Infiltrering: Indikatorer og måling af infiltrering (med diagram)
Læs denne artikel for at lære om indekserne og måling af infiltration.
Infiltreringsindekser:
Forskellige infiltrationsindeks giver infiltrationshastigheder på forskellige måder for at hjælpe med at vurdere vandet, der er gået tabt ved infiltration.
De vigtige blandt dem er følgende:
(i) Infiltreringskapacitet:
Det er den maksimale hastighed, hvormed vand kan komme ind gennem jordoverfladen på et bestemt tidspunkt under det givne sæt af forhold. På nuværende tidspunkt er det klart, at den faktiske infiltrationshastighed vil være mindre end infiltrationskapaciteten, medmindre den netto nedbørshastighed, der når jorden efter opfyldelse af tilbageholdelsen (dvs. aflytning + depression) er lig med eller mere end infiltrationskapacitet. Infiltrationskapaciteten fortsætter med at reducere som jordprofilen bliver mættet. Ligesom infiltration afhænger infiltrationskapaciteten også af jordtype, fugtindhold, organisk materiale i jorden, vegetabilsk dækning og sæson.
Horton gav følgende matematiske udtryk for at finde ud af værdien af infiltrationskapacitet til enhver tid:
f p = f c + (f o - f c ) e- kt
Hvor f p er infiltrationskapacitet.
f o er infiltrationshastighed i begyndelsen af stormen.
fc er konstant infiltrationshastighed, som opnås efter at jordprofilen er mættet.
e er base af naturlige logaritmer (Napierian base).
t er tid fra begyndelsen af regn og K er en konstant. Man kan huske, at denne ligning kun kan anvendes, når den gennemsnitlige nedbørsmængde når overfladen, er mere end infiltrationskapaciteten i hele stormens nedbør.
(ii) ф Indeks:
Ф-indekset er den del af den gennemsnitlige nedbør i enhver storm, der går tabt af processerne for aflytning, depression opbevaring og infiltrering taget sammen. Det kan derfor defineres som den gennemsnitlige nedbørsmængde under enhver storm, hvorfra mængden af resterende nedbør svarer til mængden af direkte overfladeafstrømning. Indekset kan beregnes ud fra en hyttograf (tid mod intensitet af nedbørskurven) af stormen på en sådan måde, at regnvolumenet overstiger denne hastighed vil svare til mængden af stormafstrømning Fig. 3.2.
Hvis nedbørens intensitet i hele stormen forbliver lig med eller mere end ф indeks, repræsenterer ф indekset genopladning, fordi ф indeks repræsenterer summen af infiltrations-, aflytnings- og deprimeringslagring.
(iii) W indeks:
Dette indeks giver den gennemsnitlige infiltrationshastighed for den periode, hvor regnværdien falder, under hvilken nedbørintensiteten er større end W. Det kan siges at være forfining over ф-indekset, der udover infiltrering også omfatter aflytnings- og deprimeringslagring.
W-indekset kan fås ved hjælp af følgende ligning:
W = PQS / t
Hvor
W er gennemsnitsfrekvensen for infiltration
P er total storm nedbør svarende til t
Q er total storm afrømning.
t er den tid, i hvilken nedbør intensiteten er mere end W og
S er effektiv overfladeretention.
W = ф gennemsnitshastighed for tilbageholdelse
Hvor tilbageholdelsen omfatter opfangning og depression opbevaring.
Til alle praktiske formål kan ф-indekset tages til udtryk for den gennemsnitlige infiltrationshastighed. Da ф og indeks antager en gennemsnitlig infiltrationshastighed, der faktisk er mindre end den oprindelige infiltrationshastighed og mere end den ultimative infiltrationshastighed, er deres anvendelighed begrænset til store oversvømmelsesproducerende storme.
Sådanne storme forekommer almindeligvis på våd jord, og storme er af så intensitet og varighed, at infiltrationshastigheden næsten kan tages til at være konstant for hel storm eller stormen. Naturligvis for korte isolerede storme er ф og W-indekser ikke nyttige.
Problem:
Et afløbsbassin har et afvandingsområde på 0, 5 km 2 .
Der er opstået en fem timers storm på bassinet med følgende nedbør intensiteter:
Volumen af direkte overfladeafstrømning observeret som følge af denne storm ved afløbets afløb var 0, 232 cumec-dag.
Beregn ф indeks for bassinet.
Opløsning:
Trin 1:
Ved hjælp af den data, der er givet, kan hyetografen tegnes som vist i figur 3.3.
Linjen XX viser gennemsnitsfrekvensen for infiltrering og overfladebeholder sammen, dvs. ф indeks.
Vi skal finde ud af værdien af ф.
Trin 2:
Fra den givne hyetograf er den samlede nedbør i 5 timers storm 60 mm.
Fig. 3.3
Trin 3:
Samlet volumen af direkte overfladeafledning = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20, 045 m 3 .
Trin 4:
Fra definitionen af ф indeks er det den del af den gennemsnitlige nedbørsmængde, over hvilket volumen af resterende nedbør svarer til volumen af afløb.
Vandmængde tabt = (Total regnvolumen) - (Total afløbsvolumen) dvs. (infiltration + retention)
= 30.000 - 20.045 = 9955 m3
Som vanddybde over bassinet = 9955 / (0, 5 × 106 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.
ф indeks = 3, 98 mm.
Måling af infiltrering:
Infiltrering kan måles ved to metoder nemlig:
1. Indirekte metoder:
De indebærer kunstig påføring af vand over et prøveområde. Den mekanisme, der anvendes til formålet kaldes infiltrometer. Der er to typer infiltrometer viz., Oversvømmelsestype og regnsimulatorer.
