شبیه سازهای باران کوچک و قابل حمل از ابزار های اساسی در مطالعات فرسایش خاک و هیدرولوژی سطحی هستند و در آزمایشات امکان تکرار خصوصیات بارش طبیعی را بوجود می آورند. در این تحقیق ضمن معرفی یک دستگاه شبیه ساز باران دو نازله، آزمایشات واسنجی شامل آبدهی نازل ها، یکنواختی بارش در سطح پلات و توزیع اندازه ی قطرات انجام شده است. نتایج حاصل از واسنجی آبدهی نازل ها نشان داد که دبی خروجی دو نازل تحت فشار های 20، 40، 60 و 80 کیلوپاسکال مشابه بوده و بین آنها تفاوت معنی داری مشاهده نمی شود. برای رسیدن به حد مطلوبی از یکنواختی بارش در سطح پلات آزمون یکنواختی بارش با تغییر فاصله ی بین نازل ها (50، 60 و 70 سانتی متر) و زاویه نوسان آنها (30، 45 و 60 درجه) در فشار ثابت 60 کیلوپاسکال به اجرا درآمد. نتایج نشان داد که ضریب یکنواختی در سطح پلات 2 متر مربعی از 57 تا 61 درصد و شدت متوسط بارش نیز از 48 تا 101 میلیمتر در ساعت متغییر است. در ادامه با استفاده از روش عکس برداری با سرعت بالا محدوده میانه قطری قطرات شبیه سازی شده در فشار بهینه ( 60 کیلوپاسکال) بین 4/2 الی 6/2 میلی متر اندازه گیری شد.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

شبیه سازی باران یکی از روش های مهم برای اندازه گیری فرایندهای هیدرولوژیکی و فرسایش خاک است. ارزیابی سریع و قابلیت تکرار زیاد از مزایای استفاده از شبیه ساز باران است. شبیه ساز ساخته شده به وزن تقریبی 20 کیلوگرم قابلیت شبیه سازی باران با شدت های 8/2 تا 5/9 سانتی متر بر ساعت در سطح کرت آزمایشی با مساحت یک تا سه مترمربع را دارد. اندازه گیری قطر قطرات از روش های گلوله ی آردی و لکه ی رنگی به دست آمد. روش گلوله ی آردی به دلیل بیشتربودن ضریب تبیین انتخاب و نتایج آن بررسی شد. بیشترین ضریب یکنواختی (6/96 درصد) مربوط به شدت 3/8 سانتی متر بر ساعت و کمترین ضریب (6/90 درصد) مربوط به شدت 5/9 سانتی متر بر ساعت به دست آمد که بیشتر از حد قابل قبول است. دامنه ی قطر متوسط قطرات از 97/0 میلی متر در شدت 8/2 سانتی متر بر ساعت تا 22/1 میلی متر در 1/7 سانتی متر بر ساعت تغییر می کند که در محدوده ی باران های طبیعی قرار دارد. همچنین، دامنه ی تغییرات سرعت از 58/3 تا 21/4 متر بر ثانیه است. با توجه به مجموعه ویژگی های یادشده یک شبیه ساز باران قابل حمل بسیار مناسب با دقت قابل قبول برای مطالعات رواناب، نفوذپذیری، فرسایش و رسوب در صحرا ساخته شد.

در شرایط اقلیمی خشک و نیمه خشک کشور، فقر پوشش گیاهی و کوهستانی بودن حوزه های آبخیز، با تمرکز و تبدیل رواناب به سیلاب، سالانه خسارات جانی و مالی فراوانی به مراکز صنعتی، شهری و روستایی وارد می شود. در طراحی و ایمن سازی پروژه های عمرانی، برآورد آستانه شروع رواناب یکی از مهم ترین عوامل موثر در دقت برآورد حجم و شدت سیل محسوب شده و محاسبه دقیق آن می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه اجرایی و بهینه کردن ابعاد سازه های فنی شود. در این پژوهش، برای بررسی عوامل مؤثر در تعیین آستانه شروع رواناب از داده های باران ساز و شبیه سازی رایانه ای استفاده شد. با استفاده از دستگاه باران ساز، باران در شدت های هشت تا 40 میلی متر در ساعت و مدت های 15، 30، 60 و 120 دقیقه شبیه سازی و آستانه شروع رواناب در هر آزمایش اندازه گیری شد. با استفاده از مقادیر اندازه گیری شده و به کارگیری روش های رگرسیونی چند متغیره خطی و غیرخطی، مدل های مناسبی برای برآورد آستانه شروع رواناب بر اساس عوامل و ویژگی های بارش، خاکشناسی و زمین به دست آمد. نتایج نشان داد که عمق و شدت بارندگی به عنوان عوامل اقلیمی، پوشش گیاهی و شیب به عنوان عوامل زمین و نوع بافت شنی و رسی نیز به عنوان عوامل خاکشناسی، متغیرهایی موثر در تعیین آستانه شروع رواناب هستند. ارتباط عوامل مستقل یاد شده و مشارکت آن ها به نحوی است که تخمین گر معنی دار برای آستانه شروع رواناب در منطقه می باشند. نتایج این پژوهش بیانگر ارتباط معنی داری بین مقادیر مشاهداتی و برآوردی آستانه شروع رواناب است، به نحوی که روابط رگرسیونی بین این مقادیر ضریب تبیینی معادل 0. 98 را نشان داد.

