2.5 مدل مورد استفاده برای تخمین نرخ نفوذ

فرایندهای نفوذ را می توان با استفاده از مدل های مختلف تخمین زد:

• مدلهای مبتنی بر روابط تجربی شامل 2، 3 یا 4 پارامتر.
• مدل های مبتنی بر فیزیک

1.2.5 مدلهای مبتنی بر روابط تجربی

روابط تجربی بسته به زمان اولیه (تابع نمایی یا درجه دوم زمان)، که به یک مقدار محدود تمایل دارد، به طور کلی k_s، اما نزدیک به 0. کاهش نفوذ را نشان می دهد. یک رابطه تجربی فرمول هورتون است، جایی که ظرفیت نفوذ را می توان بیان کرد به شرح زیر [Drobot, 1999]:

یا

جایی که:

 (i(t ظرفیت نفوذ در زمان t با واحد (mm/h)

 i₀ ظرفیت نفوذ اولیه بسته به نوع خاک (mm/h)

 t زمان از ابتدای مقدار (h)

(I(t مقدار کل آب نفوذی از زمان اولیه تا لحظه t با واحد (mm water column)

 γ ثابت ثابت به نوع خاک بستگی دارد (min^-1)

این فرمول خطی نیست و مشکلات عملی خاصی را به همراه دارد. از طریق خطی سازی:

به عنوان لگاریتم، ما دریافت می کنیم:

فرمول موسسه مدیریت خاک و آب EPFL به شرح زیر است:

جایی که:

 (i(t ظرفیت نفوذ در زمان t با واحد (mm/h)

 i_f ظرفیت نفوذ نهایی (mm/h)

 a, b ضرایب تصحیح

رابطه کمی با هورتون متفاوت است. فقط دو پارامتر وجود دارد. این رابطه این مزیت را دارد که امکان جستجوی روابط عملکردی بین ظرفیت / ظرفیت نهایی نفوذ و بافت خاک و همچنین بین پارامتر a و میزان رطوبت خاک را دارد. از فرمول های دیگر می توان برای تعیین رژیم نفوذ آب از خاک استفاده کرد.

2.2.5 مدل های مبتنی بر فیزیک

این مدل ها بسته به پارامترهای خاص فیزیکی، حرکت آب در خاک، به ویژه در سطح جلوی رطوبت را به صورت ساده توصیف می کنند.

جدول 1.5 توابع اصلی مورد استفاده در نفوذ [Musy, 2001]

Author	Function	Legend
Horton		i(t) - infiltration capacity during time [cm/s] i0 - initial infiltration capacity [cm/s] if - final infiltration capacity [cm/s] γ - constant depending on the soil type
Kostiakov		α - parameter depending on soil conditions
Dvorak-Mezencev		i1 - infiltration capacity at time t=1min [cm/s] t - time [s] b - constant
Holtan		c - factor variable from 0.25 to 0.8 w - Holtan equation flow factor n - experimental constant approximately = 1.4
Philip		s - sorptivity [cms-0.5] A - gravity component depending on hydraulic conductivity at saturation [cm/s]
Dooge		a - constant Fmax - maximal retention capacity Ft - water quantity retained on soil at time t
Green&Ampt		ks - hydraulic conductivity at saturation [mm/h] h0 - surface pressure load [mm] hf - pressure load at the humidity front [mm] zf - humidity front depths [mm]

از مدل های ارائه شده در جدول 1.5، دو مدل زیر اغلب استفاده شده است:

مدل فیلیپ

فیلیپ روشی را برای حل نفوذ عمودی برای برخی شرایط اولیه و مرزی پیشنهاد کرد. این مدل مفهوم "جذب" را معرفی می کند که ظرفیت خاک برای جذب آب را هنگامی که جریان فقط تحت فشار شیب تولید می شود، نشان می دهد [Musy, 1998]. نفوذ را می توان به شرح زیر ساده کرد:

جایی که:

  (i(t میزان نفوذ (cm s^-1)

  s جذب (cm s^-0.5)

  t زمان (s)

  A یک جز گرانش، بسته به هدایت هیدرولیکی اشباع (cm s^-1)

برای نفوذ افقی، گرادیان گرانشی درگیر نیست. نفوذ عبارت زیر را خواهد داشت:

مدل Green و Ampt

این مدل بر اساس فرضیه هایی است که شامل شماری از فرآیندهای نفوذ است (شکل 3.5):

شکل 3.5 برنامه ریزی فرآیند نفوذ با توجه به گرین و آمپت [Musy, 2001]

فرضیه های اصلی روش عبارتند از:

• یک جبهه رطوبت کاملاً مشخص است.
• یک منطقه انتقال، که در آن زمان و مکان ذخیره آب و هدایت هیدرولیکی ثابت است.
• نیروهای مکش جبهه رطوبت ثابت است.

