پیش بینی سرعت و جهت بادهای فرساینده در ایران
مقدمه
فرسایش بادی یک معضل جدی در بیشتر مناطق خشک و نیمه خشک دنیا و ایران است . توانائی پیش بینی دقیق فرسایش بادی خاک برای بسیاری منظورها ، از جمله برنامه های حفاظتی ، منابع طبیعی ، و کاهش آلودگی هوا ناشی از طوفان ضروری است ( 3 ) . از آنجایی که نیروی باد در طول سال ، ماه وحتی روز تا حد زیادی تغییر می نماید ، و همچنین قدرت فرسایندگی باد بستگی به توان سوم سرعت باد دارد . به منشور پیش بینی و کنترل فرسایش بادی در هر منطقه توزیع سرعت باد حائز اهمیت میباشد . همچنین علاوه برسرعت باد ، دانستن چگونگی تغییرات جهت باد در منطقه نیز امری ضروری است . زیرا نسبت جهت باد به جهت اضلاع زمین ، بادشکن ها ، ردیف کاشت گیاهان ، و شخم زمین ، نقش مهمی را در پیش بینی مقدار و جهت فرسایش بادی ایفا می کند ( 4) . مدل های مختلفی برای نشان دادن توزیع سرعت باد استفاده شده است . بی شک توزیع ویبل یکی از گسترده ترین توزیع هایی است که تا بحال برای نشان دادن پراکندگی سرعت باد مورد استفاده قرار گرفته است ( 5 ) . اهداف این پژوهش عبارت بودند از : 1 ) شبیه سازی ساعتی سرعت و جهت باد به روش استوکاستیک با استفاده از توزیع ویبل ، به منظور استفاده در مدل WEPS ، برای پیش بینی فرسایش بادی در شهرهای مختلف ایران ، 2) آزمون اعتبار سنجی توزیع ویبل و مدل کامپیوتری windpred ، در پیش بینی ساعتی سرعت و جهت باد ، . 3) ترسیم نقشه های سرعت و جهت بادهای فرساینده در ایران .
مواد و روشها
ابتدا 38 شهر که دارای حداقل 10 سال آمار ساعتی سرعت و جهت باد بودند ، انتخاب گردیدند . در مرحله بعد تعداد سال آماری هر شهری به دو دوره برابر تقسیم گردید ، بطوریکه از دوره اول برای شبیه سازی و از دوره دوم برای آزمون اعتبار سنجی مدل ( با استفاده از معنی دار بودن و نبودن ضرائب همبستگی ) استفاده شد . سپس با استفاده از توزیع ویبل ، شبیه سازی سرعت و جه باد بصورت ساعتی توسط برنامه Windpred ( 2 و 1 ) انجام گرفت . تابع توزیع تجمعی ویبل F (U) به صورت زیر میباشد :
(1) [-(u/c)k]F(u)=1-exp
که در این معادله u سرعت باد ( متر بر ثانیه ) ، c، پارامتر مقیاس ( با واحد سرعت ) ، و k پارامتر شکل ( بدون واحد ) ، میباشند ( 6 ) . در هرمرحله بعد ، دوره های باد آرام حذف و فراوانی باد در هر گروه سرعتی نرمالیزه گردیدند . بنابراین :
(2) [-(u/c)k]= 1-exp [ (F(u)-F0 ) / (1-F0)] F1(u) =
که در آن F1(u) توزیع تجمعی در حالتی است که دوره های باد آرام حذف شده است ، و F0 فراوانی دوره های باد آرام میباشد . پارامترهای k, c به روش حداقل مربعات و بکارگیری تابع توزیع تجمعی محاسبه شدند ( معادله 2 ) .
با استفاده از پارامترهای توزیع ویبل (c,k) فراوانی سرعت باد در هر ماه و در سال بصورت تجمعی و نرمال شده بدست آمد . به منظور شبیه سازی جهت باد ، اعداد بین صفر و یک بصورت تصادفی انتخاب ، و با جدول توزیع تجمعی جهت باد مقایسه گردیدند . برای شبیه سازی سرعت باد براساس جهت باد تعیین شده ، پارامترهای c،k توزیع ویبل برای آن جهت خاص از جدول های تعیین شده قبلی ، بدست امد و از معادله زیر استفاده گردید :
U= c{-1n[1-(F(u)-F0]/(1-F0)}1/k
با استفاده از روش انتخاب عدد تصادفی ، یک عدد بین صفر و یک انتخاب گردید . سپس این مقدار را به جای F(u) قرارداده و در نهایت سرعت باد شبیه سازی شده محاسبه گردید . به دلیل اینکه هدف شبیه سازی سرعت باد بصورت ساعتی بود ، با استفاده از رابطه زیر سرعت باد بصورت ساعتی شبیه سازی شد :
U(1)= Urep+0.5(umax-Umin) Cos[2p(24-hrmax+I)/24]
که در آن ، hrmax ساعتی از روز که سرعت باد حداکثر است ، I شاخص ساعت روز ، Umax سرعت باد حداکثر ، Umin سرعت باد حداقل ، و Urep سرعت شبیه سازی شده حاصل از معادله( 3 ) میباشد .
در مرحله بعد ، با استفاده از نتایج شبیه سازی شده ، نقشه درصد سرعت بادهای فرساینده و جهت غالب آنها ، و همچنین نقشه حداکثر سرعت باد و جهت غالب باد در هر ایستگاه با استفاده از نرم افزارهای SURFER و CorelDRAW10 برای ماه های مختلف سال تهیه گردید . بعنوان نمونه نقشه درصد سرعت بادهای فرساینده و جهت غال آنها ، برای ماه جولای نشان داده شده است ( شکل 1 ) لازم به ذکر است که در این نقشه ها ، شهرها به صورت دایره ، اسم شهرها واطلاعات مربوط به سرعت باد شهرها در داخل دایره و جهت باد غالب آنها هم بر روی دایره بشکل حروف و بصورت علامت پیکان ، نمایش داده شده است . همچنین برای نشان دادن سرعت حداکثر و درصد سرعت بادهای فرساینده ، از رنگهای مختلفی نیز استفاده گردید .
نتایج و بحث
با استفاده از داده های خام سرعت باد متعلق به نیمه اول هر دوره ، توزیع تجمعی ویبل بصورت ماهانه در تمامی ایستگاه ها ترسیم شد . سپس با استفاده از داده های خام همان دوره در مدل ، مقادیر شبیه سازی سرعت باد بدست آمد در ادامه ، ضریب های همبستگی بین توزیع تجمعی ویبل و سرعت شبیه سازی شده مشخص ، و معنی دار بودن یا نبودن آنها نیز تعیین گردیدند . مقادیر ضریب های همبستگی در تمامی ایستگاه ها و در تمامی ماه های سال بین 93/0 تا 0/1 بوده و در سطح یک درصد معنی دار بودند . بنابراین میتوان ادعا نمود که داده های سرعت باد از توزیع ویبل پیروی نموده ، و استفاده از این توزیع در امر شبیه سازی سرعت باد یتواند قابل قبول میباشد . در ادامه هم به منظور اعتبار سنجی مدل کامپیوتری Windpred ، مقایسه هایی بین توزیع فراوانی سرعت و جهت باد شبیه سازی شده ( با استفاده از داده های خام دوره اول ) ، و داده های خام دوره دوم صورت گرفت ، و ضریب های همبستگی آنها نیز تعیین گردیدند . مقادیر ضریب های همبستگی در تمامی ایستگاه ها و در تمامی ماه های سال ، برای سرعت باد بین 94/0 تا 0/1 ، و برای جهت باد بین 46/0 تا 0/1 بودند ، که در سطح یک درصد معنی دار می باشند . از اینرو میتوان نتیجه گرفت که همبستگی بسیار قوی بین سرعت و جهت باد شبیه سازی شده و داده های خام وجود دارد . در مرحله بعد درصد سرعت بادهای فرساینده و جهت غالب آنها در شهرهای مختلف ایران در ماه جولای ترسیم شد ( شکل 1 ) همانطور که مشاهده میشود ، در ماه جولای ، بیشترین میزان بادهای فرساینده متعلق به شهر زابل ( %7/61 ) با جهت باد غالب شمال شمال غربی ،و کمترین میزان بادهای فرساینده ، متعلق به شهر تبریز ( %1/0 ) با جهت باد غالب شرق میباشند .
مطالعه حساسیت خاک سطحی اراضی منطقه رودشت اصفهان به فرسایش بادی
مقدمه
بخش وسیعی از کشور ایران را مناطق خشک و نیمه خشک فرا گرفته است . فرسایش بادی از مهمترین عوامل تخریب و هدر رفت خاک در این مناطق به شمار میرود ، لذا یافتن راههایی که بتواند این فرآیند را کنترل و یا به حداقل ممکن کاهش دهد ، امری جدی محسوب میگردد . تعیین فرسایش پذیری اراضی و شناخت عوامل مؤثر بر آن ( براساس اطلاعات واقعی و دقیق در مورد شدت و مقدار فرسایش فعلی منطقه ) می تواند اساس برنامه جامع حفاظت خاک و اولویت بندی مراحل اجرایی آن قرار گیرد . در حال حاضر روشهای تجربی متنوعی جهت برآورد فرسایش پذیری اراظی ارائه گردیدهاند ( 1 و 4 ) که علیرغم اینکه از نظر کاربردی راحت و ساده اند ، در مناطقی با خاکهای فرسایش یافته و یا اراضی کویری به دلیل نقش حفاظتی سنگریزه ها وسله های نمکی از کاربری مناسبی برخوردار نمی باشند ( 1 ) . نتایج حاصل از تونل باد قابل حمل در صحرا ، دقیق و مطمئن تربوده و تا حد امکان تأثیر کلیه پارامترها و اثرات متقابل آنها به ویژه اثرات بافت و ساختمان به خوبی دخالت داده میشود ( 1 ) . فرسایش پذیری خاک سطحی ، مهمترین فاکتور مؤثر در کلیه مدلهای برآورد فرسایش بادی میباشد که متأثر از مرفولوژی و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک سطحی مانند بافت و ساختمان ( 2 ) ، مقدار و انرژی ذرات ساینده ( 5 ) ، دانسیته و پایداری مکانیکی سله سطحی ( 2 و 5 ) ، پوشش سطحی خاک با عوامل غیر قابل فرســــایش ( سنگریزه ، کلوخه و بقایای گیاهی ) و زبری سطح ( 3 ) ، رطوبت خاک سطحی ( 2 ) و اثرات متقابل آنها میباشد . این تحقیق به منظور مطالعه سرعت آستانه فرسایش و فرسایش پذیری نسبی اراضی منطقه رودشت اصفهان و تأثیر مرفولوژی و خصوصیات خاک سطحی بر آن و نیز مطالعه تأثیر دستکاری نمودن خاک سطحی اراضی منطقه بر تشدید فرسایش پذیری آن و در نهایت ارائه راهکارهای مناسب و کاربردی جهت کاهش تخریب و هدر رفت خاک منطقه انجام گرفت .
