Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поперечное сечение склона холма, изображающее зону вадозы , капиллярную кайму , уровень грунтовых вод и фреатическую или насыщенную зону. (Источник: Геологическая служба США .)

Инфильтрация - это процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почву . Он обычно используется как в гидрологии, так и в почвоведении . 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 количество осадков превышает скорость инфильтрации, обычно происходит сток , если нет каких-либо физических препятствий.

Инфильтрометры , пермеаметры и имитаторы дождя - 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 проникновение [ править ]

Осадки [ править ]

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, так как 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 стокапроизойдет. Если дожди идут быстрее, чем пропускная способность, произойдет сток.

Характеристики почвы [ править ]

Пористость почв имеет решающее значение в определения емкости инфильтрации. 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]

После лесных пожаров могут образоваться гидрофобные почвы , что может значительно уменьшить или полностью предотвратить инфильтрацию.

Влажность почвы [ править ]

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 [ править ]

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 уровня эрозии . [3] Подобно растительности, животные, зарывающиеся в почву, также создают трещины в структуре почвы.

Земельный покров [ править ]

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 эвапотранспирации, что может снизить степень инфильтрации. [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]

Наклон [ править ]

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

Процесс [ редактировать ]

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 скорости, 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 инфильтрации, это иногда анализируется с использованием гидрологических моделей переноса , математических моделей, которые учитывают инфильтрацию, сток и сток в русле для прогнозирования скорости потока реки и качества воды в ручье .

Результаты исследования [ править ]

Роберт Э. Хортон [8] предположил, что способность инфильтрации быстро снижается в начале шторма, а затем стремится 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. Частицы глины в почве могут набухать при намокании и тем самым уменьшать размер пор. В районах, 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.

Проникновение в сточные воды [ править ]

Сточные системы сбора состоят из множества линий, узлов и насосных станций для передачи сточных вод до очистки сточных вод завода. Когда эти линии повреждены разрывом, растрескиванием или вторжением корней деревьев , часто происходит проникновение / приток ливневых вод. Это обстоятельство может привести к переполнению канализации или сбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Методы расчета инфильтрации [ править ]

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 уравнения Ричардса . Более новый метод, который позволяет одномерное соединение подземных и поверхностных вод в однородных слоях почвы и который связан с уравнением Ричардса, - это решение метода потока вадозной зоны конечного содержания воды для уравнения скорости влажности почвы.. В случае равномерного начального содержания влаги в почве и глубоко дренированной почвы есть несколько превосходных приближенных методов решения для инфильтрационного потока для одного случая дождя. Среди них метод Грина и Ампта (1911) [9] , Парланж и др. (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 подгонке кривой.

Общий гидрологический бюджет [ править ]

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

куда

F - инфильтрация, которую можно измерить как объем или длину;
- граничный вход, который, по сути, является выходным водоразделом из смежных, непосредственно связанных непроницаемых участков;
- граничный выход, который также связан с поверхностным стоком, R , в зависимости от того, где выбрать точку выхода или точки для граничного выхода;
P - осадки ;
E - испарение ;
Т - транспирация ;
ЕТ - эвапотранспирация ;
S - хранилище через места задержания или задержания ;
- начальный забор, который представляет собой краткосрочное поверхностное хранилище, такое как лужи или даже, возможно, отстойные пруды, в зависимости от размера;
R - 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 транспирация T помещаются в уравнение, а также эвапотранспирация ET . ET включил в него T , а также часть Е . Также необходимо учитывать перехват, а не только сырые осадки.

Уравнение Ричардса (1931 г.) [ править ]

Стандартный строгий подход для расчета инфильтрации в почвы - это уравнение Ричардса , которое представляет собой 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 [ править ]

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 уравнения скорости влажности почвы [12] и сравнения 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 что метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды является допустимым решением уравнения [13] представляет собой набор трех обыкновенных дифференциальных уравнений, 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 [ править ]

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

куда

увлажняет переднюю всасывающую головку почвы (L);
- содержание воды (-);
- гидравлическая проводимость (л / т);
совокупная глубина инфильтрации (L).

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

Используя эту модель, можно легко найти объем, решив для . 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 - большее значение либо или . Эти значения могут быть получены путем решения модели с логарифмом, замененным его расширением Тейлора вокруг единицы, нулевого и второго порядка соответственно. Единственное замечание относительно использования этой формулы состоит в том, что нужно исходить из того , что напор воды или глубина затопленной воды над поверхностью незначительны. Используя объем инфильтрации из этого уравнения, можно затем заменитьв соответствующем уравнение скорости инфильтрации ниже , чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в то время, , было измерено.

Уравнение Хортона [ править ]

Названное в честь того же Роберта Э. Хортона, упомянутого выше, уравнение Хортона [14] является еще одним жизнеспособным вариантом при измерении скорости или объемов инфильтрации грунта. Это эмпирическая формула, которая гласит, что инфильтрация начинается с постоянной скорости , и экспоненциально уменьшается со временем . Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет определенного значения, скорость инфильтрации стабилизируется до уровня .