بر اساس قانون دارسی، این مدل شامل پارامترهای هیدرودینامیکی خاک است:

جایی که:

 (i(t میزان نفوذ (mm)

 t زمان (h)

 k_s رسانایی هیدرولیکی در حالت اشباع (mm/h)

 H₀ سطح کل هیدرولیک در سطح (mm)

 (H_f(t سطح کل هیدرولیک در سطح رطوبت front با واحد (mm)

 z_f حداکثر عمق رطوبت front

 h₀ فشار در سطح (mm)

 h_f فشار رطوبت front با واحد (mm)

یکی از فرضیه های مدل گرین و آمپت بیان می کند که ذخیره آب از منطقه انتقال یکنواخت است. نفوذ تجمعی (I(t از محصول ذخیره آب و عمق جلوی رطوبت حاصل می شود.

جایی که:

 (I(t نفوذ مجموع

 θ₀ مقدار آب تحمیل شده بر سطح

 θ مقدار اولیه آب در خاک

 z_f حداکثر عمق رطوبت front

دو رابطه آخر منجر به:

برای نفوذ جریان افقی رابطه دارد:

برای نفوذ جریان عمودی می شود:

این مدل در صورت استفاده از خاکی با بافت درشت رضایت بخش است، اما یک روش تجربی است که در آن تعیین سر فشار جبهه مرطوب سازی ضروری است.

3.2.5 تغییر نرخ نفوذ در هنگام بارندگی

تنوع مکانی و زمانی مقدار آب موجود در خاک توسط منحنی های نفوذ یا مشخصات هیدریک توصیف می شود (شکل 5.4). اینها نشان دهنده توزیع عمودی آب در خاک در دوره های مختلف t است. در یک خاک همگن (یکنواخت) وقتی سطح خاک غرق می شود، مشخصات هیدریک دارای سه منطقه است: یک منطقه اشباع، یک منطقه انتقال و یک منطقه رطوبت.

شکل 4.5 مشخصات نیمرخ هیدریک هنگام نفوذ [Musy, 2001]

در هنگام بارندگی، ظرفیت نفوذ خاک به یک مقدار محدود کاهش می یابد، که نشان دهنده پتانسیل نفوذ در حالت اشباع است. اگر شدت باران و ظرفیت نفوذ خاک را مقایسه کنیم، دو احتمال وجود دارد:

• وقتی شدت باران کمتر از ظرفیت نفوذ است، به دلیل رژیم تأمین، آب سریعتر نفوذ می کند. زمان لازم برای یکسان سازی ظرفیت نفوذ متغیر است و به شرایط موجود رطوبت خاک یا دوش بستگی دارد. زمان خشک شده خاک بیشتر است و رژیم تأمین آب مشابه رسانایی هیدرولیکی در اشباع ks است.
• هنگامی که شدت باران از ظرفیت نفوذ خاک برتری دارد، مازاد آب روی سطح یا در فرو رفتگی های زمین ذخیره می شود. رژیم نفوذ و ظرفیت نفوذ برای باران طوفانی خالص در شکل بعدی ارائه شده است (شکل 5.5) [Musy, 2001].

شکل 5.5 رژیم نفوذ و باران طوفانی خالص [Musy, 2001]

منابع

Drobot, R., and P. Serban. 1999. Aplicatii de hidrologie si gospodarirea apelor (Application of Hydrology and Water Resources Management). Ed. HGA, Bucuresti, Romania.

Musy, A. 1998. Hydrologie appliquée, Cours polycopié d'hydrologie générale, Lausanne, Suisse.

Musy, A. 2001. e-drologie. Ecole Polytechnique Fédérale, Lausanne, Suisse.

دسترسی به عناوین دیگر محتوای مرتبط با این بخش

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح