Univesitatea “Politehnica” Bucureşti

Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor

~ Dinamica poluanţilor ~

Referat de laborator

Profesor:

Studenţi:

Bucureşti, 2009

Tema:

Determinarea vitezei medii de infiltraţie a apei în solurile nisipoase

Determinarea vitezei medii de infiltratie a apei in solurile nisipoase

1. Infiltrabilitatea şi infiltraţia totală

Intre sol si atmosferă au loc schimburi regulate sub formă de : - aporturi intermitente datorate precipitaţiilor şi irigaţiilor; - evaporaţie şi evapotranspiraţie (acestea au un regim variabil în funcţie de intensitatea

radiaţiilor, temperatură şi de umiditatea relativă a aerului). Apa se deplasează continuu fie spre suprafaţă (urcă) unde se evaporă sau este absorbită

de rădăcini, fie spre pânza freatică (coboară). Apa poate urca dinspre pânza freatică prin capilaritate.

Vom numi infiltraţie pătrunderea apei în sol, prin traversarea suprafeţei solului. Procesul de pătrundere a apei în sol va fi caracterizat de:

- regimul de alimentare (ploaie, irigaţii), - regimul de infiltraţii (fluxul maxim pe care solul poate să îl absoarbă la suprafaţă.Regimul de infiltraţie este caracterizat de capacitatea de infiltraţie(infiltrabilitatea).Există două situaţii: a) regimul de alimentare < regimul de infiltraţie: În acest caz solul nu ajunge la saturaţie, la suprafaţă şi toată apa se infiltrează în sol

(infiltraţie sub flux = intensitatea ploii) b) regimul de alimentare > regimul de infiltraţie. Solul nu poate absorbi toată cantitatea de apă căzută. Apa în exces se acumulează la

suprafaţă sau formează curgerea de suprafaţă. Infiltraţia se face sub sarcină(la capacitate) şi solul este saturat, la suprafaţă.

Fig. 1. Variaţia infiltrabilităţii în timpul unei ploi

Fig. (1) reprezintă variaţia infiltrabilităţii “i”în timpul unei ploi. Scăderea infiltrabilităţii “i” se datorează pe de o parte micşorării gradientului de sucţiune şi pe de altă parte modificării proprietăţilor solului (degradarea structurii, formarea unei cruste la suprafaţă, migrarea particulelor, umflarea argilelor, înglobarea bulelor de aer).

Fig 2. Variaţia infiltraţiei totale

Infiltraţia cumulată I va tinde către o valoare maximă. Forţele ce provoacă infiltraţia provin din combinaţia gradienţilor de sucţiune şi

gravitaţie. Pe măsură ce frontul de umiditate pătrunde mai profund, gradientul mediu de sucţiune scade (diferenţa de sucţiune între suprafaţă şi zona uscată se repartizează pe o distanţă crescătoare). După un timp gradientul de sucţiune devine neglijabil în partea superioară a profilului iar gradientul gravitaţional rămâne singura forţă motrice). Legea lui Darcy devine:

pentru ca iar (la saturaţie)

2 Modele empirice şi semiempirice de apreciere a infiltraţiei

1. Modelul empiric Kostiakov

deci modelul nu este util pentru infiltraţia verticală.

2. Modelul empiric Horton

Fig. 3.

3. Modelul semiempiric Green şi Ampt

Se poate utiliza pentru soluri grosiere, iniţial puţin umede, în care frontul de umezire este foarte bine definit (fig. 4). Modelul este valabil în următoarele ipoteze:

- în zona de transmisie, este presupus constant şi egal cu (conţinutul volumic de umezeală la saturaţie) şi K = Ks;

- = constant; - frontul de umiditate abrupt (orizontal); - sarcina de presiune pe frontul hf este constantă, indiferent de poziţia frontului; - deplasarea apei este asemănătoare cu aceea de sub influenţa mişcării unui piston (efect piston).

Fig 4 Înaintarea frontului de umiditate

Dacă un sol omogen este supus, la suprafaţă la o sarcină constantă h0> 0

Prin integrarea ecuaţiei (5) se obţine relaţia dintre zf şi t.

4. Modelul semiempiric al lui Philip,

reprezintă o integrare semianalitică a ecuaţiei lui Richards pentru cazul unidimensional, vertical. Această ecuaţie este puternic neliniară şi nu poate fi integrată analitic decât în anumite condiţii restrictive.

Philip (1957) a arătat că pentru faza iniţială de infiltraţie, soluţia ecuaţiei:

în condiţii de sarcină impusă pe frontieră, ia forma unei dezvoltări în serie:

Funcţia reprezintă înaintarea verticală în timp, a unui conţinut volumic de apă . Coeficienţii sunt soluţii ale unui sistem de ecuaţii diferenţiale.

unde coeficientii sunt dati de ecuatiile:

cu :

si cu relatiile :

În [Vauclin 1979] este dată rezolvarea semianalitică a acestei probleme precum şi programul de calcul în limbaj FORTRAN. Dacă reducem cei patru termeni ai ecuaţiei (4.68) la doi [Mermoud, 1996].

S conţine atât influenţa sucţiunii cât şi a conductivităţii. S şi A se determină prin încercări de infiltraţie. Ele depind de sol şi de starea de umiditate iniţială.

