Infiltration: Indizes und Messung der Infiltration (mit Diagramm)
In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Indizes und die Messung der Infiltration.
Infiltrationsindizes:
Verschiedene Infiltrationsindizes geben die Infiltrationsraten auf unterschiedliche Weise an, um die Beurteilung des Wasserverlusts durch Infiltration zu erleichtern.
Die wichtigsten unter ihnen sind die folgenden:
(i) Infiltrationskapazität:
Dies ist die maximale Rate, mit der Wasser zu einem bestimmten Zeitpunkt unter den gegebenen Bedingungen durch die Bodenoberfläche eindringen kann. Inzwischen ist klar, dass die tatsächliche Infiltrationsrate geringer ist als die Infiltrationskapazität, es sei denn, die nach Niederschlagung des Bodens (dh Abfangen + Speichern) erlangte Nettoniederschlagsrate ist gleich oder größer als die Infiltrationskapazität. Die Infiltrationskapazität nimmt weiter ab, wenn das Bodenprofil gesättigt ist. Wie bei der Infiltration hängt die Infiltrationskapazität auch vom Bodentyp, dem Feuchtigkeitsgehalt, der im Boden vorhandenen organischen Substanz, der Vegetation und der Jahreszeit ab.
Horton gab den folgenden mathematischen Ausdruck, um den Wert der Infiltrationskapazität jederzeit herauszufinden:
fp = fc + ( fo - fc) e- Kt
Wo f p die Infiltrationskapazität ist.
f o ist die Infiltrationsrate zu Beginn eines Sturms.
f c ist eine konstante Infiltrationsrate, die erreicht wird, wenn das Bodenprofil gesättigt ist.
e ist Basis natürlicher Logarithmen (napierianische Basis).
t ist die Zeit vom Beginn des Niederschlags und K ist eine Konstante. Es sei daran erinnert, dass diese Gleichung nur angewendet werden kann, wenn die Nettoniederschlagsmenge, die die Oberfläche erreicht, mehr als die Infiltrationskapazität während des Unwetters beträgt.
(ii) Index Index:
Der ф-Index ist der Teil der durchschnittlichen Niederschlagsrate während eines Sturms, der durch die Abfangprozesse, die Lagerung der Depression und die Infiltration zusammen verloren geht. Sie kann daher als die durchschnittliche Niederschlagsrate während eines Unwetters definiert werden, ab der die Menge des verbleibenden Niederschlags der Menge des direkten Oberflächenabflusses entspricht. Der Index kann aus einem Hyetographen (Zeitverlauf in Abhängigkeit von der Niederschlagsintensität) des Sturms so berechnet werden, dass das Regenmengenvolumen, das über dieser Rate liegt, dem Volumen des Sturmabflusses entspricht. Abb. 3.2.
Wenn die Niederschlagsintensität während des Sturms gleich oder größer als der Index ist, stellt der Index die Wiederaufladung des Beckens dar, da der Index die Summe der Infiltration, des Abfangens und der Speicherung der Depression darstellt.
(iii) W-Index:
Dieser Index gibt die durchschnittliche Infiltrationsrate für den Zeitraum des Sturmniederschlags an, während der die Niederschlagsintensität größer als W ist. Es kann also eine Verfeinerung über den Index angegeben werden, der neben der Infiltration auch Abfangen und Speichern der Depression einschließt.
Der W-Index kann aus der folgenden Gleichung erhalten werden:
W = PQS / t
Woher
W ist die durchschnittliche Infiltrationsrate
P ist der Gesamtsturmregen entsprechend t
Q ist totaler Sturm.
t ist die Zeit, in der die Niederschlagsintensität größer als W und ist
S ist eine effektive Oberflächenretention.
W = eine durchschnittliche Retentionsrate
Wo Aufbewahrung Abfangen und Ablagern von Depressionen beinhaltet
Für alle praktischen Zwecke kann der Index als durchschnittliche Infiltrationsrate bezeichnet werden. Da n und Indices von einer durchschnittlichen Infiltrationsrate ausgehen, die tatsächlich geringer ist als die anfängliche Infiltrationsrate und mehr als die ultimative Infiltrationsrate, ist ihr Nutzen auf große Stürme beschränkt, die Hochwasser erzeugen.
Solche Stürme treten im Allgemeinen auf nassem Boden auf, und Stürme sind von solcher Intensität und Dauer, dass die Infiltrationsrate für einen ganzen Sturm oder eine Majoritätsperiode des Sturms nahezu konstant sein könnte. Offensichtlich sind für kurze isolierte Stürme die Indizes und W nicht nützlich.