(a) Infiltratmåler til oversvømmelse:
Den består af ca. 25 cm diameter 50 til 65 cm lang cylinder. Cylinderen er nedsænket i jorden til en dybde på 40 til 50 cm. Vandet påføres derefter gennem graduerede buretter for at opretholde et konstant vandhovede. Aflæsningerne på buretten ved fast tidsinterval giver hastigheden og mængden af vand infiltreret i jorden. For at eliminere effekten af omgivende tør jord på infiltrometeret nogle gange to koncentriske ringe, en af samme størrelse og en anden større diameter siger 35 cm er nedsænket i jorden.
Disse ringe er dog nedsænket til en minimumsdybde, der kun er nødvendig for at undgå lækage fra ringene. Rummet mellem begge ringe er fyldt op til det samme niveau og opretholdes på konstant niveau af to forskellige buretter. Den burette læsning fodring den indre ring giver hastighed og mængde infiltration. Denne metode erstattes nu af regn simulator.
(b) Regnsimulator:
I denne metode er specielle sprinklere monteret på begge sider af et 2 m X 4 m eksperimentelt plot. Dysen af disse sprinklere retter vandsprøjten på en skrå måde for at dække plottet helt og nå en højde på ca. 2 m over jorden. Denne ordning sikrer anvendelse af vand i form af sandsynlig nedbør.
Intensiteten af simuleret regn kan ændres ved at lukke og åbne dyserne. Infiltrometeret begynder at arbejde med det, der kalder en nedbørskalibrering. Til dette løb er der placeret en plastik eller et metalark over plottet, således at alt vand, der når jorden, kan måles uden vandtab. Dette giver den gennemsnitlige nedbørsmængde.
Herefter begynder testkørslen. Dette løb må fortsætte indtil afløbet bliver konstant. Forskellen mellem simuleret nedbørshastighed og målt afløbshastighed giver værdien af fc (fc er konstant infiltrationshastighed, som har etableret sig efter jorden er mættet). For at fjerne grænsevirkningen omkring 0, 5 m bred strimmel hele vejen sprøjtes også plottet med vand separat.
Denne metode lider af følgende ulemper:
(i) Det er svært at simulere størrelsen af regnfald.
(ii) Hastigheden af faldet opnået ved vanddråberne repræsenterer ikke korrekte regnforhold.
(iii) Eksperimentværdien af infiltrationshastigheden har tendens til at være højere end den, der opnås under naturlige forhold.
(iv) Infiltrometerværdierne kan kun benyttes til at beregne afledning fra et lille vandområde alene på grund af det begrænsede område, hvor infiltrationshastigheden er blevet beregnet.
2. Direkte metode:
Det består af analyse af afstrømningshydrograf som følge af en naturlig nedbør over et bassin under overvejelse.
Måling af infiltrering ved hydrografisk analyse:
Den teoretiske analyse af afstrømningshydrograf har den fordel, at det tager højde for nedbørsmønster, længden af overlandsstrømmen, bundens bund, jordtype, vegetativ dækning, depression opbevaring, overflade tilbageholdelse, som de har tendens til at forekomme i virkeligheden.
På et stort vandområde er fordeling af nedbør generelt ikke kendt i detaljer for at berettige besværlige teoretiske metoder til hydrografisk analyse. Til praktisk anvendelse er det hensigtsmæssigt at adskille brusere af hver storm nedbør i en række blokke og overveje resulterende afløbshydrograf uafhængigt af transponering af recessionskurver eller beregning af gennemsnitlig infiltrationshastighed.
Analysen kan udføres, er følgende trin (se figur 3.4):
jeg. Tegn ned regnhypertryk og hydrograph af afstrømning på samme plot for stormen i bassinet.
ii. Separat hver bruser af stormen.
iii. Separat hver afstrømningshydrograf fra efterfølgende en ved at transponere recessionskurver.
iv. Træk basestrømmen fra totalstrømmen.
v. Få stormafstrømning for hver stigning.
vi. Vælg varigheden af nedbørsmængden (T e ) ved inspektion af hyetograf og hydrograf.
vii. Plot masse kurver af nedbør og opnå kumulative nedbør værdier (Pw 1, Pw 2, Pw 3 etc.).
viii. Plot massekurver af direkte stormafstrømning og opnå kumulative afstrømningsværdier (Qs 1, Qs 2, Qs 3 etc.).
ix. Beregn forskel på kumulativ nedbør og kumulativ afstrømning (P w - Q s ), som giver total infiltration F.
x. Opdele total infiltration ved varigheden af regnoverfladen (Te) for at få en gennemsnitlig infiltrationshastighed for det brusebad eller en blok af stormen.
Egnethed for metoden til infiltrering:
De forskellige målemetoder til direkte og indirekte infiltrering kan ikke anvendes i alle størrelser af vandområder med tilstrækkelig nøjagtighed til at vurdere den resulterende afrømning.
De almindeligt vedtagne metoder på forskellige størrelser af vandområder er følgende:
(i) små vandområder:
På små vandhedsværdier infiltrometer værdier og storm hydrograph analysemetode giver tilfredsstillende resultater.
ii) store vandområder:
I tilfælde af store vandhuller anses det hensigtsmæssigt at udvikle standard infiltrationshastighedskurver ved at studere antallet af storme på et typisk repræsentativt vandområde i betragtning af forskellige arealanvendelser. En anden metode af praktisk betydning i begge tilfælde er vedtagelse af ф-indeks, som giver gennemsnittet i hele stormen. Det er velegnet til at estimere peak-off fra en stor storm på våde jordarter.
