Инфильтрация (гидрология)

Процесс, посредством которого вода с поверхности земли попадает в почву

Поперечное сечение склона холма, изображающее зону аэрации , капиллярную кайму , уровень грунтовых вод и фреатическую или насыщенную зону. (Источник: Геологическая служба США .)

Инфильтрация — это процесс, посредством которого вода с поверхности земли проникает в почву . Он широко используется как в гидрологии , так и в почвоведении . Инфильтрационная способность определяется как максимальная скорость инфильтрации. Чаще всего она измеряется в метрах в день, но при необходимости может измеряться и в других единицах расстояния с течением времени. ^[1]  Инфильтрационная способность уменьшается по мере увеличения содержания влаги в поверхностных слоях почвы. Если скорость осадков превышает скорость инфильтрации, сток обычно происходит, если нет какого-либо физического барьера.

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

Инфильтрация вызвана множеством факторов, включая: гравитацию, капиллярные силы, адсорбцию и осмос. Многие характеристики почвы также могут играть роль в определении скорости, с которой происходит инфильтрация.

Факторы, влияющие на инфильтрацию

Осадки

Осадки могут влиять на инфильтрацию многими способами. Количество, тип и продолжительность осадков оказывают влияние. Дождь приводит к более высокой скорости инфильтрации, чем любое другое явление осадков, такое как снег или мокрый снег. С точки зрения количества, чем больше осадков выпадает, тем больше инфильтрации будет происходить до тех пор, пока почва не достигнет насыщения, в этот момент достигается инфильтрационная способность. Продолжительность осадков также влияет на инфильтрационную способность. Первоначально, когда впервые начинается явление осадков, инфильтрация происходит быстро, поскольку почва ненасыщена, но с течением времени скорость инфильтрации замедляется, поскольку почва становится более насыщенной. Эта связь между количеством осадков и инфильтрационной способностью также определяет, сколько будет происходить стока . Если дождь выпадает со скоростью, превышающей инфильтрационную способность, будет происходить сток.

Характеристики почвы

Пористость почв имеет решающее значение для определения инфильтрационной способности. Почвы с меньшим размером пор, такие как глина, имеют меньшую инфильтрационную способность и более медленную скорость инфильтрации, чем почвы с большим размером пор, такие как пески. Исключением из этого правила является случай, когда глина присутствует в сухих условиях. В этом случае в почве могут образовываться большие трещины, которые приводят к более высокой инфильтрационной способности. ^[3]

Уплотнение почвы также влияет на способность к инфильтрации. Уплотнение почвы приводит к снижению пористости внутри почвы, что снижает способность к инфильтрации. ^[4]

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

Содержание влаги в почве

Почва, которая уже насыщена, больше не имеет возможности удерживать больше воды, поэтому инфильтрационная способность достигнута, и скорость не может увеличиться выше 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

Органические материалы в почве (включая растения и животных) увеличивают способность к инфильтрации. Растительность содержит корни, которые проникают в почву, что создает трещины и изломы в почве, что обеспечивает более быструю инфильтрацию и повышенную способность. Растительность также может уменьшить поверхностное уплотнение почвы, что снова обеспечивает повышенную инфильтрацию. При отсутствии растительности скорость инфильтрации может быть очень низкой, что может привести к чрезмерному стоку и повышенному уровню эрозии . ^[3] Подобно растительности, животные, которые роют норы в почве, также создают трещины в структуре почвы.

Растительный покров

Связь между непроницаемыми поверхностями и инфильтрацией

Если земля покрыта непроницаемыми поверхностями, такими как тротуар, инфильтрация не может произойти, поскольку вода не может просочиться через непроницаемую поверхность. Эта связь также приводит к увеличению стока. Территории, которые являются непроницаемыми, часто имеют ливневые стоки, которые стекают непосредственно в водоемы, что означает, что инфильтрация не происходит. ^[5]

