Infiltracja: Wskaźniki i pomiar infiltracji (z diagramem)

Przeczytaj ten artykuł, aby poznać indeksy i pomiary infiltracji.

Wskaźniki infiltracji:

Różne wskaźniki infiltracji podają częstość infiltracji na różne sposoby, aby pomóc w ocenie wody traconej przez infiltrację.

Najważniejsze z nich to:

(i) Zdolność infiltracji:

Jest to maksymalna szybkość, z jaką woda może przedostać się przez powierzchnię gleby w określonym momencie w danym zestawie warunków. Obecnie jest oczywiste, że rzeczywista szybkość infiltracji będzie mniejsza niż zdolność infiltracji, chyba że szybkość opadania netto, która osiągnie poziom po spełnieniu retencji (tj. Przechwytywanie + przechowywanie depresji) jest równa lub większa niż zdolność do infiltracji. Wydajność infiltracji zmniejsza się, gdy profil gleby staje się nasycony. Podobnie jak infiltracja, zdolność infiltracji zależy również od rodzaju gleby, zawartości wilgoci, substancji organicznej obecnej w glebie, pokrycia roślinnego i pory roku.

Horton dał następujące wyrażenie matematyczne, aby dowiedzieć się wartości zdolności do infiltracji w dowolnym momencie:

f p = f c + (f o - f c ) e- Kt

Gdzie f p to zdolność do infiltracji.

f o jest wskaźnikiem infiltracji na początku burzy.

f c jest stałą szybkością infiltracji, która jest osiągana po nasyceniu profilu glebowego.

e jest podstawą logarytmów naturalnych (baza Napieriana).

t jest czasem od początku opadów, a K jest stałą. Należy pamiętać, że to równanie można zastosować tylko wtedy, gdy tempo opadów netto docierających do powierzchni jest większe niż zdolność infiltracji podczas opadów burzowych.

(ii) ф Indeks:

Indeks ф jest tą częścią średniej stopy opadów podczas każdej burzy, która zostaje utracona przez procesy przechwytywania, przechowywania depresji i infiltracji razem wzięte. Można ją zatem zdefiniować jako taką średnią opadów podczas każdej burzy, powyżej której objętość pozostałych opadów równa się objętości bezpośredniego spływu powierzchniowego. Indeks można obliczyć na podstawie wykresu hetografu (czas w funkcji intensywności wykresu opadów) w taki sposób, że objętość opadu przekraczająca tę wartość będzie równa objętości odpływu burzowego. Rys. 3.2.

Jeżeli intensywność opadów w czasie burzy pozostaje równa lub wyższa niż ф, wówczas indeks ф oznacza doładowanie basenu, ponieważ ф indeks reprezentuje sumę całkowitą zapełnienia, przechwytywania i przechowywania depresji.

(iii) W Index:

Wskaźnik ten podaje średnią szybkość infiltracji dla tego okresu opadów burzowych, w których intensywność opadów jest większa niż W. Można zatem powiedzieć, że jest to udoskonalenie w stosunku do wskaźnika ф, który oprócz infiltracji obejmuje również przechwytywanie i przechowywanie depresji.

Indeks W można uzyskać z następującego równania:

W = PQS / t

Gdzie

W to średnia stopa infiltracji

P jest całkowitym opadem sztormowym odpowiadającym t

Q oznacza całkowite odpłynięcie sztormu.

t jest czasem, w którym intensywność opadów jest większa niż W i

S to skuteczne zatrzymanie powierzchni.

W = ф średnia stopa retencji

Gdzie zatrzymanie obejmuje przechwytywanie i przechowywanie depresji.

Ze względów praktycznych wskaźnik ф może być brany jako średnia stopa infiltracji. Ponieważ ф i wskaźniki przyjmują średnią szybkość infiltracji, która w rzeczywistości jest mniejsza niż początkowa szybkość infiltracji i większa niż maksymalna szybkość infiltracji, ich użyteczność jest ograniczona do poważnych burz produkujących powódź.

