بخش تحقیقات بیابان
آزمایشگاههای بخش تحقیقات بیابان
آزمایشگاه خاک
آزمایشگاه خاک بخش بیابان با هدف خدمات رسانی به کلیه بخش‌های تحقیقاتی جهت اجرای طرحهای تحقیقاتی، در سال ۱۳۷۶ در سالنی به مساحت تقریبی ۶۰ مترمربع راه‌اندازی شد. علاوه بر این، در اختیار دادن خدمات به دانشجویان جهت گذراندن پایان‌نامه‌های دانشجویی و آشنا شدن با روشهای آزمایشگاهی مربوطه از دیگر اهداف تأسیس این آزمایشگاه است.
تجهیزات و خرید دستگاهها در آن زمان بر اساس آنچه که معمول هر آزمایشگاه خاک بود، صورت گرفت و با گذشت زمان و نوع درخواست‌ها، این تجهیزات تکمیل‌تر گردید. بنابراین تجهیز آزمایشگاه صرفاً فقط مختص به محل آزمایشگاه نبوده بلکه تهیه امکانات برای انجام آزمایش‌های صحرایی نیز مد نظر بوده است. از جمله میتوان به خرید دستگاه اندازه‌گیری کلروفیل برگ، دستگاه تعیین پتانسیل اسمزی برگ، دستگاه تی‌دی‌آر، انواع تانسیومتر اشاره کرد. سایر دستگاههای اندازه‌گیری مستقر در محل آزمایشگاه که میتوان برای انجام دیگر آزمایشات از آنان نام برد، عبارتند از: دستگاه کجلدال، انواع دستگاه اسپکتروفتومتر با قابلیت UV، انواع دستگاه فلیم‌فتومتر، کوره، دستگاه مخصوص دیونیزه کردن آب جهت صرفه‌جویی در مصرف آب بجای دستگاه آب‌مقطر‌گیر، انواع آون، پمپ خلاء، دستگاه تعیین هدایت الکتریکی و اسیدیته خاک.
با وسعت کار آزمایشگاه و فقدان فضای کافی، محل قبلی آزمایشگاه به مکان فعلی که دارای مساحتی حدود ۱۶۰ مترمربع است، انتقال پیدا کرد. مکان فعلی در حال حاضر به دو آزمایشگاه شیمی و فیزیک خاک تقسیم شده است. خدمات آزمایشگاه علاوه بر پارامتر‌های خاک، گیاه و آب را نیز شامل میشود.
آزمایشگاه فرسایش و شبیه سازی باران
(مجهز بهHYDRAULICS RAINFALL SIMULATOR)
بررسی عوامل موثر در برآورد میزان فرسایش و تعیین روابط موجود بین آنها تحت شرایط طبیعی و در عرصه های مختلف آب و هوائی از نظر اندازه گیری این عوامل (شدت و مدت زمان بارش، مقدار و شدت روان آب، مقدار رسوب و غیره)با دشواریهای فراوانی همراه می باشد. این مشکلات بویژه در کشورهایی که هنوز امکانات و وسائل اندازه گیری خودکار برای ثبت مداوم شدت باران و روان آب حاصل از آن فراهم نیست از اهمیت بیشتری برخوردار است. این کشورهای معمولاً فاقد اطلاعات و آمارهای مورد نیاز برای کاربرد این نوع مدلها هستند.
بنظر می رسد با تهیه وسائل و ایجاد امکاناتی که قادر باشد در شرایط کنترل شده بخشی از شرایط حاکم بر فرسایش را مطابق طبیعت شبیه سازی نماید، بتوان بسیاری از عوامل موثر در فرآیند فرسایش را در خاکهای مختلف با طرحهای مناسب برای شرایط موجود بررسی کرده و سریعتر به نتیجه لازم رسید.
علاوه بر مطالعات بنیادی و بررسی عوامل موثر در فرسایش در خاکهای لخت، چهره های متفاوت فرسایش و همچنین تاثیرات پوشش گیاهی، پوشش سنگی و تاثیرات متقابل این عوامل فرسایش را می توان با شبیه سازی مناسب در فلومهای آزمایشی مورد بررسی و تحقیق قرار داد.
