6. ΕΔΑΦΗ ΤΗΣ ΓΗΣ

6.5. Διάβρωση εδαφών

Η διάβρωση του εδάφους από το νερό περιλαμβάνει δυο κύρια σταδία: α) την αποκόλληση των σωματιδίων του εδάφους και β) την επακόλουθη μεταφορά τους. Οι παράγοντες που ευθύνονται για αυτήν είναι οι βροχοσταγόνες και το τρεχούμενο νερό .

Η διάβρωση λόγω βροχοσταγόνων συντελείται μέσω της πρόσκρουσης της σταγόνας στο έδαφος και της αναταραχής που προκαλείται στα σωματίδια του εδάφους. Η διάβρωση του ρέοντος νερού αφορά τη μεταφορά χαλαρού υλικού (το οποίο έχει αποκολληθεί από τη δράση των βροχοσταγόνων) από το νερό. Το νερό ρέει επάνω στην επιφάνεια του εδάφους είτε ακανόνιστα με τη μορφή μανδύα, είτε σε καθορισμένες κοίτες με τη μορφή μικρών παράλληλων μεταξύ τους αυλακιών. Ο κάθε ένας από τους παραπάνω παράγοντες διάβρωσης υπακούει στους δικούς του κανόνες .

Όμως η φύση της διάβρωσης του εδάφους εξαρτάται από ισορροπία μεταξύ της ικανότητας διάβρωσης (διαβρωσικότητας) των σταγόνων και του τρεχούμενου νερού, με την ανθεκτικότητα σε διάβρωση του εδάφους (διαβρωσιμότητα). Οι παράγοντες αυτοί βρίσκονται σε συνάρτηση ο ένας με τον άλλο όπως φαίνεται και από τον παρακάτω πίνακα .Ακόμη υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ της φυσικής διάβρωσης του εδάφους και της διάβρωσης που τυγχάνει επιτάχυνσης λόγω της δραστηριότητας του ανθρώπου .

Έτσι με τον όρο φυσική διάβρωση του εδάφους καλείται ο ρυθμός με τον οποίο αυτό διαβρώνεται υπό κανονικές, ανεπηρέαστες από τον άνθρωπο συνθήκες.

Ως επιταχυνόμενη διάβρωση ονομάζεται ο αυξημένος ρυθμός διάβρωσης που προκύπτει όταν οι φυσικές συνθήκες  μιας περιοχής διαταραχθούν από την ανθρώπινη παρουσία και τις χρήσεις γης που αυτή συνεπάγεται. Οι χρήσεις αυτές μπορεί να είναι η καλλιέργεια των κλιτύων κατά μήκος της μέγιστης κλίσης , η πάκτωση των εδαφών με τη χρήση μηχανημάτων και οι μακρές περίοδοι χέρσευσης μια περιοχής που λειτουργεί ως βοσκότοπος.

Η επιταχυνόμενη διάβρωση παίζει πρωτεύοντα ρόλο στην περιβαλλοντική διαχείριση μιας περιοχής. Σημαντικές προσπάθειες καταβάλλονται από τον άνθρωπο προκείμενου να μειωθεί ο ρυθμός της σε ένα βαθμό συγκρίσιμο του σχηματισμού του εδάφους μέσω των φυσικών διεργασιών αποσάθρωσης.

Διάβρωση βροχοσταγόνας

Ένας ιδιαίτερα σημαντικός (αν και αρχικά παραγνωρισμένος) διαβρωτικός παράγοντας, είναι η δράση της βροχοσταγόνας. Μετά από έρευνες διαπιστώθηκε πως η απώλεια του εδάφους μέσω του τρεχούμενου νερού αυξάνεται σημαντικά με την ενέργεια της βροχοσταγόνας. Ακόμη είναι δυνατή μια σημαντική μείωση της διάβρωσης, εάν με κάποιο τρόπο αποφευχθεί η απευθείας πρόσκρουση της σταγόνας στο έδαφος.

Οι επιπτώσεις της πρόσκρουσης της βροχοσταγόνας στο έδαφος είναι ποικίλες γιατί όχι μόνο διασπείρει τα σωματίδια του εδάφους, αλλά συμπιέζει το επιφανειακό στρώμα ιλύος και αργίλου, δημιουργώντας έναν αδιαπέραστο φλοιό ο οποίος μειώνει δραματικά τη διηθητική ικανότητα του εδάφους.

Σχήμα 6.7.: Η επίδραση της πρόσκρουσης μιας σταγόνας βροχής πάνω στην επιφάνεια ενός κορεσμένου σε νερό εδάφους. Ο χρόνος μετράται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Στο σχήμα 6.7. παρουσιάζονται σχηματικά οι επιπτώσεις της πρόσκρουσης της βροχοσταγόνας στο έδαφος, ενώ στο σχήμα 6.8. φαίνεται η πρόσκρουση μιας βροχοσταγόνας στο έδαφος όπως αυτή καταγράφηκε με φωτογράφηση σε πολύ υψηλές ταχύτητες.

