فرسایش و حفاظت خاک ( قسمت دوم )

برای مطالعه فرسایش و حفاظت خاک ( قسمت اول ) به اینجا مراجعه نمایید

نکته ١١ : در زیر قصد داریم مراحل فرسایش را شرح دهیم. یعنی بعد از خرد شدن خاکدانه ها بر اثر انرژی سنتیک قطرات باران و از بین رفتن پیوند بین ذرات، این ذرات آماده انتقال می شوند. در اینجا سه مرحله طی می شود و در واقع به این مبحث می توان چرخه فرسایش خاک اطلاق کرد.

  • مرحله برداشت Ablatation
  • مرحله حمل Trans port
  • مرحله رسوب یا تجمع Accumulation

 

در مرحله برداشت، ذرات جدا شده به راحتی توسط رواناب برداشته شده و به داخل آبراهه ها حمل می شوند. که حمل این مواد فرسایشی به داخل آبراهه و یا رودخانه ها از قوانین هیدرولیک تبعیت می نماید. که در زیر به ان می پردازیم.

فرمول اول : مطالعات نشان داده است که، اندازه ذراتی که بوسیله جریان رودخانه حمل می شود که به آن قدرت جریان Competance می گویند به توان ششم سرعت جریان آب بستگی دارد.

 C.V6 = قدرت جریان

C  : ضریب جریان (به جنس رودخانه بستگی دارد)

 V : سرعت جریان

 

به طور مثال؛ اگر احیانا سرعت جریان رودخانه دو برابر شود اندازه ذراتی که می تواند حمل نماید (طبق فرمول) 64 برابر می شود. لازم می دانم که یک بار دیکر یادآور شوم که قدرت جریان، اندازه ذراتی است که بوسیله جریان رودخانه حمل می شوند.

فرمول دوم : وزن ذرات معلق در آب، که به آن قدرت حمل Carring Power میگویند. مطابق فرمول زیر است

 C.V5 = قدرت حمل

طبق تعریف، قدرت حمل با توان پنجم سرعت جریان آب رابطه مستقیم دارد. یعنی اگر سرعت جریان رودخانه دو برابر شود قدرت حمل ٣٢ برابر می شود.

 

فرمول سوم : بین متوسط سرعت جریان آب با عمق آن که با D نشان می دهیم رابطه ای به شکل زیر برقرار است

V = C. D2

در اینجا اگر عمق جریان دو برابر شود سرعت متوسط ۴ برابر می شود

حال با آشنا شدن با فرمول های بالا، می توانیم پی ببریم که چرا در قسمت های انتهایی گالی فرسایش و تخریب شدیدتر است. فقط برای یادآوری به این نکته اشاره می کنم که در قسمت های انتهایی گالی عمق بیشتر است.

نهایتا موادی که بوسیله رودخانه در حال حمل می باشند با کاهش سرعت که بر می گردد به تغییر شیب، رسوب می کنند. رسوب گذاری بدین ترتیب است که ابتدا ذرات درشت (با توجه به جرم مخصوص آنها) رسوب کرده و در ادامه ذرات ریزتر ته نشین می شوند. و نهایتا رسوبات به صورت یک مخروط افکنه گذاشته می شوند که به آن Alluvial Fan می گویند. راس مخروط افکنه به سمت حوزه آبخیز و قاعده آن به سمت دشتها و نواحی پست اطراف می باشد و ما در راس مخروط افکنه ذرات درشت ته نشین شده را داریم و هر چه به سمت قاعده پیش می رویم ذرات ته نشین شده ریز تر می شوند. نکته دیگر اینکه راس این مخروط افکنه ها محل مناسبی برای پخش سیلاب و ایجاد پوشش های مرتعی می باشد و قاعده مخروط افکنه عرصه خوبی برای کشاورزی آبی است.

نکته دیگر اینکه، هر چه غلظت اجزاء (شن، سیلت و رس) در واحد حجم رواناب زیادتر باشد. در نتیجه در طول مسیر کمتر رسوبات گذاشته می شوند و هر چه غلظت اجزاء کمتر باشد مسیر طولانی تری برای رسوب تمامی اجزا طی خواهد شد.

 

نکته ١٢ : چگونگی حرکت مواد در داخل رودخانه ها :

مواد در داخل رودخانه ها به سه طریق حرکت می کنند.

  • مواد معلق Suspension

مواد معلق، موادی هستند که در داخل رودخانه به حالت معلق هستند بدون اینکه با کف رودخانه در تماس باشند و معمولا جرم مخصوص این مواد کم است مواد معلق ممکن است رس یا سیلت و یا شن ریز باشند. البته مقدار مواد معلق به جنس سازندهای حوزه آبخیز بستگی دارد اگر سازندها نرم باشد قسمت عمده مواد ما معلق می شوند.

  • مواد جهشی Saltation

در این حالت مواد جامد تحت تاثیر چگونگی حرکت آب و تغییرات دایمی فشار در نقاط مختلف بصورت جهشی حرکت می کنند و معمولا مقدار آنها خیلی زیاد نیست و این مواد دایم با کف رودخانه در تماس نیستند.

 

  • مواد کف بستر Bed load

موادی که همیشه در تماس با بستر رودخانه بوده و بوسیله فشار آب به جلو حرکت می کنند. معمولا گراول ها و سنگریزه های که کروی می شوند این مواد را شامل می شوند. در کشور ما در ایستگاههای رسوب سنجی عمدتا بار معلق اندازه گیری می شود و بار جهشی و کف بستر بدلیل سخت بودن اندازه گیری در این ایستگاهها، اندازه گیری نمی شود. و تخمین زده می شود که مواد جهشی و کف بستر 10 – 15 درصد کل مواد را تشکیل می دهند. ولی اگر در حوزه آبخیز سازندهای درشت (کنگلومرا، گرانیت) داشته باشیم. ممکن است مواد جهشی و کف بستر بخش قابل ملاحظه ای از بار رسوبی را تشکیل دهند.

 

نکته ١٣ : در رودخانه مولفه سرعت به صورت زیر است.

مولفه سرعت در رودخانه

یعنی در سطح آب، سرعت کم و در قسمت میانه (بین کف و سطح آب رودخانه) سرعت بیشترین و در کف بستر رودخانه سرعت آب کم است. اما مولفه غلظت برعکس سرعت بوده یعنی مطابق شکل زیر ما بیشترین غلظت مواد را در رودخانه در قسمت مرکزی داریم و در سطح و کف رودخانه کمترین غلظت مواد را داریم.

مولفه غلظت در رودخانه

 

نکته 14 : معادله جهانی فرسایش خاک : Universal Soil Loss Equation (USLE)

اولین معادله ای که برای تخمین فرسایش در یک شیب پیشنهاد شد معادله زینک بود که در آن تنها دو عامل درجه و طول شیب در نظر گرفته شده بود. بعدها آقای ماسگریو عامل آب و هوا و اسمیت عامل پوشش گیاهی را دخالت دادند. سپس به تدریج فرمول های تهیه شد و پیش بینی فرسایش را بر اساس داده های معینی امکان پذیر ساخت. آخرین و بهترین فرمول برای تخمین فرسایش خاک، فرمول ویشمایر و اسمیت است، که پس از حدود ٣٠ سال مطالعه در مورد فرسایش آبی در 46 ایستگاه تحقیقاتی در 26 ایالت مختلف آمریکا با شرایط مختلف جغرافیایی و آب و هوایی و با در نظر گرفتن نتایج بررسی های دیگران به دست آمده است. این معادله که به فرمول جهانی فرسایش خاک معروف است به صورت زیر می باشد.

A = R.K.L.S. C.P

در فرمول جهانی فرسایش خاک تاثیر هر کدام از عوامل موثر در فرسایش خاک را با یک عدد مشخص می کنند. میزان فرسایش از حاصل ضرب این اعداد بدست می آید که به صورت کمی است. در این فرمول :

A  : مقدار خاک فرسایش یافته بوسیله فرسایش ورقه ای و شیاری بر حسب جرم در واحد سطح و در واحد زمان است. که در سیستم انگلیسی بر حسب تن در ایکر در سال و در سیستم متریک تن در هکتار در سال می باشد.

R   :عامل بارندگی است که قدرت فرسایندگی باران را نشان می دهد.

K  : ضریب فرسایش پذیری خاک است. عددی است که حساسیت ذاتی خاک را مشخص می کند.

L   : عامل طول شیب است و عبارت است از نسبت فرسایش در طول شیب به فرسایش در همان زمین و همان شیب ولی با طول 72.6  فوت یا 22.1 متر .

S  : عامل شیب زمین است و عبارت است از نسبت فرسایش در شیب موجود در زمین به مقدار فرسایش در همان زمین و همان طول ولی با شیب ٩ درصد (یا ۵ درجه).

C  :عامل پوشش گیاهی است و عبارت است از فرسایش حاصل شده در زمینی با پوشش گیاهی مشخص نسبت به مقدار فرسایش در شرایط پوشش و مدیریت کرت استاندارد که در جهت شیب شخم خورده است.