فرسایش پاشمانی از اشکال اصلی و مهم فرسایش آبی است. پاشمان ذرات خاک می تواند تحت تأثیر عوامل مختلف از جمله باران پیشین قرار بگیرد. تاکنون پژوهشی در زمینه علل تأثیر باران پیشین بر مقدار فرسایش پاشمانی در باران بعدی انجام نگرفته است. این پژوهش به منظور بررسی اثر باران پیشین بر پاشمان ذرات در خاک مارنی انجام گرفت. برای این منظور خاک دانه های با قطر 6 تا 8 میلی متری از یک خاک مارنی تحت آیش در غرب زنجان در سال 1395 جمع آوری شد. خاک دانه ها در 24 جعبه پلاستیکی به ابعاد 40 ×30 سانتی متر و عمق 10 سانتی متر برای بررسی اثر هشت تداوم باران در سه تکرار ریخته شدند. باران شبیه سازی شده با تداوم صفر، 7، 14، 21، 28، 35، 42 و 49 دقیقه به نمونه های خاک اعمال گردید. تخریب خاکدانه و محتوای رطوبتی خاک در نمونه های خاک پس از یک روز اندازه گیری شدند. پس از یک روز، جعبه های خاک تحت باران یکسان با شدت ثابت 40 میلی متر بر ساعت به مدت 15 دقیقه قرار گرفتند. فرسایش پاشمانی با اندازه گیری جرم ذرات پاشمان یافته در واحد سطح جعبه به دست آمد. بر اساس نتایج، تداوم باران پیشین اثری معنی دار بر تخریب خاک دانه ها و افزایش محتوای رطوبتی خاک داشت. بیش ترین شدت تخریب خاک دانه (72/21 درصد) و بالاترین محتوای رطوبتی خاک (08/29 درصد) در طولانی ترین تداوم باران (49 دقیقه) حاصل شد. میزان فرسایش پاشمانی در رخ داد باران بعدی تحت تأثیر دو متغیر تخریب خاک دانه (05/0>P) و محتوای رطوبتی خاک (01/0>P) ناشی از باران پیشین قرار گرفتند. تجزیه رگرسیونی چندگانه خطی نشان داد که از بین این دو متغیر، رطوبت پیشین خاک مهم ترین عامل تعیین کننده تغییرات فرسایش پاشمانی در رخ داد باران بعدی می باشد (01/0>P و 83/0=R2). مقدار فرسایش پاشمانی در هر رخ داد باران را می توان با اطمینان با استفاده از تعیین رطوبت پیشین خاک برآورد کرد.

شبیه سازهای باران ابزاری مناسب برای پژوهش های مرتبط با فرایند فرسایش و رواناب هستند. لیکن امکان استفاده از این وسیله در مباحث دیگر نیز وجود دارد. مثلا در طراحی ابعاد سامانه های آبگیر باران از قبیل ریز حوزه ها (Micro catchments) برای درختکاری در دامنه ها و همچنین هلالی های آبگیر در مراتع و تعیین ابعاد حوضچه جمع آوری آب، آگاهی از ضریب رواناب و حجم آب جمع شده ناشی از بارش ضروری است. به این منظور در یک پژوهش ملی چند تن خاک از چهار زمین دیم منتخب مشتمل بر فراغی (استان گلستان)، سرارود (استان کرمانشاه)، کوهین (استان قزوین) و سراب ننیز (استان کهگیلویه و بویراحمد) به آزمایشگاه شبیه ساز باران و فرسایش پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری منتقل شد و پس از آماده سازی به روش های استاندارد، تحت بارشی به شدت 64 میلی متر در ساعت در سه شیب 6، 12 و 25 درصد به مدت 30 دقیقه قرار گرفت. چنین بارانی احتمال وقوع کمی دارد و قابل استفاده برای طراحی سامانه های مذکور است. دبی خروجی در طول آزمایش با فواصل 1 تا 3 دقیقه (جمعا در 17 نوبت) و حجم کل رواناب اندازه گیری و سپس ضریب رواناب و ظرفیت نفوذ خاک ها با توجه حجم بارش محاسبه شد. ظرفیت نفوذ خاک ها بین حدود 3 تا 6 سانتی متر بر ساعت بدست آمد. ضریب رواناب این خاک ها (به استثناء خاک سرارود با نفوذ بالا) بین 50 تا 90 درصد محاسبه شد. با توجه به ویژگی های خاک ها، به نظر می رسد ساختمان خاک، وزن مخصوص و مقدار ماده آلی عوامل تعیین کننده ظرفیت نفوذ باشند. حجم رواناب (به استثناء خاک سرارود) در شدیدترین رویدادها از هر مترمربع بین 15 تا 30 لیتر برآورد شد که در طراحی سامانه های سطوح آبگیر مذکور در بالا کاربرد دارد. برای خاک ها با نفوذپذیری بالا، کوبیدن خاک یا استفاده از روش های دیگر برای کاهش نفوذ و افزایش ضریب رواناب توصیه می شود.