Σχήμα 6.8.: Φωτογραφία της πτώσης μια σταγόνας βροχής στην επιφάνεια ενός υγρού εδάφους.

Τα κύρια χαρακτηριστικά της βροχοσταγόνας που παίζουν ρόλο στην διαβρωτική της ικανότητα, είναι η μάζα, το μέγεθος, η κατεύθυνσής της, η ένταση της βροχόπτωσης καθώς και η τελική ταχύτητα της βροχοσταγόνας. Με γνώση αυτών των μεταβλητών, είναι δυνατός ο υπολογισμός της κινητικής ενέργειας και της ορμής της σταγόνας.

E = ½ * m * u² και J = m * u

Για βροχοπτώσεις μικρής και μεσαίας έντασης , το μέσο μέγεθος της βροχοσταγόνας αυξάνει σύμφωνα με τον τύπο

D₅₀  = a * I * b , όπου

D₅₀  = μέσο μέγεθος σταγόνας  (mm)

I      = ένταση βροχόπτωσης  (mm ανά ώρα)

α , b = σταθερές

Στις βροχοπτώσεις μεγάλης έντασης, το μέγεθος της σταγόνας ελαττώνεται ελαφρώς, με μέγιστη διάμετρο περίπου στα 5 - 6 mm.

Σχήμα 6.9.: α) διάγραμμα μεταβολής του μεγέθους της βροχοσταγόνας με την τελική της ταχύτητα και με το απαιτούμενο ύψος πτώσης για την επίτευξη του 95% της τελικής ταχύτητάς της. β) Η μεταβολή της κινητικής ενέργειας σε σχέση με τη ένταση της βροχόπτωσης.

Η τελική ταχύτητα που αναπτύσσει η βροχοσταγόνα εξαρτάται επίσης από το μέγεθος της. Μια σταγόνα που πέφτει ελεύθερα, επιταχύνει κάτω από την επίδραση της βαρύτητας μέχρι του σημείου όπου η βαρύτιμη δύναμη γίνεται ίση με την αντίσταση του αέρα λόγω τριβής . Στο σημείο αυτό η βροχοσταγόνα πέφτει με την μέγιστη ταχύτητα της. Οι σχέσεις μεταξύ του μεγέθους της σταγόνας, της τελικής ταχύτητας αυτής και της απαιτούμενης απόστασης ώστε η σταγόνα να αποκτήσει το 95 % της τελικής ταχύτητας της, φαίνονται στο παραπάνω διάγραμμα (Σχήμα 6.9.).

Από το διάγραμμα γίνεται φανερό πως οι περισσότερες σταγόνες προσπίπτουν με την τελική ταχύτητα αυτών. Η τελική ταχύτητα των βροχοσταγόνων στην φυσική βροχόπτωση επηρεάζεται ακόμη από τις αναταραχές του αέρα και τους ανέμους . Γνωρίζοντας το μέγεθος, την ταχύτητα και την ένταση των βροχοσταγόνων, μπορούμε να υπολογίσουμε πλέον την ολική κινητική ενέργεια της βροχόπτωσης.

Το επόμενο βήμα είναι η εύρεση της σχέσης μεταξύ της βροχόπτωσης και της αποκόλλησης και μεταφοράς των σωματιδίων του εδάφους. Διάφορες εμπειρικές μελέτες και αναλύσεις που έλαβαν χώρα κυρίως στις Η.Π.Α., οδήγησαν στην αποδοχή της παραμέτρου EI₃₀ , η οποία και ερμηνεύει την απώλεια του εδάφους ως συνέπεια της βροχόπτωσης. Στην παράμετρο αυτή , Ε είναι η κινητική ενέργεια και Ι₃₀ η μέγιστη ένταση σε μια τυχαία περίοδο 30 λεπτών μιας βροχόπτωσης .

Σημαντικό ρόλο στη δράση της βροχοσταγόνας παίζει και η δυνατότητα αποκόλλησης και μεταφοράς του εδάφους .

Εδάφη τα οποία καλύπτονται από βλάστηση είναι σε μεγάλο βαθμό προστατευμένα από τη διάβρωση . Ακόμη, εδάφη με μεγάλη συνεκτικότητα σχηματίζουν ανθεκτικούς σβώλους οι οποίοι δεν καταστρέφονται εύκολα από τις βροχοσταγόνες. Η κλίση της κλιτύος παίζει και αυτή μεγάλο ρόλο. Εάν είναι οριζόντια, τα σωματίδια του εδάφους εκτινάσσονται σε ύψη μέχρι και 60 cm από το έδαφος, δίχως να υπάρχει να υπάρχει όμως πραγματική συνολική απώλεια εδάφους. Σε περίπτωση κεκλιμένων επιφανειών (έστω και με μια γωνία 5°), το μεγαλύτερο μέρος των σωματιδίων του εδάφους που προσβάλλονται από τις βροχοσταγόνες κινούνται προς τα κατάντη, σημειώνοντας έτσι σημαντική απώλεια.