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه در شرق اصفهان ، اطراف رودخانه زاینده رود و در محدوده عرض جغرافیایی '20 ˚32 تا 34 ˚32 شمالی و طول '52 تا '34 ˚52 شرقی واقع شده است . ارتفاع متوسط منطقه از سطح دریا 1450 متر و متوسط بارندگی سالیانه در ایستگاه ورزنه 5/68 میلیمتر است . بادهای غالب منطقهکه ناشی از جریانات مدیترانه ای است ، از سمت غرب و جنوب غرب می وزد جهت نیل به اهداف ، ابتدا با تلفیق نقشه های خاک ، شوری قلیانیت ، زمین شناسی ، توپوگرافی و مشاهدات صحرایی و نتایج تجزیه آزمایشگاهی خاک سطحی فاز سریهای مختلف ، 15 واحد کاری ( کوچکترین واحدهای همگون از لحاظ مرفولوژی و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک سطحی ) مشخص شد . سپس در هر واحد مطالعاتی با استفاده از تونل باد قابل حمل صحرایی ، فرسایش پذیری خاک سطحیاراضی در مدت 30 دقیقه وزش باد باسرعت 10 متر بر ثانیه در ارتفاع 20 سانتیمتری و نیز سرعت آستانه فرسایش در دو وضعیت طبیعی و دستخورده تعیین گردید . از خصوصیات فیزیکی خاک سطحی ، توزیع اندازه خاکدانه ها به دو روش الک خشک و مرطوب ، بافت خاک به روش پیپت و درصد رطوبت وزنی و از خصوصیات شیمیایی ph,EC و غلظت آنیونها و کاتیونهای محلول در عصاره گل اشباع ، میزان آهک و ماده آلی و از خصوصیات مرفولوژی سطح خاک ، درصد سنگریزه سطحی و قطر متوسط آن ، ضخامت سله و میزان زبری سطح خاک اندازه گیری شد .
نتایج و بحث
نتایج و تجزیه واریانس داده ها نشان می دهد که اثر واحدهای مختلف بر فرسایش پذیری و سرعت آستانه در سطح احتمال 1 درصد معنی دار است . مقایسه میانگین اختلاف فرسایش پذیری و سرعت آستانه در دو وضعیت طبیعی و دستخورده در واحدهای مطالعاتی نشان داد ، اختلاف فرسایش پذیری در کلیه واحدها در سطح احتمال 1 معنی دار است در حالیکه اختلاف سرعت آستانه در واحدهای 2 ، 6 ،11 و 15 در سطح احتمال 5 درصد معنی دار نمیباشد که علت آن ، وجود ذرات فرسایش پذیر لس بر روی سطح این واحدها میباشد .
خاک سطحی واحدهای 6 ، 8 و 13 حاوی کریستالهای گچ و آهک بوده و نسبت به فرسایش بادی ، حساس میباشند ولی پوشش سنگریزه ای سطح این اراضی ، به خوبی از خاک زیرین محافظت می نماید . فرسایش پذیری نسبی این واحدها در حالت طبیعی جزیی تا کم است ، که تا حدی مربوط به رسوبات بادی است که از اراضی مجاور برخاسته و بین سنگریزه ها بدام افتاده است . در صورت دستکاری خاک سطحی در این واحدها ، فرسایش پذیری آنها زیاد تا خیلی زیاد میشود که بیانگر نقش بسیار مؤثر پوشش سنگریزه ای در کاهش فرسایش پذیری این اراضی میباشد . اراضی واحد 6 بعنوان معدن شن مورد بهره برداری قرار میگیرد که علاوه بر تشدید فرسایش بادی منطقه، باعث انتقال رسوبات بادی شور به اراضی کشاورزی مجاور میگردد ، توصیه میشود از بهره برداری این معادن بدون عملیات حفاظتی مناسب ، جلوگیری بعمل آید . خاک سطحی اراضی 1 ، 2 ، 12 و 15 شور قلیا با ساختمان تکدانه ای و بسیار حساس به فرسایش بادی میباشد سطح واحدهای 1 و 2 توسط سله نمکی به ضخامت 3 تا 4 میلیمتر پوشیده شده است که سطح خاک در واحد 1 صاف و فاقد ذرات لس ، در حالیکه در واحد 2 ، حالت پف کرده و دارای ذرات فرسایش پذیر لس میباشد سطح واحدهای 12 و 15 با لایه بسیار نازک سیل پوشیده شده است شدت فرسایش پذیری این واحدها ، زیاد تا خیلی زیاد میشود که نشان دهنده اهمیت بسیار زیاد سیل و سله سطحی در کاهش حساسیت اراضی به فرسایش بادی میباشد . لذا توصیه میشود در این اراضی از هرگونه عملیاتی که باعث تخریب سله سطحی میشود اجتناب گردد.
