری بیشتری نسبت به قطرات پهن دارند (اپما و زیزوبوس، ۱۹۸۵). بنابراین قطرات تاج بارش، پتانسیل فرسایش­گری متفاوتی نسبت به باران­های باز دارند، در نتیجه فرسایش در مناطق جنگلی با فرسایش در مناطق باز متفاوت است. نانکو و همکاران، (۲۰۰۸) به منظور بررسی و مدل­سازی فرایند فرسایش بین شیاری در جنگل­های سرو در ژاپن، مقدار پاشمان خاک را با استفاده شاخص­ های قطرات تاج بارش(KE، MD) برآورد کردند. نتایج آنها نشان داد که مقدار پاشمان در جنگل با مقادیر کل شاخص­ های قطره باران همبستگی ضعیفی داشت اما با مقدار حداکثر شاخص­ های قطره باران در مدت کوتاه یک ساعته، همبستگی قوی داشت. این نتایج نشان می­دهد که ضربات مداوم و متمرکز قطرات باران در یک زمان کوتاه، دلیل تفکیک و پاشمان شدن خاک در اشکوب جنگل می­باشد.
به گفته­ی فرناندز و همکاران^[۲۷] (۲۰۱۰) شکل قطرات باران با اندازه آن­ها تغییر می­ کند، بنابراین در محاسبه­ی انرژی جنبشی قطره باران، قطرات بارانی که اندازه آن­ها بزرگتر از حد آستانه است غیر کروی در نظر گرفته می­شوند. بدون در نظر گرفتن این تصحیح شکل برای قطرات بزرگتر، انرژی جنبشی باران ۵۰% بیش از مقدار واقعی­اش برآورد می­ شود. با توجه به این که انرژی جنبشی باران تقریبا متناسب با توان ۴ قطر قطره است قطرات بزرگتر نسبت به قطرات کوچک­تر سهم بیشتری در انرژی جنبشی باران ایفا می­ کنند.
آستانه اندازه قطره باران در حدود یک میلی­متر است، قطرات کوچک­تر از یک میلی­متر قادر به جداکردن و انتقال ذرات خاک نیستند(سالس و همکاران، ۲۰۰۰). و همچنین ون دایک و همکاران (۲۰۰۲) حداقل شدت بارندگی برای ایجاد فرسایش پاشمانی را ۸/۰میلی­متر قرار داد. (به نقل از فرناندز و همکاران، ۲۰۱۰). بنابراین فرناندز و همکاران (۲۰۱۰) انرژی جنبشی باران را با در نظر گرفتن این دو آستانه محاسبه کردند و سپس رابطه انرژی جنبشی باران و سایر خصوصیات بارندگی با فرسایش پاشمانی اندازه ­گیری شده به وسیله دستگاه جام(پیاله) و قیف توخالی را بررسی کردند. و نتایج آن­ها حاکی از این بود که خصوصیات بارندگی از قبیل انرژی جنبشی، حداکثرشدت بارندگی، متوسط اندازه قطره و بارش کل بر میزان فرسایش پاشمانی اثر مثبتی داشتند. اما از بین این متغیرها انرژی جنبشی باران بیشترین ضریب همبستگی را با پاشمان داشت. ضریب همبستگی بین انرژی جنبشی محاسبه شده از آستانه شدت بارندگی و فرسایش پاشمانی با ضریب همبستگی انرژی جنبشی محاسبه شده از دو آستانه شدت بارندگی و اندازه قطره ، تفاوتی با هم نداشتند. و به­ طور کلی ضریب همبستگی انرژی جنبشی با میزان پاشمان به دست آمده از جام ، ۷۱% و در مورد قیف توخالی ۸۳%-۸۲% بود. همچنین نتایج آن­ها نشان داد که قیف توخالی فرسایش پاشمانی را نسبت به جام بیشتر تخمین می­زند زیرا:
۱- یکی از منابع خطا در اندازه ­گیری فرسایش پاشمانی، خروج مواد پاشمان شده توسط ضربات بعدی قطرات باران و جاروب کردن آنها توسط باد است که این خطا در جام بیشتر از قیف تو خالی (که به طور خاص برای کاهش این خطا طراحی شده است) بود. به طور کلی قیف تو خالی به گونه ­ای طراحی شده بود که از کم برآورد کردن فرسایش پاشمانی جلوگیری شود.