Pentru valori mari ale timpului: - rata de infiltraţie tinde spre o constantă egală cu valoarea K( ), (în general diferă de

A), i tinde spre K( ). - frontul înaintează păstrându-şi forma- viteza de înaintare a frontului tinde spre o valoare dată:

În cazul unei infiltraţii orizontale:

S poate fi determinat ca panta funcţiei Vi=-K/*dh/dl - viteza de infiltratie in mediul porosDh/dl - gradient hydraulic

In tabelul nr.1 sunt prezentati factorii care induc sensibilitate la transferul fertilizantilor în

circuitul apei:

FactorRisc

Fenomen de luat în considerare Observaţii

Permeabilitatea stratului

infiltraţie Acest factor se referă la sensibilitatea substratului geologic faţă de infiltraţiaapelor în profunzime spre

straturile acvifere.

Sunt substraturi permeabile

şi substraturi impermeabile

Extinderea maselor de ape

subterane

Infiltraţie Cunoaşterea extinderii maselor de ape valorificate integru în

tratamentele maiimportante ale terenurilor

situate în siguranţă de această sursă.

Entităţi geologice

Infiltraţie Identificarea entităţilor geologice permite de a lua în seamă

infiltraţia în apelesubterane profunde poluate pe

calea scurgerii la apariţia surselor.

Formaţii extinseFormaţii mai puţin extinse

Grosimeaformaţiunilor

deacoperire

Infiltraţie Acest factor informeazăasupra sensibilitătii lainfiltrare şi deci asupra

potenţialului de transfer spremasele de apă acvifere.

Formaţiuni groase

Formaţiuni mai puţin groase

Textura de suprafaţa

Infiltraţie şi şiroire

Cunoaşterea texturii desuprafaţă ţine seamă decomportamentul solurilor

vis a vis de scurgerile prin şiroire( soluri umede) sau de infiltraţie

( soluri nisipoase).

NoroioasăArgiloasăNisipoasăEchilibrată

Ocuparea solului

Infiltraţie şi şiroire

Ocuparea solului este o descriere care asociază terenului o utilizare

şi o listăa fertilizanţilor utilizaţi.

Ocuparea solului permite astfel localizarea surselor de

Ocupareasolurilor

descrisă de10 staţii

obţinute prin fotointerpretare

poluare difuză.

Panta solurilor

Scurgeriprin şiroire

Efectul înclinării terenuluiasupra scurgerilor prin şiroire

Mai mică de 1%Între 1 si 5%

Îndepărtarea de

reţeaua de talveg

Scurgeriprin siroire

Reţeaua de talveg este calculată începând cu modelul numeric al

terenului.Luarea în seamă a proximităţii

imediate a acestei reţele( distanţa inferioară fata de 100m) identifică terenurile

asociate ca potenţial de risc similar cu scurgerile prin

şiroire difuză foarte slabă.

Mai puţin de 100 m

Mai mult de 100 m.

Diferenţiereatexturală

Scurgeriprin şiroire

Diferenţierea texturală esteutilizată pentru identificarea

solurilor care prezintă oruptură de permeabilitate.

Această discontinuitateverticală a texturii provoacă o

circulaţie suborizontalăplanşeului orizontal

permeabil. Acest fenomen setraduce prin şiroire

hipodermică care provoacătransferul fertilizanţilor

prezenţi pe sol spre apele desuprafaţă.

Prezenţa sau absenţa

acestui fenomen

Hidromorfologia

solurilor

Scurgeriprin şiroire

Hidromorfologia esteasimilată pentru a lua înseamă solurile a căror

saturatie este rapidă în perioada ploilor prelungite.Aceste soluri se

caracterizează prin şiroiri desuprafaţă ca urmare a

refuzului infiltrării induse desaturaţia rezervei utile.

Sol sănătosSol mediu hidromorf

Sol hidromorf

Orientarea lucrărilor

solurilor şi arândurilor

Scurgeriprin şiroire

Orientarea lucrărilor solului( arături şi însămânţări) sau a

rândurilor(în cazul culturilor

perene ) în raport cu pantainfluenţează modalitatea de

Perpendiculară cu panta

Paralelă cu panta

În unghi de45O / panta.

concentrare a şiroirii.

Valorile din tabel sunt recomandate de INMH, în “Îndrumar privind metodologia de centralizare şi prelucrare a datelor provenite din reţeaua hidrogeologică”.

Roca acviferului I0

Roci foarte permeabile 0,003 – 0,006

Nisipuri grăunţoase până la nisipuri mărunte 0,006 – 0,020

Nisipuri fine până la nisipuri argiloase 0,020 – 0,050

Roca acviferului Conductivitate hidraulică K

(m/zi)

Raza de influenţăR (m)

Granulometrie uniforma

Nisipuri argiloase 0,5 – 1 65Nisipuri fine 1,5 – 5 65

Nisipuri argiloase cu granule mici

10,0 – 15 75

Nisipuri cu granule mici 20,0 – 25,0 75Nisipuri argiloase cu

granule mijlocii20,0 – 25,0 100

Nisipuri cu granule mijlocii

35,0 – 50,0 100

Nisipuri argiloase cu granule mari

35,0 – 40,0 100

Nisipuri cu granule mari 60,0 – 75,0 125Pietrisuri 100,0 – 125,0 150

Granulometrie neuniforma

Nisipuri eterogene si mici

5 – 20 80 – 150

Pietrisuri sau galeti cu elemente fine

20 – 60 200 – 300

Pietrisuri sau galeti fara elemente fine, nisipuri

grosiere si medii

60 150 – 250

Roci putin fisurate 20 – 60 150 – 250

Roci fisurate 60 ≥ 500