(کرت استاندارد یا مبنا و یا شاهد؛ کرتی است فاقد پوشش،که در جهت شیب شخم خورده و به صورت آیش دایمی می باشد. مساحت این کرت 0.01 ایکر، شیب آن ٩ درصد و عرض آن ۶ فوت یا 1.83 متر بوده و طول آن 72.6 فوت یا 22.13 متر می باشد.)

P  :عامل حفاظت خاک بوده و عبارت است از نسبت فرسایش یک زمین حفاظت شده به مقدار فرسایش همان زمین که هیچ گونه عملیات حفاظتی در آن انجام نگرفته است یعنی کشت و کار در امتداد ردیف های شیب است.

در زیر طریقه محاسبه هر یک از پارامتر های بالا را شرح می دهیم.

 

عامل بارندگی : (R)

عامل بارندگی در واقع همان شاخص فرسایش ویشمایر (E.I30) است که در مباحث قبل به آن پرداختیم .

 

عامل فرسایش پذیری خاک : (K)

مقدار K برابر است با نسبت فرسایش به عامل بارندگی در یک کرت استاندارد یعنی :

K = A / R

 

در شرایط کرت استاندارد مقدار عددی هر یک از عوامل L.S.C.P برابر واحد بوده و مقدار فرسایش مستقیما متناسب با فرسایندگی باران و فرسایش پذیری خاک خواهد بود. آقای ویشمایر و همکارانش با آزمایش های متعدد توانستند همبستگی خوبی را بین عامل فرسایش پذیری خاک (K) و ۵ عامل فیزیکی خاک یعنی درصد سیلت (   0.002 – 0.05  mm  ) + شن خیلی ریز (0.05 -0.1 mm) ، درصد شن (0.1- 2 mm)، مقدار مواد آلی، ساختمان خاک و نفوذ پذیری خاک بدست آورند. تمامی فاکتور های ذکر شده در بالا را در لایه سطحی خاک (15-20 Cm) و مقدار نفوذ پذیری در تمامی نیمرخ خاک اندازه گیری می شود.

نهایتا آقای ویشمایر برای محاسبه K یک نموگراف ارایه کرد. همین طور آقای ویشمایر برای محاسبه K فرمولی نیز تهیه کرد. که پرداختن به آن در این مقال نمی گنجد.

برای محاسبه K در شرایط کشور ما بر اساس نموگراف ویشمایر برخی ایرادات بوجود می آید.

  • در آزمایشاتی که اقای ویشمایر و همکارانش برای محاسبه K انجام دادند از باران های خاص مناطق شرق آمریکای مرکزی که باران های با شدت 5 میلیمتر در ساعت است به مدت ٢ ساعت متوالی اعمال گردیده است. در حالی که در مناطق خشک و نیمه خشک ایران، چنین بارندگی های غیر محتمل است. بنابراین به نظر می رسد که اعداد پیدا شده بوسیله این فرمول برای چنین مناطقی ضریب K را بیشتر از مقدار واقعی نشان بدهد.
  • ابداع رابطه و نمودار ویشمایر در مناطق نیمه مرطوب ایالات متحده آمریکا در خاکهایی انجام پذیرفته که تقریبا عاری از آهک بودند. که فراوانی آهک در مناطق خشک و نیمه خشک کشور ما منجر به بزرگ شدن عدد K می شود.

 

عامل طول شیب : (L)

هر چه طول شیب زیادتر باشد شدت فرسایش بیشتر می شود. فرسایش در طول شیب یکنواخت نیست و در قسمت های انتهایی بیشتر است. برخی از تحقیقات نشان داده است که مقدار فرسایش در انتهای طول شیب 1.5 برابر متوسط فرسایش طول شیب است.

بین طول شیب و فرسایش رابطه ای به شکل زیر وجود دارد. عامل طول شیب (L) را می توان از رابطه روبرو بدست آورد.

  L = ( λ / 22 .1)m

در فرمول بالا λ طول شیب زمین بر حسب متر و m توان می باشد. که مقدار آن به شیب زمین بستگی دارد و مقدار آن برای شیب های ۵ درصد و بیشتر برابر 0.5 ، برای شیب های ۵-٣ درصد برابر 0.4 ، برای شیب های ٣-١ درصد برابر 0.3 و برای شیب های کمتر از یک درصد برابر 0.2 می باشد.

 

عامل درجه شیب : (s)

رابطه ای بین درصد شیب و فرسایش نیز به شکل زیر وجود دارد. آقای ویشمایر در سال 1950 رابطه بین شیب و فرسایش را مطابق فرمول زیر بدست آورد.

E = 0. 43 + 0.3 S + 0. 043 S2

   S  : درصد شیب زمین مورد نظر

فرسایش در شیب کرت مبنا/ فرسایش در شیب مورد نظر = S

حال اگر فرمول یک را در فرمول دو جایگزین کنیم معادله ای به شکل زیر بدست می اید که برای محاسبه درجه شیب از آن استفاده می شود.

S = 0.065 + 0. 045 S + 0.0065 S2

 

 

عامل پوشش گیاهی : (C)

عامل C عبارت است از نسبت مقدار خاک از بین رفته از زمین زیر کشت به خاک فرسوده شده از همان قطعه در طی یک آیش مداوم و عاری از پوشش یا باقی مانده گیاهی. میزان فرسایش در یک زمین دایما لخت در حال آیش (مقادیر C و P برابر یک است) برابر است با A = R.K.L.S ، حال اگر همین قطعه زمین را زیر کشت ببریم بدیهی است که خاک از بین رفته خیلی کمتر از مقدار فوق خواهد بود. نسبت خاک از بین رفته در این دو حالت نشان دهنده مقدار عامل C خواهد بود.

مقدار عامل C تحت تاثیر نوع گیاه، تعداد بوته در واحد سطح، مقدار بقایای نباتی، درصد پوشش خاک توسط آسمانه گیاهی (درصدی از کل سطح خاک که در تصویر قایم شاخ و برگ گیاهی از دید پنهان می ماند پوشش آسمانه گیاهی نامیده می شود) و ترتیب کشت در تناوب قرار می گیرد.

یکی از مشکلات عمده فرمول جهانی در کشور ما همین محاسبه C می باشد که در اثر تحقیق تعیین نمی شود. و بیشتر بر اساس تجربه و یا شاید حدس و گمان براورد می شود. در کل تعیین مقدار عامل C از پیچیده ترین عوامل می باشد.

 

عامل حفاظت خاک : (P )

عامل حفاظت خاک عبارت است از نسبت مقدار خاک از بین رفته در واحد سطح یک زمین حفاظت شده، به زمینی که لخت بوده و در جهت بالا و پایین تندترین شیب شخم زده شود. در اینجا منظور از کارهای حفاظتی بیشتر کشت در روی خطوط تراز، کشت نواری و تراس بندی است. البته عملیات حفاظتی دیگر مانند تناوب های حاوی علوفه، کود دادن، قرار دادن بقایای نباتی در سطح زمین و غیره مربوط به عامل مدیریت زراعی (C) می باشند.

در بین عملیات حفاظتی، اثر کشت نواری در کاهش مقدار فرسایش از شخم و کشت در روی خطوط تراز بیشتر است. و مقدار P در کشت نواری تابعی از درجه و طول شیب و نوع تناوب می باشد.

برخی ایرادات بر فرمول جهانی فرسایش خاک که توسط آقای ویشمایر ارایه شد وارد است که در زیر به آنها اشاره می کنیم.

  • معادله جهانی فرسایش برای تخمین فرسایش ورقه ای، شیاری و بین شیاری به کار می رود و در تخمین فرسایش خندقی یا مسیل نهرها به کار برده نمی شود.
  • فرمول جهانی فرسایش فقط برای پیش بینی فرسایش در خاکهایی که با کشاورزی در ارتباط می باشند به کار می رود و در کارهای غیر کشاورزی مانند میادین، پارک ها و غیره که برای آنها ضریب C تعیین نشده است، توصیه نمی شود.
  • معادله فرسایش خاک برای پیش بینی فرسایش ناشی از آب حاصل از ذوب شدن برف به کار نمی رود زیرا R فقط مربوط به فرسایندگی باران است.
  • از روی معادله فرسایش نمی توان میزان رسوب انتقال یافته به وسیله نهرها و همچنین رسوبات جمع شده در پشت مخازن را تخمین زد.
  • استفاده از معادله جهانی فرسایش در تخمین فرسایش اراضی مرتعی و جنگلی در مقایسه با استفاده از آن در تخمین فرسایش اراضی زراعی فاقد دقت لازم است.
  • این فرمول منطقه مورد مطالعه را یکنواخت فرض می کند.
  • معادله جهانی تلفات خاک قادر به محاسبه تلفات خالص خاک نیست بلکه میزان کل فرسایش یا فرسایش ناخالص را محاسبه می نماید. و به نوعی دیگر این مدل قادر به دادن اطلاعات در مورد میزان رسوب گذاری نیست. تلفات خالص، عبارت است از تلفات خاک منهای رسوب گذاری خاک در همان محل.
  • در کشور ما این فرمول علاوه بر معایب ذکر شده در بالا در دارای مشکلات دیگری نیز می باشد مثلا ما در کشور بدلیل نداشتن ایستگاه های سینوپتیک کافی در محاسبه میزان R با مشکل روبرو هستیم. همین طور در مورد فاکتور C ، که در کشور برای هیچ منطقه ای فاکتور C را تعیین نکردیم.

