تاثیر زبری سطحی بر میزان ناهمگنی رسوب در شیب و شدت‌های بارندگی مختلف با استفاده از شبیه‌ساز باران

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس برنامه‌ریزی و تخصیص آب، شرکت آب منطقه‌ای اردبیل، اردبیل، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

زبری سطحی خاک یا میکروتوپوگرافی، یکی از عوامل کلیدی مؤثر بر فرسایش و رواناب است که با تغییرات کوچک ارتفاع سطح زمین مشخص می‌شود و تحت تأثیر ویژگی‌های خاک، پوشش گیاهی و فعالیت‌های کشاورزی قرار دارد. این ویژگی با کنترل مسیر و همگرایی جریان آب، در شدت فرسایش و میزان رسوب نقش مؤثری ایفا می‌کند. هدف این پژوهش، بررسی تأثیر زبری سطح خاک بر میزان ناهمگنی تولید رسوب در شرایط بارندگی‌های با شدت 45، 60 و 70 میلی‌متر بر ساعت و در شیب‌های مختلف 10، 20 و 30 درصد با بهره‌گیری از شبیه‌ساز باران است. در این روش برای اندازه‌گیری رسوب معلق، نمونه آب و رسوب به مدت ۴۸ ساعت در بشر به حالت سکون نگه داشته شد. سپس آب روی رسوبات به‌ آرامی تخلیه و حجم رواناب اندازه‌گیری گردید. رسوبات باقی‌مانده شسته شده و در فویل‌های آلومینیومی وزن‌شده قرار گرفتند و در دمای ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۴ ساعت خشک و مقدار رسوب معلق محاسبه شد. به منظور ارزیابی میزان تاثیر زبری سطحی بر ناهمگنی رسوب  از عددناهمگنی بین خوشه ای و درون خوشه ای بهره گرفته شد.  نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که زبری سطحی به طور کلی موجب کاهش محسوس رسوب در تمام شیب‌ها بالاخص در شدت 45 میلی‌متر بر ساعت (83/14 گرم بر مترمربع) شد. در شدت‌های بالاتر، نتایج پیچیده‌تر بود و مشاهده شد که شیب 20 درصد در برخی موارد بیشترین رسوب را داشت (07/87 گرم بر متر مربع)، که این امر به تأثیر عواملی مانند توزیع انرژی برخورد قطرات و ویژگی‌های نفوذ خاک نسبت داده شد. در نهایت، نتایج آنالیز واریانس دوطرفه نشان داد که شدت بارندگی و شیب هر دو از عوامل اصلی تولید رسوب هستند. همچنین با توجه به ارتباط مستقیم ضریب تغییرات با میزان تغییرپذیری، نتایج حاکی از آن است که ضریب تغییرات در شدت بارندگی 60 و 45 میلی‌متر بر ساعت در منطقه مورد مطالعه به ترتیب بیشترین و کمترین میزان رسوب را به خود اختصاص داده است. پیشنهاد می‌شود در تحقیقات آتی، پارامتر زبری سطح به عنوان یک متغیر مستقل حیاتی در مدل‌سازی درصد پوشش گیاهی، زمان اوج و زمان تأخیر رواناب در نظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


منابع:
حاجی زاده، زینب، امیدوار، ابراهیم و قاسمیه، هدی (1403). تأثیر پوشش گیاه یونجه بر رواناب تولیدی در مقیاس کرت‌های فرسایشی با استفاده از‏‏‏‏ شبیه‌‏ ساز‎‎ باران. مدل سازی و مدیریت آب و خاک، 4(4), 99-110. doi: 10.22098/mmws.2023.12800.1278 
حسینی، سید احمد،  شریفی، فرود و غریب رضا، محمدرضا (1402). اثر خاک‌پوش‌های زیستی بر مقاومت برشی کانال‌های خاکی تحت شبیه‌سازی باران و فرسایش خاک. مدل سازی و مدیریت آب و خاک، 3(1)،98-114.‎ doi: 10.22098/mmws.2022.11144.1101
خالدی درویشان، عبدالواحد، همایون فر، وفا و صادقی، سیدحمیدرضا (1395). طراحی، ساخت و واسنجی شبیه ساز باران قابل حمل برای مطالعات صحرایی روان آب و فرسایش خاک. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران, 10(34), 105-112.‎doi: 20.1001.1.20089554.1395.10.34.3.4
کاویان پور،  امیر حسین ، جعفریان، زینب، اسمعلی، اباذر و کاویان، عطااله (1394). اثر پوشش گیاهی بر کاهش رواناب و هدر رفت خاک با استفاده از شبیه‌سازی باران در مراتع نشو استان مازندران.‎ جغرافیا و برنامه ریزی محیطی،2 (26)، 190-179.doi:  20.1001.1.20085362.1394.26.2.12.3
گنجه قزوینی، مصطفی (1395). کاربرد تحلیل خوشه های برای تعریف عدد ناهمگنی در مدلهای زمین‌شناسی. اکتشاف و تولید نفت و گاز.140 : 54-49.