واحدهای دیگر منطقه ، اراضی کشاورزی بوده و بسته به نوع بافت و ساختمان و مدیریت زراعی دارای فرسایش پذیری کم تا زیاد هستند . واحد 5 با بافت لومی شنی و ساختمان تکدانه ای نسبت به فرسایش بادی بسیار حساس میباشد ، در حالیکه واحد 9 بعلت داشتن بافت ریزتر و میزان بقایای گیاهی بیشتر بر روی سطح خاک ، از حساسیت کمی نسبت به فرسایش بادی برخوردار است ( نمودار 1 ) توصیه میشود در اراضی کشاورزی ، پس از برداشت محصول ، بقایای گیاهی بر روی سطح خاک باقی گذارده شود و یا اینکه عمود برجهت باد غالب ، شخم زده شوند تا زبری ناشی از کلوخه های سطح خاک باعث کاهش سرعت باد در نزدیکی سطح و بدام افتادن ذرات فرسایش یافته در بین کلوخه ها گردد.
روشهای اندازه گیری زبری سطح خاک (Soil surface roughness ) و کاربرد آن در فرسایش بادی
مقدمه
ناهمواریهایی که در اثر وجود کلوخه ها در سطح زمین ، یا جوی و پشته هایی که توسط شخم ایجا میشود را زبری سطح خاک گویند . زبری سطح خاک تأثیرات معنی داری بر روی فرسایش آبی و بادی دارد ( 9 ) اثراث زبری سطح خاک بر روی فرسایش بادی به خوبی مشخص شده است ( 4 ) انواع زیری مؤثر در فرسایش بادی شامل زبری تصادفی (Random Roughness 0 و زبری جهت دار شده (Oriented Roughness ) است زبری تصادفی ، ناشی از خاکدانه ها و کلوخه هاست و زبری جهت دار ، بوسیله ابزار شخم زدن و مسیرهای چرخ وسایل شخم بوجود می آید ( 3 ) کمی کردن داده های زبری شامل دو مرحله جمع آوری داده های ارتفاعی سطح خاک و تجزیه و تحلیل داده ها براساس شاخص های توصیف کننده زبری میباشد.موارد یاد شده در مدلهایی نظیرEQ ( Wind erosion Equation ) و (WindWEPS ( Erosion prediction system به کار برده میشوند ( 12 ) . بنابراین اولین مرحله از کار ، جمع آوری داده های ارتفاعی سطح خاک میباشد ، که در اینجا روشهای متداول اندازه گیری زبری سطح خاک در فرسایش بادی ، بیان و سپس مورد بررسی قرار میگیرند .
مواد و روشها
روشهای اندازه گیری زبری سطح خاک را به دو روش کلی تقسیم بندی می کند . زوش تماسی (contact ) ، مانندPin meter و chain method و روش غیر تماسی ( noncontact ) مانند روشهای اولتراسونیک ( 7 ) و اپتیکال یا تصویری نظیر روش لیزری ( 2 ) . از میان روشهای مختلف اندازه گیری زیری سطح خاک که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند ، روشهای لیزری Pin meter و chain method متداول میباشند . دقت دستگاه لیزری 25/0 میلیمتر است ، و با تغییرات شیب سطح زمین ، دقت آن کاهش می یابد (8) این دستگاه به دو نفر برای برپا کردن آن که حدود 2 ساعت طول می کشد ، نیاز دارد و22 ترانسکت را در مدت یک ساعت میتواند اندازه گیری کند . هر چند پیشرفت های خوبی در این زمینه شده است ( 2 ) ، اما سیستم لیزری ، گران و با تکنولوژی بالاست و تهیه ، آموزش و نگهداری آن مشکل میباشد . لذا این وسیله همانگونه که هم اکنون نیز معمول است بیشتر در آزمایشگاهها استفاده میشود یکی از آسانترین و از اولین وسایل اندازه گیری تغییرات نیمرخ سطح خاک Pin meter است ( 6 ) ، سیر تکاملی ثبت کردن داده های این وسیله شامل ثبت دستی ( که وقت گیر و همراه با خطای بسیار است ) و ثبت الکترونیکی ، ثبت دیجیتالی ( ثبت با استفاده از عکس و برنامه کامپیوتری PMP (Pin Meter Program ) میباشد ( 13) . مطالعاتی که بوسیله صالح (9) به منظور بوجود آوردن یک روش ساده ، ارزان و سریع براساس تعاریف موجود ( 5 ) و (1) و برای تعیین زبری خاک انجام شد منجر به ابداع روش Chain method گردید . در این روش ، یک زنجیر به طول L1 وقتی که بر روی یک سطح زبر قرار می گیرد ، دارای فاصله افقی کوتاهتری (L2), نسبت به طول L1 خواهد شد . اختلاف بین L1 و L2 ، رابطه ای با درجه زبری خواهد داشت .
بحث و نتیجه گیری
نقدهائی در زمینه روشهای ذکر شده به خصوص روش اخیر از سوی دانشمندان صورت گرفته است که میتوان به نقد آقای اسکیدمور (11) اشاره نمود . البته در جواب ایشان صالح ( 10 ) توضیحاتی ارائه داده است که با دقت و تأمل در آن میتوان به نکاتی دست یافت . با نگاهی اجمالی به مبانی نظری روش chain method و بررسی معادلات مربوطه ، میتوان دریافت که در استفاده از این روش باید محتاطانه عمل نمود . با توجه به محدودیت های دستگاه لیزری ، از قبیل نگهداری ، تعمیر، آمورش افراد مجرب ، و نیز مشکل استفاده آن در صحرا ، بنظر میرسد که این دستگاه بیشتر در آزمایشگاه و تحقیقات خاص میتواند مورد استفاده قرار گیرد ، حال آنکه از دستگاه Pin mete میتوان به سهولت و با دقت کافی جهت مطالعات صحرایی استفاده گردد .