Где

- скорость инфильтрации в момент времени t ;
- начальная скорость инфильтрации или максимальная скорость инфильтрации;
- постоянная или равновесная скорость инфильтрации после насыщения почвы или минимальная скорость инфильтрации;
- константа распада, характерная для почвы.

Другой метод использования уравнения Хортона приведен ниже. Его можно использовать для определения общего объема инфильтрации F после времени t .

Уравнение Костякова [ править ]

Эмпирическое уравнение, названное в честь его основателя Костякова [15], предполагает, что уровень потребления со временем снижается в соответствии со степенной функцией.

Где и - эмпирические параметры.

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 произойти через короткие промежутки времени. Вариант Костякова-Льюиса, также известный как «Модифицированное уравнение Костякова», исправляет это, добавляя к исходному уравнению член постоянного поступления. [16]

в интегрированной форме совокупный объем выражается как:

Где

приблизительно, но не обязательно равняется окончательной скорости инфильтрации почвы.

Закон Дарси [ править ]

В этом методе проникновения используется упрощенная версия закона 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 аналогичен методу Грина и Ампта, но не учитывает совокупную глубину инфильтрации и поэтому является неполным, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации возникает на некоторой произвольной длине . В этой модели предполагается, что запруденная вода равна, а напор сухой почвы, который существует ниже глубины переднего напора всасывания почвы, принимается равным .

куда

увлажняет переднюю всасывающую головку для почвы
- глубина залегающей воды над поверхностью земли;
- гидравлическая проводимость ;
- неопределенная общая глубина рассматриваемого подземного грунта. Это расплывчатое определение объясняет, почему следует избегать этого метода.

или же

[17]
Скорость инфильтрации f (мм час −1) )
- гидравлическая проводимость (мм час −1) );
неопределенная общая глубина рассматриваемого подземного грунта (мм). Это расплывчатое определение объясняет, почему следует избегать этого метода.
увлажняет переднюю всасывающую головку почвы ( ) = ( ) (мм)
- глубина залегающей воды над поверхностью земли (мм);

См. Также [ править ]

  • 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

Ссылки [ править ]

  1. ^ мб, Киркхэм (2014). «Предисловие ко второму изданию». Принципы водного отношения почвы и растений . С. xvii – xviii. DOI : 10.1016 / B978-0-12-420022-7.05002-3 . ISBN 9780124200227.
  2. ^ «Инструменты, используемые для измерения кривых инфильтрации почвы» . 2019-03-20.
  3. ^ а б «Инфильтрация почвы» (PDF) . Министерство сельского хозяйства США . Проверено 20 марта 2019 .
  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 . DOI : 10.1111 / j.1752-1688.1980.tb02537.x . ISSN 1752-1688 . 
  5. ^ a b c "Проникновение - круговорот воды, от Школы водных наук Геологической службы США" . water.usgs.gov . Проверено 2 апреля 2019 .
  6. ^ Уокер, BH (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. Дата обращения 2 августа 2020 .
  7. Перейти ↑ Hogan, C. Michael (2010). "Абиотический фактор". Архивировано 8 июня 2013 г. в Wayback Machine в Энциклопедии 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 . DOI : 10.1029 / TR014i001p00446 .
  9. ^ Грин, У. Хебер; Ампт, Джорджия (1911). «Исследования по физике почв» . Журнал сельскохозяйственных наук . 4 : 1–24. DOI : 10.1017 / S0021859600001441 .
  10. ^ Parlange, J. -Y .; Lisle, I .; Брэддок, РД; Смит, Р. Э. (1982). «Трехпараметрическое уравнение инфильтрации». Почвоведение . 133 (6): 337. Bibcode : 1982SoilS.133..337P . DOI : 10.1097 / 00010694-198206000-00001 . S2CID 94729063 . 
  11. Перейти ↑ Richards, LA (1931). «Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды». Физика . 1 (5): 318–333. Bibcode : 1931Physi ... 1..318R . DOI : 10.1063 / 1.1745010 .
  12. ^ Огден, Флорида; Allen, M .; Zhu, J .; Lai, W .; Seo, M .; Дуглас, С.К .; Талбот, Калифорния (2017). "Уравнение скорости влажности почвы" . J. Adv. Мод. Earth Syst . 9 (2): 1473–1487. Bibcode : 2017JAMES ... 9.1473O . DOI : 10.1002 / 2017MS000931 .
  13. ^ Огден, Флорида; Lai, W .; Steinke, RC; Zhu, J .; Талбот, Калифорния; Уилсон, Дж. Л. (2015). «Новый общий 1-D метод проточной зоны вадозы». Водный ресурс. Res . 51 (6): 4282–4300. Bibcode : 2015WRR .... 51.4282O . DOI : 10.1002 / 2015WR017126 .
  14. ^ a b c Water Resources Engineering , издание 2005 г., John Wiley & Sons, Inc.
  15. ^ Костяков А.Н. «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, WR; Скогербое, Г.В. (1987). Поверхностное орошение: теория и практика . Прентис-Холл, Энглвудские скалы.
  17. ^ Хендрикс, Мартин Р. (2010) Введение в физическую гидрологию , Oxford University Press

Внешние ссылки [ править ]

  • The Experimental Hydrology Wiki Infiltration - Hood Infiltrometer