Инфильтрация (гидрология)

Процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почву

Поперечное сечение склона холма, изображающее вадозную зону , 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 широко 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 его можно измерить и в других единицах расстояния с течением времени. ^[1]  Инфильтрационная способность снижается по мере увеличения влажности поверхностных слоев почвы. Если скорость осадков превышает скорость инфильтрации, обычно происходит сток , если нет какого-либо физического барьера.

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

Инфильтрация вызвана множеством факторов, в том числе; гравитация, капиллярные силы, адсорбция и осмос. Многие характеристики почвы также могут играть роль в определении скорости инфильтрации.

Факторы, влияющие на инфильтрацию

Атмосферные осадки

Осадки могут влиять на инфильтрацию разными способами. Количество, тип и продолжительность осадков оказывают влияние. Дожди приводят к более высокой скорости инфильтрации, чем любые другие осадки, такие как снег или мокрый снег. С точки зрения количества, чем больше осадков выпадает, тем больше будет инфильтрация, пока почва не достигнет насыщения, после чего достигается инфильтрационная способность. Продолжительность осадков также влияет на инфильтрационную способность. Первоначально, когда выпадение осадков только начинается, 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 объем стока . Если количество осадков выпадает быстрее, чем инфильтрационная способность, произойдет 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 низкую скорость инфильтрации, чем почвы с большими размерами пор, такие как пески. Единственным исключением из этого правила является ситуация, когда глина находится 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 инфильтрационную способность. Уплотнение почв приводит к уменьшению их пористости, что снижает инфильтрационную способность. ^[4]

Гидрофобные почвы могут образоваться после лесных пожаров, что может значительно уменьшить или полностью предотвратить инфильтрацию.

Влажность почвы

Почва, которая уже насыщена водой, больше не способна удерживать больше воды, поэтому инфильтрационная способность достигнута, и скорость проникновения не может превышать эту точку. Это приводит к значительному увеличению поверхностного стока. Когда почва частично насыщена, инфильтрация может происходить с умеренной скоростью, а полностью ненасыщенные почвы имеют самую высокую инфильтрационную способность.

Органические вещества в почвах

Органические материалы в почве (включая растения и животных) увеличивают инфильтрационную способность. Растительность содержит корни, которые проникают в почву и создают трещины и трещины в почве, что обеспечивает более быстрое проникновение и увеличение 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 повышению уровня эрозии . ^[3] Подобно растительности, животные, которые зарываются в почву, также создают трещины в структуре почвы.

Растительного покрова

Связь между непроницаемыми поверхностями и инфильтрацией

Если земля покрыта непроницаемыми поверхностями, такими как тротуар, проникновение не может произойти, поскольку вода не может проникнуть через непроницаемую поверхность. Эта связь также приводит к увеличению стока. В непроницаемых районах часто имеются 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 перехвату осадков, что может снизить интенсивность, что приведет к меньшему стоку и большему перехвату. Увеличение обилия растительности также приводит к более высокому уровню эвапотранспирации , что может снизить скорость инфильтрации. ^[5]  Обломки растительности, такие как листовой покров, также могут увеличить скорость инфильтрации, защищая почвы от интенсивных осадков.

В полузасушливых саваннах и лугах скорость инфильтрации той или иной почвы зависит от процентной доли почвы, покрытой подстилкой, и базального покрытия пучков многолетних трав. На супесчаных почвах скорость инфильтрации под подстилочным покровом может быть в девять раз выше, чем на голых поверхностях. Низкая скорость инфильтрации на голых участках обусловлена ​​главным образом наличием почвенной корки или поверхностного слоя. 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 снижению скорости инфильтрации. ^[5]

Процесс

Процесс инфильтрации может продолжаться только в том случае, если на поверхности почвы есть место для дополнительной воды. Доступный объем дополнительной воды в почве зависит от пористости почвы ^[7] и скорости, с которой ранее проникшая вода может удаляться с поверхности через почву. Максимальная скорость, при которой вода может попасть в почву в данном состоянии, является инфильтрационной способностью. Если поступление воды на поверхность почвы меньше инфильтрационной способности, это иногда анализируется с использованием гидрологических транспортных моделей , математических моделей , которые учитывают инфильтрацию, сток и русловой сток для прогнозирования скорости речного стока и качества речной воды .

Результаты исследований

Роберт Э. Хортон ^[8] предположил, что инфильтрационная способность быстро снижается в начале урагана, а затем через пару часов стремится к примерно постоянному значению до конца события. Ранее проникшая вода заполняет имеющиеся места для хранения и уменьшает капиллярные силы, втягивающие воду в поры. Частицы глины в почве могут набухать по мере намокания и тем самым уменьшать размер пор. На участках, 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 затруднить процесс инфильтрации.

