3.3 روش های حاصل از فرآیند نفوذ

1.3.3 شرح روند نفوذ

نفوذ به فرآیند نفوذ آب از لایه های بالایی خاک به لایه های عمیق تر، زمانی که خاک باران می بارد یا در معرض سیل قرار می گیرد، است. در ابتدا، آب نفوذ کرده تقاطع های خاکی را که در سطح وجود دارد، برآورده می کند و سپس به دلیل جاذبه از طریق خاک نفوذ می کند. نفوذ در هر سه جهت xyz عمل می کند. در حالی که نفوذ در جهت افقی آشکار می شود، جز نیروی جاذبه ناچیز است و آب فقط تحت تأثیر نیروهای جذب حرکت می کند. در حالی که نفوذ به صورت عمودی آشکار می شود، هر دو نیروی مویرگی و نیروی ثقل فعال هستند. نفوذ در شدت تشکیل رواناب، بر روی میزان تبخیر و تعرق، رطوبت خاک و ذخیره آب زیرزمینی عمل می کند. تعاریف مکمل زیر ذکر می شود:

رژیم نفوذ یا میزان نفوذ، شار آبی است که از سطح سطحی به داخل خاک نفوذ می کند، در میلی متر در ساعت ذکر شده و بیان می شود تا از نظر ابعادی قابل مقایسه با شدت بارشی باشد که از آن کم می شود تا بارشی موثر داشته باشد. شدت نفوذ در درجه اول به رژیم دفع سطح خاک (بارندگی، آبیاری، جاری شدن سیل) بستگی دارد.

نفوذ تجمعی نمایانگر زمان جدایی ناپذیر میزان نفوذ و نمایانگر کل حجم نفوذ شده در خاک در طی یک مرحله زمانی خاص است که در میلی متر بیان می شود:

جایی که:

•  (I (t نفوذ تجمعی در طول زمان [t [mm
•  (i (t شدت نفوذ در طول زمان [t [mm/hour

ظرفیت نفوذ حداکثر شار آبی است که خاک قادر به جذب آن است در حالی که با مقدار کافی باران تغذیه می شود یا لایه ای از آب آن را می پوشاند.

2.3.3 عوامل مثر در نفوذ

عوامل زیر بر نفوذ تأثیر می گذارد:

• نوع خاک (ساختار، بافت، ویژگی های هیدرودینامیکی)؛
• مقدار اولیه آب (شرایط رطوبت پیشین)؛
• توپوگرافی و مورفولوژی؛
• ورودی (شدت بارش، دبی آبیاری)؛
• تراکم سطح خاک به دلیل قطرات آب (یا اثرات دیگر) که باعث ایجاد "پوسته جامد" در سطح خاک می شود.

برای همین حوضه مهمترین "متغیر" عوامل تأثیرگذار شرایط رطوبت پیشین و شدت باران تولید کننده موج سیل هستند.

در شکل های 4.3 و 5.3 تأثیر نوع خاک و شرایط رطوبت پیشین در رژیم نفوذ ارائه شده است.

شکل 4.3 تابع شدت نفوذ زمان (After Musy, Soutter, 1991)

شکل 5.3 عملکرد شدت نفوذ زمان در یک خاک یکنواخت و متخلخل و همچنین در خاک پوشیده از پوسته (Musy & Soutter, 1991)

با دانستن اینکه خصوصیات خاک در ورای حوضه آبریز غیر همگن است و ممکن است رطوبت در حوضه قابل تغییر باشد، شرایط قبلی رطوبت خاک در مقیاس حوضه آبریز قابل اندازه گیری نیست. به جای اندازه گیری آنها، وضعیت رطوبت حوضه با شاخصی بیان می شود که میانگین بارشی را که قبلاً طغیان باران تحریک کرده بود بیان کرد. این شاخص، معرفی شده توسط اداره هواشناسی ایالات متحده آمریکا به عنوان "شاخص بارش پیشین" یا API شناخته شده است. مخفف عبارت Antecedent Precipitation Index.

3.3.3 مدل سازی فرآیند نفوذ

مدل سازی فرآیند نفوذ با دو روش حاصل می شود:

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

رابطه تجربی کاهش شدت نفوذ را به عنوان تابعی از زمان بیان می کند، از یک مقدار اولیه شروع می شود تا یک مقدار محدود، که ممکن است صفر باشد. بیان ریاضی این تابع ممکن است یک حالت نمایی، یا یک هذلولی یا یک درجه دوم باشد.

