تقریبا اول آذر سال 1396 خبری در خبرگزاری ایسنا نظرم را جلب کرد: “سیلاب شدید در جده ( دومین شهر بزرگ عربستان ) قربانی گرفت” . این خبر سوالی را در ذهنم ایجاد کرد؛ چرا در مناطق خشک با وجودی که بارندگی سالانه اندک است باز هم سیلاب شدید اتفاق می افتد؟ این مقاله حاصل جستجو برای این سوال است که منجر به بررسی مکانیسم نفوذ آب در خاک شد. در انتهای این مقاله به سوال فوق پاسخ می دهیم. مهم ترین مشخصه فیزیکی خاک از نظر کشاورزی نفوذ آب ( Infiltration ) می باشد. بر حسب تعریف وارد شدن آب به داخل خاک را نفوذ گویند. مقدار آبی که در یک دوره زمانی مشخص (مثلا یک ساعت یا یک شبانه روز یا…) در خاک نفوذ می کند، نفوذ تجمعی ( Accumulated Infiltration ) و میانگین سرعت وارد شدن آب به داخل خاک را طی یک دوره زمانی، متوسط سرعت نفوذ ( Average Infiltration ) و سرعت نفوذ آب به داخل خاک را در یک لحظه معین از زمان سرعت لحظه ای نفوذ ( Instantaneous Infiltration Rate ) گویند. در نفوذ آب عمدتا حرکت عمودی آب به داخل خاک مورد نظر می باشد و اگر همانند آن چه در شیارها و جوی پشته ها یا آبیاری قطره ای مشاهده می شود، آب علاوه بر حرکات عمودی در جهات جانبی نیز نفوذ نماید، به جای واژه Infiltration از واژه Intake استفاده شده است.
ورود آب به داخل خاک در نتیجه تاثیر توام نیروهای ثقلی و مویینگی صورت می گیرد. نیروی ثقل فقط در جهت قائم عمل می کند، اما نیروی مویینگی در ابتدا که خاک خشک بوده و منافذ مویین خالی از آب است هم در جهت عمودی و هم در جهات افقی عمل می کند ولی به تدریج که منافذ از آب اشباع شد تنها نیروی ثقل دخالت کرده و جریان نفوذ عمدتا قائم می باشد. به همین دلیل سرعت نفوذ در ابتدای وارد شدن آب به سطح خاک زیاد و سپس به مرور زمان تقلیل یافته و به مقدار ثابتی که فقط نتیجه عمل نیروی ثقل است، می رسد. بنابراین مقدار آبی که در زمین نفوذ می کند صرفه نظر از وضعیت سطح خاک به صورت تجمعی نسبت به زمان افزایش می یابد. نفوذ آب در خاک به عواملی مانند بافت و ساختمان خاک، پوشش گیاهی، شیب زمین و از همه مهم تر قابلیت پراکندگی ذرات سطحی خاک حاوی مقدار زیادی یون قابل تبادل سدیم باشد پس از مرطوب شدن باعث پراکندگی ذرات خاک شده و جلو نفوذ آب را سد می کند. لذا نفوذ آب به داخل خاک در لایه های رسی و سیلتی بسیار اندک است. کلیپ زیر نفوذ آب در انواع خاک های شنی، سیلتی و رسی و همچنین انواع اشکال نفوذ ( نفوذ دانه دانه که در آن آب از لا به لای دانه های خاک عبور می کند، نفوذ به صورت عبور از بین تکه ای از خاک به طور افقی و … ) را نمایش می دهد.
چنان چه مقدار نفوذ تجمعی آب به داخل خاک را بررسی کنیم، مشاهده می شود که این مقدار در ابتدا سریعا افزایش می یابد. چنان چه عمق آب نفوذ یافته را با i و زمان را با t نشان دهیم شیب منحنی نفوذ تجمعی نسبت به زمان به طور مرتب کاهش پیدا می کند. یعنی به تدریج که آب در خاک نفوذ می کند از سرعت نفوذ کاسته می شود. اما مقدار تجمعی نفوذ نسبت به زمان همیشه در حال افزایش می باشد. سرعت نفوذ آب به داخل خاک به درصد رطوبت اولیه خاک نیز بستگی دارد. به طوریکه هر چه رطوبت اولیه خاک بیشتر باشد، سرعت نفوذ آب به داخل خاک کاهش می یابد اما سرانجام نفوذ نهایی در تمام آن ها یکسان خواهد بود.
اندازه گیری نفوذ
برای اندازه گیری نفوذ تجمعی و یا سرعت نفوذ در صحرا از وسیله ساده ای به نام نفوذسنج استفاده می شود. دستگاه نفوذسنج از دو حلقه استوانه ای به قطر 30 و 60 سانتی متر و ارتفاع 25 سانتی متر تشکیل شده است. البته ممکن است از اندازه های دیگر نیز استفاده شود. حلقه ها از فلز و به ضخامت 2 میلیمتر انتخاب می شوند. ابتدا حلقه کوچک روی زمین قرار داده می شود و طوری در خاک کوبیده می شود که حدود 5 تا 10 سانتی متر در آن فرو رود. سپس حلقه بزرگتر طوری قرار داده می شود که حلقه کوچک به صورت متحدالمرکز در داخل آن قرار گیرد و به همان ترتیب در زمین کوبیده می شود. لذا بین دو حلقه 15 سانتی متر فاصله است. بین دو حلقه و همچنین داخل حلقه کوچک آب ریخته می شود. این تغییرات را می توان از طریق افزودن حجم مشخصی از آب به داخل استوانه در زمان معین اندازه گیری کرد. اضافه کردن آب به داخل سیلندر طوری صورت می گیرد که عمق آب در داخل سیلندر کوچک از لبه آن بین 7 تا 12 سانتی متر فاصله داشته باشد. آبی که بین استوانه داخلی و خارجی ریخته می شود، فقط برای کنترل حرکت عمودی آب در استوانه داخلی است تا از حرکات جانبی آن که ممکن است موجب اشتباه در آزمایش شود جلوگیری گردد. لذا هیچ گونه اندازه گیری روی آن صورت نمی گیرد. در آبیاری های کرتی و نواری نفوذ آب به صورت عمودی صورت می گیرد و لذا نتایج حاصله از آزمایشات حلقه های نفوذ می تواند در مورد آن صادق باشد در صورتی که در آبیاری جوی-پشته ای آب هم در جهات افقی و هم در جهت عمودی نفوذ می کند. بنابراین ممکن است نتایج بدست آمده از حلقه های نفوذ نتواند در مورد آن صادق باشد. به خصوص این که با حلقه های نفوذ، فقط یک نقطه کوچک از خاک اندازه گیری می شود که ممکن است معرف کل مزرعه نباشد. برای این منظور در برنامه ریزی های آبیاری فارو نفوذ و معادله آن با انجام آزمایش روی جویچه ها انجام می شود.
و حال باید با مطالعه متن بالا بتوانید به سوال پرسیده شده در اول مقاله، پاسخ دهید. پاسخ کاملا مشخص است: در مناطق خشک، بارندگی ها عمدتا در فصل زمستان و بهار که خاک مرطوب است رخ می دهد. در چنین شرایطی به دلیل رطوبت اولیه خاک و پایین آمدن سرعت نفوذ آب به داخل خاک بخش زیادی از بارش، مازاد بر نفوذ بوده و در سطح زمین جاری می شود.
