کارایی روش جایگزینی حجمی در برآورد فرسایش شیاری در شیب‌ها و خاک‌های با بافت مختلف در منطقه نیمه‌خشک، استان زنجان

آب و خاک

مقاله 2، دوره 35، شماره 1 - شماره پیاپی 75، فروردین و اردیبهشت 1400، صفحه 19-32   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v35i1.80261

نویسندگان

علی رضا واعظی^{* 1}؛ الهام محمدی²؛ نسرین صادقیان²

¹دانشگاه زنجان

²گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان

چکیده

فرسایش شیاری یکی از مهم‌ترین اشکال فرسایش خاک در دامنه‌ها است. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری این نوع فرسایش وجود دارد که یکی از آن‌ها روش جایگزینی حجمی است. هدف از انجام این پژوهش بررسی دقت روش جایگزینی حجمی در برآورد فرسایش شیاری در خاک‌های مختلف تحت شیب متفاوت است. برای انجام این مطالعه فرسایش شیاری در سه خاک با بافت مختلف (لوم، لوم رسی و لوم رس شنی) تحت چهار شیب متفاوت (5، 10، 15 و 20 درصد) با استفاده از جریانی با دبی ثابت 5/0 لیتر بر دقیقه در فلومی به ابعاد 4×32/0×3/0 متر اندازه‌گیری شد. برای برآورد مقدار فرسایش شیاری با استفاده از روش جایگزینی حجمی، شیار ایجاد شده توسط جریان با استفاده از خاک عبور داده شده از الک دو میلی‌متر، جایگزین و وزن خاک فرسایش‌یافته تعیین شد. خطای روش با استفاده از آماره‌های ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و میانگین خطای مطلق (ME) ارزیابی شد. بر اساس نتایج، مقدار فرسایش شیاری تحت تأثیر هر دو عامل (بافت خاک و درصد شیب) و برهمکنش بین آن دو قرار گرفت. بیش‌ترین مقدار فرسایش شیاری در خاک لوم رسی (g/m^-2.sec 16/3) و کم‌ترین آن در خاک لومی (g/m^-2.sec 10/0) مشاهده شد. در هر سه خاک مورد بررسی، روش جایگزینی حجمی منجر به بیش‌برآورد در فرسایش شیاری شد و بیش‌ترین خطای برآورد در خاک لوم رس شنی با (g/m².sec) 72/2 RMSE= و (g/m².sec) 017/7 ME= بود. با افزایش شیب سطح، مقدار خطای برآورد نیز افزایش یافت. این پژوهش نشان داد که روش جایگزینی حجمی، دچار عدم قطعیت در برآورد مقدار فرسایش شیاری با استفاده از نمونه خاک مشابه به ویژه در شیب‌های تندتر و خاک‌های حساس است. تغییرات فیزیکی خاک داخل شیار در اثر جریان آب و عدم مطابقت چگالی ظاهری نمونه خاک مشابه با خاک اصلی، از یک سو و رسوب‌گذاری پیوسته ذرات در طول شیار از سوی دیگراز دلایل این موضوع بود.