کمی نمودن رسوبات فریاشی یافته بادی در منطقه شرق اصفهان
فرسایش خاک به وسیله باد اساساٌ یک فرآیند جریان و سیر مواد میباشد که در طی این فرآیند خاک از سطح قابل فرسایش برداشت و به حالتهای گوناگون ( تعلیق ، جهش و خزش سطحی ) در پاسخ به تنش برشی باد و بمباران ذرات خاکی که قبلاً در جریان باد وارد شده اند حمل میشوند و به دنبال آن ته نشینی مجدد رسوبات حمل شده توسط باد صورت میگیرد ( 3) . مقادیر مواد حمل شده به وسیله روشهای حمل به سرعت باد ، چگالی ذره و بافت سطحی خاک بستگی دارد . برای مطالعه فرسایش بادی منطقه و طرح و ارریابی فن آوریهای کنترل فرسایش بادی به مشاهده های جزیی تر حمل رسوبات ناشی از وزش باد د آن منطقه نیاز است . حمل ذرات ناشی از وزش باد در منطقه معمولاٌ به وسیله تله های رسوب گیر نمونه برداری میشوند . ( 2 و 4 ) .
اگر چه تله های رسوب گیری تشریح شده در منابع از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند ، ولی عموماً شامل یک آزایش عمودی از تله های رسوب گیر میباشند . هر تله در طول مدت یک واقعه فرسایش بادی مواد در حال حرکت در ارتفاع معینی را جمع آوری می کند . از وزن مواد به دام افتاده و مدت وزش طوفان ، دبی جرم ذرات به صورت افقی اندازه گیری میشوند . نرخ حمل ذرات در نقطه مورد مشاهده به وسیله جمع کردن نیمرخ دبی جرم ذرات افقی در طول ارتفاع بدست می آید . هدف از این مطالعه کمی کردن حمل ذرات ناشی از وزش باد در طول دوره های معین در منطقه شرق اصفهان و کاربرد چندین مدل جهت محاسبه نرخ حمل ذرات میباشد . علاوه براین ارتباط بین توزیع عمودی رسوبات فرسایش یافته بادی و ارتفاع رسوب به وسیله نمونه بردار BSNE تعیین گردید .
مواد و روشها
مطالعه تحت شرایط منطقه و آزمایشگاه انجام گردید . مجموعه ای از نمونه بردارهای از نوع BSNE1 در اواسط اسفند ماه 1377 در قسمت شرقی پایگاه شهید بابایی اصفهان در منطقه ای هموار ، پوشیده از رسوبات بادی به ضخامت 5 تا 30 سانتیمتر و تقریباٌ عاری از پوشش گیاهی نصب گردید که به دور از موانع جهت مزاحمت از وزش باد میباشد . نمونه های مواد خاکی از خاک فرسایش یافته در طی 10 دوره نمونه برداری از 17/12/1377 تا 3/5/1379 در ارتفاعات 24/0 ، 6/0 ، 08/1 ، 60/1 ، 2،3 و 4 متر از سطح زمین با استفاده از نمونه بردار BSNE جمع آوری گردید . خاکهای منطقه عموماً در فامیل فاین – لومی ، جیپسک هاپلو سالیدز ، با 31 درصد شن ، 41 درصد لای ، 28 درصد رس ، 5/16 درصد کربنات کلسیم و 1/33 درصد گچ قرار می گیرند . قبل از استفاده از نمونه بردار BSNE در صحرا با استفاده از یک تونل بادی مدار باز راندمان تله اندازی ( p ) آن تعیین و نمونه بردار واسنجی گردید از رسوبات منطقه مورد مطالعه جهت آزمایش واسنجی استفاده گردید . متوسط راندمان تله اندازی نمونه بردار با بادهایی با سرعت 2/5 تا /7 متر بر ثانیه 51/0 بدست آمد ( 1) . ارتباط بین مقدار مواد انتقال یافته به وسیله باد و ارتفاع نمونه بردار با استفاده از مدلهای مختلف ( توانی ، معکوس ، لگاریتمی و نمایی و .... ) به وسیله برنامه spss مورد آزمون قرار گرفت . مقدار کل مواد انتقال یافته به وسیله باد ( عرض Q,g/cm) به ازای یک سانتیمتر عرض دهانه نمونه بردار در ارتفاع 24/0 تا 4 متر ی از سطح زمین جمع آوری میگردد به وسیله انتگرال گیری معادلات رگرسیون برازش شده در محدوده ارتفاع 24/0 تا 4 متر محاسبه گردید . جهت محاسبه مقدار نقل و انتقال کل جرم ذرات ( عرض Qt.) محدوده ارتفاع 24/0 تا 4 متر محاسبه گردید . جهت محاسبه مقدار نقل و انتقال کل جرم ذرات ( عرض Qt.g/cm ) در نقطه نمونه برداری بایستی مقدار Q محاسبه شده به وسیله راندمان تله اندازی نمونه بردار تصحیح گردد . (n=Q/Qt) نرخ نقل و انتقال کل جرم ذرات ( روز و عرض mt,g/cm ) به وسیله تقسیم مقدار Qt به تعداد روز نمونه برداری بدست می آید . این مقدار بیانگر جرم کل رسوبات ناشی از وزش باد در ارتفاع 4 متری است که از نواری با پهنای یک سانتیمتر به طور عمودی در متوسط جهت باد به ازای ک روز عبور می کند . البته فرض براین است که قدار سهم رسوبی که در ارتفاع بالاتر از 4 متر منتقل میشود نسبت به جرم کل حمل شده می تواند در نظر گرفته نشود .