Растительный покров земли также влияет на инфильтрационную способность. Растительный покров может привести к большему перехвату осадков, что может снизить интенсивность, что приведет к меньшему стоку и большему перехвату. Увеличение обилия растительности также приводит к более высоким уровням эвапотранспирации , что может снизить величину скорости инфильтрации. ^[5]  Мусор от растительности, такой как лиственный покров, также может увеличить скорость инфильтрации, защищая почвы от интенсивных 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 голых участках в основном обусловлена ​​наличием почвенной корки или поверхностного уплотнения. Инфильтрация через основание пучка быстрая, и пучки направляют воду к своим собственным корням. ^[6]

Склон

Чем выше уклон земли, тем легче происходит сток, что приводит к снижению скорости инфильтрации. ^[5]

Процесс

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 инфильтрованная вода может перемещаться с поверхности через почву. Максимальная скорость, с которой вода может поступать в почву в данных условиях, — это инфильтрационная способность. Если поступление воды на поверхность почвы меньше инфильтрационной способности, ее иногда анализируют с помощью моделей гидрологического транспорта , математических моделей , которые учитывают инфильтрацию, сток и русловой поток для прогнозирования скорости речного потока и качества воды в ручье .

Результаты исследования

Роберт Э. Хортон ^[8] предположил, что инфильтрационная способность быстро снижается в начале шторма, а затем стремится к приблизительно постоянному значению через пару часов в течение оставшейся части события. Ранее инфильтрованная вода заполняет доступные хранилища и уменьшает капиллярные силы, втягивающие воду в поры. Глинистые частицы в почве могут набухать по мере намокания и тем самым уменьшать размер пор. В районах, где земля не защищена слоем лесной подстилки, капли дождя могут отрывать частицы почвы от поверхности и смывать мелкие частицы в поверхностные поры, где они могут препятствовать процессу инфильтрации.

Инфильтрация при сборе сточных вод

Системы сбора сточных вод состоят из набора линий, соединений и подъемных станций для транспортировки сточных вод на очистные сооружения. Когда эти линии подвергаются риску разрыва, трещин или проникновения корней деревьев , часто происходит инфильтрация/приток ливневых вод. Это обстоятельство может привести к переполнению канализации или сбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Методы расчета инфильтрации

Инфильтрация является компонентом общего баланса массы гидрологического бюджета. Существует несколько способов оценки объема и/или скорости инфильтрации воды в почву. Строгим стандартом, который полностью связывает грунтовые воды с поверхностными водами через неоднородную почву, является численное решение уравнения Ричардса . Более новый метод, который допускает 1-мерное связывание грунтовых и поверхностных вод в однородных слоях почвы и который связан с уравнением Ричардса, является решением метода потока в зоне аэрации с конечным содержанием воды для уравнения скорости влажности почвы . В случае однородного начального содержания воды в почве и глубокой хорошо дренированной почвы существует несколько превосходных приближенных методов для решения потока инфильтрации для одного события выпадения осадков. 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 баланс

Общий гидрологический бюджет со всеми компонентами относительно инфильтрации F. Учитывая все остальные переменные и инфильтрацию как единственное неизвестное, простая алгебра решает вопрос инфильтрации.

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

где

F — инфильтрация, которая может быть измерена как объем или длина;

${\displaystyle B_{I}}$является граничным входом, который по сути является выходным водоразделом с прилегающих, непосредственно связанных непроницаемых территорий;

${\displaystyle B_{O}}$— граничный выход, который также связан с поверхностным стоком, R , в зависимости от того, где вы выбираете определить точку или точки выхода для граничного выхода;

P — осадки ;

E — испарение ;

Т — транспирация ;

ET — эвапотранспирация ;

S — хранение через зоны удержания или задержания ;

${\displaystyle I_{A}}$— это первоначальное отведение, представляющее собой кратковременное поверхностное хранилище, такое как лужи или даже, возможно, пруды-накопители в зависимости от размера;

R — поверхностный сток .

Единственное замечание по этому методу — нужно быть благоразумным относительно того, какие переменные использовать, а какие опустить, поскольку дубликаты могут легко встречаться. Простой пример двойного учета переменных — когда испарение E и транспирация T помещаются в уравнение вместе с эвапотранспирацией ET . ET включает в себя T, а также часть E. Необходимо также учитывать перехват, а не только сырые осадки.