عسگری، ابراهیم، اسمعلی عوری، اباذر، مصطفی‌زاده، رئوف و احمدزاده، غلامرضا (1397). تغییرات مکانی رواناب، رسوب و آستانه شروع رواناب در حوزه آبخیز قره‌شیران اردبیل. فیزیک زمین و فضا، 44(3)، 697-713.‎doi 10.22059/jesphys.2018.253440.1006980
علی دوست، مسعود، نقدی، رامین، نیکوی، مهرداد و پیروان، حمیدرضا (1403). تأثیر شیب دامنه و شدت‌های مختلف بارندگی با شبیه‌ساز باران بر رواناب و هدررفت خاک یک سال پس از آتش‌سوزی جنگل (جنگل شنرود گیلان). جنگل ایران، 16(2)، 257-271.‎ doi:  10.22034/ijf.2024.414296.1943
همتی دایو، علیرضا، زارع گاریزی، آرش، شیخ، واحدبردی و محمدیان بهبهانی، علی (1402). ارزیابی اثر پوسته‌های زیستی خاک بر کیفیت
رواناب. مدل سازی و مدیریت آب و خاک3(4), 93-106.‎doi: 10.22098/mmws.2022.11617.1151
References
Anselin, L. (2010). Thirty years of spatial econometrics. Papers in Regional Science, 89(1), 3-25. doi: 10.1111/j.1435-5957.2010.00279.x
Bagarello, V., C.Di Stefano,V. Ferro, P.I. Kinnell, V. Pampalone, Porto, P and F. Todisco. 2011. Predicting soil loss on moderate slopes using an empirical model for sediment concentration. Journal of Hydrology,400(1-2):267-273. doi:10.1016/j.jhydrol.2011.01.029
Bracken, L. J., Wainwright, J., Ali, G. A., Tetzlaff, D., Smith, M. W., Reaney, S. M., & Roy, A. G. (2013). Concepts of hydrological connectivity: Research approaches, pathways and future agendas. Earth-Science Reviews, 119, 17-34. doi:10.1016/j.earscirev.2013.02.001
Chen, H., Zhang, X., Abla, M., Lü, D., Yan, R., Ren, Q., ... & Yang, X. (2018). Effects of vegetation and rainfall types on surface runoff and soil erosion on steep slopes on the Loess Plateau, China. Catena, 170, 141-149. doi:10.1016/j.catena.2018.06.006
Chu, L., Sun, T., Wang, T., Li, Z., & Cai, C. (2020). Temporal and Spatial Heterogeneity of Soil Erosion and a Quantitative Analysis of its Determinants in the Three Gorges Reservoir Area, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(22), 8486. doi:10.3390/ijerph17228486
Donjadee, S., & Chinnarasri, C. (2012). Effects of rainfall intensity and slope gradient on the application of vetiver grass mulch in soil and water conservation. International Journal of Sediment Research, 27(2), 168-177. doi: 10.1016/S1001-6279(12)60025-0
Dutilleul, P. (2011). Spatio-temporal heterogeneity: Concepts and analyses. Cambridge University Press.393 p.