نتایج و بحث
رسوبات سطحی منطقه مورد مطالعه ریز ( متوسط اندازه ذرات(zm) 2تا 3 فی یت 125 تا 250 میکرون ) با جور شدگی متوسط تا نسبتاً خوب ( انحراف معیار ترسیمی جامع فولک( Id ) 68/0 تا 93/0 فی ) و کج شدگی زیاد به سمت ذرات دانه ریز ( کج شدگی ترسیمی جامع فولک SKI ، 34/0 – تا 13/0 - ) میباشد . در هر دوره نمونه برداری ، مقدار درصد ذرات بزرگتر از 3 فی (125> میکرون ) و مقادیر SKI با افزایش ارتفاع نمونه بردار زیاد و مقادیر z m (m m) وId با افزایش ارتفاع کاهش می یابد . بنابراین با افزایش ارتفاع بات توجه به کاهش شدید مقدار رسوب بدام افتاده درصد نسبی ذرات ریز افزایش و توزیع اندازه ذرات به سمت ذرات ریزدانه تر متمایل می گردد به طوریکه درصد نسبی ذرات کمتر از 63 میکرون ار ارتفاع 24/0 تا 4 متری از سطح زمین از 8/8 به 1/70 درصد افزایش می یابد ( شکل 1 ) این تغییر شاید به دلیل چگونگی حمل ذرات باشد بطوریکه ذرات کمتر از 100 میکرون به صورت تعلیق جابجا می شوند ( 4 ) . و ذرات بزرگتر از 100 میکرون با افزایش ارتفاع کاهش می یابد که مبین حمل این ذرات به صورت جهش میباشد ( شکل 1 ) در هر دوره نمونه برداری درصد رطوبت اشباع ، ظرفیت تبادل کاتیونی و مقدار کربنات کلسیم با افزایش ارتفاع زیاد میشوند به طوریکه با افزایش ارتفاع از 24/0 تا 60/1 متر به ترتیب مقادیر فوق از 3/49 به 5/53% ، 6/20 به 2/31m/S ، 9/3 به 1/6 خاک meq/100 gr و از 4/16 به 1/26 درصد افزایش می یابد .
شکل 1- هیستوگرام درصد فراوانی توزیع اندازه ذرات رسوبات بادی بدام افـتاده در نمونه بردار BSNE در 7 ارتفاع در طی زمان 23/1/78 – 17/12/1377
از طرفی مقدار وزن مخصوص ظاهری رسوبات جمع آوری شده از 12/1 به 02/1 گرم بر سانتیمتر مکعب کاهش می یابد . این به این دلیل است که درصد نسبی ذرات ریز در رسوبات جمع آوری شده در سطوح بالاتر بیشتر میباشد . همچنین به دلیل چگالی کم ، نمکها می توانند به صورت تعلییق تا ارتفاعات زیاد حمل شوند. مقدار مواد ناشی از وزش باد ( عرض kg/100 m )برابر با 44/206 ، 88/55 ، 39/3 ، 91/85 ، 55/42 ، 29/23 ، 50/39 ، 37/6 ، 68/22 ، 92/52 به ترتیب در طی 36 ، 13 ، 15 ، 20 ، 55 ، 43 ، 68 ، 58 ، 61 و 90 روز نمونه برداری می باشد ومتوسط نرخ حمل مواد 8/161 ( روز× عرض g/100 m K)
است همچنین مقدار مواد ناشی ازوزش باد با افزایش ارتفاع کاهش می یابد( شکل 2 ) بیشترین مقدار در طی دوره های نمونه برداری از 5/12/78 الی 5/2/79 و 17/12/77 الی 23/1/78 تعیین ردید. این با ساعتهایی که سرعت باد بیشتراز3/5 متربرثانیــه (سرعت آستانه ) در ماههای اسفند و فروردین مطابقت دارد . کمترین مقدار نرخ حمل ذرات در طی دو دوره مشخص اتفاق می افتد . در طی فصل مرطوب ( آذر و دی ) که سطح خاک مرطوب و سرعت باد کم میباشد و اوایل فصل مرطوب ( شهریور و مهر ) که متوسط سرعت باد غالب 2/3 تا 1/4 متر بر ثانیه می باشد که از سرعت آستانه جهت حرکت ذرات کمتر است . مدل توانی بهترین مدل جهت توصیف ارتباط بین مقدار مواد فرسایش یافته و ارتفاع نمونه بردار تعیین گردید . این مدل بخش معلق جریان را توصیف می کند ، اما برای ذراتی که به صورت جهشی و خزشی سطحی در ارتفاع کمتر از 6/0 متر حمل میشوند رضایت بخش نمی باشد و محاسبه مقدار حمل ذرات در سطوح پایین تر معمولاٌ سبب تخمین زیادتر مواد ناشی از وزش باد میشود .
