SUPERVISOR
حسین اسدی (استاد مشاور) محمدرضا مصدقی (استاد راهنما) شمس اله ایوبی (استاد مشاور)
STUDENT
Hamid Kelshadighaleshahi
حمید کلیشادی قلعه شاهی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Effect of Ambient Temperature on Soil Structural Stability, Hydraulic and Mechanical Properties, and Splash and Rill Erosion
Several studies have shown that aggregate stability, saturated hydraulic conductivity ( K s ) and shear strength of soil are important parameters that affect the results of soil erosion models. In most models, the temporal (seasonal) variations of these parameters are not considered so far. Temperature is one of the factors affecting the seasonal variation of these parameters. Consequently, modeling the effect of temperature on these parameters may be useful to improve the modeling of runoff, soil erosion and sedimentation. Therefore, this study was conducted to determine the effect of temperature on soil hydraulic and mechanical properties, and soil erosion. Twenty eight soil samples with different texture, equivalent calcium carbonate (CCE) and organic matter were collected from topsoils in Isfahan and Chaharmahal-va-Bakhtiari provinces. In the first study, the correlation and correspondence between different methods for measuring/estimating aggregate stability and soil strength were examined. The studied soils were clustered based on intrinsic properties (sand, silt, clay, CCE and organic matter). The results showed that different methods and indices [except rill erosion rate (D r ) and shear strength measured with shear vane ( ? s )] similarly predicted the variation of aggregate stability in different soil groups. Therefore, the methods might be used alternatively for soil structural stability determination. The second study was conducted to investigate the effect of temperature on soil structural stability indices and soil erosion. In this study, the shear strength as measured with a fall-cone penetrometer ( ? f ), splash erosion rate (SE), and the modified Emerson water dispersion test (MEWDT) were determined at ambient temperatures of 5, 10, 15, 20, 25 and 30 ?C. The D r and ? s were also measured at ambient temperatures of 5, 15 and 25 ?C. Structural stability indices of high energy moisture characteristic (HEMC) were calculated from the fast wetting data at ambient temperatures of 5, 10, 15 and 30 °C. Also, Counting the Number of water-Drops (CND) for disintegration of an aggregate, which is the standard method in the LISEM model, was measured at two low and high temperatures (i.e., representative of winter weather and laboratory temperature). The results showed that with increasing ambient temperature, aggregate stability indices (SE, MEWDT, HEMC indices and CND) decreased. The D r and ? s had no specific trend with ambient temperature. The results showed that, with increasing temperature to a certain value (depending on the soil type or cluster), ? f decreased and then increased with temperature. The effect of temperature on soil structural stability was explained by three major mechanisms: i) change in volume of entrapped air and its expansion, ii) change in contact angle (wetting coefficient) and hydration rate, and iii) change in pore radius due to changes in Debye length. With increasing temperature, the hydration rate has increased and the solubility of carbonates and air in the soil solution has decreased and, as a result, the soil aggregate stability in water decreased. The third study was carried out to determine the effect of ambient temperature on soil hydraulic properties. In this part, soil hydraulic properties were measured in saturated and unsaturated conditions at ambient temperatures of 5, 10, 15, 25 and 30 ?C. Saturated hydraulic conductivity ( K s ) was measured using the constant-head method on the 28 soil samples in two times. Soil hydraulic properties were measured with a tension infiltrometer on selected 12 soils at the mentioned ambient temperatures. In both experiments, the measurements were also done on a sand sample (size range of 0.1?0.3 mm) as control. The results showed that for the sand sample, the K s measured by the two methods (i.e., constant head at both times and tension infiltrometer) almost linearly increased with temperature. However, in the studied soils, the K s measured by the constant-head method in the first time decreased with increasing temperature up to 15 °C and increased slightly at 20 °C and then again decreased with further increase in temperature. In the second measurement time, the K s continuously decreased with increasing temperature. Keywords Aggregate stability, Fall-cone penetrometer, Splash erosion, Wet sieving, High energy moisture characteristic, Tension infiltrometer, Ambient temperature.
