Инфильтрация (гидрология) - Infiltration (hydrology)

Поперечный разрез холма, изображающий вадозная зона, капиллярная кайма, уровень грунтовых вод, и фреатический или насыщенная зона. (Источник: Геологическая служба США.)

Проникновение это процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почва. Он обычно используется как в гидрология и почвоведение. Инфильтрационная способность определяется как максимальная скорость инфильтрации. Чаще всего оно измеряется в метрах в день, но при необходимости также может быть измерено в других единицах измерения расстояния с течением времени.^[1] Инфильтрационная способность уменьшается по мере увеличения влажности почвы в поверхностных слоях почвы. Если интенсивность осадков превышает скорость инфильтрации, сток обычно происходит, если нет физического барьера.

Инфильтрометры, пермеаметры и имитаторы осадков - все это устройства, которые можно использовать для измерения скорости инфильтрации.^[2]

Проникновение вызвано множеством факторов, включая: сила тяжести, капиллярные силы, адсорбция и осмос. Многие характеристики почвы также могут играть роль в определении скорости инфильтрации.

Факторы, влияющие на инфильтрацию

Осадки

Осадки могут влиять на проникновение разными способами. Количество, тип и продолжительность осадков имеют значение. Дождь приводит к более высокой скорости инфильтрации, чем любые другие осадки, такие как снег или мокрый снег. С точки зрения количества, чем больше выпадает осадков, тем больше будет проникновение, пока грунт не достигнет насыщения, и в этот момент будет достигнута способность проникновения. Продолжительность дождя также влияет на инфильтрационную способность. Первоначально, когда начинается выпадение осадков, инфильтрация происходит быстро, поскольку почва ненасыщена, но с течением времени скорость инфильтрации замедляется, поскольку почва становится более насыщенной. Эта взаимосвязь между количеством осадков и инфильтрационной способностью также определяет, сколько сток произойдет. Если осадки идут быстрее, чем пропускная способность, произойдет сток.

Характеристики почвы

В пористость почв имеет решающее значение для определения инфильтрационной способности. Почвы с меньшими размерами пор, такие как глина, имеют меньшую инфильтрационную способность и более медленную скорость инфильтрации, чем почвы с большими размерами пор, такие как пески. Единственное исключение из этого правила - когда глина присутствует в сухих условиях. В этом случае в почве могут образоваться большие трещины, что приведет к более высокой инфильтрационной способности.^[3]

Уплотнение почвы также влияет на инфильтрационную способность. Уплотнение почвы приводит к уменьшению пористости в почве, что снижает инфильтрационную способность.^[4]

Гидрофобные почвы могут развиться после того, как произошли лесные пожары, что может значительно уменьшить или полностью предотвратить проникновение.

Влажность почвы

Почва, которая уже насыщена, больше не может удерживать больше воды, поэтому способность инфильтрации достигнута, и скорость не может увеличиваться после этого момента. Это приводит к гораздо большему поверхностному стоку. Когда почва частично насыщена, инфильтрация может происходить с умеренной скоростью, а полностью ненасыщенные почвы имеют самую высокую инфильтрационную способность.

Органические материалы в почвах

Органические материалы в почве (включая растения и животных) увеличивают инфильтрационную способность. Растительность содержит корни, которые глубоко уходят в почву, что создает трещины и трещины в почве, что способствует более быстрой инфильтрации и увеличению емкости. Растительность также может уменьшить поверхностное уплотнение почвы, что снова способствует увеличению инфильтрации. При отсутствии растительности скорость инфильтрации может быть очень низкой, что может привести к чрезмерному стоку и увеличению эрозия уровни.^[3] Как и растительность, животные, зарывающиеся в почву, также создают трещины в структуре почвы.

Растительного покрова

Если земля покрыта непроницаемыми поверхностями, такими как тротуар, инфильтрация не может происходить, так как вода не может проникать через непроницаемую поверхность. Это соотношение также приводит к увеличению стока. В непроницаемых зонах часто есть ливневые стоки, которые стекают непосредственно в водоемы, что означает отсутствие инфильтрации.^[5]

Растительный покров земли также влияет на способность инфильтрации. Растительный покров может привести к большему улавливанию осадков, что может снизить их интенсивность, что приведет к уменьшению стока и большему улавливанию. Увеличение обилия растительности также приводит к более высокому уровню эвапотранспирация что может уменьшить степень проникновения.^[5] Обломки растительности, такие как листовой покров, также могут увеличить скорость инфильтрации, защищая почвы от сильных осадков.