نکته 15 : با توجه به این که در مبحث قبل پیرامون معادله جهانی فرسایش خاک صحبت شد مناسب دیدیم که در زیر انواع مدل ها و معادلات مطرح شده در زمینه فرسایش خاک و تولید رسوب را توضیح دهیم.

 

  • مدل : Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE )

معادله جهانی هدر رفت خاک (USLE) برای براورد میزان تلفات خاک از یک قطعه زمین و یا در طول یک شیب ارایه شده است و با استفاده از آن نمی توان میزان رسوبدهی حوزه های آبخیز را تخمین زد. به منظور محاسبه مقدار رسوب بر اساس این معادله، آقای ویلیامز و برنت، ضریب نسبت تحویل رسوب را معرفی نمودند. نسبت تحویل رسوب به خصوصیات حوزه (فیزیوگرافی و زهکشی)، ویژگیهای رخدادهای اقلیمی و کاربری اراضی بستگی دارد.

آنها اعتقاد داشتند که برای استفاده از معادله در سطح حوزه بایستی روش محاسبه تمام عوامل آن به استثنای عامل فرسایندگی باران (R) تغییر نماید. بررسی های بعدی نشان داد که رابطه بین عوامل فرسایندگی و میزان تولید رسوب غیر خطی و ضعیف می باشد. بنابراین به علت متغیر بودن نسبت های تحویل رسوب محاسبه شده و غیر خطی بودن رابطه بین R و میزان تولید رسوب، عامل بارندگی مدل با عامل رواناب جایگزین گردید. با جایگزینی عامل بارندگی توسط عامل رواناب، دیگر ضرورتی به استفاده از نسبت تحویل رسوب در معادله جهانی وجود نخواهد داشت. شکل کلی مدل MUSLE که در آن نقش رواناب شاخص می باشد و از آن می توان برای محاسبه رسوب سالیانه بهره جست به صورت زیر می باشد.

A = 95 (Q.qP)0.56  KLSCP

 

A  : مقدار رسوبدهی یک رویداد (رگبار) بر حسب تن

Q  : حجم رواناب بر حسب ایکر- فوت

 qP : شدت حداکثر رواناب بر حسب فوت مکعب بر ثانیه

 P، C، S، L و  K  : در معادله جهانی تعریف شده اند.

این معادله در سیستم متریک به صورت زیر می باشد.

A = 11800 (Q.qP)0.56 KLSCP

 

 A: مقدار رسوبدهی یک رویداد بر حسب کیلوگرم

 Q : حجم رواناب بر حسب متر مکعب

 qP : شدت ماکزیمم رواناب بر حسب متر مکعب بر ثانیه

  • مدل : Revised Universal Soil Loss Equation ( RUSLE )

مدل USLE از دهه ی ١٩٧٠ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. از ابتدای دهه ١٩٩٠ USLE مورد تجدید نظر قرار گرفته و اطلاعات آن به روز گردیده، به صورت رایانه ای در آمده و سبب ارایه مدل براورد فرسایش تحت نام RUSLE گردیده است. RUSLE از همان عوامل اساسی USLE که قبلا به آن پرداختیم استفاده می کند. اما تعاریف و روابط متقابل در آن بهتر تشریح شده و سبب بهبود صحت براورد فرسایش خاک شده است. RUSLE یک برنامه نرم افزاری رایانه ای می باشد که با کسب تجارب بیشتر در کاربرد آن در جهان به طور مداوم اصلاح و تغییر می یابد. با توجه به اینکه مدل USLE فقط در اراضی کشاورزی مورد استفاده قرار می گرفت مدل RUSLE وابسته به نوع استفاده از اراضی است. یعنی هم در اراضی کشاورزی و هم در اراضی منابع طبیعی قابلیت استفاده دارد که به آن Land Use Dependent و این مدل Single Erent است و می تواند مقدار فرسایش را برای هر رخداد حساب کند.

اختلافات عمده بین USLE و RUSLE

 

مدل   SLEMSA

این مدل توسط ال ول در سال ١٩٧٨ برای نواحی جنوبی افریقا ارایه شد، که در واقع اصلاحی بر مدل USLE است که به منظور سازگار کردن آن با شرایط آگرواقلیمی جنوب افریقا صورت گرفته است. (این نیاز در زمینه خیلی از مدل های فرسایش خاک در کشور ما احساس می شود) بنابراین ال ول مدل جدیدی ارایه کرد که در آن فرسایش خاک تابع سیستم های فیزیکی نظیر اقلیم، خاک، پوشش گیاهی و توپوگرافی است. مدل SLEMSA به شرح زیر است :

Z = K.X.C

که در آن Z میانگین سالیانه هدر رفت خاک (تن در هکتار در سال)، K میانگین سالیانه هدر رفت خاک (تن در هکتار در سال) در کرت استاندارد مزرعه ای به طول ٣٠ و عرض ١٠ متر در شیب 2.5 درجه (4.5 درصد) برای خاکی که فرسایش پذیری آن (F) تحت شرایط آیش و عاری از هر گونه علف هرز مشخص باشد، X فاکتور مشترک طول و درجه شیب (بدون بعد) و C فاکتور مدیریت زراعی (بدون بعد) می باشد.

 

مدل PSIAC ((Modified) Pasific Southwest Inter-Agency Committee) و  MPSIAC

مدل PSIAC در سال 1968میلادی توسط کمیته مدیریت اب در امریکا برای محاسبه شدت فرسایش خاک و تولید رسوب مناطق خشک و نیمه خشک غرب ایالات متحده آمریکا ارایه شد. این روش برای اولین بار در ایران در سال 1352 در حوزه سد دز استفاده شد. و سپس با توجه به دقت نسبتا خوب آن در مقایسه با سایر روشها و مدلهای تجربی در برخی از حوزه های آبخیز کشور مانند دو خواهران، کهیر، زاینده رود، مارون، هلیل رود، دز، سراوان و اوزن دره مورد استفاده قرار گرفت. در حال حاضر نیز برای بررسی فرسایش خاک و تولید رسوب در طرح های جامع کشور از این روش استفاده می شود.

برای استفاده از روش PSIAC برای براورد وضعیت فرسایش و تولید رسوب در هر یک از اجزای واحد اراضی یا واحد هیدرولوژیک، ٩ عامل موثر در فرسایش و رسوب زایی بر حسب شدت و ضعف نقش آنها در فرسایش خاک و تولید رسوب باید مورد بررسی و ارزیابی دقیق قرار گیرند. نهایتا نمره بدست آمده از ٩ عامل در هر یک از اجزای واحد اراضی بیانگر شدت فرسایش خاک و میزان رسوب زایی در آن واحد می باشد.

عوامل موثر در فرسایش خاک و تولید رسوب به همراه نمرات مربوط به آن در روش : PSIAC

نهایتا عدد بدست آمده از جمع این ٩ فاکتور را درجه رسوب دهی آن زیر حوزه می نامند. همچنین می توانیم با توجه به درجه رسوب دهی با استفاده از فرمول زیر رسوب ویژه یا همان میزان تولید رسوب در واحد سطح آن زیر حوزه را نیز تعیین کنیم.

QS = 38.77 e0.0353R

 

QS  : رسوب ویژه           m3 / Km2.Year

 R  : درجه رسوب دهی (جمع فاکتورهای ٩ گانه)

با توجه به فرمول بالا که از طریق آن رسوب ویژه محاسبه گردید. حال برای بدست آوردن فرسایش ویژه آن حوزه از طریق رابطه ساده زیر عمل می کنیم :

فرسایش / تولید رسوب = نسبت تحویل رسوب (SDR)

 SDR / تولید رسوب = فرسایش

 

نسبت تحویل رسوب که مقدار آن از طریق نموگراف محاسبه می گردد. (البته فرمولی نیز برای محاسبه SDR وجود دارد) در واقع بخشی از مواد فرسایش یافته است که به صورت رسوب در می آید. و بطور کلی به عوامل زیر بستگی دارد :

  • مساحت حوزه آبخیز : هر چه مساحت حوزه آبخیز بیشتر باشد، SDR کمتر می شود.
  • شیب : هر چه شیب متوسط حوزه آبخیز بیشتر باشد، SDR بیشتر می شود.
  • بافت یا نوع خاک : بافت های ریز و بافت های سیلتی، SDR را زیاد می کنند و در مقابل بافت های شنی SDR آنها کمتر است. بافت خاک در حوزه های کوچک بیشتر تاثیر خود را نشان می دهد.

در نهایت با توجه به جدول زیر و اعداد بدست آمده از درجه رسوب دهی، ما می توانیم دو جور تفسیر انجام دهیم.