Έχει αποδειχθεί επίσης πως η μέγιστη τιμή αυτού του είδους της διάβρωσης συμβαίνει λίγη ώρα μετά την ύγρανση του εδάφους. Στη συνεχεία μειώνεται, επειδή τόσο το επιφανειακό υμένιο του νερού αυξάνει σε πάχος (όποτε και μειώνεται η πρόσκρουση στα σωματίδια του εδάφους), όσο και επειδή τα πιο εύκολα διαβρούμενα σωματίδια του εδάφους έχουν απομακρυνθεί ούτως ή άλλως.

Πολλές και σημαντικές είναι οι συνέπειες αυτού του είδους της διάβρωσης: απομάκρυνση τεμαχίων από σβώλους χώματος, καταστροφή της δομής του εδάφους  και προετοιμασία υλικού για έκπλυση με τον επερχόμενο μανδύα νερού. Ακόμη, αυτή η διάβρωση απομυζεί το έδαφος από τα πλέον πολύτιμα συστατικά του (χούμος, άργιλος, αλλά θρεπτικά συστατικά), αφήνοντάς το σημαντικά φτωχότερο. Τέλος, η δράση των βροχοσταγόνων οδηγεί στον διασκορπισμό των σωματιδίων αργίλου και τη δημιουργία ενός αδιαπέρατου φλοιού ο οποίος μειώνει τη διηθητική ικανότητα του εδάφους, υποβοηθώντας τη διάβρωση από το τρεχούμενο νερό.

Διάβρωση του εδάφους από το τρεχούμενο νερό

Η θεωρία περί επιφανειακής απορροής και διάβρωσης διατυπώθηκε από τον Horton στα 1945 και αποτέλεσε τη βάση για την μετέπειτα έρευνα.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή , η απορροή δεν αρχίζει αμέσως μόλις οι πρώτες σταγόνες πέσουν στο έδαφος. Εάν το έδαφος είναι ακόρεστο, το νερό θα διεισδύσει σε αυτό με έναν ρυθμό που εξαρτάται από τη δομή του, την φυτοκάλυψη της περιοχής, τους βιολογικούς παράγοντες καθώς και την υγρασία του.

Η διηθητική ικανότητα (f_p), η οποία ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο μπορεί ένα συγκεκριμένο έδαφος να διηθήσει επιφανειακό νερό , μεταβάλλεται σε μια βροχόπτωση. Αρχικά η τιμή της μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη f_o , με το χρόνο όμως αυτή μειώνεται σε μια σταθερή τιμή ( f_c ) . Αυτή η ελάττωση αποδίδεται σε πάκτωση του εδάφους λόγω της βροχής, την έκπλυση του λεπτότερου υλικού, τη διόγκωση τον κολλοειδών συσσωματωμάτων καθώς και την καταστροφή της επιφανειακής δομής του εδάφους. Για τις μεγάλης διάρκειας βροχοπτώσεις και καταιγίδες, αυτή η σταθερή, ελάχιστη τιμή της διηθητικής ικανότητας είναι μεγάλης σημασίας. Εάν ο ρυθμός των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων υπερβεί την τιμή αυτή (f_c), τότε αρχίζει η συσσώρευση του νερού μέσα και εν συνεχεία πάνω από το έδαφος, με πιθανό επακόλουθο την απορροή.

Εάν η βροχή συνεχισθεί για ένα διάστημα t_R , τότε ισχύει :

f_p = f_c + ( f_o - f_c ) e ^-ktR

όπου k είναι μια σταθερά και e =2,71 ( η βάση των Νεπεριων λογαρίθμων ) .

Παρατηρούμε ότι η διηθητική ικανότητα μειώνεται με το χρόνο, όποτε και η απορροή παίρνει μεγαλύτερες τιμές.

Η διηθητική ικανότητα του εδάφους εξαρτάται βεβαίως και από άλλες συνθήκες. Για παράδειγμα μια προηγούμενη βροχή μπορεί να άφησε το έδαφος μερικώς κορεσμένο. Μεγάλο ρόλο παίζουν επίσης οι εποχές του χρόνου, καθώς αυτές ορίζουν την κατάσταση της φυτικής βλάστησης αλλά και των καλλιεργούμενων εκτάσεων , όπως επίσης και τη θερμοκρασία η οποία ελέγχει τους ρυθμούς εξάτμισης. Περιοχές με έντονη φυτοκάλυψη έχουν μεγαλύτερη διηθητική ικανότητα, καθώς η βλάστηση επιβραδύνει την επιφανειακή απορροή, το ριζικό σύστημα των φυτών καθιστά το έδαφος πιο συνεκτικό αλλά και διαπερατό από το νερό και γενικότερα η πάκτωση του εδάφους από το νερό μειώνεται σημαντικά.