بررسی و مطالعات در زمینه فرسایش و رسوب با استفاده ازشبیه سازی باران داری چند مزیت عمده نسبت به مطالعه با استفاده از آمار بارانهای طبیعی است. اول اینکه سرعت اجرای طرحهای تحقیقاتی برای یافتن مکانیسم و نحوه عمل فرسایش و حل مشکلات موجود را بنحو چشمگیری افزایش میدهد و نیازی به رخداد باران طبیعی نمی باشد. دیگر اینکه با کنترل و در اختیار داشتن مهمترین متغیرهای بارندگی میتوان به نتایج دقیق تر و قابل اعتمادی دست یافت. با وجود بارانساز دیگر نیازی به روشهای قیاس و استقرا و ایجاد روابط همبستگی برای رگبارش های مشابه بارانهای طبیعی از حوزه های نزدیک با شرایط دلخواه نمیباشد، بلکه رگبارشهای مشابه را میتوان بارها شبیه سازی نمود تا نتایج تکرار پذیری بدست آورد
شبیه ساز باران نوع دلتالب) (Delta lab EID 340
ساختار دستگاه:
این شبیه ساز باران از یک چارچوب فولادی به ارتفاع۴ متر با پایه های طویل کشوئی تشکیل شده است .سیستم آب افشان در بالاترین قسمت این چارچوب تعبیه شده که توسط یک نازل جاروئی آب را با فشار ثابت در یک سطح عمودی بصورت باران طبیعی شبیه سازی مینماید. نیروی محرکه آب افشان توسط یک موتور الکتریکی از نوع (microprocessor-controlled stepper motor) تاُمین میگردد.
با تغییر در زاویه آب افشان امکان تغییر در سطح دریافت باران شبیه سازی شده فراهم میگردد. بنابراین با این تغییر میتوان کمیت باران دریافتی را در سطح پلات آزمایشی( یک متر مربعی) تغییر داد. از اینطریق میتوان انتظار داشت که حرکت جنبشی قطرات منفرد باران نیز شبیه سازی گردد. علاوه بر این با برنامه ریزی روی حرکت نازل میتوان انواع متفاوت باران را شبیه سازی نمود. برای استفاده از این بارانساز در آزمایشگاه یک تشتک گالوانیزه نیز ضمیمه است.
شبیه ساز باران نوع EID 340 از قطعات زیر است.تشکیل شده:
- چارچوب آهنی با پرده های محافظ جهت جلوگیری از تاُثیر باد روی باران شبیه سازی شده
- سیستم تنظیم شدت های مختلف بارندگی
- سیستم تولید کننده بارانEID334 متشکل از یک مخزن آب, پمپ و باتری قابل شارژ
شبیه ساز مذکور جهت تولید باران هایی با شدتهای مختلف بر روی خاک طراحی شده است. این بارانساز میتواند هم میزان فرسایش خاک ناشی از پاشمان باران و همچنین فرسایش تحت اثررواناب با خصوصیات هیدرولوژیکی دلخواه را بر روی انواع مختلف خاکها که با استفاده از تجهیزات تکمیلی اندازه گیری شدت نفوذ آب تعیین نماید. برای این منظورمقدار بارانی که بر روی پلات آزمایش دریافت میشود باید بطور یکنواخت در تمام سطح پلات دارای توزیع یکنواخت باشد تا شدت بارندگی نیز به آسانی محاسبه گردد. برای دستیابی به اهداف مورد نظر چندین تکنیک در این شبیه ساز مورد استفاده قرار گرفته است.در انتهایی ترین قسمت چارچوب دستگاه، در ارتفاع ۴ متری از سطح زمین یک نازل تعبیه شده که با حرکت آن در امتداد قوسی از یک سطح عمودی، بارشی را در پلات آزمایشی با سطحی برابر یک متر مربع ایجاد می نماید. با تغییر زاویه نازل ، میزان بارش دریافتی در سطخ پلات آزمایشی تغییر مینماید.کارائی و نتایج عملکرد این شبیه ساز باران توسط موسسه فرانسوی ORSTOM درچندین کشور افریقائی مورد ارزیابی قرار گرفته است. اساس کار این شبیه ساز باران بر طبق نظریه A. Bernard طراحی شده است
- جنبه های اساسی شبیه سازی باران:
شبیه ساز باران وسیله ای است که قادر است بر روی پلات های کوچک آزمایشی باران هائی با خصوصیات هیدرولوژیکی بسیار مشابه باران هائی که در طبیعت مشاهده میشود مانند شدت، انرژی جنبشی قطرات باران، و با توزیع یکنواخت ایجاد نماید.
