Инфильтрация (гидрология)

Поперечный разрез холма, изображающий вадозную зону, капиллярную кайму, уровень грунтовых вод и фреатическая или насыщенная зона. (Источник: Геологическая служба США.)

Инфильтрация - это процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почву. Он обычно используется как в гидрологии и почвоведение. Инфильтрационная способность определяется как максимальная скорость инфильтрации. Чаще всего она измеряется в метрах в день, но при необходимости также может быть измерена в других единицах расстояния с течением времени. Инфильтрационная способность снижается по мере увеличения влажности почвы в поверхностных слоях почвы. Если количество осадков превышает скорость инфильтрации, обычно происходит сток, если не существует какого-либо физического барьера.

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

Инфильтрация вызывается множеством факторов, включая гравитацию, капиллярные силы, адсорбцию и осмос. Многие характеристики почвы также могут играть роль в определении скорость, с которой происходит проникновение.

• 1 Факторы, влияющие на инфильтрацию
  • 1.1 Осадки
  • 1.2 Характеристики почвы
  • 1.3 Влагосодержание почвы
  • 1.4 Органические вещества в почвах
  • 1.5 Почвенный покров
  • 1.6 Уклон
• 2 Процесс
• 3 Результаты исследований
• 4 Инфильтрация при сборе сточных вод
• 5 Методы расчета инфильтрации
  • 5.1 Общий гидрологический бюджет
  • 5.2 Уравнение Ричардса (1931)
  • 5.3 Поток в вадозной зоне с конечным содержанием воды метод
  • 5.4 Грина и Ампта
  • 5.5 Уравнение Хортона
  • 5.6 Уравнение Костякова
  • 5.7 Закон Дарси
• 6 См. также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Осадки

Осадки могут повлиять 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 инфильтрация, пока грунт не достигнет насыщения, и в этот момент 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. Это соотношение между количеством осадков и инфильтрационной способностью также определяет, сколько стока произойдет. Если осадки идут быстрее, чем пропускная способность, произойдет сток.

Характеристики почвы

пористость почв имеет решающее значение для определения инфильтрационной способности. 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 приводит к более высокой инфильтрационной способности.

Уплотнение почвы также влияет на инфильтрационную способность. Уплотнение почвы приводит к уменьшению пористости почвы, что снижает способность к инфильтрации.

Гидрофобные почвы могут образовываться после пожаров, что может значительно уменьшить или полностью предотвратить проникновение инфильтрации.

Содержание влаги в почве

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 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 также способствует увеличению инфильтрации. Когда растительности нет, скорость инфильтрации может быть очень низкой, что может привести к чрезмерному стоку и увеличению уровня эрозии. Как и растительность, животные, зарывающиеся в почву, также создают трещины в структуре почвы.

Покров земли

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.

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 высоким уровням эвапотранспирации, что может снизить степень инфильтрации. Обломки растительности, такие как листовой покров, также могут увеличить скорость инфильтрации, защищая почву от интенсивных осадков.

В полузасушливых саваннах и лугах скорость инфильтрации конкретной почвы зависит от процента земли, покрытого 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.

Уклон

При более высоком уклоне земли сток происходит быстрее, что приводит к более низкой скорости инфильтрации.

Воспроизвести носитель

Процесс проникновения 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 и скорости, с которой ранее пропитанная вода может уходить от поверхности через почву. Максимальная скорость, с которой вода может попасть в почву при определенных условиях, - это инфильтрационная способность. Если поступление воды на поверхность почвы меньше, чем способность инфильтрации, это иногда анализируется с использованием моделей гидрологического переноса, математических моделей, которые учитывают инфильтрацию, сток и русловой сток для прогнозирования скорость потока реки и поток качество воды.

Роберт Э. Хортон предположили, что способность инфильтрации быстро снижается в начале шторма, а затем стремится к приблизительно постоянному значению после нескольких часов до конца мероприятия. Ранее пропитанная вода заполняет доступные места для хранения и уменьшает 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.

Системы сбора сточных вод состоят из набора линий, соединений и подъемных станций для транспортировки сточных вод на очистные сооружения. Когда эти линии нарушены разрывом, растрескиванием или вторжением корней в дерево, часто происходит проникновение / приток ливневой воды. Это обстоятельство может привести к переливу канализации или выбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Инфильтрация - это компонент общего гидрологического баланса баланса масс. 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 связывать одномерные подземные и поверхностные воды в однородных слоях почвы и который связан с уравнением Ричардса, - это метод потока вадозной зоны конечного содержания воды решение влажности почвы. Уравнение скорости. В случае равномерного начального содержания влаги в почве и глубоко дренированной почвы существует несколько превосходных приближенных методов решения для инфильтрационного потока для единичного дождя. Среди них метод Грина и Ампта (1911), Парланж и др. (1982). 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 инфильтрацию, единственное неизвестное, простая алгебра решает вопрос инфильтрации.

