Journal of Environmental Science Studies

Journal of Environmental Science Studies

Investigating the effect of wheel type, vertical load and movement speed on the rut depth created in the soil and its environmental consequences

Document Type : Original Article

Authors
Aref Mardani 1
Nashmil Farhadi 2
Behzad Golanbari 3
Adel Hosainpour 1
1 Associate Professor, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
2 MSc. Student, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
3 PhD Student, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
10.22034/jess.2025.473069.2290
Abstract
تقابل چرخ ماشین های کشاورزی از نظر ایجاد شرایط تراکم و تخریب خاک از اهمیت بالایی برخوردار است. این پژوهش به بررسی تأثیر نوع چرخ (بادی و زنجیری)، بار عمودی و سرعت حرکت بر عمق شیار ایجاد شده در خاک می‌پردازد. آزمایش‌ها در یک انباره خاک ثابت با استفاده از آزمونگر تک چرخ انجام شد. نتایج نشان داد که هر سه عامل به طور معناداری بر عمق شیار تأثیرگذار هستند. چرخ‌های بادی در مقایسه با چرخ‌های زنجیری، عمق شیار بیشتری ایجاد کردند. افزایش بار عمودی منجر به افزایش عمق شیار شد، در حالی که افزایش سرعت حرکت باعث کاهش عمق شیار گردید. این یافته‌ها پیامدهای مهمی برای محیط زیست دارند، از جمله تأثیر بر فرسایش خاک، آلودگی آب و تنوع زیستی. پژوهش حاضر بر اهمیت انتخاب مناسب نوع چرخ و تنظیم بهینه پارامترهای عملیاتی برای کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی تأکید می‌کند و پیشنهاداتی برای بهبود طراحی و استفاده از ماشین‌آلات کشاورزی ارائه می‌دهد.
استفاده از ماشین‌آلات سنگین و قدرتمند در دهه‌های اخیر به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته است که این امر منجر به بروز خسارات متعددی بر خاک‌های نرم در مناطق غیرآسفالت مانند پارک‌ها، جنگل‌ها و تالاب‌ها شده است. این خسارات شامل ایجاد شیارهای عمیق در خاک، تخریب پوشش گیاهی، تغییر در جذب و نگهداری آب در خاک، و کاهش ارزش زیبایی‌شناختی زمین می‌باشد. فشردگی خاک ناشی از این وسایل منجر به کاهش نفوذپذیری آب، افزایش رواناب و تشدید فرسایش می‌شود. همچنین، وسایل نقلیه آفرود با ایجاد شیارها، فرآیندهای طبیعی فرسایش را تسریع کرده و سیستم‌های تثبیت خاک را مختل می‌کنند. این اثرات مخرب می‌تواند پیامدهای طولانی‌مدتی برای اکوسیستم‌ها داشته باشد، به‌طوری که بازیابی کامل محیط زیست ممکن است چندین دهه طول بکشد.
عوامل موثر در شیار شدن زمین بر اثر عبور ماشین‌های آفرود شامل وزن خودرو، نوع و فشار باد لاستیک، سرعت حرکت، رطوبت و بافت خاک، شیب زمین، تکرار عبور و مرور، مهارت راننده، و سیستم تعلیق خودرو است. وزن وسایل نقلیه یکی از عوامل اصلی در تشکیل شیارها محسوب می‌شود. بار سنگین وسایل نقلیه باعث اعمال نیروهای عمودی و افقی بر روی خاک می‌گردد. در شرایطی که رطوبت خاک بالاتر از حد بحرانی باشد، این نیروها علاوه بر فشردگی خاک، باعث جابجایی و تشکیل شیار در خاک نیز می‌شوند.