با توجه به شرایط اقلیمی خشک و نیمه خشک حاکم بر ایران، رواناب حاصل از بارندگی در تامین آب مورد نیاز کشاورزی، صنعت و شرب از اهمیت خاصی برخوردار است. شرایط و خصوصیات حوزه های آبخیز مشخص کننده میزان روانابی است که از نزولات جوی بوجود می آید. آگاهی از میزان و حجم رواناب حاصل از بارش به ویژه در مناطقی که آمار اندازه گیری از نزولات جوی و جریانآب های سطحی موجود نمی باشد. به منظور مدیریت منابع آب و بهره برداری از آنها حایز اهمیت است. با عنایت به عدم وجود اطلاعات کافی، برای شبیه سازی، رفتار خاک هایی با ویژگی های متفاوت از نظر بافت، پوشش گیاهی و شیب، در مقابل بارش هایی با شدت و زمان های تداوم موردنظر، استفاده از شبیه سازهای باران در عرصه حوزه های آبخیز و آزمایشگاه ها ضروری می باشد. در این تحقیق، برای بررسی تاثیر درصد تراکم پوشش گیاهی و رطوبت خاک بر مقدار رواناب، از یک دستگاه شبیه ساز باران استفاده شده است. با استفاده از باران ساز، بارش با شدت های 24.5 و 32 میلی متر در ساعت در 145 کرت آزمایشی از حوزه آبخیز طالقان شبیه سازی و مقدار رواناب در هر آزمایش اندازه گیری شد. بر اساس نتایج بدست آمده از ماتریس همبستگی حاصل از متغیرهای مستقل و وابسته مورد مطالعه، از میان متغیرهای موثر در میزان رواناب در دو شدت بارندگی شبیه سازی شده، درصد تراکم پوشش گیاهی از نظر درجه تاثیر در اولویت اول قرار دارد. درصد تراکم پوشش گیاهی در شدت بارندگی های 24.5 و 32 میلی متر در ساعت به ترتیب با ضریب همبستگی 0.903- و 0.872- با مقدار رواناب در سطح 0.01 معنی دار است. همچنین دو رابطه رگرسیونی برای پیش بینی مقدار رواناب در شرایط مختلف از نظر تغییرات متغیرهای مستقل مورد بررسی قرار گرفت.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (pdf) مراجعه فرمایید.