١) تفسیر کیفی ٢) تفسیر کمی

 

درجه رسوب دهی

اگر در زیر حوزه مورد مطالعه، تفسیر کمی انجام دهیم نقشه بدست آمده نقشه تخریب مخصوص یا رسوب ویژه یا نقشه فرسایش ویژه آن زیر حوزه می باشد. و طبق تعریف تخریب مخصوص عبارت است از کل مواد فرسایش یافته در سال بر حسب تن تقسیم بر مساحت منطقه مورد مطالعه بر حسب هکتار

همچنین می توانیم آنرا بر حسب واحد حجمی نیز به صورت زیر تعریف کنیم.

ارتفاع خاک فرسایش یافته بر حسب متر عبارت است از حجم مواد فرسایش یافته بر حسب متر مکعب، تقسیم بر مساحت منطقه مورد مطالعه بر حسب متر مربع

حال اگر ما از اعداد درجه رسوب دهی در حوزه مورد مطالعه ( جمع فاکتورهای ٩ گانه) تفسیر کیفی انجام دهیم نقشه بدست آمده، نقشه رسوب دهی حوزه می باشد.

 

مزایا و معایب روش  PSIAC

در این مدل، بیشترین عوامل موثر در فرسایش خاک و تولید رسوب در محاسبات وارد می گردد. نتایج حاصل از بکارگیری مدل PSIAC در بررسی تولید رسوب چند حوزه آبخیز سدهای مخزنی بزرگ کشور نشان داده است که اختلاف بین بار رسوبی براوردی از این روش با میزان مشاهده ای کم است. این روش نسبت به سایر روش ها کاربرد بیشتری دارد. ارزیابی فرسایش خاک و تولید رسوب بر خلاف برخی از روش ها نظیر FAO و BLM با کمیت بیان می گردد که شاید این امر مهمترین مزیت این روش به حساب آید. از مزایای دیگر روش PSIAC اینست که صرفنظر از ارزیابی عوامل موثر در فرسایش خاک (هفت عامل اول موجود در جدول) وضعیت فعلی فرسایش خاک در سطح حوزه آبخیز و فرسایش رودخانه ای و یا به بیان ساده تر واقعیت عینی موجود در مورد فرسایش خاک و تولید رسوب در هر آبخیز مورد ارزیابی قرار می گیرد. از معایب بزرگ این روش، ارزیابی صحیح هر یک از فاکتورها و تعیین اولویت آنها از لحاظ موثر بودن در تولید رسوب است. که این مهم نیز با به کار گیری تجربه علمی و عملی فراوان در زمینه شناخت عوامل موثر در فرسایش خاک و رسوب زایی، قابل مرتفع کردن می باشد . برای کمرنگ کردن نقش تجربه و سلیقه در مدل PSIAC ، در سال ١٩٨٢ طی تحقیقی آقای جانسون و کمبهارت عوامل نه گانه این روش را به صورت معادلات عددی در آوردند که در مطالعه حوزه آبخیز از این معادلات استفاده می شود. مدل اصلاح شده در ایران به نام MPSIAC معروف شده است. در روش MPSIAC هر یک از عوامل به صورت فرمولی محاسبه می شوند که فکر نمی کنم ضرورتی به پرداختن به آنها باشد و فقط این نکته را یاد آور می شوم که دو عامل وضعیت فرسایش در سطح حوزه آبخیز و همین طور عامل فرسایش رودخانه ای و تولید رسوب در روش MPSIAC از طریق مدل BLM بدست می آیند.

 

  • مدل EPM (Erosion Potential Method )

این روش با استفاده از اطلاعات پلات های فرسایشی و اندازه گیری رسوب در طول چهل سال آزمایش در کشور یوگسلاوی بدست آمده است و بوسیله آن ضمن تعیین شدت فرسایش می توان میزان حمل رسوب در رودخانه ها را براورد نمود و در رودخانه هایی که فاقد آمار هیدرومتری و رسوب سنجی هستند کاربرد مناسبی دارد.

روش E.P.M در دو مرحله انجام می گیرد :

١) تعیین شدت فرسایش ٢) محاسبه رسوب حمل شده

 

محاسبه شدت فرسایش :

برای محاسبه شدت فرسایش در یک حوزه آبخیز، اطلاعات و نقشه های زیر مورد نیاز می باشد.

  • نقشه توپوگرافی و عکس های هوایی هم مقیاس
  • نقشه زمین شناسی و سنگ شناسی
  • نقشه خاکشناسی
  • نقشه Land use
  • نقشه شیب

در تعیین شدت فرسایش خاک چهار عامل ضریب فرسایش (ψ) ، ضریب کاربری اراضی (Xa) ، ضریب حساسیت خاک به فرسایش (Y) و شیب متوسط حوزه آبخیز (I) مورد استفاده قرار می گیرند. و نمره هر یک توسط جداولی استخراج می گردد و پس از ارزیابی چهار عامل فوق با استفاده از رابطه زیر شدت فرسایش را بدست می آوریم :

Z = Y . Xa (ψ + I0 .5)

پس از محاسبه Z با استفاده از جدول زیر نسبت به طبقه بندی کیفی فرسایش اقدام می شود.

جدول طبقه بندی کیفی فرسایش

برای محاسبه Z علاوه بر فرمول بالا می توان از نمودار تعیین ضریب شدت فرسایش نیز استفاده کرد. محاسبه فرسایش ویژه :

فرسایش ویژه یا مقدار فرسایش در واحد سطح در طول یک سال حوزه آبخیز از رابطه زیر بدست می آید :

WSP = T . H . Z1.5

WSP  = مقدار فرسایش بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال

 H = متوسط بارندگی سالیانه حوزه بر حسب میلی متر

T  = ضریب درجه حرارت که از رابطه T= (t/10 + 0.1)0.5 بدست می آید که در آن t متوسط درجه حرارت سالیانه حوزه بر حسب سانتی گراد می باشد.

Z  = شدت فرسایش

تعیین ضریب رسوب دهی حوزه :

معمولا مقدار رسوبی که در محل خروجی رودخانه اندازه گیری می شود از خاک فرسایش یافته در سطح حوزه آبخیز کمتر است. زیرا ممکن است مقدار زیادی از خاک فرسایش یافته در نقطه دیگری از حوزه رسوب نماید و به همین جهت لزوم تعیین ضریب رسوب دهی حوزه ضرورت دارد.

RU = (P . D)0.5

 

در فرمول بالا :

RU ضریب رسوبدهی حوزه آبخیز

P  = محیط حوزه آبخیز

L  = طول حوزه آبخیز به کیلومتر (منظور طویل ترین طول یا طول آبراهه اصلی است)

 

در فرمول بالا مقدار D از طریق فرمول روبرو بدست می آید.

D = (Dav – DO )  

Dav = ارتفاع متوسط حوزه آبخیز

DO  = ارتفاع نقطه خروجی در رودخانه

 

محاسبه دبی رسوب ویژه و دبی رسوب کل :

 

برای محاسبه دبی رسوب ویژه ؛ مقدار فرسایش ویژه را در ضریب رسوب دهی ضرب می نماییم :

GSP = WSP . RU

 

GSP  = دبی رسوب ویژه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال

W SP = مقدار فرسایش ویژه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال

RU = ضریب رسوب دهی حوزه آبخیز ( که همان SDR روش PSIAC می باشد)

 

برای محاسبه دبی رسوب کل ؛

دبی رسوب ویژه را در مساحت کل حوزه آبخیز ضرب می نماییم :

GS = GSP . F

 

GS  = دبی رسوب کل حوزه بر حسب متر مکعب در سال

GSP = دبی رسوب ویژه بر حسب متر مکعب در سال در کیلومتر مربع

F = مساحت حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر مربع

 

بدیهی است که برای محاسبه دبی رسوب کل بر حسب تن در سال، می بایست GS را در وزن مخصوص ظاهری خاک حوزه ضرب نماییم.

مدل EPM در ایران در حوزه آبخیز الموت رود قزوین و حوزه آبخیز اوزون دره و چند حوزه دیگر بکار گرفته شده است.

نکته اخر در مورد این مدل (EPM) اینکه در حوزه هایی که متوسط درجه حرارت سالانه آنها کمتر از  1- درجه سانتی گراد است این روش قادر نمی باشد که وضعیت رسوب آنها را مورد ارزیابی و بررسی قرار دهد. زیرا که در فرمول T= (t/10 + 0.1)0.5  داخل پرانتز منفی می شود.

روش FAO :

در این روش براورد میزان فرسایش خاک براساس بررسی و ارزیابی ۶ عامل موثر در فرسایش خاک و تولید رسوب در حوزه آبخیز می باشد.

رابطه بین شدت فرسایش خاک و عوامل موثر به صورت زیر می باشد :

S = f (A, B, C, D, E , F)

که در این فرمول :   

S : شدت فرسایش خاک

A  : حفاظت خاک

B  : سنگ مادر

C  : شیب

D : ساختمان و دانه بندی خاک

E : عملیات کشاورزی       

F  : وضعیت فعلی فرسایش

فاکتور های ارایه شده در مدل فائو بسیار شبیه فاکتور های مدل PSIAC می باشد. در حقیقت،  A  : زمین شناسی سطحی ،   B : خاک ، C  : توپوگرافی ، D : پوشش خاک ،  E  : نحوه استفاده از اراضی و  F  : وضعیت فعلی فرسایش در روش PSIAC می باشد.