В полузасушливых саваннах и лугах скорость инфильтрации конкретной почвы зависит от процента земли, покрытой подстилкой, и базального покрытия пучков многолетних трав. На супесчаных почвах скорость инфильтрации под подстилкой может быть в девять раз выше, чем на голых поверхностях. Низкая скорость инфильтрации на оголенных участках в основном связана с наличием почвенной корки или поверхностного уплотнения. Проникновение через основание пучка происходит быстро, и пучки направляют воду к собственным корням.^[6]

Склон

Когда уклон земли выше, сток происходит быстрее, что приводит к более низкой скорости инфильтрации.^[5]

Процесс

Воспроизвести медиа

Процесс инфильтрации может продолжаться только в том случае, если на поверхности почвы есть место для дополнительной воды. Доступный объем для дополнительной воды в почве зависит от пористости почвы.^[7] и скорость, с которой ранее пропитанная вода может уходить от поверхности через почву. Максимальная скорость, с которой вода может проникнуть в почву при заданных условиях, - это инфильтрационная способность. Если поступление воды на поверхность почвы меньше, чем способность проникновения, это иногда анализируется с помощью гидрологические модели переноса, математические модели которые учитывают инфильтрацию, сток и сток в русле для прогнозирования расхода реки и потока качество воды.

Результаты исследований

Роберт Э. Хортон^[8] предположил, что способность проникновения быстро снижается в начале шторма, а затем имеет тенденцию к приблизительно постоянному значению через пару часов до конца события. Ранее пропитанная вода заполняет доступные места для хранения и снижает капиллярные силы, втягивающие воду в поры. Глина частицы в почве могут набухать при намокании и тем самым уменьшать размер пор. В областях, где земля не защищена слоем лесной подстилки, капли дождя могут отделять частицы почвы от поверхности и смывать мелкие частицы в поры поверхности, где они могут препятствовать процессу проникновения.

Инфильтрация при сборе сточных вод

Сточные Воды системы сбора состоят из набора линий, развязок и подъемников для транспортировки сточные воды к очистки сточных вод растение. Когда эти линии повреждены разрывом, растрескиванием или деревом корневое вторжение, инфильтрация / приток ливневых вод. Это обстоятельство может привести к перелив канализации, или сброс неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Методы расчета инфильтрации

Инфильтрация является составной частью гидрологического бюджета общего баланса массы. Есть несколько способов оценить объем и / или скорость проникновения воды в почву. Строгий стандарт, который полностью связывает грунтовые воды с поверхностными водами через неоднородную почву, - это численное решение Уравнение Ричардса. Более новый метод, который позволяет связывать одномерные подземные и поверхностные воды в однородных слоях почвы и который связан с уравнением Ричардса, - это метод Метод конечной влажности вадозной зоны решение Уравнение скорости влажности почвы. В случае равномерного начального содержания влаги в почве и глубоко дренированной почвы существует несколько превосходных приближенных методов решения для инфильтрационного потока для одного случая дождя. Среди них Грин и Ампт (1911).^[9] метод, Parlange et al. (1982).^[10] Помимо этих методов, существует множество эмпирических методов, таких как метод SCS, метод Хортона и т. Д., Которые представляют собой не более чем упражнения по построению кривой.

Общий гидрологический бюджет

Общий гидрологический бюджет со всеми компонентами в отношении инфильтрации F. Учитывая все другие переменные и проникновение - единственное, что неизвестно, простая алгебра решает вопрос проникновения.

${\displaystyle F=B_{I}+P-E-T-ET-S-I_{A}-R-B_{O}}$

куда

F инфильтрация, которую можно измерить объемом или длиной;

${\displaystyle B_{I}}$ - граничный вход, который, по сути, является выходным водоразделом из смежных, непосредственно связанных непроницаемых участков;

${\displaystyle B_{O}}$ - граничный выход, который также связан с поверхностным стоком, р, в зависимости от того, где выбрать точку выхода или точки для выхода границы;

п является осадки;

E является испарение;

Т является испарение;

ET является эвапотранспирация;

S хранилище через удержание или же районы содержания под стражей;

${\displaystyle I_{A}}$ это начальная абстракция, которая представляет собой краткосрочное поверхностное хранилище, такое как лужи или даже, возможно, отстойники в зависимости от размера;

р является поверхностный сток.