پایداری خاکدانهها، هدایت هیدرولیکی اشباع ( K s ) و مقاومت برشی خاک از عوامل مهم و تاثیرگذار بر نتایج شبیهسازی روان آب و رسوب توسط مدلهای فرسایش خاک هستند. در بیشتر مدل ها تغییرات زمانی (فصلی) این پارامترها در نظر گرفته نمی شود. دما یکی از عوامل اثرگذار بر تغییرات فصلی این پارامترها است. بنابراین مدل سازی اثر دما بر این ویژگی های شاید بتواند باعث بهبود مدل سازی روان آب و در نتیجه میزان فرسایش و رسوب شود. بنابراین در این پژوهش اثر دما بر ویژگی های هیدرولیکی و مکانیکی، و فرسایش خاک بررسی شد. با توجه به بانک اطلاعاتی موجود، 28 نمونه خاک که از نظر بافت، و مقدار ماده آلی و کربنات کلسیم دارای دامنه نسبتاً وسیعی بودند، از خاک های سطحی استان های چهارمحال و بختیاری و اصفهان جمع آوری شد. در مطالعه اول هم خوانی بین روش های مختلف اندازه گیری و برآورد پایداری ساختمان و مقاومت خاک بررسی شد. برای ارزیابی هم خوانی نتایج، خاک های مورد مطالعه بر اساس ویژگی های ذاتی (درصد شن، سیلت، رس، کربنات کلسیم و ماده آلی) خوشه بندی شدند. نتایج نشان داد روش های مختلف (به جز نرخ فرسایش شیاری (D r ) و مقاومت برشی با پره برشی ( ? s )) روند پایداری ساختمان خاک را در خوشه های مختلف یکسان برآورد می کنند. بنابراین، این روش ها به جای یکدیگر برای مقایسه اثر تیمارهای مختلف و ویژگی های خاک بر پایداری ساختمان خاک قابل استفاده هستند. مطالعه دوم برای بررسی اثر دما بر شاخص های پایداری و فرسایش خاک انجام شد. مقاومت برشی اندازه hy;گیری شده با فروسنج مخروطی اُفتان ( ? f )، نرخ پاشمان (SE) و درجه انتشار خاکدانه ها در آب به روش امرسون اصلاح شده (MEWDT) در دماهای 5، 10، 15، 20، 25 و 30 درجه سلسیوس اندازه گیری شد. همچنین D r و ? s در دماهای 5، 15 و 25 درجه سلسیوس اندازه گیری شد. شاخص های پایداری ساختمان خاک مربوط به منحنی مشخصه رطوبتی پرانرژی (HEMC)، از داده های مرطوب کردن سریع خاکدانه ها در دماهای 5، 10، 15 و 30 درجه سلسیوس محاسبه شدند. همچنین تعداد قطره لازم برای شکست خاکدانه (CND) که روش پایه در مدل LISEM برای تخمین پایداری خاکدانه ها است در دو دمای کم و زیاد (هوای زمستان و دمای آزمایشگاه) اندازه گیری شد. نتایج نشان داد با افزایش دما، شاخص های پایداری خاکدانه (SE، MEWDT، شاخص های HEMC و CND) کاهش می یابند. D r و ? s روند مشخصی با تغییرات دما نداشتند. نتایج نشان داد با افزایش دما تا یک مقدار مشخص (وابسته به نوع یا خوشه خاک)، ? f کاهش یافته و سپس با افزایش بیشتر دما ? f افزایش مییابد. با افزایش دما، نرخ آب گیری افزایش یافته و حلالیت کربنات ها و هوا در محلول خاک کاهش یافته و در نتیجه پایداری خاکدانه در آب کاهش می یابد. مطالعه سوم به منظور بررسی اثر دمای محیط بر ویژگی های هیدرولیکی خاک انجام شد. دراین مطالعه ویژگی های هیدرولیکی خاک در دو حالت اشباع و غیراشباع در دماهای 5، 10، 15، 25 و 30 درجه سلسیوس اندازه گیری شدند. هدایت هیدرولیکی اشباع به روش بار ثابت روی 28 نمونه خاک در دو مرتبه و ویژگی های هیدرولیکی خاک توسط دستگاه نفوذسنج مکشی روی 12 نمونه از خاک های مورد مطالعه اندازه گیری شد. در هر دو آزمایش، اندازه گیری ها روی یک نمونه شن (دامنه ذرات 3/0-1/0 میلی متر) به عنوان شاهد نیز انجام شد. نتایج نشان داد در نمونه شن با افزایش دما K s اندازه گیری شده به دو روش بار ثابت (در هر دو مرتبه) و نفوذسنج مکشی به صورت تقریباً خطی افزایش مییابد. اما در خاکهای مورد مطالعه K s اندازه گیری شده به روش بار ثابت در مرتبه اول با افزایش دما تا 15 درجه سلسیوس کاهش مییابد و در دمای 20 درجه سلسیوس کمی افزایش یافته و دوباره با افزایش دما کاهش مییابد. در مرتبه دوم، با افزایش دما K s کاهش مییابد. مقایسه دماهای نظیر به نظیر نشان میدهد در نمونه شن خالص بین مقادیر K s مرتبه اول و دوم تفاوت چندانی وجود ندارد ولی میانگین K s اندازهگیریشده در خاکها در مرتبه دوم به طور محسوسی کمتر از مرتبه اول است. این یافته میتواند بیان گر تخریب ساختمان خاک با افزایش دما باشد. نتایج به دست آمده از خاک های مورد بررسی نشان داد اثر دما بر K s برآوردشده با دادههای نفوذسنج مکشی معنیدار نیست. همچنین نتایج این پژوهش نشان داد که افزایش K s با افزایش دما در خاکهای مورد بررسی کمتر از افزایش K s پیشبینیشده در اثر تغییرات گران روی آب با دما است. با افزایش دما انتظار میرفت K s به دلیل کاهش گرانروی آب افزایش یابد و نتایج بسیاری از پژوهشگران نیز نشان داد که افزایش K s با افزایش دما بیشتر از افزایش ناشی از کاهش گرانروی آب است. این نتایج برای K s در شن خالص در این پژوهش نیز صدق میکند، ولی برای خاک ها نتایج متفاوت بود. تفاوت اصلی نتایج این پژوهش با دیگر پژوهشها استفاده از خاک های دارای ساختمان به عنوان بستر مطالعه بود. بنابراین به نظر میرسد دلیل اصلی تفاوت نتایج به دست آمده در این مطالعه با پژوهشهای پیشین اثر تخریبی دما بر ساختمان خاک باشد. کلمات کلیدی : ساختمان خاک، منحنی مشخصه رطوبتی پر انرژی، دمای محیط، هدایت هیدرولیکی، مقاومت برشی، نرخ پاشمان، فرسایش بین-شیاری