Проникновение (гидрология)

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 . Пропускная 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, сток обычно будет происходить, если нет какого-либо физического препятствия.

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

Проникновение вызвано множеством факторов, в том числе: 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 инфильтрация будет происходить до тех пор, пока грунт не достигнет насыщения, после чего будет достигнута проникающая способность. Продолжительность дождя также влияет на инфильтрационную способность. Первоначально, когда начинается выпадение осадков, инфильтрация происходит быстро, поскольку почва ненасыщена, но со временем 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 более низкую инфильтрационную способность и более медленную скорость инфильтрации, чем почвы с большим размером 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 внутри почвы, 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, не имеет больше способности удерживать больше воды, поэтому способность инфильтрации была достигнута, и скорость не может увеличиваться после этой точки. 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 настолько глубоко в почву, которые создают в ней трещины и трещины, что способствует более быстрой инфильтрации и увеличению емкости. Растительность также может уменьшить поверхностное уплотнение почвы, что опять же 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, поскольку вода не может проникать через непроницаемую поверхность. Это соотношение также приводит к увеличению стока. На непроницаемых территориях часто есть ливневые стоки, которые стекают непосредственно в водоемы, что означает отсутствие инфильтрации. ^[5]

Растительный покров земли также влияет на инфильтрационную способность. Растительный покров может привести к большему улавливанию осадков, что может снизить 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 почвы, 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 голых 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 [ править ]

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 попасть в почву при заданных условиях, - это способность проникновения. 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 проникновения 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 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.

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 нарушены разрывом, растрескиванием или вторжением корней деревьев , часто происходит проникновение / приток ливневых вод. Это обстоятельство может привести к переливу бытовой 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 грунтовых 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 существует несколько превосходных приближенных методов решения для инфильтрационного потока для единственного выпадения дождя. Среди них метод Грина и Ампта (1911 г.) ^[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.

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

где

F - инфильтрация, которую можно измерить как объем или длину;

${\ displaystyle B_ {I}}$ - 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, 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 содержания под стражей ;

${\ displaystyle I_ {A}}$- 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 быть легко обнаружены. Простой пример двойного подсчета переменных - это когда в уравнение включены испарение E и транспирация T , а также суммарное испарение 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 конечным содержанием воды [ 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, потому что диффузионный поток невелик и что метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды является допустимым решением уравнения ^[13] представляет собой систему 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 ]

Названо 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.

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

где

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

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

${\ displaystyle K}$- гидравлическая проводимость (л / т);

${\ Displaystyle F (т)}$ 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, 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, около 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 заменить${\displaystyle F(t)}$${\displaystyle F}$${\displaystyle Kt}$${\displaystyle {\sqrt {2\psi \,\Delta \theta Kt}}}$${\displaystyle h_{0}}$${\displaystyle F}$в соответствующее уравнение скорости инфильтрации ниже, чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в то время , было измерено. ${\displaystyle t}$${\displaystyle F}$

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

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 говорит , что инфильтрация начинается при постоянной скорости, и уменьшается экспоненциально со временем, . Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет определенного значения, скорость инфильтрации выровняется до уровня . ${\displaystyle f_{0}}$${\displaystyle t}$${\displaystyle f_{c}}$

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

Где

${\displaystyle f_{t}}$- скорость инфильтрации в момент времени t ;

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

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

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

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

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

Уравнение Костякова [ править ]

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

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

Где и - эмпирические параметры.${\displaystyle a}$${\displaystyle k}$

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]

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

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 [ 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 . ${\displaystyle L}$${\displaystyle h_{0}}$${\displaystyle -\psi -L}$

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

где

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

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

${\displaystyle K}$- 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⁾ )

${\displaystyle K}$- 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 почвы ( ) = ( ) (мм)${\displaystyle {-\psi }}$${\displaystyle {-\psi _{f}}}$

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

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• The Experimental Hydrology Wiki Infiltration - Инфильтрометр в капюшоне