نهایتا هر یک از عوامل فوق بر حسب شدت و تاثیری که در فرسایش خاک ایفا می نمایند توسط کارشناس نمره گذاری می شوند. که سهم هر فاکتور در جدول زیر آمده است.

جدول مشخص کننده شدت فرسایش

پس از نمره گذاری کلیه عوامل در واحدهای هیدرولوژیک یا واحدهای اراضی، از مجموع این نمرات شدت فرسایش خاک تعیین شده و تحت ۶ کلاس بیان می گردد. که این کلاس بندی نیز در جدول زیر ارایه شده است.

جدول کلاس بندی فرسایش خاک

نکات پایانی در مورد این مدل اینکه، مدل فائو تا حدودی شبیه به مدل PSIAC می باشد ولی مدل PSIAC با توجه به اینکه نقش ٩ عامل را در فرسایش خاک در نظر می گیرد (در روش FAO   6  فاکتور را داریم) و همین طور می تواند توصیفی کمی و کیفی از فرسایش خاک ارایه کند ( روش فائو فقط توصیفی کیفی از فرسایش خاک در حوزه ارایه می کند) بسیار مفصل و کاربردی تر می باشد و در آخر یادآور می شوم که با توجه به اطلاعی که بنده دارم روش FAO در کشور ما در حوزه آبخیز سد ویشمگیر انجام گرفته است.

روش فورنیه (Fournier ) :

فورنیه برای براورد رسوب یک حوزه آبخیز دو روش مختلف ارایه داده است که به شرح زیر می باشد :

روش اول فورنیه برای براورد رسوب در یک حوزه آبخیز به صورت زیر است :

 فرمول اول فورنیه برای براورد رسوب

در فرمول بالا :

QS  : رسوب ویژه بر حسب تن در کیلومتر مربع در سال

PW  : میانگین  بارندگی پرباران ترین ماه سال در دوره آماری مورد نظر بر حسب میلیمتر

Pa  : میانگین بارندگی سالانه بر حسب میلی متر در دوره آماری مورد نظر

H  : ارتفاع متوسط حوزه بر حسب متر

S  : شیب متوسط حوزه بر حسب درجه (به جای tan S می توان از درصد شیب متوسط حوزه نیز استفاده کرد)

روش دوم فورنیه برای براورد رسوب در یک حوزه به صورت زیر است :

فرمول دوم فورنیه برای محاسبه رسوب در یک حوزه

 

تمامی عامل های بالا همان عوامل فرمول قبل می باشند بجز S که سطح حوزه بر حسب کیلومتر مربع میباشد.

نکته ای که در رابطه با فرمول فورنیه می بایستی در نظر داشت اینکه روش فورنیه پتانسیل فرسایش پذیری حوزه را مد نظر قرار نمی دهد. بنابراین اگر دو منطقه از نظر عوامل مربوط به فرمول یکسان بوده ولی از نظر شرایط زمین شناسی، خاکشناسی و پوشش گیاهی متفاوت باشد میزان رسوب آنها یکسان براورد خواهد شد.

 

روش مسگریو (Musgrave )

مسگریو در سال 1947 با مطالعه و اندازه گیری فرسایش حاصل از 40000 رگبار را در ایالات متحد آمریکا برای براورد شدت فرسایش ورقه ای بکار برده و این مطالعات را به صورت رابطه ای به شکل زیر ارایه داده است.

فرمول مسگریو برای برآورد شدت فرسایش ورقه ای

E  : فرسایش خاک بر حسب ایکر اینچ

I  : قابلیت فرسایش پذیری خاک بر حسب اینچ

R  : عامل پوشش خاک

S  : شیب بر حسب درصد

L  : طول دامنه شیب دار بر حسب فوت

30P  : ماکزیمم بارندگی ٣٠ دقیقه دو ساله بر حسب اینچ

 

روش مسگریو برای براورد فرسایش ورقه ای بوده و برای انواع مختلف فرسایش قابلیت کاربردی ندارد و همین طور برای سطوح کوچک استفاده می گردد.

 

روش دفتر مدیریت اراضی ( Bureau of Land Management  ( BLM

این روش که توسط سازمان مدیریت اراضی امریکا ابداع شده است، و بر اساس ارزیابی ٧ عامل به شرح زیر میباشد :

  • حرکت خاک (توسط آب، باد، نیروی ثقل و …) (0-14)
  • وجود لاشبرگ در سطح خاک (0-14)
  • وضعیت سنگها (عمدتا از نظر توزیع درسطح) (0-14)
  • قطعات سنگی تحکیم یافته (برجستگی ها) (0-14)
  • وجود فرسایش شیاری (0-14)
  • فرم آبراهه ها (0-15)
  • وجود فرسایش خندقی (0-15)

مجموع نمرات این هفت عامل (که در جلوی آنها آمده است)، امتیاز عامل سطحی خاک (S.S.F) را به دست می دهد. و وضعیت فرسایش نیز برحسب جمع نمرات هفت گانه به صورت کیفی با توجه به جدول زیر بیان می شود.

جدول فرسایش با جمع نمرات عوامل هفتگانه

 

مدل ( Griffith University Erosion System Template ( GUEST

در سالهای اخیر نسل جدیدی از مدلهای با پایه فیزیکی (یا به عبارت دیگر فرایندی) نظیر WEPP، EUROSEM و GUEST برای توصیف و کمی کردن فرایندهای فرسایش توسعه یافته اند. و اما مدل GUEST که یکی از مدلهای فرایندی مطرح در زمینه فرسایش خاک می باشد طی دو دهه گذشته تکمیل شده است. تئوری اولیه این مدل توسط رز و همکاران مطرح و برای داده های رواناب و غلظت ناشی از ٩ رویداد در یک آبخیز کوچک (1.3 ha) در اقلیم خشک در آریزونا بکار برده شد. (امیدوارم که این مبحث در آینده تکمیل گردد.)

 

مدل ( Water Erosion Prediction Project ( WEPP  

این مدل در سال 1958 پایه گذاری شده است و یک تکنولوژی جدید پیش بینی فرسایش است که بر پایه مفاهیم اساسی اقلیمی، تئوری نفوذ، هیدرولوژیکی، فیزیک خاک، علوم گیاهی، هیدرولیک و مکانیسم های فرسایش بنا شده است. این مدل قادر است که تلفات خاک را در طول شیب و تولید رسوب را در انتهای شیب یک تپه محاسبه نماید. (امیدوارم که این مبحث در آینده تکمیل گردد.)

 

مدل ( European Soil Erosion Model ( EUROSEM

مدل EUROSEM ، مدلی فرایندی و دینامیک است که توسط مورگان و همکارانش در سال ١٩٩٨ ارایه گردید. این مدل قادر است فرسایش ناشی از فرایندهای شیاری و بین شیاری را در هر رگبار بر روی سطوح اراضی در مقیاس مزرعه ای یا آبخیز های کوچک شبیه سازی نماید. مدل EUROSEM ، حجم کل رواناب، تلفات کل خاک، آب نمود (Hydrograph) و رسوب نمود (Sediment graph) هر رخداد را شبیه سازی می کند.

 

نکته 16 : پیش از پرداختن به عملیات حفاظت خاک و کنترل فرسایش یک حوزه آبخیز، لازم است که از میزان رواناب آن حوزه و همین طور شکل حوزه مورد مطالعه اطلاعاتی بدست آوریم که ما در زیر قصد داریم به این مباحث بپردازیم.

کامل ترین تعریفی که از رواناب شده است این است که، بخشی از نزولات آسمانی که نه تبخیر شده، نه جذب گیاهان شده و نه در خاک نفوذ کرده است، بلکه در سطوح شیب دار جاری شده و توسط آبراهه های حوزه آبخیز از آن خارج می گردد. این آب را روان آب یا به طور دقیق تر آبدوی مستقیم یا سطحی (Surface run off) می نامند.

ممکن است بخشی از ابی که در خاک نفوذ کرده است در زیر لایه سطحی خاک در جهت شیب زمین حرکت کرده و از جای دیگری خارج شود. در این صورت آنرا رواناب زیر سطحی (Subsurface flow) می نامند، مانند چشمه ها ، این آب به دلیل کندی جریان در لایه های خاک معمولا خیلی دیرتر از رواناب سطحی در سطح زمین ظاهر می شود و آنرا آبدوی غیر مستقیم یا دایمی می نامند به مجموع آبدوی مستقیم و غیر مستقیم آبدوی کل گفته می شود.

 

نقش عوامل موثر در تولید رواناب :

نقش عوامل اقلیمی یا آب و هوایی در تولید رواناب:

عوامل آب و هوایی موثر در آبدوی عبارتند از : شکل بارندگی، شدت، مدت و دوره بازگشت بارندگی، پراکنش شدت در مدت بارش، جهت حرکت رگبار، تبخیر و تعرق و غیره

در مبحث مربوط به فرسایش ناشی از باران به تمامی این مباحث به نوعی پرداخته شده است. که در اینجا ضرورتی به تکرار نیست.

