6. Infiltratia

5/17/2018 6. Infiltratia - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/6-infiltratia 1/15

6. INFILTRAłIA

6.1. Procesul fizic al mişcării apei în sol

Mişcarea apei în sol este funcŃie de:

• intensitatea afluxului de apă de la suprafaŃa solului;

• starea solului

Solul este un mediu poros alcătuit din: particule solide şi goluri (pori) – umpluŃi cu aer, apă şi vapori de apă. Solul cuprinde (figura 6.1):

a) Zona nesaturată (de aeraŃie), în care porii sunt umpluŃi parŃial cu apă; b) Zona saturată, în care porii sunt complet umpluŃi cu apă;

c) Pânza freatică – suprafaŃa care separă cele două zone, aflată la presiuneatmosferică.

InfiltraŃia (F) reprezintă pătrunderea apei în zona nesaturată.

ExfiltraŃia (Ex) reprezintă procesul de mişcare a apei din adâncime cătresuprafaŃa solului datorită ascensiunii capilare.

PercolaŃia (P) reprezintă procesul de penetrare a apei din zona nesaturatăcătre zona saturată, în lipsa afluxului de apă de la suprafaŃa solului.

Figura 6.1 Procesul fizic al mişcării apei în sol

b)

a)

c)

ExF

P



HIDROLOGIE ŞI METEOROLOGIE

56

Capacitatea solului de a absorbi apa este caracterizată prin următoareleelemente:

− Punctul de ofilire al plantelor POP – corespunde cantităŃii de apă aflată înretenŃie permanentă în sol, şi care nu mai poate fi extrasă de către plante(apa peliculară). Este funcŃie de tipul de sol şi este independentă de tipulde plantă.

− Umiditatea disponibilă a solului – reprezintă cantitatea de apă din solcare depăşeşte POP.

− Capacitatea de câmp – reprezintă cantitatea maximă de apă care poate fireŃinută într-o coloană de sol de o anumită înălŃime. Proba de sol se

drenează gravitaŃional şi ajunge la capacitatea de câmp atunci cânddrenajul încetează.

6.2. Factorii care influenŃează infiltraŃia

Factorii care influenŃează infiltraŃia, reprezentaŃi schematic în figura 6.2,sunt următorii:

1. Caracteristicile ploii

Creşterea intensităŃii şi a temperaturii ploii favorizează infiltraŃia, iar creşterea conŃinutului de substanŃe solide împiedică infiltraŃia princolmatarea porilor.

2. Caracteristicile suprafeŃei solului Panta terenului şi coronamentul vegetal stimulează infiltraŃia; astfel, înzonele împădurite intensitatea infiltraŃiei este cu 30-40% mai mare decât înzonele descoperite. De asemenea, terenurile cultivate, fiind bătătorite deutilajele agricole, au o viteză de infiltraŃie mai mică decât cea a solurilor de pădure, deoarece prin tasare porozitatea solului scade. Factorul antropic influenŃează suprafaŃa solului prin modificarea tipului de vegetaŃie (defrişări,cultivarea terenului etc.).

3. ProprietăŃile solului:

a) Porozitatea:

1ee

VVn g

+== ( 6.1)



6. INFILTRAłIA

57

unde Vg – volumul golurilor, V – volumul total al probei de sol şi e – indicele golurilor,

s

g

V

Ve = (Vs – volumul scheletului solid). Porozitatea

variază între 0,25-0,75 în funcŃie de textura solului.

Figura 6.2 Factorii care influenŃează infiltraŃia

b) Gradul de saturaŃie:

g

a

V

Vs = , ( 6.2)

unde Va – volumul de apă existent în sol.

c) ConŃinutul volumic de apă

snV

Va ⋅==θ , ( 6.3)

Caracteristicile ploii Caracteristicile suprafeŃei solului ProprietăŃile solului

Intensitate

Tem eratură

ConŃinutsubstanŃesolide

Coronament ve etal

Panta terenului

Factorul antro ic

Porozitate

Grad satura ie

ConŃinutvolumic apă

ConŃinutsubstanŃeorganice

UmiditateiniŃială a

solului

Factorii care influenŃează F




58

n0 ≤≤θ ; la saturaŃie n=θ .d) ConŃinutul de substanŃe organice; descompunerea ulterioară a acestor

substanŃelor măreşte volumul golurilor, favorizând infiltraŃia.

e) Starea de umiditate iniŃială a solului.