Αν και είναι δύσκολος ο ακριβής προσδιορισμός της διηθητικής ικανότητας ή της απορροής σε μια λεκάνη (καθώς υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις στη διήθηση στα διάφορα εδάφη μιας λεκάνης), εν τούτοις είναι δυνατόν να καταλήξουμε σε ορισμένες προσεγγιστικές τιμές της διήθησης με βάση τον τύπο :

Κατακρημνίσματα = Διήθηση + Επιφανειακή Απορροή

Αυτό βεβαίως ισχύει εάν δεχθούμε πως η ποσότητα του νερού που κατακρατείται από τη βλάστηση και αποθηκεύεται στο έδαφος είναι μικρή .

Η διαφορά μεταξύ της έντασης της βροχόπτωσης και της διηθητικής ικανότητας καλείται ρυθμός τροφοδοσίας (σ).

Για θετικές τιμές αυτού του ρυθμού, το νερό αρχίζει να μαζεύεται σε μικρές ταπεινώσεις του δασούς. Στο επόμενο στάδιο, το νερό ξεχειλίζει και αρχίζει να ρέει μεταξύ των ταπεινώσεων, σχηματίζοντας ταυτόχρονα ένα λεπτό υμέναιο. Τελικά και αφού έχει αποκτήσει το στρώμα αυτό ένα συγκεκριμένο πάχος, αρχίζει η ροή του νερού προς τα κατάντη.

Αρχικά το τρεχούμενο νερό δεν έχει την απαιτούμενη ενέργεια για να μεταφέρει μικρά κομμάτια του εδάφους, αλλά καθώς κινείται η μεταφορική του ικανότητα αυξάνει , έως ότου ξεπεραστεί η αντίσταση του επιφανειακού υλικού , όποτε αρχίζει η διάβρωση. Αυτό επιτυγχάνεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο (υψόμετρο), το οποίο καλείται κρίσιμη απόσταση (x_c). Ανάντη της κρίσιμης αυτής απόστασης, ως διαβρωτικός παράγοντας δρα μόνο η ενέργεια της βροχοσταγόνας. Ο καθορισμός της κρίσιμης απόστασης είναι μεγάλης σημασίας καθώς από εκεί αρχίζει η αυλακώδης διάβρωση.

Η διαβρωτική δύναμη που οφείλεται σε ροή παράλληλη προς τη επιφάνεια του εδάφους, εξαρτάται από το βάθος της επιφανειακής ροής (d) και το ημίτονο της κλίσης της κλιτύος (sinθ). Το βάθος της επιφανειακής ροής με τη σειρά του, εξαρτάται από το ρυθμό τροφοδοσίας (σ), την τραχύτητα του εδάφους (n), την απόσταση από την κορυφή της κλιτούς (χ) καθώς και την εφαπτόμενη της γωνίας της κλιτύος (tanθ).

Τέλος μπορούμε να πούμε πως το πλάτος της ζώνης όπου δεν παρατηρείται διάβρωση λόγω απορροής, είναι αντιστρόφως ανάλογο της έντασης της απορροής και της τραχύτητας του εδάφους και ανάλογο της αντίστασης του εδάφους στην διάβρωση (διαβρωσιμότητα). Για κλιτύες με γωνία μικρότερη των 20°, το πλάτος της ζώνης αυτής ελαττώνεται με αύξηση της κλίσης. Εννοείται πως η διάβρωση βροχοσταγόνας επιδρά και κάτω από την κρίσιμη επιφάνεια (x_c).

Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει τη σχέση μεταξύ του μεγέθους των σωματιδίων και της ταχύτητας της ροής. Παρατηρούμε πως τα πιο εύκολα διαβρούμενα σωματίδια βρίσκονται στην περιοχή των 0,1 – 0,5 mm (λεπτή και μέση άμμος). Μεγαλύτερες ταχύτητες απαιτούνται για τη μεταφορά τόσο μικρότερων (λόγω της μεταξύ τους συνοχής, δημιουργίας κολλοειδών) όσο και μεγαλύτερων (λόγω βάρους) σωματιδίων. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται επίσης η καμπύλη της ταχύτητας απόθεσης, κάτω από την οποία συμβαίνει η απόθεση των σωματιδίων.

Σχήμα 6.10.: Σχέση μεγέθους σωματιδίων και απαιτούμενης ταχύτητας για τη διάβρωση, μεταφορά και απόθεσή τους (Couke, R.,U. & Doorncamp, J.,C., 1990).