تغییرات زمانی تولید جریان و فرسایش شیاری در خاک مارنی تحت شدت‌های مختلف باران

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه خاکشناسی دانشکده کشاورزی دانشگاه زنجان

2 دانشجوی دکتری گروه خاکشناسی

چکیده

سابقه و هدف: فرسایش شیاری، یکی از عوامل اصلی هدررفت خاک در سازندهای مارنی است. این سازندها بسیار حساس به فرآیندهای فرسایش آبی بوده و گستره نسبتاً بزرگی را در برخی حوزه‌های آبخیز مناطق خشک و نیمه‌خشک دربرمی‌گیرد. فرسایش شیاری به عنوان پدیده‌ای فعال در این سازندها بوده و به طور زمانی طی سال، از رخ‌دادی به رخ‌داد دیگر یا طی یک رخ‌داد بارندگی تغییر می‌کند. تغییرات زمانی فرسایش شیاری طی یک رخ‌داد باران به دلیل تغییر خصوصیات خاک و تأثیر آن بر خصوصیات جریان متمرکز است. اطلاعات در مورد تغییرات زمانی فرسایش شیاری طی یک رخ‌داد بارندگی و تأثیر خصوصیات جریان بر آن می‌تواند در شناخت فرآیند فرسایش شیاری در دامنه‌ها کمک نماید. شدت تغییرات زمانی خصوصیات جریان و در نتیجه فرسایش شیاری ممکن است تحت تأثیر شدت باران قرار گیرد. از این رو این پژوهش با هدف بررسی تغییرات زمانی فرسایش شیاری و خصوصیات جریان در خاک مارنی تحت باران‌های با شدت متفاوت انجام شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش در شش رخ‌داد باران شبیه‌سازی شده با شدت متفاوت از 10 تا 60 میلی‌متر بر ساعت به مدت ثابت یک ساعت با سه تکرار در شرایط آزمایشگاهی انجام گرفت. نمونه‌های خاک از سازندهای مارنی در غرب زنجان برداشت شد و در فلومی به طول 4 متر و عرض 94/0 متر و با شیب 10 درصد ریخته شد. فرسایش شیاری در کنار خصوصیات جریان (دبی و غلظت جریان) در فاصله زمانی پنج دقیقه از آغاز رواناب در هر یک از باران‌های شبیه‌سازی شده مورد بررسی قرار گرفت. شدت فرسایش شیاری و خصوصیات جریان در برابر زمان به دست آمد و تفاوت‌ها بین شدت‌های بارندگی با استفاده از روش تجزیه واریانس تعیین شد. وابستگی فرسایش شیاری به خصوصیات جریان برای هر یک از شدت‌های بارندگی تعیین شد. برای انجام تحلیل‌های آماری از نرم‌افزار SPSS نسخه 21 استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که تفاوت‌های اساسی از نظر زمان آغاز جریان، دبی جریان، غلظت جریان و فرسایش شیاری بین شدت‌های بارندگی وجود دارد (0001/0>P). جریان شیاری و فرسایش شیاری با افزایش شدت بارندگی سریع‌تر اتفاق افتاد. فرسایش شیاری طی زمان به شدت افزایش یافت و در زمان‌های پایانی (حدود 45 دقیقه) به حد تقریباً ثابتی رسید. غلظت جریان نیز الگویی مشابه با فرسایش شیاری نشان داد. با این حال دبی جریان در زمان‌های پایانی افزایش چشم‌گیر پیدا کرد. در طی زمان 45 دقیقه، اغلب ذرات فرسایش‌پذیر، طی بارندگی دچار فرسایش شدند و پس از آن، جریان‌های شدید اما با غلظت (رسوب) پایین در شیارها مشاهده شد. رابطه‌ای قوی بین فرسایش شیاری و دبی جریان در شدت‌های مختلف‌ بارندگی مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: به طور کلی این پژوهش نشان می‌دهد که با تغییر شدت باران، آستانه وقوع فرسایش شیاری و اوج آن طی بارندگی تغییر می‌یابد. هم‌چنین روند تغییرات فرسایش شیاری طی بارندگی، با افزایش شدت بارندگی شدت پیدا می‌کند. در حالت کلی، با گذشت زمان بارندگی به دلیل افزایش دبی جریان، غلظت جریان و در نتیجه فرسایش شیاری افزایش می‌یابد. در زمان‌های اولیه بارندگی، وابستگی فرسایش شیاری به دبی جریان بیش‌تر است در حالی که در زمان‌های پایانی به دلیل انتقال بخش عمده ذرات فرسایش‌پذیر در زمان‌های قبل، الگوی تغییرات فرسایش شیاری شبیه به دبی جریان نیست.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Temporal variation of runoff production and rill erosion in a marl soil under different rainfall intensities