6.3. Viteza de infiltraŃie

Viteza de infiltraŃie f, exprimată în cm/h sau mm/h, reprezintă cantitatea deapă infiltrată de la suprafaŃa solului, în unitatea de timp. Valoarea maximă avitezei de infiltraŃie, f p, reprezintă capacitatea de infiltraŃie sau infiltraŃia

potenŃială.

InfiltraŃia cumulată F reprezintă stratul de apă infiltrat pe perioada de timp tşi este dată de relaŃia:

∫=t

0d)(f )t(F τ τ ( 6.4)

InfiltraŃia potenŃială este funcŃie de: fluxul de apă de la suprafaŃa solului, Φa,textura şi structura solului, starea de umiditate iniŃială a solului.

a) InfluenŃa fluxului de apă de la suprafaŃă

Dacă fluxul de apă de la suprafaŃa solului este mai mare decât capacitatea deinfiltraŃie corespunzătoare tipului de sol considerat şi condiŃiilor de umiditateexistente atunci viteza de infiltraŃie devine maxim posibilă, prin urmare

devine egală cu capacitatea de infiltraŃie. pmax pa f f f f ==⇒>Φ ( 6.5)

Dacă fluxul de apă de la suprafaŃa solului este mai mic decât capacitatea deinfiltraŃie, atunci întreaga cantitate de apă va fi absorbită de sol iar viteza deinfiltraŃie va fi inferioară capacităŃii de infiltraŃie:

p pa f f f <⇒<Φ ( 6.6)

b) InfluenŃa umidităŃii iniŃiale şi a tipului de sol

În figura 6.3 se observă că pentru un sol dat capacitatea de infiltraŃie scade întimp pe măsură ce creşte cantitatea de apă din sol şi este mai mare în

condiŃia de umiditate scăzută. În acelaşi timp, f p depinde şi de tipul solului,fiind mai mare în cazul solului de argilă nisipoasă decât de argilă compactă.



6. INFILTRAłIA

59

Capacitatea de infiltraŃie scade cu timpul la o valoare limită f c, carecorespunde vitezei de infiltraŃie în condiŃii de saturaŃie.

Figura 6.3 VariaŃia calitativă a capacităŃii de infiltraŃie în timp, în funcŃie de tipul şi deumiditatea iniŃială a solului, pentru cazul Φa >f p

Tabelul 6.1 Grupele de sol şi valorile capacităŃii de infiltraŃie la saturaŃie, (SCS, 1986,Skaggs şi Khaleel, 1982)

Grupelede sol

Textura Descriere f c [in/h]

A Grosieră Nisip graunŃos, nisip lutos0,3-0,45

B Grosieră către medieloess de mică adâncime, argilă

nisipoasă0,15-0,30

C MedieArgilă cleioasă, soluri bogate înargilă, soluri cu conŃinut organic

scăzut

0,05-0,15

D Fină Argilă compactă, soluri saline 0,00-0,05

Ar ilă nisi oasă

Argilă compactă

1– stare ini ială uscată

2– stare ini ială umedă1

2

1

2

Timp (min)

fp (mm/h)




60

InfluenŃa texturii şi a structurii solului asupra capacităŃii de infiltraŃie sedatorează porozităŃii, conŃinutului de argilă şi de materie organică.

Serviciul de Conservare a Solurilor (SCS, 1986) din SUA a efectuat oclasificare a solurilor pe baza infiltraŃiei potenŃiale constante, f c, prezentatăîn tabelul.6.1.

Capacitatea de infiltraŃie este maximă când solul are o textură grosieră şi estecomplet uscat.

Pentru exemplificare se consideră două ploi de intensităŃi i1 şi i2, de duratediferite, care se succed la intervale de timp oarecare (figura 6.4).

Figura 6.4 Schema infiltraŃiei pentru două ploi succesive

I. t∈[0, t1], p1a f i <=Φ

Pe durata primei ploi întreaga cantitate de apă va fi absorbită de sol; apa seinfiltrează cu viteza pf f < .

