مجموعه آموزش هیدرولوژی - روش های حاصل از فرآیند نفوذ :: بیسین - سایت تخصصی مهندسی آب

ابزار وبمستر

Bootstrap Example

عضويت در خبرنامه ايـميـل پايگاه بيسيــن - عضويت پس از کليک بر روي لينک فعال سازي که براي شما ارسال خواهد شد تکميل مي شود




مجموعه آموزش هیدرولوژی - روش های حاصل از فرآیند نفوذ


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
  •  ((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:

  •  ((t شدت نفوذ (mm/h)
  •  i0 شدت اولیه نفوذ (mm/h)
  •  if شدت نهایی نفوذ (mm/h)
  •  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. if 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:

  •  ((t شدت نفوذ [cm.s-1]
  •  S جاذبه [cm.s-1/2]
  •  زمان [s]
  •  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، θi، 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:

  •  ((t شدت نفوذ [mm/h]
  •  I نفوذ تجمعی
  •  زمان [hours]
  •  Kرسانایی هیدرولیکی در حالت اشباع
  •  Hتراز هیدرولیک کل در سطح [mm]
  •  (Hf(t تراز هیدرولیک کل در سطح بالایی اشباع  [mm]
  •  (zf(t عمق بالایی اشباع (عمق آب نفوذی از لحظه آغاز بارندگی) [mm]
  •  hشارژ فشار در سطح [mm]
  •  hفشار 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:

  •  ((t نفوذ تجمعی 
  •  θمحتوای آب در سطح
  •  θi محتوای اولیه آب در خاک است
  •  (zf(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.




×

راهنماي حل مشکل دانلود: با توجه به مسدود شدن درايو گوگل در ايران از آي پي ديگر کشورها براي دانلود فايل ها استفاده کنيد.




سفارش پروژه داريد؟ يا قصد همکاري در انجام پروژه؟ و يا قصد فروش فايل خود؟

با فشردن دکمه زير يکي از بخش هاي "سفارش انجام پروژه" يا "همکاري با بيسين" و يا "فروش فايل" را انتخاب فرماييد




آمار آنلاين-مقايسه اي بارش در حوضه هاي اصلي کشور

منبع: وزارت نيرو - اين نمودار ممکن است براي دقايقي به دليل بروزرساني غير فعال شود



نظرات  (۰)

فرم ارسال نظر

ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.
شما میتوانید از این تگهای html استفاده کنید:
<b> یا <strong>، <em> یا <i>، <u>، <strike> یا <s>، <sup>، <sub>، <blockquote>، <code>، <pre>، <hr>، <br>، <p>، <a href="" title="">، <span style="">، <div align="">

درباره بهترين هاي بيسيـــن بدانيد...

Bird

يکي از مهمترين اهداف اين سايت تهيه آموزش هاي روان از ابزارهاي کاربردي علوم آب است.

اهميت مطالعات محيطي با ابزارهاي نوين در چيست؟

امروز با فارغ التحصيلي جمع کثير دانشجويان سالهاي گذشته و حال، با گذر از کمي گرايي ديگر صرف وجود مدارک دانشگاهي حرف اول را در بازار کار نمي زند؛ بلکه سنجش ديگري ملاک؛ و شايسته سالاري به ناچار! باب خواهد شد. يکي از مهم ترين لوازم توسعه علمي در هر کشور و ارائه موضوعات ابتکاري، بهره گيري از ابزار نوين است، بيسين با همکاري مخاطبان مي تواند در حيطه علوم آب به معرفي اين مهم بپردازد.

جستجو در بيسين


ابزارهاي نوين

بیسین - سایت تخصصی مهندسی آب

بیسین جهت ارائه مطالب و خدمات تخصصی در حیطه نرم افزارها و مدل های شبیه سازی مهندسی آب با رویکرد پژوهشی-آموزشی ایجاد شده است که توسعه خود را در گرو همکاری مخاطبان می بیند.

اطلاعات سايت

  • www.Basin.ir@gmail.com
  • بهزاد سرهادي
  • شناسه تلگرام: SubBasin
  • شماره واتساپ: 09190622992-098
  • شماره تماس: 09190622992-098

W3Schools