Инфильтрация в сборе сточных вод

Системы сбора сточных вод состоят из набора линий, узлов и подъемных станций для транспортировки сточных вод на очистные сооружения. Когда эти линии повреждены в результате разрыва, растрескивания или проникновения корней деревьев , часто происходит проникновение/приток ливневых вод. Данное обстоятельство может привести к переливу бытовой канализации , либо сбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Методы расчета инфильтрации

Инфильтрация является составной частью общего гидрологического баланса баланса массы. Существует несколько способов оценить объем и/или скорость проникновения воды в почву. Строгим стандартом, который полностью связывает грунтовые и поверхностные воды через неоднородную почву, является численное решение уравнения Ричардса . Более новый метод, который обеспечивает одномерное соединение грунтовых и поверхностных вод в однородных слоях почвы и связан с уравнением Ричардса, - это метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды, решение уравнения скорости влажности почвы . В случае однородного начального содержания влаги в почве и глубокой, хорошо дренированной почвы существует несколько отличных приближенных методов определения потока инфильтрации для одного случая дождя. Среди них метод Грина и Ампта (1911) ^[9] , 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 подбору кривой.

Общий гидрологический бюджет

Общий гидрологический бюджет со всеми компонентами с учетом инфильтрации F . Учитывая все остальные переменные и единственное неизвестное — проникновение, простая алгебра решает вопрос проникновения.

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

где

F – инфильтрация, которую можно измерить по объему или длине;

${\displaystyle B_{I}}$– граничный вход, который по сути является выходом водораздела из соседних, непосредственно связанных непроницаемых территорий;

${\displaystyle B_{O}}$— выходной сигнал границы, который также связан с поверхностным стоком, R , в зависимости от того, где определяется точка или точки выхода для выходного сигнала границы;

P – осадки ;

Е — испарение ;

Т – транспирация ;

ЭТ – суммарное испарение ;

S — хранение в зонах хранения или задержания ;

${\displaystyle I_{A}}$— это первоначальная абстракция, которая представляет собой кратковременное поверхностное хранилище, такое как лужи или даже, возможно, пруды-отстойники, в зависимости от размера;

R – поверхностный сток .

Единственное замечание по этому методу: нужно хорошо понимать, какие переменные использовать, а какие опустить, поскольку легко можно встретить двойные значения. Простой пример переменных двойного счета – это когда в уравнение включены испарение E и транспирация T , а также суммарное испарение ET . ET включил в него T , а также часть E. Также необходимо учитывать перехват, а не только необработанные осадки.

Уравнение Ричардса (1931 г.)

Стандартным строгим подходом для расчета инфильтрации в почву является уравнение Ричардса , которое представляет собой уравнение в частных производных с очень нелинейными коэффициентами. Уравнение Ричардса требует больших вычислительных затрат, не гарантирует сходимости и иногда имеет трудности с сохранением массы. ^[11]

Метод течения в вадозной зоне с конечным содержанием воды

Этот метод представляет собой аппроксимацию дифференциального уравнения в частных производных Ричардса (1931), которое не учитывает диффузию почвенной воды. Это было установлено путем сравнения решения адвекционного 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 мал, и что метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды является действительным решением уравнения ^[13] представляет собой набор трех обыкновенных дифференциальных уравнений , гарантируется сходиться и сохранять массу. Это требует предположения, что поток происходит только в вертикальном направлении (1-мерном) и что почва однородна внутри слоев.

Зеленый и расширенный

Имя произошло от двух мужчин; Зеленый и Амп. Метод Грина-Ампта ^[14] оценки инфильтрации учитывает многие переменные, чего не учитывают другие методы, такие 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

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

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

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

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

После интегрирования можно легко выбрать решение либо для объема инфильтрации, либо для 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 . Однако решаемая переменная находится в самом уравнении, поэтому при его решении необходимо установить, чтобы рассматриваемая переменная сходилась к нулю или другой подходящей константе. Хорошим первым предположением является большее значение либо или . Эти значения могут быть получены путем решения модели с заменой логарифма на его разложение Тейлора вокруг единицы нулевого и второго порядка соответственно. Единственное замечание по использованию этой формулы состоит в том, что следует предположить , что напор воды или глубина напора воды над поверхностью пренебрежимо мала. Используя объем инфильтрации из этого уравнения, можно затем подставить его в соответствующее уравнение скорости инфильтрации, приведенное 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 упомянутого выше Роберта Э. Хортона , уравнение Хортона ^[14] является еще одним жизнеспособным вариантом при измерении скорости или объема инфильтрации грунта. Это эмпирическая формула, которая гласит, что проникновение начинается с постоянной скоростью и экспоненциально уменьшается со временем . Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет 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, специфичная для почвы.