 

نقش خصوصیات حوزه آبخیز در میزان آبدوی :

حوزه آبخیز (Watershed catchment area) سطحی از یک منطقه است که بین خط الراس های آن منطقه محدود گردیده و آبدوی حاصل از بارندگی که روی آن می بارد به نقطه واحدی به نام نقطه تمرکز هدایت می شود. اگر نقطه تمرکز در داخل حوزه قرار گرفته باشد، یعنی حوزه محیط کاملا مسدودی را تشکیل دهد، آن حوزه را بسته، و اگر نقطه تمرکز در انتهای حوزه واقع شده باشد به طوری که رواناب بتواند از حوزه خارج شود، آن را حوزه باز می نامند. خط القعر های هر حوزه، آبراهه ها را تشکیل می دهند.

 

تعریف زمان تمرکز یا زمان تجمع : مدت زمان لازم برای رسیدن آب باران تمامی قسمت های حوزه آبخیز به نقطه خروجی است. و یا از شروع رواناب تا زمانی که دبی به مقدار ثابت خود می رسد مدتی طول می کشد که آنرا زمان تمرکز می نامند. و دبی رواناب در زمان تمرکز است که به بیشترین مقدار خود می رسد.

 

عوامل موثر بر زمان تمرکز :

  • وسعت حوزه آبخیز : هر چه حوزه آبخیز وسیع تر باشد، زمان تمرکز افزایش می یابد.
  • توپوگرافی : هر چه توپوگرافی (شیب) زیادتر باشد، زمان تمرکز کمتر است.
  • شکل حوزه آبخیز : بطور کلی شکل حوزه آبخیز در مقدار (حجم) رواناب تاثیر ندارد ولی در شدت (PK) رواناب تاثیر دارد. حوزه های که به دایره یا مربع نزدیک باشند بدلیل اینکه زمان تمرکز آبراهه های این حوزه ها به هم نزدیک است آب این آبراهه ها یکدفعه بهم می رسند و ایجاد جریانات طغیانی می کنند. اما اگر حوزه کشیده و مستطیلی باشد، بدلیل آنکه زمان تمرکز آبراهه ها یکسان نیست. جریانات طغیانی را نداریم.

 

روش های تعیین شکل حوزه آبخیز :

روش هورتون :

فرمول روش هورتون

A  : مساحت حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر مربع

L  : طول آبخیز بر حسب کیلومتر

هر چه مقدار R به عدد یک نزدیک باشد، شکل آبخیز مورد نظر به مربع نزدیکتر خواهد بود. بالعکس هر چه این عدد از یک کوچکتر باشد بیانگر این است که شکل آبخیز مورد مطالعه کشیده و طویل تر است.

 

روش میلر :

 فرمول روش میلر برای تعیین شکل حوزه آبریز

 

A : مساحت و  P  : محیط حوزه آبخیز می باشد و در این رابطه هر چه مقدار S به عدد یک نزدیکتر باشد شکل آبخیز مورد مطالعه به دایره نزدیکتر خواهد بود.

 

نسبت طول یا روش شیوم :

S = DC / L

 

در این فرمول، DC قطر دایره هم سطح با حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر و L طول آبخیز بر حسب کیلومتر است

 

ضریب گردی یا ضریب گراولیوس :

ضریب گردی عبارت است از نسبت محیط حوزه به محیط دایره ای که مساحت آن برابر مساحت حوزه باشد. و فرمول آن به صورت زیر است.

ضریب گردی یا ضریب گراولیوس

P محیط حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر و A مساحت حوزه بر حسب کیلومتر مربع می باشد.

در این فرمول : اگر حوزه آبخیز به شکل دایره باشد، ضریب C برابر با یک است و در غیر این صورت ضریب بزرگتر از یک خواهد بود. هر چه این شاخص از یک بیشتر باشد، شکل حوزه آبخیز کشیده تر خواهد بود.

 

روش های محاسبه زمان تمرکز :

روش ویلیامز : در این رابطه که به نوعی دقیق ترین روش نیز می باشد، زمان تمرکز یک حوزه آبخیز بر اساس خصوصیات فیزیکی آن بوسیله رابطه زیر بیان می شود.

روش ویلیامز برای محاسبه زمان تمرکز

 

در این فرمول :

T C  : زمان تمرکز بر حسب ساعت

L  : طول آبراهه اصلی بر حسب کیلومتر

D  : قطر دایره معادل سطح حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر

M  : مساحت حوزه آبخیز بر حسب کیلومتر مربع

F  : شیب متوسط آبراهه اصلی بر حسب متر در ١٠٠ متر

 

روش کرپیچ : (روش تجربی)

روش کرپیچ برای محاسبه زمان تمرکز

در این فرمول :

T C  : زمان تمرکز بر حسب دقیقه

L : حداکثر طول جریان آب بر حسب متر

S  : شیب متوسط آبراهه بر حسب متر در متر

 

روش تجربی دوم :

روش تحربی دوم برای محاسبه زمان تمرکز

T C  : زمان تمرکز بر حسب دقیقه

L  : طول آبراهه اصلی بر حسب متر

S  : شیب بر حسب متر در متر

 

در این فرمول، شیب از تقسیم اختلاف ارتفاع بین بالاترین و پایین ترین نقطه در حوزه آبخیز بر طول آبراهه اصلی بدست می آید.

 

روش های محاسبه رواناب :

روش منطقی یا استدلالی  Rational method

این روش به عنوان یک روش تجربی، ساده ترین روشی است که برای تخمین حداکثر دبی جریان رواناب (PK) و ارتفاع آبدوی بکار می رود. این روش بدلیل براورد شدت رواناب می تواند برای محاسبه ابعاد دهانه پل ها نیز استفاده شود. فرمول به شکل زیر است :

Q = CIA /360

 

در این فرمول

Q  : دبی رواناب بر حسب متر مکعب در ثانیه

C  : ضریب رواناب (بدون واحد)

I  : شدت بارندگی بر حسب میلی متر در ساعت که زمان تداوم آن معادل زمان تمرکز حوزه یا بیشتر از آن است.

A  : سطح آبخیز بر حسب هکتار

 

این فرمول به صورت زیر نیز ارایه شده است

Q = 0.278 CIA  

 

که در آن :

Q  : دبی بر حسب متر مکعب در ثانیه

C  : ضریب رواناب

I  : شدت بارندگی بر حسب میلی متر در ساعت که زمان تداوم آن معادل زمان تمرکز حوزه یا بیشتر از آن است.

A  : سطح آبخیز بر حسب کیلومتر مربع

 

حال این سوال پیش می آید که پارامتر های که برای محاسبه Q استفاده شده اند چگونه محاسبه می شوند؟ که در زیر توضیح می دهیم.

برای محاسبه سطح آبخیز باید مساحت آنرا روی نقشه یا عکس های هوایی تعیین کنیم

برای تعیین I یا شدت حداکثر بارندگی ابتدا زمان تجمع را تعیین می کنیم و سپس این زمان بدست آمده را به عنوان مدت بارندگی در نظر گرفته و از روی منحنی موجود بین شدت و مدت بارندگی در دوره بازگشت مورد نظر، مقدار شدت را برای آن زمان به دست می آوریم.

برای محاسبه ضریب C و یا همان ضریب جریان، از جداولی که تهیه شده است می توان استفاده کرد. البته برای محاسبه ضریب جریان که در واقع نشان دهنده درصدی از باران می باشد که به صورت رواناب در آمده، می توان از تعاریف زیر استفاده کرد.

ضریب جریان عبارت است از : ارتفاع آب جاری شده (حجم آب خارج شده) به ارتفاع بارندگی متوسط حوزه (حجم باران باریده شده).

 

روش شماره منحنی رواناب (C.N)

این روش در حوزه های آبخیزی که ایستگاه سینوپتیک به منظور تعیین شدت بارندگی ندارند. مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش با بررسی خصوصیاتی از حوزه آبخیز، به عددی می رسیم که نماینده تولید رواناب در ان حوزه است. این عدد بین ١٠٠-٠ متغیر بوده و هر چه به ١٠٠ نزدیکتر شود توانایی آن حوزه برای تولید رواناب بیشتر می شود و هر چه از ١٠٠ دورتر شود توانایی آن حوزه برای تولید رواناب کمتر است.

با بدست آوردن شماره منحنی رواناب (C.N) می توانیم عمق یا ارتفاع رواناب، حجم رواناب و شدت رواناب را محاسبه نماییم. (در روش استدلالی ما شدت رواناب را بدست می آوردیم)

 

خصوصیاتی که از حوزه آبخیز، که در این روش مطالعه می شود عبارتند از :

گروه های هیدرولوژیکی خاک :

خاکها را بر اساس اینکه چه پتانسیلی برای تولید رواناب داشته باشند به چهار گروه زیر تقسیم می کنند.

گروه A  : خاکهای هستند با توانایی تولید رواناب کم و نفوذ پذیری زیاد ( نفوذ پذیری بیش از 7.6 Cm/hr و اغلب بیش از  18 Cm/hr   ) و دارای بافت سبک، شنی و عمیق می باشند.