Уравнение Ричардса (1931)

Стандартный строгий подход для расчета инфильтрации в почву — это уравнение Ричардса , которое является частным дифференциальным уравнением с очень нелинейными коэффициентами. Уравнение Ричардса является вычислительно затратным, не гарантирует сходимости и иногда имеет трудности с сохранением массы. ^[11]

Метод течения в зоне аэрации с конечным содержанием воды

Этот метод является приближением уравнения Ричардса (1931) в частных производных, которое преуменьшает значение диффузии почвенной воды. Это было установлено путем сравнения решения адвективно-подобного члена уравнения скорости почвенной влажности ^[12] и сравнения с точными аналитическими решениями инфильтрации с использованием специальных форм конститутивных соотношений почвы. Результаты показали, что это приближение не влияет на вычисленный поток инфильтрации, поскольку диффузионный поток мал, и что метод потока в зоне аэрации с конечным содержанием воды является допустимым решением уравнения ^[13], представляет собой набор из трех обыкновенных дифференциальных уравнений , гарантированно сходится и сохраняет массу. Он требует предположения, что поток происходит только в вертикальном направлении (одномерный), и что почва однородна внутри слоев.

Зеленый и Ампт

Название произошло от двух мужчин: Грина и Ампта. Метод оценки инфильтрации Грина-Ампта ^[14] учитывает множество переменных, которые другие методы, такие как закон Дарси, не учитывают. Это функция всасывающей высоты почвы, пористости, гидравлической проводимости и времени.

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

где

${\displaystyle {\psi }}$смачивает переднюю почвозаборную головку (L);

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

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

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

После интегрирования 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 для находится в самом уравнении, поэтому при решении для этого необходимо установить рассматриваемую переменную так, чтобы она сходилась к нулю или другой подходящей константе. Хорошим первым предположением для является большее значение или . Эти значения можно получить, решив модель с заменой логарифма на его разложение Тейлора вокруг единицы, нулевого и второго порядка соответственно. Единственное замечание по использованию этой формулы заключается в том, что нужно предположить, что , напор воды или глубина запруженной воды над поверхностью, пренебрежимо малы. Используя объем инфильтрации из этого уравнения, можно затем подставить в соответствующее уравнение скорости инфильтрации ниже, чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в момент измерения, . ${\displaystyle F(t)}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle Kt}$ ${\displaystyle {\sqrt {2\psi \,\Delta \theta Kt}}}$ ${\displaystyle h_{0}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle F}$

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

Уравнение Хортона

Названное в честь того же Роберта Э. Хортона , упомянутого выше, уравнение Хортона ^[14] является еще одним жизнеспособным вариантом при измерении скорости или объема 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 достигает определенного значения, скорость инфильтрации выровняется до скорости . ${\displaystyle f_{0}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle f_{c}}$

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

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;

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

Другой метод использования уравнения Хортона представлен ниже. Его можно использовать для нахождения 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

Названное в честь своего основателя Костякова ^[15], это эмпирическое уравнение предполагает, что скорость потребления снижается со временем в соответствии с степенной функцией.

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

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

Главным ограничением этого выражения является его зависимость от нулевой конечной скорости поглощения. В большинстве случаев скорость инфильтрации вместо этого приближается к конечному устойчивому значению, которое в некоторых случаях может возникать после коротких периодов времени. Вариант Костякова-Льюиса, также известный как «Модифицированное уравнение Костякова», исправляет это, добавляя к исходному уравнению член устойчивого поглощения. ^[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 соответствует, но не обязательно равна окончательной скорости инфильтрации почвы.

Закон Дарси

Этот метод, используемый для инфильтрации, использует упрощенную версию закона Дарси . ^[14] Многие утверждают, что этот метод слишком прост и не должен использоваться. Сравните его с решением Грина и Ампта (1911), упомянутым ранее. Этот метод похож на метод Грина и Ампта, но в нем отсутствует кумулятивная глубина инфильтрации, и поэтому он неполный, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации происходит на некоторой произвольной длине . В этой модели предполагается, что накопленная вода равна , а напор сухой почвы, который существует ниже глубины фронта смачивания, напор всасывания почвы предполагается равным . ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle h_{0}}$ ${\displaystyle -\psi -L}$

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

где

${\displaystyle {\psi }}$смачивает переднюю почвенную всасывающую головку

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

${\displaystyle K}$гидравлическая проводимость ;

${\displaystyle L}$это неопределенная общая глубина подземного грунта в вопросе. Это неопределенное определение объясняет, почему следует избегать этого метода.

