بررسي مكانيسم‌هاي حمل ذرات رسوب در فرسايش ورقه‎اي با استفاده از آزمايش فلوم

Study on sediment transport mechanisms due to sheet erosion using flume experiment

فرسايش خاك فرآيندي پوياست كه توزيع اندازه ذرات رسوب حاصل از آن تغييرات زيادي دارد. شناخت ديناميكي توزيع اندازه ذرات رسوب، مبناي مدل‌سازي فرسايش‌پذيري خاك، انتقال عناصر غذايي، آلاينده‎ها و ذرات ريز در اثر فرسايش مي‎باشد. تحقيق حاضر با هدف بررسي فرآيندها و مكانيزم‎هاي انتقال ذرات ناشي از فرسايش ورقه‎اي بر روي دو خاك (زراعي و ماسه اي) با توزيع اندازه ذرات متفاوت و با استفاده از فلوم آزمايشگاهي اجرا شد. آزمايش‌ها از طريق ايجاد تركيب‌هاي مختلف شيب (1.5 و دو درصد) و دبي جريان (75، 100، 125، 150، 175 و 200 ميلي‌ليتر در ثانيه) انجام شد. نتايج نشان داد كه شرايط هيدروليكي جريان و هم‌چنين خاك، نقش مهمي در انتقال انتخابي ذرات رسوب ايفا مي‎كند، به‎نحوي‎كه در خاك زراعي، دو نقطه پيك در توزيع اندازه ذرات رسوب مشاهده شد. در پيك اول (ذرات ريز با اندازه 0.042 ميلي‌متر)، مكانيسم غالب حمل ذرات، بار معلق-جهشي بود و در پيك دوم (ذرات درشت با قطر 1.5 ميلي‌متر)، مكانيزم حمل بار بستر غالب بود. از سويي، با افزايش قدرت جريان ناشي از افزايش شيب و يا شدت جريان، شرايط به‎تدريج از حالت انتخابي براي ذرات ريز خارج شد و ذرات ريز و ذرات درشت هر دو منتقل شدند. در خاك ماسه‎اي، تنها يك پيك براي ذرات با دامنه اندازه 0.109 تا 0.175 ميلي‌متر مشاهده شد. در اين خاك، مكانيزم حمل به‌صورت جهشي، بيش‎ترين نقش را در انتقال ذرات رسوب داشت. به‌علاوه، در طبقه‎هاي اندازه كوچك‌تر از 0.015 ميلي‌متر با افزايش شدت جريان، درصد ذرات ريز در رسوب كاهش نشان داد. در مقابل، با افزايش شدت جريان، درصد ذرات در طبقه‎هاي اندازه بزرگ‎تر از 0.218 ميلي‌متر افزايش يافت. با افزايش قدرت جريان در هر دو خاك، اهميت نسبي انتقال به‌صورت بار معلق و بار بستر به‌ترتيب كاهش و افزايش پيدا كرد. يافته‌هاي اين تحقيق نشان داد كه توزيع اندازه ذرات رسوب و در نتيجه مكانيزم‏ حمل ذرات، به‌شرايط هيدروليكي جريان نظير شيب و شدت جريان و درنتيجه قدرت جريان بستگي دارد.

Soil erosion is a dynamic process with high variability in sediment size distribution. Dynamic recognition of sediment size distribution is as a base for modeling of soil erodibility and movement of nutrients, pollutants and fine particles in consequence of erosion. This study focused on sediment transport mechanisms due to sheet erosion on two different soils (cropland and sandy) using flume experiment. The experiment was performed applying different flume slopes (1.5 and 2 %) and flow rates (75, 100, 125, 150, 175 and 200 ml/s). The result showed that hydraulic condition as well as soil type, played an important role in selective transport of sediment particles so that, in the sediment size distribution of cropland soil two peaks were observed. For the first (fine particles with size of 0.042 mm), the dominant transport mechanism was attributed to suspension- saltation, while for the second peak (large particles with diameter of 1.5 mm), bed load was known as the main transport mechanism. Moreover, increasing stream power, the selectivity of fine particles declined therefore, both fine and large particles were transported by the flow. For sandy soil, only one peak for the range of 0.109 to 0.175 mm was observed. In this soil, saltation was the main mechanism in transporting sediment. Increasing flow rate, the frequency of particles smaller than 0.015 diminished, whereas particles larger than 0.218 mm increased. For both soils at higher stream powers, the relative importance of transport as suspension and bed load decreased and increased, respectively. The findings of this research reveal that sediment size distribution and also transport mechanisms depend on hydraulic condition such as slope and flow rate.