Easton, Z.M & Petrovic, A. M. (2004). Fertilizer source effect on ground and surface water quality in drainage from turfgrass. Journal of Environmental Quality, 33(2): 645-655. doi: 10.2134/jeq2004.6450
Fang, H., Sun, L., & Tang, Z. (2015). Effects of rainfall and slope on runoff, soil erosion and rill development: an experimental study using two loess soils. Hydrological Processes, 29(11), 2649-2658. doi:10.1002/hyp.10392
Foley, J.L and D.M. Silburn. 2002. Hydraulic properties of rain impact surface seals on three clay soils—influence of raindrop impact frequency and rainfall intensity during steady state. Soil Research, 40(7):1069-1083. doi:10.1071/SR01112
Fox, D. M., Bryan, R. B., & Price, A. G. (1997). The influence of slope angle on final infiltration rate for interrill conditions. Geoderma, 80(1-2), 181-194.doi:10.1016/S0016-7061(97)00075-X
Govers, G., Takken, I., & Helming, K. (2000). Soil roughness and overland flow. Agronomie, 20(2), 131-146. doi: 10.1051/agro:2000114
Hamizak, S. N., Suif, Z., Jelani, J., Ahmad, N., & Akhtar, M. I. (2025). Experimental investigation on slope runoff, sediment, and hydraulic parameters under different underlying surface. Sinergi, doi:10.22441/sinergi.2025.1.023
He, Z., Yuan, G., Hao, S., Tong, H., & Zhang, R. (2025). Mechanism Analysis of the Effects of Rainfall Intensity, Grass Coverage, and Slope on Slope Erosion Processes. Water, 17(8), 1194. doi:10.3390/w17081194
Huang, R., Huang, L., He, B., Zhou, L., & Wang, F. (2012). Effects of slope forest and grass vegetation on reducing rainfall-runoff erosivity in three gorges reservoir region. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 28(9), 70-76. doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.09.012
Li, T., Li, T., Yang, Y., Chen, Y., Liu, Q., Huang, Y., Ding, X., & Wu, F. (2025). Study on the effect of surface roughness on stream ordering-based soil erosion: a case study of the Loess plateau, northwest China. Hydrology Research, 56(1), 094. doi:10.2166/nh.2025.094.
Lin, J., Zhu, G., Wei, J., Jiang, F., Wang, M. K., & Huang, Y. (2018). Mulching effects on erosion from steep slopes and sediment particle size distributions of gully colluvial deposits. Catena, 160, 57-67. https://doi.org/10.1016/j.catena.2017.09.003
Majewski, M., Czuchaj, A., & Marciniak, M. (2023). Impact of rainfall intensity on soil erosion based on experimental research. Landform Analysis, 42, 25-36. doi:10.12657/landfana-042-002
Marques, M. J., Bienes, R., Jiménez, L., & Pérez-Rodríguez, R. (2007). Effect of vegetal cover on runoff and soil erosion under light intensity events. Rainfall simulation over USLE plots. Science of the Total Environment, 378(1-2), 161-165. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.01.043
Montgomery, D.R and W.E. Dietrich. 2002. Runoff generation in a steep, soil‐mantled landscape. Water Resources Research, 38(9):7-1. doi:10.1029/2001WR000822
Nadal‐Romero, E., Peña‐Angulo, D., & Regüés, D. (2018). Rainfall, run‐off, and sediment transport dynamics in a humid mountain badland area: Long‐term results from a small catchment. Hydrological Processes, 32(11), 1588-1606. doi:10.1002/hyp.11495
Nassif, S. H., & Wilson, E. M. (1975). The influence of slope and rain intensity on runoff and infiltration, Hydrological Sciences Journal20(4), 539-553. doi: 10.1080/02626667509491586
Norouzi-Shokrlu, A., Pajouhesh, M., & Abdollahi, K. (2020). Relating sediment yield estimations to the wet front term using rainfall simulator field experiments. Water Resources Management, 34(13), 4181-4196. doi:10.1007/s11269-020-02664-8
Parsons, A.J & Stone, P. M. (2006). Effects of intra-storm variations in rainfall intensity on interrill runoff and erosion. Catena, 67(1):68-78. doi:10.1016/j.catena.2006.03.002
Putjaroon W., & Pongewn, K. (1987). Amount of runoff and soil loss from various land use sampling plots in Sakolnakorn Province, Thailand.167-198. In: Proceeding of Forest Hydrology and Watershed Management, August, IAHS-AISH, Publication
Sharma, K, H. Singh and O. Pareek.1983. Rainwater infiltration into a bare loamy sand. Hydrological Sciences Journal, 28: 417-424. doi: 10.1080/02626668309491980.