۲- فیلترهای جام به جای این که دارای انحنا باشند، صاف و مسطح­اند بنابراین این فیلترها به سختی جا به جا می­شوند و به راحتی منجر به هدررفت مواد جمع­آوری شده در صحرا و آزمایشگاه می­شوند.
۳- در قیف توخالی در مقایسه با جام ، رواناب به راحتی در قسمت بالای شیب تجمع می­یابد و با توجه به نقش عمق آب بر پاشمان این ویژگی قیف توخالی، فرسایش پاشمانی را کاهش یا افزایش می­دهد.
۴- دو دستگاه از نظر اندازه کمی باهم تفاوت داشتند و تصحیح پیشنهادی توری و پوسن^[۲۸]، ۱۹۸۸ در داده ­ها اعمال نشد.
گیبلر و همکاران^[۲۹] (۲۰۱۰) نشان دادند که در مناطق باز، ارتباط نزدیکی بین میزان تلفات شن (گرم بر متر مربع) و مقدار بارندگی(میلی­متر) و حداکثر شدت بارندگی (میلی­متر برساعت) وجود دارد. هرچند میزان بارندگی سالیانه در هرناحیه­ای تأثیر مستقیم بر میزان فرسایش دارد اما خصوصیات مهم­تری مانند اندازه قطرات باران و سرعت و تعداد آن­ها (شدت بارندگی) نیز هست که در شدت و ضعف فرسایندگی باران مؤثر است و نقش مهمتری نسبت به میزان بارندگی سالیانه در فرایند فرسایش دارند. نمونه بارز فرسایش در اراضی زیر پوشش تک درخت است، که دارای لاشبرگ نیست و بارش­های آرام با ریزش بر روی این پوشش سبب ایجاد قطرات درشت می­ شود و قطرات از ارتفاع زیاد سقوط کرده، به دلیل بالا بودن جرم و سرعت قطره سبب فرسایش در زیرتاج پوشش درخت می­ شود. از اینرو روش­هایی که متکی بر شاخص شدت بارندگی است اهمیت زیادتری نسبت به سایر خصوصیات باران می­توانند داشته باشند. افزایش شدت بارندگی باعث می­ شود قطرات درشت تر با انرژی بیشتری به ذرات خاک برخورد کنند در نتیجه میزان فرسایش پاشمانی به مراتب بیشتر خواهد بود. (خالدیان، ۱۳۸۹)
۲-۲-۱-۲ خصوصیات خاک
ارزیابی خصوصیات خاک که خاکدانه­ها را قادر به پایداری و مقاومت در برابر شکستن در اثر برخورد قطرات باران می­سازد، برای مدل­سازی فرایند فرسایش خاک و برای تعیین عملیات مناسب شخم در خاک­های مختلف، مفید است. (باگوی یو و بازوفی^[۳۰]، ۱۹۹۸). برای تخریب خاکدانه باید نیروی قطرات باران بر نیروی مقاومت ذاتی خاکدانه­ها غلبه کند. بنابراین وسعت خاک­های فرسوده به نیروی چسبندگی که واحدهای ساختمانی خاک را به هم متصل نگه می­دارد و آنها را قادر به مقاومت در برابر نیروی قطرات باران می­سازد بستگی دارد ( مایر^[۳۱]، ۱۹۸۱). براساس مطالعات توری و همکاران (۱۹۸۷)، شاخص تفکیک خاکدانه (D) با تعیین نسبت نیروی قطرات باران در جداسازی ذرات خاک (F_d) به نیروی مقاومت خاک (F_r) از معادله (۴-۲) به دست می ­آید.

۴-۲

ψ_d: تنش برشی کل قطرات باران، ψ_s: چسبندگی ذرات خاک، A_d: سطحی از خاکدانه که ψ_d بر آن اعمال می شود و A_s: سطحی از خاکدانه که ψ_s بر آن اعمال می­ شود.