II. t∈[t1, t2], 0a =Φ

f p, f

Timp

i1

i2

1

2

t1 t2 t3

PN

f p

0



6. INFILTRAłIA

61

Capacitatea de infiltraŃie ar trebui să rămână constantă dar, datorită faptuluică apa se va mişca în sol către adâncime prin percolaŃie, în straturilesuperioare umiditatea va scădea şi capacitatea de infiltraŃie va creşte.

III. t∈[t2, t3], p2a f i >=Φ

Pentru a doua ploaie numai o parte din apă va pătrunde în sol după curbaf p(t) corespunzătoare stării de umiditate a solului la momentul t2. Apa carerămâne pe sol se numeşte precipitaŃie netă (PN) sau efectivă, care va formascurgerea de suprafaŃă (SS).

6.4. Măsurarea capacităŃii de infiltraŃie

O metodă simplă pentru măsurarea capacităŃii de infiltraŃie se bazează peaplicarea unei lame de apă pe o porŃiune delimitată de sol. Se măsoarădebitul necesar pentru menŃinerea constantă a înălŃimii stratului de apă(metoda sarcinii constante) sau se determină viteza de coborâre a apei(metoda sarcinii variabile). Aparatele pentru măsurarea capacităŃii deinfiltraŃie se numesc infiltrometre.

Aparatele cele mai cunoscute pentru măsurarea directă şi punctuală ainfiltraŃiei sunt următoarele:

a) Infiltrometrul Muntz (cu sarcină constantă)

Infiltrometrul Muntz constă dintr-un rezervor gradat care menŃine un nivel

de apă constant, de 3 cm, într-un cilindru introdus în sol. VariaŃiile niveluluidin rezervorul gradat în funcŃie de timp reprezintă capacitatea de infiltraŃie(figura 6.5)

b) Infiltrometrul cu dublu cilindru (cu sarcină variabilă)

Infiltrometrul cu sarcină variabilă constă din doi cilindri concentriciintroduşi în sol; cilindrul exterior este umplut cu apă care saturează solul din jurul cilindrului central şi împiedică scurgerea laterală a apei infiltrate în sol,realizându-se astfel un flux vertical de apă. După umplerea ambilor cilindrise măsoară variaŃia nivelului apei în funcŃie de timp în cilindrul central(figura 6.6)




62

Figura 6.5 Infiltrometrul Muntz

Figura 6.6 Infiltrometrul cu dublu cilindru

6.5. Evaluarea pierderilor prin infiltraŃie

Metodele de evaluare a pierderilor prin infiltraŃie utilizează

− funcŃii de infiltraŃie;− conceptul de coeficient de scurgere.



6. INFILTRAłIA

63

6.5.1. FuncŃii de infiltraŃie

A. Modele bazate pe relaŃii empirice

Reprezintă modele matematice cu caracter empiric care descriu scădereacapacităŃii de infiltraŃie în funcŃie de timp, plecând de la o valoare iniŃială şitinzând spre o valoare limită care poate fi nulă. Aceste relaŃii pot avea doi,trei sau patru parametri care se determină prin regresia datelor obŃinute dinmăsurători.

• EcuaŃia Horton (1933)

RelaŃia Horton reprezintă scăderea exponenŃială a capacităŃii de infiltraŃie dela o valoare iniŃială f 0 până la o valoare constantă f c (figura 6.7).

ktc0c p e)f f (f )t(f −⋅−+= , ( 6.7)

unde k este o constantă empirică funcŃie de natura solului [T-1].

Figura 6.7 Capacitatea de infiltraŃie şi infiltraŃia cumulată

B. Modele fizice

• EcuaŃia Phillip




64

K St21)t(f 2/1 += − , ( 6.8)

unde s reprezintă sorbtivitatea [LT-1/2], definită ca potenŃialul solului de aabsorbi apa în condiŃiile în care curgerea are loc pe orizontală, numaidatorită gradientului de presiune, K – conductivitatea hidraulică [LT-1](măsură a permeabilităŃii solului).