Takie burze na ogół występują na mokrej glebie, a burze mają taką intensywność i czas trwania, że ​​stopień infiltracji mógłby być bardzo blisko uznany za stały przez cały okres sztormu lub większości sztormów. Oczywiście dla krótkich izolowanych burz indeksy ф i W nie są użyteczne.

Problem:

Zlewnia ma powierzchnię zlewni 0, 5 km 2 .

Na basenie wystąpiła pięciogodzinna burza z następującymi intensywnościami opadów:

Objętość bezpośredniego spływu powierzchni obserwowana w wyniku tej burzy na wylocie z basenu wynosiła 0, 232 dnia cumec-day.

Oblicz wskaźnik ф dla basenu.

Rozwiązanie:

Krok 1:

Wykorzystując dane z podanego hyetografu, można narysować, jak pokazano na rys. 3.3.

Linia XX pokazuje średnią szybkość infiltracji i retencji powierzchniowej razem, tj. Ф indeksu.

Musimy ustalić wartość ф.

Krok 2:

Z podanego hyetografu suma opadów w ciągu 5 godzin burzy wynosi 60 mm.

Ryc. 3.3

Krok 3:

Całkowita objętość bezpośredniego spływu powierzchniowego = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20, 045 m 3 .

Krok 4:

Od definicji indeksu ф jest to ta część średniej stawki opadów, powyżej której objętość pozostałych opadów równa się objętości spływu.

Objętość utraconej wody = (całkowita objętość opadów) - (całkowita objętość spływu) tj. (Infiltracja + zatrzymywanie)

= 30 000 - 20 045 = 9955 m 3

Jako głębokość wody nad basenem = 9955 / (0, 5 × 10 6 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.

ф wskaźnik = 3, 98 mm.

Pomiar infiltracji:

Infiltrację można mierzyć dwiema metodami, a mianowicie:

1. Metody pośrednie:

Obejmują one sztuczne nakładanie wody na obszar próbki. Mechanizm wykorzystywany do tego celu nazywa się infiltrometrem. Istnieją dwa typy mierników infiltrometru, typu powodziowego i symulatorów deszczu.

(a) Infiltrometr typu flooding:

Składa się z cylindra o długości około 25 cm i długości 50 do 65 cm. Cylinder zanurza się w ziemi na głębokość od 40 do 50 cm. Woda jest następnie nakładana za pomocą wyskalowanych biuret, aby utrzymać stały strumień wody. Odczyty biurety w ustalonym odstępie czasu dają szybkość i ilość infiltrowanej wody do gleby. Aby wyeliminować wpływ otaczającej suchej gleby na infiltrometr, czasami dwa koncentryczne pierścienie, jeden o tym samym rozmiarze i inna większa średnica, powiedzmy, że 35 cm są zatopione w ziemi.

Pierścienie te są jednak zapadnięte do minimalnej głębokości, niezbędnej do uniknięcia wycieku z pierścieni. Przestrzeń między obydwoma pierścieniami jest wypełniona do tego samego poziomu i utrzymywana na stałym poziomie przez dwie różne biurety. Odczyt biurety zasilający pierścień wewnętrzny daje szybkość i ilość infiltracji. Ta metoda została zastąpiona przez symulator deszczu.

(b) Symulator deszczu:

W tej metodzie specjalne tryskacze są montowane po obu bokach eksperymentalnej działki o powierzchni 2 m X 4 m. Dysza tych tryskaczy kieruje strumień wody w sposób nachylony, aby całkowicie pokryć działkę i osiągnąć wysokość około 2 m nad ziemią. Takie rozwiązanie zapewnia stosowanie wody w postaci prawdopodobnych opadów.

Intensywności symulowanych opadów można zmienić, zamykając i otwierając dysze. Infiltrometr rozpoczyna pracę z tak zwanym przebiegiem kalibracji opadów. W tym przypadku plastikowy lub metalowy arkusz umieszcza się nad działką tak, aby cała woda docierająca do ziemi mogła być mierzona bez utraty wody. Daje to średnią stawkę opadów.