این نوع شبیه ساز باران هم می تواند برای اندازه گیری میزان فرسایش خاک تحت تاٌثیر برخورد قطرات باران مورد استفاده قرار گرفته و هم فرسایش ناشی از تاٌثیر رواناب را روی خاکهای مختلف هنگامی که تواٌم با کاربرد دستگاه نفوذ سنج آب مورد استفاده قرار می گیرد، شبیه سازی نماید. این شبیه ساز برای تعیین خصوصیات هیدرودینامیکی خاک و تغییرات سطحی زمین مانند نوع فرسایش پذیری خاک و غیره در بسیاری از بررسی های علم فرسایش و حفاظت خاک کاربرد دارد. به طور کلی این بارانساز دارای مزیت های نسبی زیر است:
- شبیه ساز می تواند بارانی بسیار شبیه به رگبارشهائی که در مناطق حاره ای با شدت های قابل تغییر در شرایط طبیعی رخ می دهد را روی سطحی معادل ۱ متر مربع ایجاد نماید.
- ساده بودن عملیات شبیه سازی باران به علت کوچک بودن اندازه دستگاه و خود کار بودن بسیاری از وظائف دستگاه از قبیل اعمال تغییرات شدت و زمان بارندگی و غیره.
- دستگاه شبیه ساز مذکور از تکامل انواع اولیه خود ساخته شده که به طور دائم در پروژ ه های مختلف علمی و در انواع مناطق مختلف آب و هوائی مانند مناطق حاره ای افریقا، سواحل مدیترانه، امریکای لاتین و فرانسه از سال ۱۹۸۰ تاکنون مورد آزمایش قرار گرفته است. منابع موجود در زمینه استفاده از این دستگاه برای کارهای علمی نشان دهنده کارائی آن در دامنه وسیعی از نیازهای آزمایشی در زمینه مسائل فرسایش و رسوب است(eg. Hunink, et. al, 1980.Valentin, 1983) .
واحد های تشکیل دهنده شبیه ساز:
این شبیه ساز از واحدهای زیر تشکیل شده است:
- چارچوب اصلی از جنس فولاد که سامانه آب افشان(نازل) روی آن تعبیه شده و می تواند در دو ارتفاع مختلف نصب شود.
- سامانه آب افشان
- سه عدد پرده پلاستیکی برای محافظت جانبی و جلوگیری از وزش باد به ناحیه شبیه سازی باران
- واحد کنترل شدت بارندگی و زمان بارش شبیه سازی شده
- سامانه تامین کننده باران که خود شامل:
الف- یک مخزن ۴۵۰ لیتری برای تاٌمین آب بارش شبیه سازی
ب- پمپ الکتریکی
پ- شیر سلونوئید و شیر کنترل دستی تغذیه آب برای سامانه آب افشان
- باتری قابل شارژ برای تاٌمین انرژی لازم برای پمپ و سایر وسائل الکتریکی شبیه ساز
اساس سامانه آب افشان:
پلات آزمایشی چه در عملیات میدانی و چه در آزمایشگاه توسط یک عدد نازل جاروئی واسنجی شده با فشار آبی که از طریق پمپ الکتریکی تاٌمین می شود در معرض رگبارشهای شبیه سازی شده قرار می گیرد. با تغییر دادن زاویه شیب نازل بوسیله یک دستگاه مرکزی کنترل الکترونیکی سطح بارش در پلات آزمایشی و ناحیه اطراف آن تغییر نموده و متناسب با این تغییر می توان میزان بارش و شدت آن را در پلات آزمایشی کاهش یا افزاش داد. بنابراین با تغییر زاویه نازل شدت باران شبیه سازی شده در دامنه ای در حدود ۲۰تا ۱۵۰ میلی متر در ساعت (برابر با زاویه شیب حدود۲۰ تا ۳۶۰ درجه)قابل تغییر خواهد بود. به دلیل خصوصیات مکانیکی نازل آب افشان توزیع قطر قطرات بارشهای شبیه ساز شده که تابعی از شدت بارندگی است بسیار شبیه بارانهائی است که معمولاً در شرایط طبیعی اتفاق می افتد.