• Modelul Green-Ampt

Green şi Ampt (1911) au dezvoltat un model fizic aproximativ al infiltraŃiei,a cărui schemă simplificată este prezentată în figura 6.8,

Figura 6.8 Schema modelului de infiltraŃie Green-Ampt

SoluŃia analitică exactă a modelului este dată de ecuaŃia:

−+=

t

f it F

S)n(1K f

θ , ( 6.9)

unde f t reprezintă viteza de infiltraŃie la momentul t, n – porozitatea solului,

θi – conŃinutul iniŃial de umiditate, )n( iθ − – deficitul de umiditate, K –



6. INFILTRAłIA

65

conductivitatea hidraulică la saturaŃie, [L/T], Sf – sucŃiunea capilară lanivelul frontului umed, [L], Ft – infiltraŃia cumulată la timpul t [L].

Frontul umed este frontiera care delimitează solul umed aflat deasupra desolul uscat aflat dedesubt. θr reprezintă conŃinutul rezidual de umiditate asolului după ce acesta a fost drenat în totalitate, iar θe = n-θr reprezintă porozitatea efectivă; z – distanŃa de la suprafaŃa solului măsurată înadâncime, h0 – stratul iniŃial de apă de deasupra solului.

Metoda se recomandă în cazul unui sol uscat cu textură grosieră.

6.5.2. Modele bazate pe coeficientul de scurgere

FuncŃia de producŃie a bazinului hidrografic transformă ploaia brută în ploaienetă, care reprezintă disponibilul pentru scurgere. BilanŃul hidric este dat derelaŃia :

PNAFETIP ++++= , ( 6.10)

unde P reprezintă ploaia totală (globală), I – intercepŃia de către învelişulvegetal, ET – evapotranspiraŃia, F – infiltraŃia, A – acumularea sau retenŃiaîn depresiunile terenului, PN – ploaia netă.

Ploaia totală reprezintă cantitatea de ploaie căzută, măsurată în atmosferaliberă, la un nivel situat deasupra învelişului vegetal.

Ploaia brută (PB) reprezintă ploaia totală diminuată de intercepŃie (ploaia

care ajunge la sol): PB = P-I.IntercepŃia reprezintă un fenomen complex datorită multitudinii de factoride care depinde: structura învelişului vegetal, mărimea şi durata precipitaŃieiatmosferice, potenŃialul evaporant al atmosferei etc.

Acumularea (retenŃia la suprafaŃa solului) constituie acea parte a precipitaŃiei care este reŃinută în depresiunile izolate ale terenului. Apa carese acumulează nu are posibilitatea de a se scurge, ci se epuizează prinevaporare şi/sau pătrundere în sol.

Ploaia netă (efectivă) reprezintă cantitatea de apă rămasă după eliminareaintercepŃiei, retenŃiei în depresiuni, infiltraŃiei şi evapotranspiraŃiei. Ploaianetă provoacă scurgerea de suprafaŃă sau scurgerea directă, care se măsoarăîn secŃiunea de ieşire a bazinului. Din relaŃia (5.1) rezultă:

FETAIPPN −−−−= ( 6.11)




66

Coeficientul de scurgere α poate fi definit ca raport între ploaia netă PN şi ploaia brută PB sau ca raport dintre stratul de apă care participă la scurgere,hs şi stratul de apă precipitat, h p.

p

s

h

h

PB

PN==α ( 6.12)

Coeficientul de scurgere definit mai sus este considerat constant în timp şispaŃiu.

6.5.2.1. Modelul Φ constant

Indicele Φ se defineşte ca o capacitate medie de infiltraŃie constantă în timp pentru o aversă dată, deasupra căreia excedentul de precipitaŃie se regăseştesub formă de scurgere de suprafaŃă până la secŃiunea de ieşire din bazin.Acest indice se obŃine prin trasarea unei paralele la axa timpului care împartesuprafaŃa histogramei ploii totale în două părŃi, cea superioară reprezentând ploaia netă sau înălŃimea stratului scurs. Acest indice de infiltraŃie integreazădiferitele procese de intercepŃie, de retenŃie la suprafaŃă, evaporaŃie şiinfiltraŃie. Pentru ploile mai importante intercepŃia şi retenŃia la suprafaŃă potfi neglijate în raport cu precipitaŃia totală. Limita metodei constă înconsiderarea pierderilor prin infiltraŃie constante în timp, care poate conducela subestimări ale volumelor scurse, în special pentru averse de lungă durată.

6.5.2.2. Modelul infiltraŃiei constante cu pierderi iniŃiale

Modelul se bazează pe faptul că în timpul unui eveniment de producere a precipitaŃiei capacitatea de infiltraŃie f c rămâne constantă. Ploaia netă sedefineşte prin relaŃia:

≤

>−=

c

cc

f P daca 0

f P daca f PPN

Modelul ia în considerare o pierdere iniŃiala Ia, care reprezintă intercepŃia decătre învelişul vegetal şi acumularea în depresiunile terenului, apa acumulatăurmând a se infiltra (în timpul producerii viiturii evapotranspiraŃia poate fineglijată). Scurgerea de suprafaŃă se produce numai după ce apa de pesuprafeŃele permeabile va depăşi volumul pierderii iniŃiale. Acest model

consideră valorile f c şi Ia parametrii de intrare care reprezintă proprietăŃilefizice ale solului şi ale acoperirii terenului, respectiv condiŃiile anterioare



6. INFILTRAłIA

67

producerii precipitaŃiei. Dacă solul este saturat Ia =0. În condiŃii de sol uscatIa va reprezenta stratul maxim de precipitaŃie care poate cădea pe bazin fără ase produce scurgerea. Ia variază între 10-20% din ploaia totală pentru zoneîmpădurite şi între 2,5-5 mm pentru zone urbane [HEC, 2000]. În lipsa unor informaŃii mai precise referitoare la f c se pot utiliza valorile din tabelul 6.1.

6.5.2.3. Modelul SCS-CN

Soil Conservation Service SCS (1972) din SUA a elaborat o metodă pentrucalculul precipitaŃiei nete sau a volumului de apă scurs. În timpul unei ploi, precipitaŃia netă este inferioară sau cel mult egală cu ploaia totală din care s-au extras pierderile iniŃiale iar volumul de apă infiltrat în sol, Fa, după producerea scurgerii de suprafaŃă (figura 6.9) este mai mic sau cel mult egalcu o retenŃie maximă potenŃială, S:

aIPPN −≤ şi SFa ≤ ( 6.13)

Ipoteza modelului SCS constă în a considera egalitatea între raportulvalorilor reale şi raportul valorilor potenŃiale:

S

IP

F

PN

a

−= ( 6.14)

PrecipitaŃia netă rezultă din relaŃia (6.14) Ńinând cont de ecuaŃia decontinuitate:

aa FIPNP ++= ( 6.15)

( )SIP

IPPN

a

2a

+−−

= ( 6.16)

Din analiza rezultatelor măsurătorilor efectuate pe mai multe bazinehidrografice s-a obŃinut o relaŃie empirică pentru calculul pierderii iniŃiale:

S2,0Ia ⋅= ( 6.17)

Rezultă în continuare:

( )S8,0P

S2,0PPN

2

+−

= ( 6.18)

Prin reprezentarea grafică a perechilor de valori (P, PN) obŃinute din ploi încazul mai multor bazine se obŃin curbe de tipul celor din figura 6.10. Pentru




68

standardizarea acestor curbe se defineşte un număr adimensional CN (curvenumber), 100CN0 ≤≤ . CN = 100 în cazul suprafeŃelor impermeabile sau asuprafeŃelor libere de apă. Între CN şi S există următoarea relaŃie exprimatăîn unităŃi SI:

254S

25400CN

+= ( 6.19)

sau10S

1000CN

+= ( 6.20)

unde S este exprimat în inch.

Figura 6.9 Reprezentarea variabilelor utilizate în metoda SCS

Valorile parametrului CN sunt funcŃie de grupa de sol, tipul de acoperire asolului cu vegetaŃie, condiŃiile de umiditate anterioare producerii ploii; astfel, pentru sol normal:

254S

25400)II(CN

+= , ( 6.21)

iar pentru sol uscat şi sol saturat )I(CN , respectiv )III(CN se definesc înfuncŃie de CN(II).



6. INFILTRAłIA

69

Metoda SCS se aplică cu succes pentru bazine hidrografice de pe teritoriulSUA; extinderea metodei la bazine aparŃinând altor regiuni ale globului poate conduce la rezultate nu întotdeauna în concordanŃă cu realitatea.

Figura 6.10 SoluŃia ecuaŃiei pentru scurgerea de suprafaŃă prin metoda SCS; P – precipitaŃiacumulată, PN - precipitaŃia netă cumulată (Chow şi al., 1988).

6. Infiltratia

Documents

Transcript of 6. Infiltratia