Единственное замечание по этому методу - нужно знать, какие переменные использовать, а какие опускать, так как двойники могут легко встретиться. Простой пример двойного подсчета переменных - это когда испарение, E, и испарение, Т, помещаются в уравнение, а также суммарное испарение, ET. ET включил в это Т а также часть E. Также необходимо учитывать перехват, а не только сырые осадки.

Уравнение Ричардса (1931 г.)

Стандартный строгий подход к расчету инфильтрации в почву: Уравнение Ричардса, который является уравнение в частных производных с очень нелинейными коэффициентами. Уравнение Ричардса требует больших вычислительных ресурсов, не гарантирует сходимости и иногда имеет трудности с сохранением массы.^[11]

Метод потока вадозной зоны с конечной влажностью

Этот метод представляет собой приближение уравнения в частных производных Ричардса (1931), которое не акцентирует внимание на диффузии почвенной воды. Это было установлено путем сравнения решения адвективного члена Уравнение скорости влажности почвы ^[12] и сравнение с точными аналитическими решениями инфильтрации с использованием специальных форм определяющих соотношений почвы. Результаты показали, что это приближение не влияет на расчетный поток инфильтрации, поскольку диффузионный поток невелик и метод конечной влажности вадозной зоны является допустимым решением уравнения ^[13] это набор из трех обыкновенные дифференциальные уравнения, гарантированно сходится и сохраняет массу. Это требует допущений, что поток происходит только в вертикальном направлении (одномерном) и что эта почва однородна внутри слоев.

Грин и Ампт

Названо в честь двух мужчин; Грин и Ампт. Грин-Ампт^[14] Метод оценки проникновения учитывает многие переменные, которых нет в других методах, таких как закон Дарси. Это функция высоты всасывания почвы, пористости, гидравлической проводимости и времени.

${\displaystyle \int _{0}^{F(t)}{F \over F+\psi \,\Delta \theta }\,dF=\int _{0}^{t}K\,dt}$

куда

${\displaystyle {\psi }}$ увлажняет переднюю всасывающую головку почвы (L);

${\displaystyle \theta }$ является содержание воды (-);

${\displaystyle K}$ является гидравлическая проводимость (L / T);

${\displaystyle F(t)}$ совокупная глубина инфильтрации (L).

После интеграции можно легко выбрать решение для объема инфильтрации или мгновенной скорости инфильтрации:

${\displaystyle F(t)=Kt+\psi \,\Delta \theta \ln \left[1+{F(t) \over \psi \,\Delta \theta }\right].}$

Используя эту модель, легко найти объем, решив для ${\displaystyle F(t)}$. Однако решаемая переменная находится в самом уравнении, поэтому при решении этого необходимо установить, чтобы рассматриваемая переменная сходилась к нулю или другой подходящей константе. Хорошее первое предположение для ${\displaystyle F}$ это большее значение ${\displaystyle Kt}$ или же ${\displaystyle {\sqrt {2\psi \,\Delta \theta Kt}}}$. Эти значения могут быть получены путем решения модели с логарифмом, замененным его расширением Тейлора, около единицы, нулевого и второго порядка соответственно. Единственное замечание относительно использования этой формулы состоит в том, что необходимо предположить, что ${\displaystyle h_{0}}$напор воды или глубина затопленной воды над поверхностью ничтожно мала. Используя объем инфильтрации из этого уравнения, можно затем заменить ${\displaystyle F}$ в соответствующее уравнение скорости инфильтрации ниже, чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в данный момент, ${\displaystyle t}$, ${\displaystyle F}$ был измерен.

${\displaystyle f(t)=K\left[{\psi \,\Delta \theta \over F(t)}+1\right].}$

Уравнение Хортона

Названный в честь того же Роберт Э. Хортон упоминалось выше, уравнение Хортона^[14] - еще один жизнеспособный вариант при измерении скорости или объема инфильтрации грунта. Это эмпирическая формула, которая гласит, что инфильтрация начинается с постоянной скорости, ${\displaystyle f_{0}}$, и экспоненциально убывает со временем, ${\displaystyle t}$. Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет определенного значения, скорость инфильтрации выровняется до уровня ${\displaystyle f_{c}}$.

