برآورد فرسايش خاك
مقدمه:
خاك يكي از اصلي ترين سرمايه هاي ملي هر كشوري است كه بايد تدابير جدي براي حفظ و نگهداري ، احياء و استفاده بهينه از آن اتخاذ گردد. در چند دهه گذشتهفرسايش سطحي موجب بروز مشكلات آشكار و پنهان زيادي شده است. بمنظور جلوگيري از چنين روند تخريبي نياز به برنامه ريزي مي باشد. نخستين گام برنامه ريزي، تعيين دقيق ميزان فرسايش است تا بر پايه آن اقدامات لازم براي اصلاح وضعيت صورت گيرد. يكي از دقيق ترين روشهاي برآورد ميزان فرسايش، استفاده از راديونوكلوئيدهاست. سزيم 137، ازجمله عناصر راديواكتيو ي است كه براي رديابي فرسايش ، اخيرا در دنيا مورد استفاده قرار مي گيرد.
متن اصلي:
پيشينه تحقيق
منزل در سال 1960، نشان داد كه از دست رفتن sr 90 در يك پلات فرسايشي با فرسايش خاك رابطه اي معني دار دارد. در همين سال، Rovora مقاله اي در مورد تجمع مواد راديو اكتيويته در درياچه اي در كشور ايتاليا منتشر نمود. در سال 1967، Carrigun و Pickerring در ارتباط با نحوه تجمع سزيم 137 با استفاده از اشعه گاما و بتا در پروفيل خاك مطالعاتي انجام دادند. در اوايل دهه 70 ميلادي مطالعات مستقل ديگري توسط Ritchi و همكاران در ايالات متحده و نيز Permazzi و همكاران در ايتاليا، Krish Navami در سوئيس و Penington و همكاران در انگلستان و نهايتا Stiller & assuf در اسرائسل انجام شد كه تمامي اين مطالعات مؤسد اين واقعيت بودند كه توزيع عمودي سزيم 137 در رسوبات نمي تواند با زمان توزيع سزيم 137 وارده از اتمسفر باشد و بنابراين استنباطي از وقايع تاريخي گذشته براساس اطلاعات زمين شناسي براي پروفيلهاي رسوبي بدست آمد. اين مطالعات مقادير تجمع رسوبات و اشكال توزيع آنها را با استفاده از اندازه گيري سزيم 137 در پروفيلهاي رسوبي را مورد بررسي قرار داد. در دهه هاي 80 و 90 ميلادي با شناخته تر شدن اين روش، مطالعات بيشماري در اين زمينه در مناطق مختلف دنيا انجام شد كه بدليل تعدد، ذكر آنها در اين مجمل مقدور نيست.
مواد و روشها
از آنجا كه هر گونه استفاده از اين تكنيك در محاسبات ميزان فرسايش نيازمند آشنائي با برحي واحدها و اصطلاحات خاص است، لذا در ابتدا بطور خلاصه در اين مورد توضيحاتي ارائه مي گردد. همانگونه كه مي دانيم عناصر راديواكتيو بطور خود به خود تجزيه شده و به عنصر ديگري تبديل مي شوند. اين فرآيند طبيعي به پخش ذرات هسته اي و يا تشعشع منجر مي شود. كميتي كه غالبا براي مشخص نمودن يك عنصر راديواكتيو بكار مي رود، پريود نيمه عمر آن است كه بصورت زمان لازم براي مقدار معيني از عنصر راديواكتيو براي فروپاشي به ميزان نصف مقدار آن تعريف مي گردد. واحدهاي راديواكتيويته، كوري (Ci)، بكرل ( Bq ) و رادفورد ( Rd ) است. سزيم 137 بكي از راديو ايزوتوپهاي سزيم مي باشد كه داراي نيمه عمريدر حدود 17/30 سال است. به دليل همين نيمه عمر كوتاه (در مقياس زمين شناسي) هيچگونه سزبم 137 طبيعي قابل اندازه گيري در طبيعت وجود ندارد و لذا سزيم 137 موجود در طبيعت حاصل آزمايشات اتمي (تا سال 1970) و انفجار مركز هسته اي چرنوبيل (سال 1986) مي باشد. انفجارات اتمي موجب ورود سزيم 137 حاصل از ابن آزمايشات به لايه استراتوسفر و سپس توزيع لايه به لايه تا تروپوسفر و نهايتا ورود به پهنه اراضي از طريق نزولات آسماني گرديد. شكل 1 توزيع راديوايزوتوپ سزيم را تا سال 1985 نشان مي دهد. همچنين شكل2 مقايسه اي از مقادير نسبي سزيم 137 را در نيمكره هاي شمالي و جنوبي را نشان مي دهد. همچنين شكل شماره 3، شمائي از تغييرات سزيم 137 را در اراضي نشان مي دهد.
آزمايشات مختلف نشان مي دهد هنگامي كه سزيم 137 از طريق نزولات آسماني به سطح خاك مي رسد، بشدت جذب ذرات خاك مي شود و قدرت چسبندگي به شكلي است كه انتقال آن به طبقات پايين تر خاك تحت تاثير واكنشهاي فيزيكوشيميائي بسيار ناچيز مي باشد. علت چسبندگي اين عنصر به خاك بدليل است كه خاكها داراي مقادير متغيري از رس، هوموس و مواد آلي است و اين مواد در لايه خارجي خود داراي بار منفي هستند، اين بار منفي موجب جذب كاتيونهاي مختلف بر روي اين لايه متغير مي باشد. هنگامي كه سزيم 137 وارد خاك مي شود و بر روي اين نقاط تبادلي كلوئيدها قرار مي گيرند، بهيچ وجه قابل جدا شدن نيستند. با توجه به آنچه ذكر شد، فرض اساسي در اين روش بررسي بر اين است كه هنگامي كه ذرات خاك از بستر جدا مي شوندو انتقال مي يابند، همراه با خود عنصر را نيز انتقال مي دهند. آزمايشات مختلف مؤيد اين واقعيت است كه امكان جابجائي و انتقال سزيم، بجز از طريق فرسايش و همراه با خاكدانه ها امكان پذير نيست.