или

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

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

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

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

${\displaystyle {S_{f}}}$смачивает переднюю часть почвы всасывающей головкой ( ) = ( ) (мм) ${\displaystyle {-\psi }}$ ${\displaystyle {-\psi _{f}}}$

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

Смотрите также

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

Ссылки

1. мб, Киркхэм (2014). «Предисловие ко второму изданию». Принципы почвенных и растительных водных отношений . стр. xvii–xviii. doi :10.1016/B978-0-12-420022-7.05002-3. ISBN 9780124200227.
2. "Приборы, используемые для измерения кривых инфильтрации почвы". 2019-03-20.
3. "Инфильтрация почвы" (PDF) . Министерство сельского хозяйства США . Архивировано из оригинала (PDF) 2020-02-08 . Получено 2019-03-20 .
4. Дадкха, Манучехр; Гиффорд, Джеральд Ф. (1980). «Влияние растительности, каменного покрова и вытаптывания на скорость инфильтрации и образование осадков1». 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. "Инфильтрация - Водный цикл, из Школы водных наук Геологической службы США". water.usgs.gov . Получено 2019-04-02 .
6. Уокер, Б. Х. (1974). «Экологические аспекты управления полузасушливыми экосистемами в южной и центральной Африке». Труды Первого международного конгресса по экологии. Вагенинген. С. 124–129. ISBN 90-220-0525-9. Получено 2 августа 2020 г. .{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
7. Хоган, К. Майкл (2010). «Абиотический фактор» Архивировано 2013-06-08 в Wayback Machine в Encyclopedia of Earth . Ред. 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». Trans. Am. Geophys. Union . 14th Ann. Mtg (1): 446–460. Bibcode : 1933TrAGU..14..446H. doi : 10.1029/TR014i001p00446.
9. Грин, В. Хебер; Амп, GA (1911). «Исследования по физике почвы». Журнал сельскохозяйственной науки . 4 : 1–24. doi :10.1017/S0021859600001441. S2CID  84200455.
10. Parlange, J. -Y.; Lisle, I.; Braddock, RD; Smith, RE (1982). "Трехпараметрическое уравнение инфильтрации". Soil Science . 133 (6): 337. Bibcode :1982SoilS.133..337P. doi :10.1097/00010694-198206000-00001. S2CID  94729063.
11. Ричардс, LA (1931). «Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды». Physics . 1 (5): 318–333. Bibcode :1931Physi...1..318R. doi :10.1063/1.1745010.
12. Огден, FL; Аллен, M.; Чжу, J.; Лай, W.; Сео, M.; Дуглас, CC; Талбот, CA (2017). «Уравнение скорости почвенной влаги». J. Adv. Mod. Earth Syst . 9 (2): 1473–1487. Bibcode :2017JAMES...9.1473O. doi : 10.1002/2017MS000931 .
13. Огден, FL; Лай, W.; Стейнке, RC; Чжу, J.; Талбот, CA; Уилсон, JL (2015). "Новый общий метод решения потока в зоне аэрации 1-D". Water Resour. Res . 51 (6): 4282–4300. Bibcode : 2015WRR....51.4282O. doi : 10.1002/2015WR017126. S2CID  119834716.
14. Water Resources Engineering , издание 2005 г., John Wiley & Sons, Inc.
15. Костяков, А. Н. «О динамике коэффициента фильтрации воды в почвах и о необходимости изучения его с динамической точки зрения в целях мелиорации». Труды VI конгресса Международного общества почвоведов . Москва. С. 17–21.
16. Уокер, У. Р.; Скогербо, Г. В. (1987). Поверхностное орошение: теория и практика . Прентис-Холл, Энглвуд Клиффс.
17. Хендрикс, Мартин Р. (2010) Введение в физическую гидрологию , Oxford University Press

Внешние ссылки

• Экспериментальная гидрология Wiki Инфильтрация – Hood Infiltrometer