${\displaystyle f_{t}=f_{c}+(f_{0}-f_{c})e^{-kt}}$

Где

${\displaystyle f_{t}}$ скорость инфильтрации во время т;

${\displaystyle f_{0}}$ - начальная скорость инфильтрации или максимальная скорость инфильтрации;

${\displaystyle f_{c}}$ - постоянная или равновесная скорость инфильтрации после насыщения почвы или минимальная скорость инфильтрации;

${\displaystyle k}$ - константа распада, характерная для почвы.

Другой метод использования уравнения Хортона приведен ниже. Его можно использовать для определения общего объема инфильтрации, F, по истечении времени т.

${\displaystyle F_{t}=f_{c}t+{(f_{0}-f_{c}) \over k}(1-e^{-kt})}$

Уравнение Костякова

Назван в честь основателя Костякова.^[15] представляет собой эмпирическое уравнение, которое предполагает, что скорость поступления снижается со временем в соответствии с степенной функцией.

${\displaystyle f(t)=akt^{a-1}\!}$

Где ${\displaystyle a}$ и ${\displaystyle k}$ являются эмпирическими параметрами.

Основным ограничением этого выражения является его зависимость от нулевой конечной скорости приема. В большинстве случаев скорость инфильтрации приближается к конечному постоянному значению, которое в некоторых случаях может происходить через короткие промежутки времени. Вариант Костякова-Льюиса, также известный как «Модифицированное уравнение Костякова», исправляет это, добавляя к исходному уравнению член постоянного поступления.^[16]

${\displaystyle f(t)=akt^{a-1}+f_{0}\!}$

в интегрированной форме совокупный объем выражается как:

${\displaystyle F(t)=kt^{a}+f_{0}t\!}$

Где

${\displaystyle f_{0}}$ приблизительно, но не обязательно равняется окончательной скорости инфильтрации почвы.

Закон Дарси

Этот метод, используемый для проникновения, использует упрощенную версию Закон Дарси.^[14] Многие возразят, что этот метод слишком прост и его не следует использовать. Сравните это с решением Грина и Ампта (1911), упомянутым ранее. Этот метод похож на метод Green и Ampt, но не учитывает совокупную глубину инфильтрации и поэтому является неполным, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации возникает на некоторой произвольной длине. ${\displaystyle L}$. В этой модели объем запруденной воды предполагается равным ${\displaystyle h_{0}}$ и напор сухой почвы, который существует ниже глубины переднего всасывающего напора почвы, принимается равным ${\displaystyle -\psi -L}$.

${\displaystyle f=K\left[{h_{0}-(-\psi -L) \over L}\right]}$

куда

${\displaystyle {\psi }}$ увлажняет переднюю всасывающую головку для почвы

${\displaystyle h_{0}}$ - глубина залегающей воды над поверхностью земли;

${\displaystyle K}$ это гидравлическая проводимость;

${\displaystyle L}$ - неопределенная общая глубина рассматриваемого подземного грунта. Это расплывчатое определение объясняет, почему следует избегать этого метода.

или же

${\displaystyle f=K\left[{L+S_{f}+h_{0} \over L}\right]}$^[17]

${\displaystyle {f}}$ Скорость инфильтрации f (мм час⁻¹⁾)

${\displaystyle K}$ это гидравлическая проводимость (мм час⁻¹⁾);

${\displaystyle L}$ неопределенная общая глубина рассматриваемого подземного грунта (мм). Это расплывчатое определение объясняет, почему следует избегать этого метода.