در میان آنها، فرمول معروف Horton با 3 پارامتر ممکن است ذکر شود، به شرح زیر:

جایی که:

•  (i (t شدت نفوذ (mm/h)
•  i₀ شدت اولیه نفوذ (mm/h)
•  i_f شدت نهایی نفوذ (mm/h)
•  t زمان از شروع رویداد بارندگی (h)
•  γ تابع مقدار ثابت از نوع (طبیعت) خاک (1/nr)

پارامترهای این نوع فرمول ها با استفاده از روش رگرسیون، از اطلاعات مربوط به نفوذ تجمعی، بدست می آیند. پارامتر i₀ به نوع خاک و شرایط پیشین رطوبت خاک بستگی دارد. i_f به نوع خاک ثابت باشد در حالی که پارامتر γ به نوع خاک و جهت جریان به خاک بستگی دارد.

پارامترهای فرمول هورتون برای انواع مختلف خاک در جداول 1.3 و 2.3 آورده شده است.

جدول 1.3 پارامترهای فرمول هورتون برای انواع مختلف خاک (El-Jabi, 1987)

Type of soil	i0[mm/h]	if[mm/h]	γ [min-1]
Bare soil	280	6-220	1.6
Agrarian terrain with peat	900	20-290	0.8
Peat	325	2-20	1.8
Fine sand	210	2.25	2.0
Clay with peat	670	10-30	1.4

جدول 2.3 ظرفیت اولیه i₀ و ظرفیت نهایی نفوذ عملکرد طبقات خاک همانطور که توسط SCS تعریف شده است (Hillel,1974)

Type of soil	Group	i0[mm/h]	if[mm/h]
Sand, silt	A	250	12-8
Sandy limestone	B	200	8-4
Clay limestone	C	130	4-1
Clay	D	75	1-0

روش هورتون فرض می کند که جریان زمینی بلافاصله پس از بیش از حد شدت بارندگی از ظرفیت نفوذ خاک شروع می شود. این ظرفیت با توجه به تصویر ارائه شده در شکل 6.3 از نظر زمانی متفاوت است.

موسسه مدیریت خاک و آب EPFL رابطه ساده تری را به شرح زیر تصویب کرد:

جایی که: a و b پارامترهایی هستند که با استفاده از روش رگرسیون تعیین می شوند.

این رابطه از مزیتی برخوردار است که امکان یافتن روابط عملکردی بین ظرفیت حد نفوذ در صورت وجود بافت خاک و بین پارامتر a و رطوبت حجم را فراهم می کند. به عنوان مثال، رس به عنوان مشخصه ای از بافت خاک پذیرفته شده است. وجود روابط متعددی که رابطه بین محتوا در عناصر ریز و سایر خصوصیات هیدرودینامیکی خاک را تعریف می کند، این انتخاب را توضیح می دهد (Musy, 1998). نمونه ای از رابطه بین محتوای موجود در خاک رس و ظرفیت نفوذ در صورتی که در شکل 7.3 ارائه شده باشد.

شکل 6.3. توزیع بارندگی موثر طبق روش هورتون

شکل 7.3 تأثیر محتوای موجود در خاک رس بر ظرفیت نفوذ حد (Jaton, 1982)

مدل های مبتنی بر فیزیک، حرکت آب، به ویژه در حد بالایی مرطوب، به عنوان تابعی از چندین پارامتر را به روشی ساده توصیف می کنند.

برای برخی شرایط خاص اولیه و مرزی، Philip روشی را برای حل معادله نفوذ پیشنهاد کرد، به شرح زیر:

جایی که:

•  (i (t شدت نفوذ [cm.s^-1]
•  S جاذبه [cm.s^-1/2]
•  t زمان [s]
•  A یک جز ثقل نفوذ، عملکرد هدایت هیدرولیکی در حالت اشباع [cm.s^-1]

جاذب نشان دهنده توانایی خاک در جذب آب است که جریان فقط تحت تأثیر شیب فشار تولید می شود.

برای نفوذ افقی، مولفه A = 0 ، به طوری که:

بنابراین جاذبه به عنوان لایه آب نفوذی در حرکت افقی تعریف می شود. این به شرایط اولیه رطوبت خاک و شرایط مرزی سیستم بستگی دارد. جاذبه تابعی از مقدار اولیه آب در خاک است، θ_i، در شرایطی که محتوای آب در سطح، θ₀، در هنگام شرایط اشباع در نظر گرفته می شود.