شکل 2 – مقایسه مقدار رسوب جمع آوری شده در 10 دوره نمونه برداری به وسیله نمونه بردار BSNE
نتیجه گیری
نتایج بدست آمده در این مطالعه ، انتقال تدریجی و انتخابی ذرات ریز توسط فرآیند فرسایش بادی را نشان میدهد ، بطوریکه سرعت نسبی انتقال به شرایط سطح و پارامترهای اقلیمی بستگی دارد . علاوه بر این ، درصد زیاد ذرات ریز کمتر از 90 میکرون در رسوبات فرسایش یافته بادی منجر به تخریب خاک در طی چندین سال میشود در تحقیقات آینده ، طراحی و کاربرد نمونه برداری هایی مورد نیاز است که بتواند مواد حمل شده توسط باد را بطور مجزا ( تعلیق ، جهشی و خزشی سطحی ) مورد ارزیابی قرار دهد . همچنین تعیین راندمان تله اندازی نمونه بردارها بایستی در صحرا صورت گیرد . زیرا تونل بادی نسبت به صحرا از شرایط یکنواخت تر و از درجه تلاطم کمتری برخوردار است و بنابراین ممکن است راندمان متفاوتی نتیجه دهد .
تعیین شار سایش و انتشار ذرات خاک با استفاده از خصوصیات خاک و شبیه سازی سرعت و جهت باد
مقدمه
پدیده فرسایش بادی یا به عبارت دیگر حساسیت اراضی نسبت به باد مانند بسیاری از پدیده های طبیعت مورد توجه دانشمندان جهان قرار گرفته ، و تاکنون مخصوصاٌ در دهه های اخیر سعی و تلاش زیادی در زمینه کمی کردن معیارهای شناسایی این پدیده بعمل آمده است . توانائی پیش بینی دقیق فرسایش خاک برای بسیاری منظورها ، از جمله برنامه های حفاظتی ، منابع طبیعی و کاهش آلودگی هوایی ناشی از طوفان ضروری است ( 6) چپیل (4) با استفاده از تونل باد نشان داد که فرسایش پذیری خاک کاملاٌ تحت تأثیر توزیع اندازه خاکدانه های خشک قرار می گیرد . هاگن (5) چگونگی فرسایش بادی و سایش خاکدانه را در تونلهای باد مورد مطالعه قرارداده واظهار داشت که سایش و انتشار به عنوان منابع حرکت خاک عمل می کنند . اسکیدمور و لیتون (9) تأثیر پایداری خاکدانه ها در حالت خشک را بر میزان فرسایش بادی در ده خاک ایالت کانزاس آمریکا مورد ارریابی قرار داده ، و مدلی را جهت پیش بینی پایداری خاکدانه ها با استفاده از خصوصیات خاک در شرایط فرسایش است . وی اظهار میدارد که فقط از طریق پیش بینی پایداری خاکدانه و سله ها میتوان به پیشرفتهای خوبی در زمینه معادلات شار سائیدگی دست یافت . از طرف دیگر پیش بینی ساعتی سرعت و جهت باد ، با استفاده از شبیه سازی و مدلهای استوکاستیک ویبل (2) با تخمین بسیار عالی ( باد بعنوان عامل اصلی فرساینده ) در ترکیب با عامل خاک ( فرسایش پذیر ) بعنوان پیش بینی فرسایش در منطقه بسیار مهم میباشد . لذا در این تحقیق شار سایش و شار انتشار ذرات خاک در خاکهای گوناگون در منطقه یزد ، که به نوعی پیش ینی فرسایش بادی با استفاده از آمار باد تاریخی و شبیه سازی شده این منطقه نیز میباشد ، محاسبه گردید .