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Vaezi 1
  • Majid Foroumadi 2
1 Associate Prof. of Soil Sci., Univ. of Zanjan, Iran
2 Ph D. Student of Soil Sci., Univ. of Zanjan, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Rill erosion is a major factor of soil loss in the marl formations. The marl formations are very susceptible to water erosion processes and cover a wide area in some watersheds in arid and semi-arid regions. Rill erosion is active water erosion in these areas which temporally varies during year, from each event to other or during each rainfall event. Temporal variation of rill erosion during a given rainfall event can occur due to the change of soil properties and its effect on the characteristics of concentrated flow. Knowledge of temporal variation of rill erosion and effect of during a rainfall event can provide information on the mechanism of rill erosion in the hillslopes. The rate of temporal variation of flow characteristics and rill erosion can be affected by the rainfall intensity. Therefore, this study was conducted to the study of temporal variation of flow characteristics and rill erosion in a marl soil under different simulated rainfalls.
Materials and Methods: A laboratory experiment was carried out using six simulated rainfall intensities ranging from 10 mm h-1 to 60 mm h-1 with three replications. Soil samples were collected from the marl formations in west of Zanjan and separately purred to a flume with 4m in length and 0.94 m in width putted on 10% slope. Rill erosion and flow characteristics (discharge and concentration) were measured at 5-min from starting flow/ runoff in each rainfall intensity. Rate of rill erosion and flow characteristics versus rainfall duration was obtained and differences among the different rainfall intensities were computed using the variance analysis method. The dependency of rill erosion on the flow characteristics (discharge and concentration) was determined for all rainfall intensities. All data analysis was performed using SPSS version 21.

Results: Results indicated that there are substantial differences in the flow starting time, flow concentration and rill erosion among the rainfall intensities (P< 0.001). Rill flow and erosion rapidly occurred with increasing rainfall intensity. Rill erosion increased speedily during rainfall and reached to approximately constant value in the last times (about 45 min). The flow concentration appeared also a similar trend with the rill erosion, while flow discharge showed an increasing trend in the last times. Most of erodible particles were eroded during 45 min from rainfall and after this time, large flows containing lower concentration/sediment were observed in the rills. A strong relationship was found between rill erosion and flow discharge in different rainfall intensities.

Conclusion: The study revealed that the threshold and pick time of rill erosion were strongly varied during rainfall. The variation trend of rill erosion during rainfall increases with increasing the rainfall intensity. Rill erosion temporally varies during rainfall. Rill erosion increases during rainfall due to increases in flow discharge as well as flow concentration. Rill erosion is strongly dependent on the flow discharge in initial times of rainfall, while in the last times its trend is very different from flow discharge

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow discharge
  • Erodible particles
  • Marl formation
  • Rill
  • Flow concentration
1.Asadi, H., Aligoli, M., and Gorji, M. 2017. Dynamic changes of sediment concentration in rill
erosion at field experiments. J. Water Soil Sci. 20: 78. 125-139. (In Persian)
2.Bagnold, R.A. 1966. An approach to the sediment transport problem from general physics. US
Geological Survey Paper. 422-1, Washington.
3.Chen, X.Y., Zhao, Y., Mo, B., and Mi, H.X. 2014. An improved experimental method for
simulating erosion processes by concentrated channel flow. Plos one.9: 6. p.e99660.
4.Dunjo, G., Pardini, G., and Gispert, M. 2004. The role of land use-land cover on runoff
generation and sediment yield at a microplot scale, in a small Mediterranean catchment.
J. Arid Environ. 57: 99-116.
5.Franti, T.G., Laflen, J.M., and Watson, D.A. 1985. Soil erodibility and critical shear under
concentrated flow. American Society of Agricultural Engineers. 42: 329-335.
6.Jain, M.K., Kothyari, U.C., and RangaRaju, K.G. 2004. A GIS based distributed rainfall–
runoff model. J. Hydrol. 299: 107-135.
7.Lili, M., Bralts, V.F., Yinghua, P., Han, L., and Tingwu, L. 2008. Methods for measuring soil
infiltration: State of the art. Inter. J. Agric. Biol. Engin. 1: 1. 22-30.
8.Liu, H., Lei, T.W., Zhao, J., Yuan, C.P., Fan, Y.T., and Qu, L.Q. 2011. Effects of rainfall
intensity and antecedent soil water content on soil infiltrability under rainfall conditions
using the run off-on-out method. J. Hydrol. 396: 1. 24-32.
9.Merz, R., Bloschl, G., and Parajka, J. 2006. Spatiotemporal variability of event runoff
coefficients. J. Hydrol. 331: 591-604.
10.Sadeghi, S.H.R., Mohammadpour, K., and Dianatytilaki, G.E. 2010. Temporal variability of
runoff coefficient in the summer pastures of Kadir, Proceedings of the 6th National
Conference of Science and Watershed Engineering and 4th National Conference of Erosion
and Sediment, 28-29 April, Tehran, Iran. 52-60. (In Persian)
11.Shen, H., Zheng, F., Wen, L., Han, Y., and Hu, W. 2016. Impacts of rainfall intensity
and slope gradient on rill erosion processes at loessial hillslope. Soil and Tillage Research.
155: 429-436.
12.Vaezi, A.R., and Gharehdaghlii, H. 2013. Quantification of rill erosion development in Marl
soils of Zanjanroud watershed in North West of Zanjan, Iran. J. Water Soil. 27: 5. 872-881.
(In Persian)
13.Vaezi, A.R., Ahmadi, M., and Cerda, A. 2017. Contribution of raindrop impact to the change
of soil physical properties and water erosion under semi-arid rainfalls. Science of the Total
Enviroment. Pp: 1-11.
14.Vaezi, A.R., Bahrami, H.A., Sadeghi, S.H.R., and Mahdian, M.H. 2008. Spatial variations of
runoff in a port of calcareous soils of semi-arid region in northwest of Iran. J. Agric. Sci.
Natur. Resour. 15: 5. 56-65. (In Persian)
15.Williams, B.M., Martinez-Menaa, S., and Deeksb, L. 2004. Exponential distribution theory
and aggregate erosion. Soil Sci. Soc. Amer. J. 6: 382-391.