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(åE1.16 ) |
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.
| ۲-۲ | G=KDV1.4 |
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 (Fd) به نیروی مقاومت خاک (Fr) از معادله (۴-۲) به دست می آید.
| ۴-۲ |
ψd: تنش برشی کل قطرات باران، ψs: چسبندگی ذرات خاک، Ad: سطحی از خاکدانه که ψd بر آن اعمال می شود و As: سطحی از خاکدانه که ψs بر آن اعمال می شود.