${\displaystyle {S_{f}}}$ увлажняет переднюю всасывающую головку для почвы (${\displaystyle {-\psi }}$) = (${\displaystyle {-\psi _{f}}}$) (мм)

${\displaystyle h_{0}}$ - глубина залегающей воды над поверхностью земли (мм);

Смотрите также

• Контурная траншея
• Сброс (гидрология)
• Водосборный бассейн
• Дренажная система (сельское хозяйство)
• Эвапотранспирация
• Пополнение подземных вод
• Гидрофобная почва
• Перехват (вода)
• Служба охраны природных ресурсов
• Проницаемость (жидкость)
• Номер кривой стока
• Модель управления ливневыми водами
• Устойчивые городские дренажные системы

Рекомендации

1. m.b, Киркхэм (2014). «Предисловие ко второму изданию». Принципы водного отношения почвы и растений. С. xvii – xviii. Дои:10.1016 / B978-0-12-420022-7.05002-3. ISBN  9780124200227.
2. «Инструменты, используемые для измерения кривых инфильтрации почвы». 2019-03-20.
3. «Проникновение в почву» (PDF). Министерство сельского хозяйства США. Получено 2019-03-20.
4. Дадкха, Манучехр; Гиффорд, Джеральд Ф. (1980). «Влияние растительности, скального покрова и вытаптывания на скорость инфильтрации и образование отложений1». Журнал JAWRA Американской ассоциации водных ресурсов. 16 (6): 979–986. Bibcode:1980JAWRA..16..979D. Дои:10.1111 / j.1752-1688.1980.tb02537.x. ISSN  1752-1688.
5. "Проникновение - круговорот воды, от школы водных наук Геологической службы США". water.usgs.gov. Получено 2019-04-02.
6. Уокер, Б. Х. (1974). «Экологические соображения в управлении полузасушливыми экосистемами в южной и центральной Африке». Материалы Первого международного экологического конгресса. Вагенинген. С. 124–129. ISBN  90-220-0525-9. Получено 2 августа 2020.
7. Хоган, К. Майкл (2010). «Абиотический фактор» В архиве 2013-06-08 в Wayback Machine в Энциклопедия Земли. редакторы Эмили Моноссон и К. Кливленд. Национальный совет по науке и окружающей среде. Вашингтон, округ Колумбия
8. Хортон, Роберт Э. (1933). «Роль инфильтрации в гидрологическом цикле». Пер. Являюсь. Geophys. Союз. 14-я Ann. Мтг (1): 446–460. Bibcode:1933TrAGU..14..446H. Дои:10.1029 / TR014i001p00446.
9. Грин, У. Хебер; Ампт, Г. А. (1911). «Исследования по физике почвы». Журнал сельскохозяйственных наук. 4: 1–24. Дои:10.1017 / S0021859600001441.
10. Parlange, J. -Y .; Lisle, I .; Braddock, R.D .; Смит, Р. Э. (1982). «Трехпараметрическое уравнение инфильтрации». Почвоведение. 133 (6): 337. Bibcode:1982 ПочваС.133..337П. Дои:10.1097/00010694-198206000-00001. S2CID  94729063.
11. Ричардс, Л. А. (1931). «Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды». Физика. 1 (5): 318–333. Bibcode:1931Физи ... 1..318R. Дои:10.1063/1.1745010.
12. Ogden, F. L .; Allen, M .; Zhu, J .; Lai, W .; Seo, M .; Douglas, C.C .; Талбот, К.А. (2017). "Уравнение скорости влажности почвы". J. Adv. Мод. Земляная система. 9 (2): 1473–1487. Bibcode:2017 ДЖЕЙМС ... 9.1473O. Дои:10.1002 / 2017MS000931.
13. Ogden, F. L .; Lai, W .; Steinke, R.C .; Zhu, J .; Talbot, C.A .; Уилсон, Дж. Л. (2015). «Новый общий 1-D метод проточной зоны вадозы». Водный ресурс. Res. 51 (6): 4282–4300. Bibcode:2015WRR .... 51.4282O. Дои:10.1002 / 2015WR017126.
14. Инженерия водных ресурсов, Издание 2005 г., John Wiley & Sons, Inc.
15. Костяков, А. «О динамике коэффициента водопроницаемости в почвах и о необходимости изучения его с динамической точки зрения в целях мелиорации». Труды 6-го Конгресса Международного общества почвоведения. Москва. С. 17–21.
16. Уокер, W.R .; Скогербое, Г. (1987). Поверхностное орошение: теория и практика. Прентис-Холл, Энглвудские скалы.
17. Хендрикс, Мартин Р. (2010) Введение в физическую гидрологию, Oxford University Press

внешняя ссылка

• The Experimental Hydrology Wiki Infiltration - Hood Infiltrometer