Problem:
Ein Einzugsgebiet hat ein Einzugsgebiet von 0, 5 km 2 .
Auf dem Becken ist ein fünfstündiger Sturm mit folgenden Niederschlagsintensitäten aufgetreten:
Das Volumen des direkten Oberflächenabflusses, das als Ergebnis dieses Sturms am Auslass des Beckens beobachtet wurde, betrug 0, 232 cca-day.
Berechnen Sie den Index für das Becken.
Lösung:
Schritt 1:
Mit den angegebenen Daten kann der Regenhyetograph wie in Abb. 3.3 dargestellt gezeichnet werden.
Die Linie XX zeigt die durchschnittliche Infiltrationsrate und die Oberflächenretention zusammen, dh der Index.
Wir müssen den Wert von ф herausfinden.
Schritt 2:
Von dem angegebenen Hyetographen beträgt der gesamte Niederschlag in 5 Stunden Sturm 60 mm.
Abb. 3.3
Schritt 3:
Gesamtvolumen des direkten Oberflächenabflusses = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20.045 m 3 .
Schritt 4:
Nach Definition des Index ist der Anteil der durchschnittlichen Niederschlagsmenge, ab dem das verbleibende Niederschlagsvolumen dem Abflussvolumen entspricht.
Wasservolumenverlust = (Gesamtniederschlagsmenge) - (Gesamtablaufvolumen) dh (Infiltration + Rückhaltung)
= 30.000 - 20.045 = 9955 m 3
Als Wassertiefe über dem Becken = 9955 / (0, 5 × 10 6 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.
n Index = 3, 98 mm.
Messung der Infiltration:
Die Infiltration kann auf zwei Arten gemessen werden:
1. Indirekte Methoden:
Sie beinhalten das künstliche Auftragen von Wasser über einen Probenbereich. Der für diesen Zweck verwendete Mechanismus wird als Infiltrometer bezeichnet. Es gibt zwei Arten von Infiltrometern, nämlich Überflutungstyp und Regensimulatoren.
(a) Infiltrometer vom Typ Hochwasser
Es besteht aus ca. 25 cm Durchmesser, 50 bis 65 cm langen Zylindern. Der Zylinder ist bis zu einer Tiefe von 40 bis 50 cm in den Boden versenkt. Das Wasser wird dann durch abgestufte Büretten aufgebracht, um einen konstanten Wasserstand aufrechtzuerhalten. Die auf der Bürette abgelesenen Werte in einem festgelegten Zeitintervall geben die Rate und die Menge des in den Boden eindringenden Wassers an. Um den Effekt von umgebendem trockenem Boden auf dem Infiltrometer zu beseitigen, werden manchmal zwei konzentrische Ringe derselben Größe und eines anderen größeren Durchmessers, dh 35 cm, in den Boden versenkt.
Diese Ringe sind jedoch auf eine minimale Tiefe abgesenkt, die gerade erforderlich ist, um ein Auslaufen der Ringe zu vermeiden. Der Raum zwischen den beiden Ringen ist auf zwei Ebenen gefüllt und wird durch zwei verschiedene Büretten konstant gehalten. Die Bürettenablesung, die den inneren Ring speist, ergibt die Infiltrationsrate und -menge. Diese Methode wird jetzt durch den Regensimulator ersetzt.
(b) Regensimulator:
Bei dieser Methode werden spezielle Sprinkler an beiden Seiten einer 2 x 4 m großen experimentellen Zeichnung montiert. Die Düse dieser Sprinkler lenkt den Wasserstrahl geneigt, um die Parzelle vollständig zu bedecken und eine Höhe von etwa 2 m über dem Boden zu erreichen. Diese Anordnung gewährleistet die Anwendung von Wasser in Form von wahrscheinlichen Niederschlägen.
Die Intensität des simulierten Niederschlags kann durch Schließen und Öffnen der Düsen geändert werden. Das Infiltrometer arbeitet mit einem so genannten Niederschlagskalibrierungslauf. Für diesen Lauf wird ein Kunststoff oder ein Blech über die Parzelle gelegt, damit das Wasser, das den Boden erreicht, ohne Wasserverlust gemessen werden kann. Dies gibt die durchschnittliche Niederschlagsrate an.
Danach beginnt der Testlauf. Dieser Lauf darf fortgesetzt werden, bis der Abfluss konstant ist. Die Differenz zwischen simulierter Niederschlagsrate und gemessener Abflussrate ergibt den Wert von fc (fc ist die konstante Infiltrationsrate, die sich nach der Sättigung des Bodens durchgesetzt hat). Um den Randeffekt zu vermeiden, wird ein rund 0, 5 m breiter Streifen rundherum separat mit Wasser besprüht.