کلیدواژه‌ها

جریان متمرکز؛ حجم شیار؛ جدا شدن خاک؛ فلوم آزمایشی؛ عدم قطعیت

مراجع

1. Aksoy H., Unal N. E., Cokgor S., Gedikli A., Yoon J., Koca K., and Pak G. 2013. Laboratory experiments of sediment transport from bare soil with a rill. Hydrological sciences Journal 58(7): 1505-1518.
2. Asadi H., Aligoli M., and Gorji M. 2017. Dynamic Changes of Sediment Concentration in Rill Erosion at Field Experiments. JWSS-Isfahan University of Technology 20(78): 125-139. (In Persian)
3. Bagnold R.A. 1966. An approach to the sediment transport problem from general physics. US government printing office.
4. Blake G.R., and Hartge K.H. 1986. Bulk Density 1. Methods of Soil Analysis: Part 1—Physical and Mineralogical Methods, (methodsofsoilan1), 363-375.
5. Bonilla C.A., and Johnson O.I. 2012. Soil erodibility mapping and its correlation with soil properties in Central Chile. Geoderma 189: 116-123.
6. Casalí J., Loizu J., Campo M.A., De Santisteban L.M., and Álvarez-Mozos J. 2006. Accuracy of methods for field assessment of rill and ephemeral gully erosion. Catena 67(2): 128-138.
7. Cerdan O., Le Bissonnais Y., Couturier A., Bourennane H., and Souchère V. 2002. Rill erosion on cultivated hillslopes during two extreme rainfall events in Normandy, France. Soil and Tillage Research 67(1): 99-108.
8. Chen X.Y., Huang Y.H., Zhao Y., Mo B., Mi H.X., and Huang C.H. 2017. Analytical method for determining rill detachment rate of purple soil as compared with that of loess soil. Journal of Hydrology 549: 236-243.
9. Chen X.Y., Zhao Y., Mi H.X., and Mo B. 2016. Estimating rill erosion process from eroded morphology in flume experiments by volume replacement method. Catena 136: 135-140.
10. 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): e99660.
11. Fallow D.J., Elrick D.E., Reynolds W.D., Baumgartner N., and Parkin G.W. 1994. Field measurement of hydraulic conductivity in slowly permeable materials using early-time infiltration measurements in unsaturated media. In Hydraulic conductivity and waste contaminant transport in soil. ASTM International.
12. Felton G.K. 1995. Temporal variation of soil hydraulic properties on municipal solid waste amended mine soils. Transactions of the ASAE 38(3): 775-782.
13. Fenli Z. 1989. A Research on Method of Measuring Rill Erosion Amount [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 4.
14. Gao Y., Zhu B., He N., Yu G., Wang T., Chen W., and Tian J. 2014. Phosphorus and carbon competitive sorption–desorption and associated non-point loss respond to natural rainfall events. Journal of Hydrology 517: 447-457.
15. Ghose D.K., and Samantaray S. 2019. Estimating Runoff Using Feed-Forward Neural Networks in Scarce Rainfall Region. In Smart Intelligent Computing and Applications (pp. 53-64). Springer, Singapore. RMSE
16. Goodarzi M.S., Amiri B.J., and Navardi S. 2018. Investigating the Optimization Strategies on Performance of Rainfall-Runoff Modeling. EPiC Series in Engineering, 3: 827-835. RMSE VAAAAAa ME
17. Govers G., Giménez R., and Van Oost K. 2007. Rill erosion: exploring the relationship between experiments, modelling and field observations. Earth-Science Reviews 84(3-4): 87-102.
18. Huang Y., Chen X., Luo B., Ding L., and Gong C. 2015. An experimental study of rill sediment delivery in purple soil, using the volume-replacement method. PeerJ 3: e1220.
19. Jin K., Cornelis W. M., Gabriels D., Baert M., Wu H.J., Schiettecatte W., ... and Hofman G. 2009. Residue cover and rainfall intensity effects on runoff soil organic carbon losses. Catena 78(1): 81-86.
20. Klute A. 1986. Water retention: Laboratory methods, Methods of Soil Analysis, Part I, A. Klute, 635–660. Am. Soc. Agron., Madison, Wisc.
21. Kowalska J.B., Zaleski T., Józefowska A., and Mazurek R. 2019. Soil formation on calcium carbonate-rich parent material in the outer Carpathian Mountains–A case study. Catena 174: 436-451.
22. Lei T.W., Zhang Q.W., and Yan L.J. 2009. Physically-based rill erosion model.
23. Liu F., Zhang G. H., Sun L., and Wang H. 2016. Effects of biological soil crusts on soil detachment process by overland flow in the Loess Plateau of China. Earth Surface Processes and Landforms 41(7): 875-883.
24. Ma Y., Lei T., and Xiusheng Y. 2015. Volume replacement method for partitioning contents of rocks, soil particles and water mixture. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 31(9): 85-91.
25. Miao C., Ni J., Borthwick A.G., and Yang L. 2011. A preliminary estimate of human and natural contributions to the changes in water discharge and sediment load in the Yellow River. Global and Planetary Change 76(3-4): 196-205.
26. Mirhasani M., Rostami N., Bazgir M., and Tavakoli M. 2019. Threshold friction velocity and soil loss across different land uses in arid regions: Iran. Arabian Journal of Geosciences 12(3): 91.
27. Najafi A., Solgi A., and Sadeghi S.H. 2009. Soil disturbance following four wheel rubber skidder logging on the steep trail in the north mountainous forest of Iran. Soil and Tillage Research 103(1): 165-169.
28. Pansu M., and Gautheyrou J. 2007. Handbook of soil analysis: mineralogical, organic and inorganic methods. Springer Science and Business Media.
29. Poesen J., Nachtergaele J., Verstraeten G., and Valentin C. 2003. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena 50(2-4): 91-133.
30. Refahi H. 2015. Water erosion and control, Tehran: university of Tehran press, 8th Edition. (In Persian)
31. Refahi H.G. 2003. Water erosion and control, Tehran: university of Tehran press.
32. Ries J.B., and Hirt U. 2008. Permanence of soil surface crusts on abandoned farmland in the Central Ebro Basin/Spain. Catena 72(2): 282-296.
33. Romero C.C., Stroosnijder L., and Baigorria G. A. 2007. Interrill and rill erodibility in the northern Andean Highlands. Catena 70(2): 105-113.
34. 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.
35. Su Z.L., Zhang G.H., Yi T., and Liu F. 2014. Soil detachment capacity by overland flow for soils of the Beijing region. Soil Science 179(9): 446-453.
36. Sumner M. E. 1993. Sodic soils-New perspectives. Soil Research 31(6): 683-750.
37. Toy T.J., Foster G.R., and Renard K.G. 2002. Soil erosion processes, prediction measurement under simulated rainfall. Journal of Soil Science 150: 787-798.
38. Vaezi A.R., and Ebadi M. 2017. Particle size distribution of surface-eroded soil in different rainfall intensities and slope gradients. Journal of Water and Soil 31(1): 216-29. (In Persian with English abstract)
39. Walkley A., and Black I. A. 1934. An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science 37(1): 29-38.
40. Wang Y.C., and Lai C.C. 2018. Evaluating the erosion process from a single-stripe laser-scanned topography: A laboratory case study. Water 10(7): 956.
41. Yuequn D., Fang L., Qingwen Zh., Tingwu L. 2015. Determining ephemeral gully erosion process with the volume replacement method, CATENA (131): 119-124.
42. Zheng F.L. 1998. Study on interrill erosion and rill erosion on slope farmland of loess area. Acta Pedologica Sinica 35(1): 95–103. (In Chinese)