Schick, J., I. Bertol, F.T Barbosa, D.J. Miquelluti & Cogo N.P. (2017). Water Erosion in a Long-Term Soil Management Experiment with a Humic Cambisol. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 41. doi: 10.1590/18069657rbcs20160383
Shipitalo, M.J., V. Nuutinen & Butt, K. R. (2004). Interaction of earthworm burrows and cracks in a clayey, subsurface-drained, soil. Applied Soil Ecology, 26(3): 209-217. doi: 10.1016/j.apsoil.2004.01.004
Walling, D, E. Collins A, L.  Sichingabula H, A. & Leeks G. J. L. (2001). Integrated assessment of catchment suspended sediment budgets: A Zambian Example. Land Degradation and Development 12:387-415. doi:10.1002/ldr.461
Wang, Q., Zhao, G., Liu, Y., Zhang, P., & Chai, J. (2016). Effects of vegetation types on yield of surface runoff and sediment, loss of nitrogen and phosphorus along loess slope land. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 32(14), 195-201. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.14.026
Wu, L., Peng, M., Qiao, S., & Ma, X. Y. (2018). Effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff and sediment yield characteristics of bare loess soil. Environmental Science and Pollution Research, 25(4), 3480-3487. doi: 10.1007/s11356-017-0713-8
Yu, G. Q., Li, Z. B., Li, P., Zhang, X., Chen, L., & Jia, L. L. (2010). Effects of vegetation types on hillslope runoff-erosion and sediment yield. Advances in Water Science, 21(5), 593-599. doi: 10.1007/s11269-014-0603-5
Zhang, L., Zhang, Q. F., Zhao, L. S., Wang, J., & Wu, F. Q. (2014). Spatial heterogeneity of loess tilled slope surface roughness. Sci Agric Sin, 47, 2363-74. doi:10.17221/130/2017-SWR
Zhang, N., Xia, Z., Li, P., Chen, Q., Ke, G., Yue, F., ... & Wang, T. (2025). The impact of rainfall and slope on hillslope runoff and erosion depending on machine learning. Frontiers in Environmental Science, 13, 1580149. doi: 10.3389/fenvs.2025.1580149
Zhang, S., & Zhang, K. (2025). Assessing the impact of extreme rainfall and slope surface conditions on runoff and erosion based on a big database in Southwest China’s karst region. Journal of Hydrology, 659, 133273. doi:10.1016/j.jhydrol.2025.133273
Zhao, Q., D. Li, M. Zhuo, T. Guo, Y. Liao and Z. Xie. 2015. Effects of rainfall intensity and slope gradient on erosion characteristics of the red soil slope. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 29(2):609-621. doi:10.1007/s00477-014-0896-1
Zheng, Z. C., He, S. Q., & Wu, F. Q. (2014). Changes of soil surface roughness under water erosion process. Hydrological Processes, 28(12), 3919-3929. doi:10.1002/hyp.9