Diese Methode hat die folgenden Nachteile:
(i) Es ist schwierig, die Größe von Regentropfen zu simulieren.
(ii) Die Fallgeschwindigkeit, die durch die Wassertropfen erreicht wird, repräsentiert keine korrekten Niederschlagsbedingungen.
(iii) Der Versuchswert der Infiltrationsrate ist tendenziell höher als der unter natürlichen Bedingungen erreichte Wert.
(iv) Die Infiltrometerwerte können nur zur Berechnung des Abflusses aus einer kleinen Wasserscheide verwendet werden, nur aufgrund der begrenzten Fläche, in der die Infiltrationsrate berechnet wurde.
2. Direkte Methode:
Es besteht aus der Analyse des Abfluss-Hydrographen, der aus einem natürlichen Niederschlag in einem betrachteten Becken resultiert.
Messung der Infiltration durch Hydrograph-Analyse:
Die theoretische Analyse des Abfluss-Hydrographen hat den Vorteil, dass das Niederschlagsmuster, die Länge des Überlandflusses, die Neigung des Beckens, der Bodentyp, die Vegetationsbedeckung, die Lagerung der Depressionen und die Oberflächenlagerung berücksichtigt werden, da sie dazu neigen, in der Realität aufzutreten.
Auf einer großen Wasserscheide ist die Niederschlagsverteilung im Allgemeinen jedoch nicht im Detail bekannt, um langwierige theoretische Methoden der Hydrographanalyse zu rechtfertigen. Für die praktische Anwendung ist es zweckmäßig, die Duschen jedes Sturmniederschlags in eine Reihe von Blöcken zu unterteilen und die resultierende Abfluss-Hydrographie unabhängig voneinander zu berücksichtigen, indem die Rezessionskurven verschoben oder die durchschnittliche Infiltrationsrate berechnet wird.
Die Analyse kann in folgenden Schritten durchgeführt werden (siehe Abb. 3.4):
ich. Zeichnen Sie auf derselben Parzelle den Regen-Hyetographen und den Abfluss des Abflusses für den Sturm im Becken.
ii. Trennen Sie jeden Regenschauer.
iii. Trennen Sie jeden Abfluss-Hydrographen von den nachfolgenden, indem Sie die Rezessionskurven verschieben.
iv. Basisstrom vom Gesamtstrom abziehen.
v. Für jeden Anstieg Sturmabfluss erhalten.
vi. Wählen Sie die Dauer des Niederschlagsüberschusses (T e ) durch Überprüfung des Hyetographen und des Hydrographen.
vii. Zeichnen Sie Massenkurven des Niederschlags auf und erhalten Sie kumulierte Niederschlagswerte (Pw 1, Pw 2, Pw 3 usw.).
viii. Zeichnen Sie die Massenkurven des direkten Sturmabflusses auf und erhalten Sie kumulative Abflusswerte (Qs 1, Qs 2, Qs 3 usw.).
ix. Berechne die Differenz des kumulierten Niederschlags und des kumulierten Abflusses (P w - Q s ), die die Gesamtinfiltration F ergibt.
x. Teilen Sie die Gesamtinfiltration durch die Dauer des Niederschlagsüberschusses (Te), um die durchschnittliche Infiltrationsrate für diese Dusche oder den Block des Sturms zu erhalten.
Eignung der Methode der Infiltrationsmessung:
Die verschiedenen Messmethoden für die direkte und indirekte Infiltration können nicht auf alle Wasserscheidengrößen mit ausreichender Genauigkeit angewendet werden, um den resultierenden Abfluss zu bewerten.
Die gängigsten Methoden für verschiedene Wasserscheidengrößen sind folgende:
(i) kleine Wasserscheiden:
Bei kleinen Wasserscheiden liefern die Infiltrometerwerte und die Analysemethode des Sturm-Hydrographen zufriedenstellende Ergebnisse.
(ii) große Wasserscheiden:
Bei großen Wassereinzugsgebieten wird es als zweckmäßig erachtet, Standardkurven für die Infiltrationsrate zu entwickeln, indem die Anzahl der Stürme in einem typischen Wassereinzugsgebiet unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Landnutzung untersucht wird. Eine andere Methode von praktischer Bedeutung ist in beiden Fällen die Verwendung eines Index, der die durchschnittliche Rate während des Unwetters ergibt. Es eignet sich gut für die Abschätzung des Spitzenabflusses eines heftigen Sturms auf nassen Böden.