Другой метод использования уравнения Хортона описан 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

В честь его основателя Костякова ^[15] названо эмпирическое уравнение, в котором предполагается, что скорость потребления снижается с течением времени 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 потребления. Вместо этого в большинстве случаев скорость инфильтрации приближается к конечному устойчивому значению, что в некоторых случаях может произойти через короткие периоды времени. Вариант Костякова-Льюиса, также известный как «Модифицированное уравнение Костякова», исправляет это, добавляя к исходному уравнению постоянный член. ^[16]

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

в интегральной форме совокупный объем выражается как:

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

Где

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

Закон Дарси

Этот метод, используемый для проникновения, использует упрощенную версию закона Дарси . ^[14] Многие утверждают, что этот метод слишком прост и его не следует использовать. Сравните его с решением Грина и Ампта (1911), упомянутым ранее. Этот метод аналогичен методу Грина и Ампта, но в нем не учитывается совокупная глубина инфильтрации, поэтому он является неполным, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации возникает на некоторой произвольной длине . В этой модели предполагается, что напор воды в пруду равен , а высота напора сухого грунта, существующего ниже глубины фронта смачивания, равна . ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle h_{0}}$ ${\displaystyle -\psi -L}$

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

где

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

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

${\displaystyle K}$– гидравлическая проводимость ;

${\displaystyle L}$— это неопределенная общая глубина рассматриваемого недра. Это расплывчатое 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 );

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

${\displaystyle {S_{f}}}$смачивает переднюю высоту всасывания почвы ( ) = ( ) (мм) ${\displaystyle {-\psi }}$ ${\displaystyle {-\psi _{f}}}$

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

Смотрите также

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

Рекомендации

1. мб, Киркхэм (2014). «Предисловие ко второму изданию». Принципы взаимоотношений почвы и воды в растениях . стр. XVIII – XVIII. дои : 10.1016/B978-0-12-420022-7.05002-3. ISBN 9780124200227.
2. «Приборы, используемые для измерения кривых инфильтрации почвы» . 20 марта 2019 г.
3. «Инфильтрация почвы» (PDF) . Министерство сельского хозяйства США . Архивировано из оригинала (PDF) 8 февраля 2020 г. Проверено 20 марта 2019 г.
4. Дадха, Манучехр; Гиффорд, Джеральд Ф. (1980). «Влияние растительности, каменного покрова и вытаптывания на скорость инфильтрации и образование отложений1». JAWRA Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 16 (6): 979–986. Бибкод : 1980JAWRA..16..979D. doi :10.1111/j.1752-1688.1980.tb02537.x. ISSN  1752-1688.
5. «Инфильтрация - круговорот воды, из Школы водных наук Геологической службы США» . www.water.usgs.gov . Проверено 2 апреля 2019 г.
6. Уокер, Б.Х. (1974). «Экологические соображения при управлении полузасушливыми экосистемами на юге центральной Африки». Материалы Первого международного экологического конгресса. Вагенинген. стр. 124–129. ISBN 90-220-0525-9. Проверено 2 августа 2020 г.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
7. Хоган, К. Майкл (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
8. Хортон, Роберт Э. (1933). «Роль инфильтрации в гидрологическом цикле». Пер. Являюсь. Геофиз. Союз . 14-я Энн. MTG (1): 446–460. Бибкод :1933ТрАГУ..14..446H. дои : 10.1029/TR014i001p00446.
9. Грин, В. Хибер; Ампт, Джорджия (1911). «Исследования по физике почв». Журнал сельскохозяйственной науки . 4 : 1–24. дои : 10.1017/S0021859600001441. S2CID  84200455.
10. Парланж, Ж.-Ю.; Лайл, И.; Брэддок, Род.; Смит, Р.Э. (1982). «Трехпараметрическое уравнение проникновения». Почвоведение . 133 (6): 337. Бибкод : 1982SoilS.133..337P. дои : 10.1097/00010694-198206000-00001. S2CID  94729063.
11. Ричардс, Луизиана (1931). «Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды». Физика . 1 (5): 318–333. Бибкод : 1931Physi...1..318R. дои : 10.1063/1.1745010.
12. Огден, Флорида; Аллен, М.; Чжу, Дж.; Лай, В.; Со, М.; Дуглас, CC; Талбот, Калифорния (2017). «Уравнение скорости влажности почвы». Дж. Адв. Мод. Система Земли . 9 (2): 1473–1487. Бибкод : 2017ДЖЕЙМС...9.1473O. дои : 10.1002/2017MS000931 .
13. Огден, Флорида; Лай, В.; Стейнке, RC; Чжу, Дж.; Талбот, Калифорния; Уилсон, Дж.Л. (2015). «Новый общий одномерный метод решения потока вадозной зоны». Водный ресурс. Рез . 51 (6): 4282–4300. Бибкод : 2015WRR....51.4282O. дои : 10.1002/2015WR017126. S2CID  119834716.
14. Water Resources Engineering , издание 2005 г., John Wiley & Sons, Inc.
15. Костяков А. Н. "О динамике коэффициента водопроницаемости в почвах и необходимости его изучения с динамической точки зрения в целях мелиорации". Труды VI конгресса Международного общества почвоведов . Москва. стр. 17–21.
16. Уокер, WR; 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

• The Experimental Hydrology Wiki Проникновение – Инфильтрометр в капюшоне