$F\; =\; BI\; +\; P\; -\; E\; -\; T\; -\; ET\; -\; S\; -\; IA\; -\; R\; -\; BO\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; B\_\; \{I\}\; +\; PET-ET-S-I\_\; \{A\}\; -R-B\_\; \{O\}\}$

где

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

$BI\; \{\backslash \; displaystyle\; B\_\; \{I\}\}$- граничный вход, который, по сути, является выходным водоразделом из соседних, напрямую соединенных непроницаемых участков;

$BO\; \{\backslash \; displaystyle\; B\_\; \{O\}\}$- это граничный выход, который также связан с поверхностным стоком R, в зависимости от того, где вы выбираете для определения выхода точка или точки для граничного выхода;

P = осадки ;

E = испарение ;

T = транспирация ;

ET = эвапотранспирация ;

S - это хранилище через удержание или области задержания ;

$IA\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{A\}\}$- начальная абстракция, которая представляет собой краткосрочное поверхностное хранилище, такое как как лужи или даже, возможно, пруды-отстойники в зависимости от размера;

R = поверхностный сток.

. Единственное примечание к этому методу: один должен быть мудрым е о том, какие переменные использовать, а какие опустить, для чисел типа double можно легко найти. 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 E. Также необходимо учитывать перехват, а не только сырые осадки.

Уравнение Ричардса (1931)

Стандартный строгий подход для расчета инфильтрации в почвы - это уравнение Ричардса, которое является уравнением в частных производных с очень нелинейными коэффициентами. Уравнение Ричардса требует больших вычислительных ресурсов, не гарантирует сходимости и иногда имеет трудности с сохранением массы.

Метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды

Этот метод является приближением метода Ричардса ( 1931) уравнение с частными производными, которое не акцентирует внимание на диффузии почвенной воды. Это было установлено путем сравнения решения адвективного члена уравнения скорости влажности почвы 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 в виде набора из трех обыкновенные дифференциальные уравнения, гарантированно сходятся и сохраняют массу. Это требует допущений, что поток происходит только в вертикальном направлении (одномерном), и что эта почва однородна внутри слоев.

Грин и Эмпт

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

$\int \; 0\; F\; (t)\; FF\; +\; \psi \; \Delta \; \theta \; d\; F\; знак\; равно\; \int \; 0\; t\; K\; dt\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{F\; (t)\}\; \{F\; \backslash \; over\; F\; +\; \backslash \; psi\; \backslash ,\; \backslash \; Delta\; \backslash \; theta\}\; \backslash ,\; dF\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{t\}\; K\; \backslash ,\; dt\}$

где.

$\psi \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; psi\}\}$- увлажнение передней всасывающей головки для почвы ( L);

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

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

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

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

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

Используя это Модель легко найти объем, решив для $F\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; (t)\}$. Однако решаемая переменная находится в самом уравнении, поэтому при решении для этого нужно установить, чтобы рассматриваемая переменная сходилась к нулю или другой подходящей константе. Хорошее первое предположение для $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$- это большее значение из $K\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; Kt\}$или $2\; \psi \; \Delta \; \theta \; К\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; \backslash \; psi\; \backslash ,\; \backslash \; Delta\; \backslash \; theta\; Kt\}\}\}$. 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 - это то, что нужно предположить, что $h\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{0\}\}$, напор или глубина затопленной воды над поверхностью, ничтожно мала. Используя объем инфильтрации из этого уравнения, можно затем подставить $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$в соответствующее уравнение скорости инфильтрации ниже, чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в данный момент, $t\; \{\backslash \; displaystyle\; t\}$, $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$был измерен.

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

уравнение Хортона

Названо в честь того же Роберт Э. Хортон, упомянутый выше, уравнение Хортона является еще одним жизнеспособным вариантом при измерении скорости или объемов инфильтрации грунта. Это эмпирическая формула, которая гласит, что проникновение начинается с постоянной скорости, $f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{0\}\}$, и экспоненциально уменьшается со временем, $t\; \{\backslash \; displaystyle\; t\; \}$. Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет определенного значения, скорость инфильтрации выровняется до уровня $fc\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{c\}\}$.