مدل معروف دیگر مدل Green & Ampt است. این مدل بر اساس فرضیه ساده استوار است که به معنی یک طرح کلی از فرآیند نفوذ با رعایت قانون دارسی است (شکل 8.3). این مدل هنگام استفاده از آن برای خاکی که دارای بافت درشت است نتایج قابل قبولی می دهد.

فرضیه های اصلی این روش عبارتند از:

• جبهه خیس شدن کاملاً مشخص است.
• یک منطقه از انتقال رطوبت وجود دارد که در آن مقدار آب و رسانایی در مکان و زمان ثابت است.
• نیروهای مکش در جبهه مرطوب بدون در نظر گرفتن زمان و موقعیت در نظر گرفته شده ثابت هستند.

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

جایی که:

•  (i (t شدت نفوذ [mm/h]
•  I نفوذ تجمعی
•  t زمان [hours]
•  K_s رسانایی هیدرولیکی در حالت اشباع
•  H₀ تراز هیدرولیک کل در سطح [mm]
•  (H_f(t تراز هیدرولیک کل در سطح بالایی اشباع  [mm]
•  (z_f(t عمق بالایی اشباع (عمق آب نفوذی از لحظه آغاز بارندگی) [mm]
•  h₀ شارژ فشار در سطح [mm]
•  h_f فشار در سطح بالایی اشباع [mm]

طبق مدل Green & Ampt، محتوای آب منطقه انتقال یکنواخت است همانطور که در شکل 8.3 دیده می شود.

شکل 8.3 شماتیک سازی فرآیند نفوذ با توجه به گرین و آمپت (Musy & Higy, 1995)

سپس، نفوذ تجمعی به عنوان محصول تغییر در محتوای آب و عمق جبهه اشباع نتیجه می شود، بنابراین:

جایی که:

•  (I (t نفوذ تجمعی 
•  θ₀ محتوای آب در سطح
•  θ_i محتوای اولیه آب در خاک است
•  (z_f(t ناحیه مرطوب بالایی

با ترکیب عبارت فرمول های حاضر، یکی بدست می آید:

برای یک جریان افقی، نفوذ برعکس با نفوذ تجمعی متفاوت است:

برای یک جریان عمودی و مقادیر t بالا، شدت نفوذ با تقریب حاصل می شود:

مقدار سطح فشار در جبهه اشباع لازم است تا به طور آزمایشی تعیین شود.

از توابع نفوذ فوق الذکر، توابع متعدد دیگری نیز وجود دارد که توسط نویسندگان مختلف ارائه شده است که در جدول 3.3 ارائه شده است:

جدول 3.3 عملکردهای اصلی شدت نفوذ

Author	Function	Legend
Kostiakov		i(t): infiltration intensity in time[cm/s]; i0: initial infiltration capacity [cm/s]; if: final infiltration capacity [cm/s]; α : parameter function of soil conditions;
Green &Ampt		Ks: hydraulic conductivity at saturation; Pw: suction of water at the wetting front; IMD: initial water deficit; F: depth of infiltrated water from the beginning of the alimentation.
Dvorak-Mezencev		i1: infiltration capacity at the time t=1 min [cm/s]; t: time[s]; b: constant value.
Holtan		c: factor, varies between 0.25 to 0.8; w: scale factor of the Holtan equation; n: exponent, experimentally determined (close to 1.4.)
Horton		γ: constant value function of the nature of the soil [min-1]
Philip		s: sorptivity [cm.s-0.5]; A: gravitation component function of the hydraulic conductivity at saturation [cm/s]
Dooge		α: constant value; Fmax: Maximum capacity of retention; Ft: Water content at time t.

تمام معادلات جدول 3.3 یک ویژگی مشترک دارند: پس از مدتی خاص منحنی نفوذ به صورت مجانبی با محور x به یک مقدار ثابت برابر با هدایت هیدرولیکی در اشباع متمایل می شود. این ویژگی با این فرض که نفوذ در جهت عمودی آشکار می شود معتبر است. سپس، هر دو نیروی جاذبه و مویرگی فعال هستند در حالی که در مورد حرکت افقی آب نفوذی، فقط نیروی جاذب عمل می کند و منحنی نفوذ به صورت مجانبی صفر می شود.

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