علت انتخاب سزيم 137 بعنوان ماده ردياب براي اندازه گيري فرسايش چيست؟
سزيم 137 داراي خواص منحصربفردي است كه بعنوان يك ابزار مناسب براي رديابي و اندازه گيري فرسايش، اين عنصر را از ديگر عناصر متمايز مي كند. مهمترين وجه تمايز آن، اينست كه بطور طبيعي در محيط وجود ندارد و بنابراين از هنگام ورود آن به طبيعت تا به حال مي تواند بعنوان سال پايه براي اندازه گيري مورد استفاده قرار گيرد. (Wis 1980, Walling et al 1986. )
علت ديگر انتخاب اين عنصر در اينگونه تحقيقات، توزيع و گستردگي آن در تمام مناطق جهان مي باشد. همچنين قابليت بسيار زياد اين عنصر در جذب سطحي توسط كلوئيدهاي هوموسي و رسي ، از ديگر مشخصات ويژه اين عنصر و دليل انتخاب آن محسوب مي گردد. قابليت ديگر اين عنصر اينست كه از خود اشعه گاما ساطع مي كند و بهمين دليل اندازه گيري آن بسيار ساده است همچنين سرعت و دقت اندازه نيز قابل ملاحظه است. مضافا به اينكه اين عنصر داراي نيمه عمر 17/30 سال است . اين موضوع در تعيين زمان رسوبگذاري بسيار حائز اهميت است. اين در حاليست كه ديگر عناصر راديوايزوتوپ يا داراي چنان نيمه عمر طولاني هستند كه امكان رديابي وجود ندارد و يا چنان عمر كوتاهي دارند،كه زمان براي انجام تحقيقات كافي نخواهد بود.
اولين قدم در استفاده از اين تكنيك، محاسبه مقدار درصد سزيم باقيمانده در خاك نسبت به مقدار موجود در نقاط شاهد فرسايش نيافته است. براي اين امر از رابطه زير استفاده مي شود:
CPR= {(CPI- CRI) 100}/ CRI
كه در آن CPR ، درصد سزيم 137 باقيمانده در پروفيل خاك، CPI، مقدار سزيم 137 در نقاط مورد مطالعه و CRI، مقدار سزيم 137 در نقاط شاهد فرسايش نيافته است.
نكته مهم ،كاليبراسيون و يا واسنجي است كه براي اين امر متدهاي مختلف و روابط تجربي ارئه شده است. از اين ميان معادله ريچي و همكاران، معادله كمپ بل و همكاران و نيز معادله لوگران و همكاران ، معادله ويلكين و هبل و نيز متد ميشل و همكاران ونيز روش زانگ را مي توان نام برد. در ايران، آزمايشگاه فيزيك سازمان انرژي اتمي بيشتر از روش زانگ استفاده مي كند. در اين مقاله بدليل گستردگي كار و نيز محدوديت صفحات اختصاص يافته، امكان ارائه توضيح كامل وجود ندارد و تنها روش شناسانيده مي شود. بديهي است اين تحقيق در كشور ما بسيار جوان و جديد است و تعداد تحقيقات انجام شده در اين زمينه به تعداد انگشتان دست هم نمي رسد لذا لازم است مورد توجه بيشتري قرار گيرد و از اين امكانات فراهم شده توسط دانش بشري در كشور ماهم بهره گيري بيشتري بعمل آيد تا بتوانيم با اطمينان و دقت بيشتري ميزان فرسايش سطحي كشور را تخمين بزنيم. علي ايحال نگارندگان مقاله آمادگي كامل دارند تا اطلاعات مختصر خود را در اختيار علاقمندان قرار دهند.
قابليتها و محدوديتهاي روش
الف) قابليتها:
1. اين روش يك روش محاسباتي براي فرسايش و رسوب است و بهيچ وجه يك روش برآوردي نيست
2. قابليت بيان تمامي فرآيندهاي انتقال خاك را دارد.
3. مقدار فرسايش را در يك دوره 40-35 ساله نشان مي دهد.
4. از سرعت و دقت بسيار بالائي برخوردار است.
5. به خبرگي كارشناس بستگي ندارد و حتي يك تكنسين با آموزش مختصر مي تواند نمونه ها را برداشت كند.
6. نيمه عمر سزيم 137 داراي دقت لازم براي تعيين دوره زماني فرسايش مي باشد.
7. قابليت تهيه نقشه فرسايش و رسوب با دقت مناسب با استفاده از اين روش
ب) محدوديتها:
1. قابل انجام در حوزه هاي كوچك بوده و در حوزه هاي بزرگ توجيه اقتصادي ندارد.
2. مبتني بر ضايعات آزمايشات هسته اي مي باشد و اگر مواردي نظير حادثه چرنوبيل در سطح گسترده اي اتفاق بيفتد، با اشكال مواجه خواهد شد.
3. آزمايشات آناليز خاك براي تعيين مقدار سزيم 137 در ايران محدود به سازمان انرژي اتمي مي باشد و هزينه انجام آزمايشات نسبتا گران است.
4. عدم قابليت آن براي فرسايشهاي غيرسطحي