$ft\; =\; fc\; +\; (f\; 0\; -\; fc)\; e\; -\; kt\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{t\}\; =\; f\_\; \{c\}\; +\; (f\_\; \{0\}\; -f\_\; \{c\})\; e\; ^\; \{-\; kt\}\}$

где

$ft\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{t\}\}$- скорость проникновения в момент времени t;

$f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{0\}\}$- начальная скорость проникновения или максимальная скорость проникновения;

$fc\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{\; c\}\}$- постоянная или равновесная скорость инфильтрации после того, как почва была насыщена, или минимальная скорость инфильтрации;

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

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

$F\; t\; =\; fct\; +\; (f\; 0\; -\; fc)\; k\; (1\; -\; e\; -\; kt)\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{t\}\; =\; f\_\; \{c\}\; t\; +\; \{(f\_\; \{0\}\; -f\_\; \{c\})\; \backslash \; над\; k\; \}\; (1-e\; ^\; \{-\; kt\})\}$

Уравнение Костякова

Названное в честь своего основателя Костякова, это эмпирическое уравнение, которое предполагает, что уровень потребления со временем снижается в соответствии с степенной функцией.

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

где $a\; \{\backslash \; displaystyle\; a\}$и $k\; \{\backslash \; displaystyle\; k\}$- 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 член постоянного потребления к исходному уравнению.

$f\; (t)\; =\; akta\; -\; 1\; +\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; (t)\; =\; akt\; ^\; \{a-1\}\; +\; f\_\; \{0\}\; \backslash !\}$

в интегрированной форме совокупный объем выражается как:

$F\; (t)\; =\; kta\; +\; f\; 0\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; (t)\; =\; kt\; ^\; \{a\}\; +\; f\_\; \{0\}\; t\; \backslash !\}$

Где

$f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{0\}\}$приблизительно, но не обязательно равняется окончательной скорости проникновения

Закон Дарси

Этот метод, используемый для проникновения, основан на упрощенной версии закона Дарси. 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 Green и Ampt, но в нем отсутствует совокупная глубина инфильтрации и поэтому он неполон, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации возникает на произвольной длине $L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\}$. В этой модели предполагается, что напорная вода равна $h\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{0\}\}$, а напор сухой почвы, который существует ниже глубины увлажняющего переднего всасывающего напора почвы, равен предполагается равным $-\; \psi \; -\; L\; \{\backslash \; displaystyle\; -\; \backslash \; psi\; -L\}$.

$f\; =\; K\; [h\; 0\; -\; (-\; \psi \; -\; L)\; L]\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; K\; \backslash \; left\; [\{h\_\; \{0\}\; -\; (-\; \backslash \; psi\; -L)\; \backslash \; over\; L\}\; \backslash \; right]\}$

где

$\psi \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; psi\}\}$увлажняет переднюю всасывающую головку почвы

$h\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{0\}\}$- это глубина затопленной воды над поверхностью земли;

$K\; \{\backslash \; displaystyle\; K\}$- гидравлическая проводимость ;

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

или

$f\; =\; K\; [L\; +\; S\; f\; +\; h\; 0\; L]\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; K\; \backslash \; left\; [\{L\; +\; S\_\; \{f\}\; +\; h\_\; \{\; 0\}\; \backslash \; over\; L\}\; \backslash \; right]\}$

$f\; \{\backslash \; displaystyle\; \{f\}\}$Скорость проникновения f (мм час)

$K\; \{\backslash \; displaystyle\; K\}$равно гидравлическая проводимость (мм час);

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

$S\; f\; \{\backslash \; displaystyle\; \{S\_\; \{f\}\}\}$- увлажнение передней всасывающей головки для почвы ($-\; \psi \; \{\backslash \; displaystyle\; \{-\; \backslash \; psi\}\}$) = ($-\; \psi \; f\; \{\backslash \; displaystyle\; \{-\; \backslash \; psi\; \_\; \{f\}\}\}$) (мм)

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

• Контурная траншея
• Сброс (гидрология)
• Дренажный бассейн
• Дренаж система (сельское хозяйство)
• Эвапотранспирация
• Пополнение подземных вод
• Гидрофобная почва
• Перехват (вода)
• Служба сохранения природных ресурсов
• Проницаемость (жидкость)
• Номер кривой стока
• Ливневые воды Модель управления
• Устойчивые городские дренажные системы