Następnie rozpoczyna się uruchomienie próbne. Bieg ten może trwać do momentu, w którym spływ stanie się stały. Różnica między symulowaną wielkością opadu a zmierzoną częstotliwością spływu daje wartość fc (fc to stała szybkość infiltracji, która ustabilizowała się po nasyceniu gleby). Aby wyeliminować efekt obwiedni wokół taśmy o szerokości 0, 5 m dookoła działka jest również oddzielnie spryskiwana wodą.

Ta metoda ma następujące wady:

(i) Trudno jest symulować wielkość kropel deszczu.

(ii) Prędkość opadania osiągnięta przez krople wody nie odzwierciedla prawidłowych warunków opadów.

(iii) Wartość eksperymentalna szybkości infiltracji jest zwykle wyższa niż uzyskana w warunkach naturalnych.

(iv) Wartości infiltrometru mogą być użyte do obliczenia spływu z małego działu wodnego tylko z powodu ograniczonego obszaru, na którym obliczono współczynnik infiltracji.

2. Metoda bezpośrednia:

Składa się on z analizy spływu hydrograficznego wynikającego z naturalnych opadów atmosferycznych w rozpatrywanym basenie.

Pomiar infiltracji metodą analizy hydrograficznej:

Teoretyczna analiza hydrantu spływowego ma tę zaletę, że uwzględnia rozkład opadów, długość przepływu lądowego, nachylenie basenu, rodzaj gleby, osłonę wegetatywną, przechowywanie depresji, zatrzymanie powierzchni, ponieważ mają tendencję do występowania w rzeczywistości.

Jednak na dużym zlewni rozkład opadów nie jest ogólnie znany, aby uzasadnić pracochłonne teoretyczne metody analizy hydrograficznej. W praktycznym zastosowaniu wygodnie jest oddzielić prysznice każdego opadu sztormowego na szereg bloków i rozważyć wynikowy spływający hydrogram niezależnie przez transpozycję krzywych recesyjnych lub obliczenie średniej szybkości infiltracji.

Analizę można wykonać w następujący sposób (patrz rys. 3.4):

ja. Narysuj hyetograf opadu i hydrogram spływu na tej samej działce dla burzy w basenie.

ii. Oddziel każdy deszcz burzy.

iii. Oddziel każdy hydrogram spływu od kolejnego, przesuwając krzywe recesji.

iv. Odejmij podstawowy przepływ od całkowitego przepływu.

v. Uzyskanie odpływu sztormowego przy każdym wzroście.

vi. Wybierz czas trwania nadmiaru opadów (T e ), sprawdzając hyetograf i hydrograf.

vii. Wykreślić krzywe masowe opadów i uzyskać skumulowane wartości opadów (Pw 1, Pw 2, Pw 3 itp.).

viii. Wykreślić krzywe masy bezpośredniego spływu burzowego i uzyskać skumulowane wartości spływu (Qs 1, Qs 2, Qs 3 itd.).

IX. Oblicz różnicę sumarycznych opadów i skumulowanego spływu (P w - Q s ), co daje całkowitą infiltrację F.

x. Podziel całkowitą infiltrację przez czas trwania nadmiaru opadu (Te), aby uzyskać średni współczynnik infiltracji dla tego prysznica lub bloku burzy.

Przydatność metody pomiaru infiltracji:

Różne metody pomiaru infiltracji bezpośredniej i pośredniej nie mogą być stosowane na wszystkich rozmiarach wododziałów z wystarczającą dokładnością, aby ocenić wynikowe spływy.

Powszechnie stosowane metody w różnych rozmiarach działów wodnych są następujące:

(i) Małe wody:

Na małych wodach wartości infiltrometryczne i metoda analizy hydrofobowej burzowej dają zadowalające wyniki.

(ii) Duże wody:

W przypadku dużych wododziałów uważa się za dogodne opracowanie standardowych krzywych szybkości infiltracji poprzez zbadanie liczby burz na typowym reprezentacyjnym zlewisku z uwzględnieniem różnych zastosowań gruntów. Inną metodą praktycznego znaczenia w obu przypadkach jest przyjęcie wskaźnika ф, który podaje średnią stawkę w czasie burzy. Jest dobrze przystosowany do szacowania szczytowego spływu z poważnej burzy na mokrych glebach.