گروه  B  : خاکهای هستند با پتانسیل تولید رواناب متوسط و بافت نسبتا ریز و دارای عمق نسبتا عمیق تا عمیق می باشد. این خاکها دارای نفوذ پذیری بین 3.25-7.6 Cm/hr می باشند.

گروه C  : خاکهای که رواناب نسبتا زیادی تولید می کنند و بافت آنها نسبتا سنگین تا سنگین است. در بعضی از این خاکها لایه غیر قابل نفوذ وجود دارد. و نفوذ پذیری این گروه از خاکها بین 1.3-3.25 Cm/hr می باشد.

گروه  D  : پتانسیل تولید رواناب در این خاکها زیاد است و دارای بافت خیلی سنگینی می باشند. این گروه از خاکها، نفوذپذیری کمتر از 1.3 Cm/hr داشته و اغلب در شرایط زیر دیده می شوند.

الف  – خاکهای رسی با ظرفیت انبساط پذیری زیاد

ب – خاکهای که سفره آب زیر زمینی بطور دایم در آنها بالا است.

پ – خاکهای که در آنها لایه Clay pan یا Clay layer نزدیک به سطح است.

ت  – خاکهای کم عمق بر روی مواد غیر قابل نفوذ (مارن ، شیست)

 

محاسبه رواناب با معادله  SCS

این معادله توسط آقای Victor.mockus در سال 1947 بر اساس تحقیقاتی که انجام داد ارایه شد. ولی به علت اینکه در سطح وسیع توسط SCS مورد استفاده قرار گرفت به این نام معروف شده است. این معادله کاربرد بسیار وسیعی دارد.

( روش های مبارزه با فرسایش ) محاسبه رواناب با معادله SCS

 

Q  : عمق رواناب بر حسب اینچ

P  : مقدار بارندگی بر حسب اینچ

Ia  : جذب اولیه

S : امکان بالقوه خاک برای نگهداری اب بر حسب اینچ

 

بر اساس تحقیقاتی که انجام گرفت، فرمول ساده شد و نتایج زیر بدست آمد.

محاسبه رواناب با معادله SCS

در اینجا اگر S برابر با صفر شود (یعنی هیچ آبی نگهداری نمی شود (آسفالت)) در این حالت C.N برابر با صد می شود. یعنی همه آن رواناب است.

اگر در تپه های شنی S برابر ∞ باشد در فرمول  5  ، C.N برابر با صفر می شود اگر عمق رواناب (Q) را ضرب در سطح حوزه کنیم، حجم بدست می آید.

 

محاسبه رواناب به روش کوک :                                 

این روش برای محاسبه رواناب، روش دقیقی نیست و تنها به براورد چهار فاکتور نیاز دارد. که عبارتند از :    

  • نفوذپذیری
  • ذخایر سطحی
  • پوشش گیاهی
  • پستی و بلندی

نکته ١٧ : در زیر به عنوان مطلب پایانی، مباحثی را پیرامون حفاظت خاک و روش های مبارزه با فرسایش خاک ارایه می کنیم.

انواع روش های مبارزه با فرسایش :

مبارزه غیر مستقیم یا بیولوژیکی :

در این روش ما روی شیب تغییر آنچنانی ایجاد نمی کنیم بلکه با احیاء پوشش گیاهی با فرسایش مبارزه می کنیم. مثل

  • احیاء پوشش گیاهی با بذر پاشی، نهالکاری و جنگل کاری طبیعی یا مصنوعی
  • قرق؛ البته قرق کوتاه مدت
  • ورود به موقع دام به مراتع و خروج به موقع آنها
  • تبدیل اراضی دیم کو بازده به علوفه های چند ساله
  • استفاده از رواناب سطحی در جهت تولید و احیاء پوشش گیاهی، مثل Micro catchment
  • استفاده از اراضی بر حسب استعداد آنها
  • جلوگیری از اعمال عملیات مضر کشاورزی و انجام کشت صحیح به طریق کنتور بندی و کشت نواری (این مطلب را در زیر بیشتر توضیح می دهیم).

نوع کشت در روش مبارزه غیر مستقیم با فرسایش :

  • کشت کنتوری :

کشت بر روی خطوط منحنی میزان می باشد. و به دو طریق انجام می گیرد.

  • کنتور لاین  Contour Line (خط راهنما)

بطور کلی کشت در روش مراحل زیر را دارا است. ١- تعیین موقعیت خط کن تور یا خط راهنما ٢- شخم کن تور ٣- کشت بر روی خطوط کن تور

این مدل کشت بهترین جواب را در شیب % 3 -8 و در شرایط بارندگی کم می دهد.

  • کن تور بانک  Contour bank

در این روش کشت به جای خط راهنما ما یک پشته 30-40 Cm داریم و خاکریزی می کنیم که این نیز بر روی خطوط میزان منحنی است. کنتور بانک در شیب های % 8- 15 و در شرایط بارندگی شدید در شیب های کمتر از % 8 نیز اجرا می شود و علاوه بر اراضی کشاورزی در مراتع نیز می توان آنرا اجرا کرد ( البته تا شیب  % 15  )

کف کن تور بانک را دو جور طراحی می کنند. یا افقی و یا شیب دار ؛ افقی وقتی است که شدت بارندگی زیاد نباشد و نفوذپذیری نیز خوب باشد. و در صورتی که بارندگی منطقه زیاد و نفوذپذیری خاک خوب نباشد کف کن تور بانک را شیب دار می سازند تا آبراهه ها را منتقل کند.

بطور کلی کن تور بانک ها می توانند باعث آبدار شدن سفره آب زیر زمینی و قنوات شوند.

 

  • کشت نواری  Strip cropping

این روش عبارت است از یک سری نوار یکدرمیان گیاهی، عمود بر جهت شیب زمین.

انواع کشت نواری

  • کشت نواری کن توری Contour strip cropping  : مثل حالت کن توری (کن تور لاین و کن تور بانک)، منتها به جای اینکه روی خطوط میزان یک گیاه بکاریم روی هر نوار یک گیاه می کاریم.
  • کشت نواری مزرعه Field strip cropping   : گاها منطقه کاری ما ممکن است به طریقی باشد که شیب نامنظمی داشته باشد که نتوان کشت روی خطوط میزان انجام داد در این شرایط از کشت نواری مزرعه استفاده می کنیم. در این روش ما روی خطوط منحنی میزان کشت انجام نمی دهیم ولی عمود بر شیب کشت انجام می شود.
  • کشت نواری بادی  Wind strip cropping  : در مناطقی که بادهای فصلی با شدت زیاد وجود دارد ما درختانی را به عنوان بادشکن به صورت نواری در مقابل جهت باد می کاریم که این بادشکن ها سرعت حد آستانه فرسایش را پایین می آورند. و در مناطقی که جهت باد غالب در فطول مختلف سال تغییر می کند از بادشکن های شطرنجی استفاده می شود.

 

مبارزه مستقیم یا مهندسی یا مکانیکی :

در این روش مبارزه، مستقیما روی شیب تغییرات (تراس، بانکت) ایجاد می کنیم. تا این تغییرات نهایتا منجر شود به این که، اولا سرعت رواناب به حد آستانه فرسایش نرسد. ثانیا تمام یا قسمتی از آب در زمین نفوذ کند. و ثالثا اینکه آبهای اضافی به مجرای خروجی مطمئنی هدایت شوند. تغییرات روی اراضی شیب دار در تمامی منابع آمریکایی بنام تراس مشهور است و در بعضی منابع مثل فرانسوی ها، بعضی از تغییرات را تراس و بعضی از تغییرات را بانکت می نامند. که ما در آبخیزداری با اروپایی ها هماهنگ هستیم.

 

تراس بندی  Terracing

عبارت است از خاکبرداری و خاکریزی بر روی سطح شیب دار به نحوی که پس از اجرا، سطح شیب دار به صورت تراس در آمده باشد. در یک سطح شیب دار تراس ها مانع این می شوند که سرعت رواناب به حد آستانه فرسایش برسد. در زیر برخی ایرادات و در واقع عیوبی که بر تراس بندی وارد است را متذکر می شویم.

  • هزینه زیاد خاکبرداری و خاکریزی ( در واقع، نداشتن توجیه اقتصادی)
  • محدود بودن موارد استفاده از تراس (بیشتر برای کشاورزی استفاده می شود)
  • محدود بودن استفاده در شیب ( حداکثر تا شیب % 25 )
  • اختلاط خاک سطح الارض و زیرین
  • امکان لغزش خاک در موارد خاص

انواع تراس ها :

تراس معمولی : در جاهای که شیب کم است (   % 20  و نهایتا   % 25   ) اجرا شده و چون شیب کم است نتیجتاً عرض آین تراس ها زیاد شده و از آنها می توان برای کشاورزی استفاده کرد.