در سال های اخیر، شبیه سازی باران به طور وسیعی در شناخت فرسایش خاک و فرآیندهای مربوط به آن مورد استفاده قرار گرفته است. اخیرا مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، یک واحد آزمایشگاه شبیه سازی باران و فرسایش تاسیس نموده که از بسیاری لحاظ از سایر شبیه سازهای موجود در کشور متفاوت می باشد. در تحقیق حاضر با معرفی سامانه مذکور، روشی برای واسنجی، یکنواختی بارش و توزیع اندازه قطرات باران شبیه سازی شده در سه فشار 0.01، 0.05 و 0.15 مگاپاسکال، مورد استفاده قرار گرفته است. اندازه گیری توزیع مکانی شدت بارش برای تک تک نازل ها به طور جداگانه روی قاعده مخروط بارش و نیز برای ترکیب های مختلف آنها در سطح فلوم در دو گام محاسبه ای و مشاهده ای انجام شد. به منظور تعیین توزیع اندازه قطرات از روش گلوله آردی استفاده گردید. نتایج به دست آمده نشان داد که توزیع بارش تمام شش نازل تقریبا مشابه است. با ایجاد ترکیب های مختلفی از نازل های فعال و با تغییر فشار آب، فاصله بین نازل ها و نحوه چیدمان آنها، شدت های متفاوتی از 35 تا 125 میلی متر در ساعت شبیه سازی گردید. برای بارش های منتخب، ضریب یکنواختی بیش از 90% بدست آمد. الگوی بارش در گام مشاهده ای نسبت به گام محاسبه ای دارای شدت و ضریب تغییرات بیشتری بود. میانه حجمی قطر قطرات باران شبیه سازی شده بین 1.64 تا 2.15 میلی متر اندازه گیری شد. افزایش تعداد نازل های فعال در یک فشار ثابت، افزایش میانه قطر قطرات را به دنبال داشت. با افزایش فشار آب در یک ترکیب مشخص از چیدمان نازل ها، شدت بارش افزایش یافت در حالیکه میانه قطر قطرات و همچنین سرعت و انرژی جنبشی برآوردی کاهش نشان داد. با فرض رسیدن قطرات به سرعت حد، سرعت نهایی و انرژی جنبشی باران شبیه سازی برای شدت های مختلف، به ترتیب بین 5.70 تا 4.78 متر بر ثانیه و 16.24 تا 22.97 ژول بر مترمربع در میلی متر باران برآورد گردید.

در حال حاضر برای تخمین میزان فرسایش و رسوب الگوهای زیادی متداول گردیده است که بعضی از آنها بر اساس فرایندهای فرسایش و برخی دیگر بر اساس معادلات تجربی استوار هستند. عامل فرسایش پذیری یا (Erodibility)، به عنوان یکی از خواص ذاتی خاک در هر دو دسته الگو کاربرد داشته و در برآورد میزان فرسایش از اهمیت زیادی برخوردار است. پژوهشگران متعددی تلاش کرده اند تا رابطه شاخص فرسایش پذیری خاک را با برخی از خواص فیزیکی- شیمیایی خاک مورد بررسی قرار داده و نقش مهمترین خصوصیتی را که در حساسیت خاک به فرسایش وجود دارد تعیین نمایند. از آنجایی که بسیاری از خصوصیات فیزیکی- شیمیایی خاک در پایداری خاکدانه ها متبلور است در این تحقیق تلاش شده تا ارتباط بین عامل فرسایش پذیری یا حساسیت ذاتی خاک به فرسایش در دو الگوی تجربی و فرایندی با برخی از شاخصهای پایداری خاکدانه ها مانند WSA و MWD مورد بررسی قرار گیرد. دو نوع الگو به نامهای GUEST از نوع فرایندی و دیگری USLE از نوع تجربی مشهور به معادله جهانی هدر رفت خاک انتخاب گردید. برای انجام آزمایش چهار نوع متفاوت خاک از نظر ساختار بافتی، از بافت سبک تا سنگین با درجه های مختلف از چند حوضه آبخیز کشور نمونه برداری و مورد بررسی قرار گرفت. عملیات شبیه سازی باران روی هر چهار نوع خاک در آزمایشگاه فرسایش و رسوب موسسه تحقیقات جنگلها و مراتع به عمل آمد. آزمایشهای شبیه سازی به مدت 20 تا 60 دقیقه بسته به نوع خاک در چهار شدت مختلف بارندگی (25، 35، 50 و 80 میلیمتر در ساعت) و در پنج شیب متفاوت (3، 5، 10، 15 و 20) بر روی هر 4 نمونه خاک انجام شد. عامل فرسایش پذیری در الگو فرایندی GUEST به نام عامل (b) و در الگو تجربی USLE به نام (K) با استفاده از نموگراف ویشمایر و اسمیت محاسبه گردید. همچنین پایداری خاکدانه ها در شاخص WSA و MWD در هر 4 نمونه توسط دستگاه الک مرطوب اندازه گیری شد. همبستگی بین این دو شاخص پایداری و عامل فرسایش پذیری محاسبه شده در هر دو الگو توسط نرم افزار SPSS مورد مقایسه آماری قرار گرفت. نتایج بدست آمده از این آزمایش نشان داد که میانگین وزنی قطر ذرات یا MWD با عامل فرسایش پذیری (b) در الگو فرایندی GUEST دارای همبستگی خطی معنی دار است، در حالی که با عامل فرسایش پذیری K از الگو جهانی فرسایش خاک این همبستگی معنی دار نیست. پایداری خاکدانه ها در معیار WSA نیز نشان داد که طبقه قطری بزرگتر از 0.125 میلیمتر بیشترین همبستگی معنی دار را با عامل فرسایش پذیری b در الگوی فرایندی داشته است.