مواد و روشها
نمونه برداری از محدوده اراضی واقع در تپه های شنی واقع در شمال شهرستان یزد و همچنین اراضی کشاورزی در نقاطی با کیفیت مناسب خاک انجام گرفت ( 2) . خصوصیات فیزیکوشیمیایی این خاکها نظیر توزیع اندازه خاکدانه ها ، درصد ماده آلی ، کربنات کلسیم معادل ، بافت خاک ، حداکثر ارتفاع پستی و بلندی خاک یا (Z max ) در هر کدام از اراضی و میزان شکستگی اولیه خاکدانه در هر یک از خاکها اندازه گیری شد ( 2 ) . چنانچه شرایط فرسایش بادی فراهم باشد و سرعت باد نیز از 8 متر بر ثانیه بیشتر شود ، ذرات خاک شروع به حرکت می کنند ( 7 ) در این مرحله با توجه به نتایج بدست آمده از پیش بینی سرعت و جهت باد با استفاده از مدل ویبل و شبیه سازی استوکاستیک ( که با استفاده از آمار سی ساله ایستگاه سینوپنتیک یزد انجام دادیم ) و با در نظر گرفتن سرعتهای بیشتر از 8 متر بر ثانیه ( بادهای فرساینده ) (1) میزان شارانتشار (Gem) و شارسایش(Gan ) محاسبه و مجموع آنها تعیین گردید.( 1 )
نتایج و بحث
ضرایب همبستگی بین شارهای محاسبه شده با استفاده از آمار داده های شبیه سازی شده سالهای 1980 -1966 و همچنین با داده های تاریخی سالهای 1981 تا 1995 در ماههای پر باد و در کل سال ، نشان دهنده همبستگی خوبی بین آنها میباشد . خاک Sandy Loam مساعدترین خاک از نظر فرسایش پذیری در میان خاکهای مورد آزمایش در این تحقیق بود. از نر مقایسه میان خواص مختلف خاکهای مورد آزمایش ، تغییرات بافت خاک و از همه مهمتر درصد رس در این زمینه نقش تعیین کننده دارد . بنابراین می بینیم خاک Sandy Loam از جهات دو خصوصیت ذکر شده ، وضعیت نامناسبی را نسبت به خاکهای دیگر دارد . بیشتر بودن مقدار (Gen) نسبت به
(Gan ) در خاک Loamy sand به این دلیل است که درصد ذرات آزاد کوچکتر از 1/0 میلیمتر این خاک بیشتر و میزان خاکدانه کمتر است ( تپه های شنی ) این محاسبات و نظایر آن در ماههای پربادتر نتایج بهتری را نسبت به ماههای کم باد ، برای داده های شبیه سازی شده و تاریخی نشان میدهد ، با توجه به ضرایب همبستگی تعیین شده و با وجود اینکه ماه آگوست ، یکی از ماههای کم باد به حساب می آید ، همبستگی نشان داده شده بین این داده ها متوسط است ولی در ماههای پرباد و در کل سال ضرایب همبستگی نشان دهنده همبستگی خوبی بین داده های ذکر شده هستند و نشان دهنده اعتبار مدل شبیه سازی باد و محاسبه فرسایش میباشند . بین سرعت و جهت باد تاریخی و شبیه سازی شده اختلاف کوچکی وجود دارد ولی داده های ذکر شده تطابق خوبی را نشان می دهند . در ماههای کم بادی همچون آگوست تطابق داده های سرعت و جهت باد تاریخی و شبیه سازی شده نسبت به ماههای پرباد کمتر است که با توجه به اینکه فرسایش بادی با توان سوم سرعت باد متناسب است ، بنابراین تفاوت های کوچک در سرعتهای باد ، در محاسبه شار فرسایش بادی ، به اختلاف بزرگی تبدیل شده و موجب میشوند همبستگی نشان داده شده بین این داده ها ، در محاسبه شار فرسایش بادی ، به اختلاف بزرگی تبدیل شده و موجب میشوند همبستگی نشان داده شده بین این داده ها ، در ماههای کم بادی همچون آگوست نسبت به ماههای پر باد کمتر باشد . بنابراین با توجه به نتایج حاصل از ترکیب این دو مدل ، میتوان به نتایج ارزشمندی در پیش بینی فرسایش بادی منطقه دست یافت .
منابع مورد استفاده
1- افضلی . س . ف . 1380 مطالعه بادهای فرساینده منطقه یزد . پایان نامه کارشناسی ارشد بخش خاکشناسی دانشکده کشاورزی دانشگاه شیراز .
2- هادربادی ، غ .ر.1379 پیش بینی سرعت و جهت بادهای فرساینده ( مطالعه موردی : منطقه زابل ) پایان نامه کارشناسی ارشد بخش مدیریت مناطق بیابانی ، دانشکده کشاورزی ، دانشگاه شیراز
3- اختصاصی ، م ر 1372 تهیه نقشه حساسیت به فرسایش بادی اراضی حوزه دشت یزد اردکان با کاربرد دستگاه سنجش فرسایش بادی پایان نامه
4- کریم زاده ، ح ر ، و ا جلالیان 1380 نمونه بردار BSNE و توزیع عمودی رسوبات فرسایش یافته بادی در منطقه شرق اصلهان مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی ( زیر چاپ )
5- افضلی س ف و ن میرزا مصطفی 1381 مدل احتمال تجربی ( استوکاستیک ) ویبل بعنوان ابزار لازم جهت پیش بینی پتانسیل فرسایندگی باد (مطالعه موردی : منطقه یزد ) مجموعه مقالات همایش ملی مدییت اراضی فرسایش خاک و توسعه پایدار اراک صفحه 516
7- حکیم زاده ، م . ع . 1379 تخمین شدت فرسایش بادی در خاکهای مختلف دشت – یزد – اردکان با استفاده از نحوه توزیع اندازه و پایداری خاکدانه ها . گزارش مسئله مخصوص دوره دانشوری دانشگاه شیراز
REFRENCE :
1- Armbrust , D.V.W.S Chepil, and F.S. Siddoway 1964 Effect of ridges on erosion of soil by wind .
Soil sci . Soc Am j. 28:557-560
2- Bertuzzi J.M Cussignac, P. Stengel, G.More, J.Y. Lorendeau, and G.Pelloux.1990 An automated noncontacted laser profile meter for measuring soil roughness in situ . Soil Sci 149 (3) : 169 – 178
3- Burwell R.E.R.R Allmara, and M.Amemiya 1963 . A field measurement of total porosity and surface microrelif of soils. Soil Sci Soc proc.697-700
4- Chepil. W. S. and R. A. milne . 1941 . wind erosion in relation to roughness of the surface soil Sci . 52:417-433 .
5- Fryrear, D . W. 1984 Soil ridge –clodes and
iransoil.com