تراس سکوی یا پله ای  Bench terrace  : این نوع تراس ها را در شیب های تند حتی تا % 50 می توان اجرا کرد. و به علت اینکه شیب زیاد است عرض تراس کم می شود و این نوع تراس ها برای کشاورزی مناسب نیستند و بیشتر برای نهال کاری و احداث باغ استفاده می شوند.

 

تراس های سکوی یا پله ای انواع مختلفی دارند که عبارتند از :

  • تراس های پله ای افقی : این تراس ها شیب ندارند و اجازه نفوذ آب را می دهند.
  • تراس های پله ای با شیب به طرف دره : این تراس ها در شرایطی که بارندگی و رواناب در منطقه زیاد باشد و در لایه زیرین تپه، لایه غیر قابل نفوذ وجود داشته باشد استفاده می شود.
  • تراس های پله ای با شیب به طرف کوه یا تپه : در مناطقی که آب کم است و می خواهیم همه آب در زمین نفوذ کند از این تراس ها استفاده می شود.
  • تراس های پله ای آبیاری : بیشتر برای انتقال آب استفاده می شوند.

اشکال تراس ها :

تراس ها به دو شکل طراحی می شوند.

الف  – تراس قایم با دیواره محافظ : جاهای که ارزش زمین بالا و خطر استحکام پایین است این نوع تراس ها استفاده می شود. که البته اجرای آنها هزینه بالای نیز دارد.

ب – تراس های مایل : در جاهای که ارزش زمین کم و استحکام خاک زیاد است از این تراس ها استفاده میشود.

 

محاسبه فاصله عمودی و افقی بین تراس ها :

محاسبه فاصله عمودی بین تراس ها  Vertical Interval (V.I )

برای محاسبه فاصله عمودی از فرمولی که SCS توصیه کرده استفاده می شود.

محاسبه فاصله عمودی تراس ها با استفاده از روش SCS

V . I  : فاصله عمودی دو تراس بر حسب متر

X  : عدد متغیری است که 0.4 برای تراس های شیب دار و 0.8 برای تراس های افقی بدون شیب در نظر میگیرند.

S  : شیب زمین (متر در یکصدمتر)

Y  : فاکتور متغیری است که از یک تا چهار بستگی به خصوصیات فرسایش پذیری خاک، پوشش گیاهی و نفوذپذیری در تغییر است.

 Y = 1  : برای خاکهای که نفوذپذیری کمتر از حد متوسط داشته و همین طور دارای پوشش گیاهی کمی در سطح خود می باشند و جزء گروههای هیدروکوژیکی C و D قرار می گیرند. لحاظ می شود.

 Y = 2.5  :  برای خاکهای که در حد متوسط نفوذپذیری بوده و پوشش گیاهی آنها نیز متوسط بوده و جزء گروههای هیدرولوژیکی B می باشند. استفاده می شود.

Y = 4 : برای خاکهای بالاتر از حد متوسط نفوذپذیری و پوشش گیاهی خوب و خاکهای که جزء گروه A هیدرولوژیکی می باشند. مقدار 4 لحاظ می شود.

 

محاسبه فاصله افقی بین تراس ها :

برای محاسبه این فرمول ( با توجه به شکل) از فرمول شیب استفاده می شود.

محاسبه فاصله افقی بین تراس ها با استفاده از فرمول شیب

H . I  : فاصله افقی تراس ها بر حسب متر

S  : شیب (متر در متر)

 

بانکت  Banquette

بانکت کلمه ای است فرانسوی که انگلیسی ها به آن Contour Trenche می گویند. یعنی کانال روی خطوط میزان .

معمولا بانکت ها در شیب های تند و در اراضی مرتعی به منظور کاهش سرعت رواناب و نفوذ آب در داخل خاک و کمک به احیاء پوشش گیاهی و حتی ایجاد جنگل های مصنوعی و مجاری انتقال آب توصیه می شود. بانکت هزینه کمتری نسبت به تراس دارد و از نظر اجرا نیز متفاوت است. بانکت ها مثل کن تور بانک از بالا به پایین احداث می شوند.

در تراس ها در تمام سطح شیب دار خاکبرداری و خاکریزی صورت می گیرد ولی در بانکت ها ما در مناطقی خاصی از شیب خاکریزی و خاکبرداری داریم.

 

بانکت ها به دو طریق اجرا می شوند.

الف–    بانکت های جذبی یا افقی : این نوع بانکت ها در شرایطی نفوذپذیری خاک خوب و شدت بارش در منطقه کم باشد. اجرا می شوند.

ب – بانکت های انحرافی یا شیب دار : این بانکت ها در شرایطی که نفوذپذیری خاک منطقه کم و شدت بارندگی زیاد باشد. اجرا می شوند.

 

و حال انواع بانکت ها :

 

  • بانکت از نوع Gradin یا تراس آبراهه ای با نیمرخ V شکل :

این نوع از بانکت ها حتما جذبی می باشند و غالبا در شیب های تند % 50- 60 طراحی می شوند. سطح مقطع این نوع از بانکت ها V شکل بوده و در کف بانکت درختی کاشته نمی شود و فقط در محدوده خاکبرداری و خاکریزی شده می توان درختکاری کرد. این نوع بانکت ها اغلب برای احداث باغ در شیب های تند استفاده می شوند.

 

  • بانکت با مقطع ذوزنقه ای یا تراس با نیمرخ نرمال یا Contour trenches :

این نوع بانکت ها که هم جذبی و هم انحرافی آن طراحی می شود. در اکثر حوزه های کشور دیده می شود.

 

  • بانکت غلات Forming terrace :

این نوع بانکت ها حداکثر تا شیب % 20 ولی اغلب تا شیب % 18 طراحی و اجرا می شوند. بانکت غلات به سه دسته زیر تقسیم می شود.

 

  • بانکت غلات با انحنای ساده یا تراس با شیب تند :

این نوع بانکت ها تا شیب % 12- 20 استفاده می شوند و قسمت زیر کشت برده شده آنها ۶ الی ١٢ متر می باشد و ۵٩ درصد سطح بانکت زیر کشت می رود. این نوع بانکت ها برای کشت غلات طراحی شده و جذبی می باشند.

 

  • بانکت با انحنای دوگانه یا تراس پای پهن یا تراس مانگوم :

این نوع بانکت ها در شیب های % 6- 12 استفاده شده و حجم خاکبرداری در آنها مساوی خاکریزی است. و سطح زیر کشت رفته در این نوع بانکت ها ١٢ الی 15 متر می باشد. این بانکت نیز جذبی است.

 

  • بانکت با انحنای سه گانه یا تراس آبراهه ای مسطح :

این نوع بانکت در شیب های کمتر از % 6 اجرا می شود و 15 متر را می توانیم زیر کشت ببریم.

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها :

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول ساکاردی :

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول ساکاردی

در این فرمول :

H  : فاصله عمودی بین دو بانکت بر حسب متر

P  : شیب تپه یا دامنه برحسب متر در متر ( فرمول ساکاردی تا شیب % 25 براوردی صحیح دارد و برای شیب های بیش از % 25 از فرمول H2 / P = 64  استفاده می شود.)

260 عدد ثابتی است که بین 270 – 250 تغییر می کند. در شرایط مناسب + و در شرایط نامناسب – یا 250 را در نظر می گیریم.

نکته تستی مهمی که در فرمول نهفته است اینکه، هر چه شیب بیشتر شود بانکت ها بهم نزدیکتر می شوند. و یا با افزایش شیب در بانکت ها، فاصله عمودی افزایش و فاصله افقی کاهش می یابد. همین جا اشاره کنم که برای محاسبه فاصله افقی بین بانکت ها نیز مثال تراس ها از فرمول شیب استفاده می کنیم.

 

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول رامسر :

این فرمول را بیشتر امریکایی ها استفاده می کنند.

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول رامسر

H  : فاصله عمودی بین بانکت ها بر حسب متر

P  : درصد شیب زمین

α  : عامل بارندگی، که برای مناطق کم باران 0.6 و برای مناطق پر باران 0.3 در نظر گرفته می شود.

b  : عامل خاک و پوشش گیاهی از ١ تا ٢ بر حسب فرسایش پذیری خاک تغییر می کند و ١ برای خاک های فرسایش پذیر و ٢ برای خاک های مقاوم به فرسایش

 

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول ایرانی :

H2 / P = 50 (L1 / L2)

 

H  : فاصله عمودی بین دو بانکت بر حسب متر

P  : شیب دامنه بر حسب متر در متر

L1    : شدت بارندگی، که 3 mm/min در نظر می گیرند

L2   : شدت بارندگی در منطقه مورد مطالعه

شدت های که ایجاد تخریب در حوزه آبخیز می کنند را برابر 1.5 mm/min در نظر گرفته می شود و فرمول به صورت زیر در می آید.

محاسبه فاصله عمودی بین بانکت ها با استفاده از فرمول ایرانی

از ایراداتی که بر این فرمول وارد است اینکه، در این فرمول نقش خاک و پوشش گیاهی نادیده گرفته شده و شرایط آب و هوایی در اهمیت قرار دارد.

دانلود مقاله pdf فرسایش و حفاظت خاک در کانال تلگرام شرکت

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

error: عدم امکان کپی مطالب