کار با دستگاه بارانساز
- کار با این دستگاه به صورت خودکار و دستی امکان پذیر است. سامانه خودکار و دستی می تواند شبیه سازی را به صورت برنامه ریزی شده و همچنین دستی انجام دهد
شیوه دستی انجام عملیات شبیه سازی:
در این حالت دستگاه آماده پذیرش مقادیر عددی از ۲۰ تا ۳۶۰ درجه برای تغییر زاویه قوس نازل می شود. با فشار دادن کلید(VAL) برنامه داده شده برای یک زاویه مشخص حرکت نازل ,تاًئید می شود.با فشار دادن کلید (M) دستگاه به صورت دستی شروع به کار می نماید
در حالی که دستگاه مشغول عملیات شیه سازی باران است می توان مجدداً زاویه دیگری را انتخاب نمود. برای چنین کاری اپراتور می تواند زاویه جدید را تعیین کرده و کلید مربوطه را فشار دهد. به محض گذشت شاخص از عدد صفر دستگاه شروع به انجام کار با زاویه جدید می کند. مدت زمان انجام عملیات شبیه سازی نیز توسط زمان سنج دستگاه به صورت رقومی نشان داده می شود.
شبیه سازی باران در حالت خودکار و برنامه ریزی شدت های مختلف بارش:
برای ذخیره توالی شدت های مختلف بارش در حافظه دستگاه، برای هر شدت بارندگی یک رقم از ۰ تا ۹ اختصاص داده شده که هرکدام از این اعداد معرف تغییر زاویه قوس نازل از ۲۰ تا ۳۶۰ درجه بوده و شبیه سازی را به طور خودکار برای مدت زمان تخصیص داده شده انجام می دهد. در روش خودکار بعد از اتمام شمارش معکوس، دستگاه شروع به کار نموده و در صورت عدم تغییر برنامه ثبت شده در حافظه برای مدت زمان برنامه ریزی شده قادر به انجام عملیات خواهد بود. همانگونه که قبلاً ذکر شد حد اکثر نوسان زاویه نازل آب افشان ۱۳۵ درجه می باشد .برای زوایای بیشتر آب افشان متوقف شده (به مدت زمان t )، که این زمانی است که زاویه آب افشان برای محدوده زاویه تعیین شده از قبل برنامه ریزی شده است. پمپ و شیر سلونوئیدی خودکار چه در حالت دستی یا حالت خود کار توسط واحد مرکزی دستگاه کنترل می شود.
جدول زیر ترکیبی از یک عملیات شبیه سازی باران را توسط دستگاه نشان می دهد که در ۶ مرحله مختلف برای شدت های مختلف بارش و مدت زمان مختلف به طور خود کار برنامه ریزی شده است.
۶ ۵ ۴ ۳ ۲ ۱ شماره
۲۰ ۱۰ ۱۰ ۱۰ ۱۰ ۱۵ زمان(min)
۵۲ ۷۰ ۹۰ ۱۰۹ ۱۴۰ ۶۰ شدت(mm/hr)
با اندازه گیری میزان رواناب جاری شده از خروجی کرت آزمایشی بر روی زمین نفوذ پذیر و با دانستن مقادیر شدت های بارش و زمان آن می توان هیدرو گراف های مربوطه را ترسیم و تفسیر نمود. شرایط پایدار در رواناب زمانی بدست می آید که میزان رواناب به یک مقدار ثابتی دست یابد. به ازای هر نوع تغییر در شدت بارندگی یک نظام ناپایدار حاصل می شود. ساخت دستگاه بارانساز، تهیه الک مستغرق و سایر دستگاههای مربوط به تعیین دانه‌بندی خاک برای راه‌اندازی آزمایشگاه فرسایش و رسوب از جمله دیگر فعالیت‌های قابل ذکر آزمایشگاهی بخش تحقیقات بیابان است که تا بحال چندین طرح تحقیقاتی اعم از فوق‌لیسانس یا دکتری با کمک این آزمایشگاه به اتمام رسیده است.
آزمایشگاه شبیه سازی فرسایش بادی (تونل باد)
پدیده‌ی گرد و غبار و توفان‌های متأثر از آن که در شمار نشان‌زدهای آشنای مناطق خشک و بیابانی جهان و سرزمین‌های حاشیه‌ی آن به شمار می‌رود در سالهای اخیر شدت بیشتری یافته و جوامع انسانی و سلامت آنها را در معرض تهدید قرار داده است. در هر سال ، تقریبا یک تا دو میلیارد تن گرد و غبار وارد جو زمین می شود که معادل نیمی از کل ذرات موجود در تروپوسفر است. خشکسالی، گسترش بیابان زایی، تخریب پوشش گیاهی زمین ، تغییرات کاربری اراضی ، مدیریت و بهره برداری نادرست از منابع عواملی هستند که در تشدید این معضل محیطی دخالت داشته اند. از آنجا که بررسی عوامل ایجاد و کنترل پدیده گرد و غبار در طبیعت بسادگی میسر نیست معمولا بررسیهای اولیه از طریق شبیه سازی تونل باد در آزمایشگاه صورت می گیرد. اگرچه در پاره ای موارد اینگونه بررسیها در قالب تونل های باد پرتابل صورت گرفته است اما بدلیل محدودیت های شبیه سازی سرعت باد در آنها، بخش تحقیقات بیابان-موسسه تحقیقت جنگلها و مراتع کشور از مدتها پیش مترصد ساخت و راه اندازی تونلی بود که بتواند سرعت های بالای باد را نیز شبیه سازی کند. بدین منظور با هماهنگی بعمل آمده با شرکت فراسنجش صبا تونل بادی ساخته شد که پس از تست های اولیه هم اکنون آماده انجام کار است.
برخی از مشخصات تونل باد مذکور به قرار زیر است:
– مقطع اتاق آزمون ۸۰ * ۸۰ سانتیمتر و طول ۱۶ متر ، محرک تونل باد فن های جریان محوری توربوفن، کنترل سرعت توسط کنترل دور LG ، پیتوت و فشارسنج الکترونیکی و مکانیزم انتقال دهنده یک بعدی به منظور اندازه گیری پروفیل سرعت باد. در این تونل باد امکان شبیه سازی سرعت باد از حداقل ۵/۰ تا ۳۵ متر بر ثانیه وجود دارد بعبارتی می تواند بادهایی با سرعت ۱۲۰ کیلومتر در ساعت و بیشتر را از منظر فرسایش بادی و حرکت ماسه های روان شبیه سازی کند.
با استفاده از این تونل باد امکان انجام پژوهش های زیر میسر است
-کمی نمودن و اندازه گیری سرعت آستانه فرسایش خاکهای مختلف با استفاده از نمونه های دست نخورده خاک
– تعیین ارتفاع آیرودینامیکی زبری خاک یا پوشش گیاهی( ( z0و آستانه سرعت اصطکاکی(U*t )
– بررسی توزیع اندازه ذرات فرسایش یافته از بسترهای مورد آزمون در سریهای مختلف خاک
– شبیه‌سازی انواع بادشکن های غیر زنده با تراکم کم تا زیاد و اندازه گیری سرعت باد در محوطه باد پناهی بادشکن‌ها
– شبیه‌سازی تاثیر نمونه های گیاهی علفی و بوته‌ای در کاهش سرعت باد و جذب گرد و غبار با استفاده از تله‌های رسوب گیر در مقیاس کوچک.
-بررسی لایه مرزی در زبری‌ها و ناهمواریهای مختلف خاکها با و بدون پوشش گیاهی
– بررسی مدلهای مختلف برآورد فرسایش بادی و متغیرهای آنها به منظور مقایسه آنها در مقیاس تونل باد
-بررسی فرسایش‌پذیری خاکها در حالت دست نخورده(Erodibility )
-قابلیت انجام پژوهش‌های فرسایش بادی در قالب کاربردی و پایه‌ای برای دانشجویان کارشناسی ارشد و دکترای دانشگاها و مراکز تحقیقاتی