تحقیقات متعددی به بررسی تأثیرات عبور وسایل نقلیه مختلف بر شیارهای خاک پرداخته‌اند. مطالعه‌ای توسط هوشنگ محبوب‌نژاد و همکاران نشان داد که چرخ‌های شنی نسبت به چرخ‌های معمولی تراکم و نشست کمتری در خاک ایجاد می‌کنند. پژوهش دیگری توسط سجاد درفش‌پور و عارف مردانی نیز نشان داد که افزایش بار عمودی و تعداد عبور چرخ‌ها به‌طور معنی‌داری باعث افزایش تراکم و نشست خاک می‌شود.
این پژوهش با هدف بررسی تأثیر نوع عامل کشش (چرخ پنوماتیک و چرخ‌زنجیر)، بار عمودی و سرعت پیشروی بر عمق شیار ایجاد شده در خاک انجام شد. آزمایش‌ها در یک انباره خاک ثابت با ابعاد 24×2×1 متر، مجهز به آزمونگر تک چرخ، صورت گرفت (شکل 1). انباره خاک شامل شاسی کانال، حامل، سامانه‌های کنترل و واحد تولید توان برای حرکت حامل بود. آزمونگر تک‌چرخ شامل دو نوع عامل کشش، چرخ پنوماتیک تراکتور مدل Barez 8.25-16 (8) P.R HL و چرخ‌زنجیر با ابعاد 60×22 سانتی‌متر، مورد آزمایش قرار گرفتند. حرکت آزمونگر توسط یک الکتروموتور 22 کیلوواتی و اینورتر با دقت 0.01 هرتز کنترل شد. خاک مورد استفاده دارای بافت رسی-لومی با 43% رس، 22% سیلت و 35% شن بود (جدول 1). متغیرهای آزمایش شامل نوع عامل کشش (چرخ پنوماتیک و چرخ‌زنجیر)، بار عمودی (سه سطح 2، 3 و 4 کیلونیوتن) و سرعت پیشروی (سه سطح 1، 2 و 3 کیلومتر بر ساعت) بودند. عمق شیار پس از هر عبور و در سه تکرار با استفاده از فاصله‌سنج لیزری با دقت 0.02 میلی‌متر اندازه‌گیری شد. داده‌های مربوط به عمق شیار با استفاده از یک تیر T شکل اندازه‌گیری شد که روی شاسی انباره قرار می‌گرفت و برای اندازه‌گیری عمق شیار در سه نقطه مختلف استفاده می‌شد. داده‌های جمع‌آوری‌شده با استفاده از نرم‌افزار Minitab 22.1 و روش تحلیل واریانس (ANOVA) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
استفاده از انواع چرخ‌ها در فعالیت‌های کشاورزی و صنعتی می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر محیط زیست داشته باشد. یکی از پیامدهای مهم این استفاده، آلودگی آب‌ها است. چرخ‌های بادی، به دلیل ایجاد فرسایش بیشتر، می‌توانند منجر به شسته شدن مواد شیمیایی به منابع آب زیرزمینی و سطحی شوند، که به نوبه خود کیفیت آب را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در مقابل، چرخ‌های زنجیری به دلیل کاهش فرسایش خاک، تأثیر کمتری بر شسته شدن مواد شیمیایی و در نتیجه آلودگی منابع آبی دارند.
علاوه بر این، چرخ‌های بادی با تخریب زیستگاه‌های طبیعی و افزایش فشردگی خاک، می‌توانند به تنوع زیستی و حیات وحش محلی حیوانات زیرزمینی آسیب برسانند. این در حالی است که چرخ‌های زنجیری به دلیل ایجاد شیار کمتر و کاهش تأثیرات منفی بر روی خاک، تأثیرات کمتری بر زیستگاه‌ها و تنوع زیستی دارند. همچنین، چرخ‌های بادی می‌توانند با تخریب زیستگاه‌های طبیعی و افزایش فشردگی خاک، به تنوع زیستی و حیات وحش محلی آسیب برسانند، در حالی که چرخ‌های زنجیری به دلیل ایجاد شیار کمتر، تاثیرات منفی کمتری بر زیستگاه‌ها و تنوع زیستی دارند.
برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی ناشی از استفاده از چرخ‌های مختلف، توسعه چرخ‌های هیبریدی که ترکیبی از ویژگی‌های چرخ‌های بادی و زنجیری هستند، می‌تواند مؤثر واقع شود. استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیر و با دوام بیشتر در ساخت چرخ‌ها نیز می‌تواند به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی کمک کند. علاوه بر این، به‌کارگیری تکنولوژی‌های هوشمند مانند سنسورها و سیستم‌های کنترل فشار چرخ‌ها، با توجه به شرایط خاک و محیط، می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش تأثیرات منفی زیست‌محیطی کمک نماید. همچنین، آموزش کشاورزان و کاربران ماشین‌آلات کشاورزی در مورد تأثیرات زیست‌محیطی و روش‌های کاهش این تأثیرات از طریق مدیریت پایدار منابع طبیعی و استفاده بهینه از چرخ‌ها، نقش مهمی در حفظ محیط زیست ایفا می‌کند.
این پژوهش نشان داد که انتخاب نوع چرخ، تنظیم سرعت حرکت، و بار عمودی می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر عمق شیار و به تبع آن بر محیط زیست داشته باشد. با توجه به اهمیت حفاظت از منابع طبیعی و کاهش تأثیرات منفی بر محیط زیست، استفاده از چرخ‌های زنجیری و توسعه فناوری‌های نوین می‌تواند به عنوان راهکاری مؤثر برای بهبود کارایی و کاهش تأثیرات زیست‌محیطی مدنظر قرار گیرد. این نتایج می‌تواند به تصمیم‌گیری‌های بهینه در زمینه انتخاب و استفاده از ماشین‌آلات کشاورزی کمک کرده و به ارتقاء مدیریت پایدار منابع طبیعی منجر شود.
Keywords
wheel
Track wheel
Rut depth
off-road vehicles
soil erosion
1.       Alkhalifa, N., Tekeste, M. Z., Jjagwe, P., & Way, T. R. (2024). Effects of vertical load and inflation pressure on tire-soil interaction on artificial soil. Journal of Terramechanics, 112, 19–34.
2.       Assaeed, A. M., Al-Rowaily, S. L., El-Bana, M. I., Abood, A. A. A., Dar, B. A. M., & Hegazy, A. K. (2019). Impact of off-road vehicles on soil and vegetation in a desert rangeland in Saudi Arabia. Saudi Journal of Biological Sciences, 26(6), 1187–1193.
3.       Bygdén, G., Eliasson, L., & Wästerlund, I. (2003). Rut depth, soil compaction and rolling resistance when using bogie tracks. Journal of Terramechanics, 40(3), 179–190.
4.       Cambi, M., Certini, G., Neri, F., & Marchi, E. (2015). The impact of heavy traffic on forest soils: A review. Forest Ecology and Management, 338, 124–138.
5.       Hambleton, J., & Drescher, A. (2008). Soil damage models for off-road vehicles. In GeoCongress 2008: Geosustainability and Geohazard Mitigation (pp. 562–569).
6.       Mardani, A., & Derafshpour, S. (2024). Evaluation of the wheel multi-pass effect on the density and compaction of agricultural soils in soil bin. Journal of Environmental Science Studies, 9(3), 8989–8996. https://doi.org/10.22034/jess.2023.414941.2118
7.       Sadeghi, S., Solgi, A., & Tsioras, P. A. (2022). Effects of traffic intensity and travel speed on forest soil disturbance at different soil moisture conditions. International Journal of Forest Engineering, 33(2), 146–154.
8.       Taylor, R. B. (2006). The effects of off-road vehicles on ecosystems. Unpublished Report for Texas Parks and Wildlife, Uvalde, USA.
Journal of Environmental Science Studies
Volume 10, Issue 2
Spring 2025
Pages 10217-10224