Infiltrazione: indici e misurazione dell'infiltrazione (con diagramma)
Leggi questo articolo per conoscere gli indici e le misure di infiltrazione.
Indici di infiltrazione:
Vari indici di infiltrazione forniscono tassi di infiltrazione in diversi modi per aiutare la valutazione dell'acqua persa a causa di infiltrazioni.
L'importante tra loro sono i seguenti:
(i) Capacità di infiltrazione:
È il tasso massimo al quale l'acqua può entrare attraverso la superficie del suolo in un particolare punto del tempo sotto il dato insieme di condizioni. Ormai è chiaro che il tasso effettivo di infiltrazione sarà inferiore alla capacità di infiltrazione a meno che il tasso di precipitazioni nette che raggiunge il suolo dopo aver soddisfatto la ritenzione (cioè, intercettazione + deposito della depressione) sia uguale o superiore alla capacità di infiltrazione. La capacità di infiltrazione continua a diminuire man mano che il profilo del suolo si satura. Come l'infiltrazione, la capacità di infiltrazione dipende anche dal tipo di suolo, dal contenuto di umidità, dalla materia organica presente nel terreno, dalla copertura vegetale e dalla stagione.
Horton ha dato la seguente espressione matematica per scoprire il valore della capacità di infiltrazione in qualsiasi momento:
f p = f c + (f o - f c ) e- Kt
Dove f p è la capacità di infiltrazione.
f o è il tasso di infiltrazione all'inizio della tempesta.
f c è la velocità di infiltrazione costante che viene raggiunta dopo che il profilo del suolo si è saturato.
e è la base dei logaritmi naturali (base napieriana).
t è il tempo dall'inizio delle precipitazioni e K è una costante. Si può ricordare che questa equazione può essere applicata solo quando il tasso di pioggia netta che raggiunge la superficie è più che la capacità di infiltrazione durante le precipitazioni piovose.
(ii) Indice ф:
L'indice ф è quella porzione del tasso medio di precipitazioni durante ogni tempesta che viene persa dai processi di intercettazione, deposito della depressione e infiltrazione presi insieme. Può quindi essere definito come il tasso di precipitazioni medie durante qualsiasi tempesta oltre il quale il volume delle precipitazioni residue è uguale al volume del deflusso superficiale diretto. L'indice può essere calcolato da un hyetograph (tempo rispetto all'intensità del grafico delle precipitazioni) della tempesta in modo tale che il volume delle precipitazioni superiore a tale velocità sia uguale al volume del deflusso della tempesta. Fig. 3.2.
Se l'intensità della pioggia durante la tempesta rimane uguale o maggiore dell'indice ф, l'indice ф rappresenta la ricarica del bacino poiché l'indice ф rappresenta la somma totale di infiltrazione, intercettazione e deposito della depressione.
(iii) Indice W:
Questo indice fornisce il tasso medio di infiltrazione per quel periodo di tempo delle piogge durante le quali l'intensità delle precipitazioni è maggiore di W. Quindi si può dire che si tratta di un raffinamento dell'indice che oltre all'infiltrazione comprende anche l'intercettazione e la conservazione della depressione.
L'indice W può essere ottenuto dalla seguente equazione:
W = PQS / t
Dove
W è il tasso medio di infiltrazione
P è una pioggia totale di pioggia corrispondente a t
Q è il deflusso totale della tempesta.
t è il tempo durante il quale l'intensità della pioggia è maggiore di W e
S è efficace ritenzione della superficie.
W = ф tasso medio di ritenzione
Dove la conservazione include l'immagazzinamento di intercettazione e depressione.
Per tutti gli scopi pratici ф indice può essere preso per rappresentare il tasso medio di infiltrazione. Poiché ф e gli indici assumono un tasso medio di infiltrazione che in realtà è inferiore al tasso di infiltrazione iniziale e più che il tasso di infiltrazione finale, la loro utilità è limitata alle principali tempeste di produzione di piena.
Tali tempeste si verificano generalmente sul suolo umido e le tempeste sono di tale intensità e durata che il tasso di infiltrazione potrebbe essere quasi considerato costante per un'intera tempesta o per un periodo di tempesta di maggioranza. Ovviamente per brevi tempeste isolate gli indici ф e W non sono utili.
Problema:
Un bacino idrografico ha un bacino idrografico di 0, 5 km 2 .
Una tempesta di cinque ore si è verificata nel bacino con le seguenti intensità di pioggia:
Il volume di ruscellamento superficiale diretto osservato come risultato di questa tempesta all'uscita del bacino è stato di 0, 232 giorni al giorno.
Calcola l'indice ф per il bacino.
Soluzione:
Passo 1:
Utilizzando i dati forniti dall'iograph della pioggia è possibile disegnare come mostrato in Fig. 3.3.
La linea XX mostra il tasso medio di infiltrazione e ritenzione della superficie insieme, cioè, indice.
Dobbiamo scoprire il valore di ф.
Passo 2:
Dalla data dell'iquografo la pioggia totale in una tempesta di 5 ore è di 60 mm.
Fig. 3.3
Passaggio 3:
Volume totale del deflusso superficiale diretto = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20, 045 m 3 .
Passaggio 4:
Dalla definizione dell'indice ф è quella porzione del tasso medio di precipitazioni al di sopra del quale il volume delle precipitazioni residue è pari al volume del deflusso.
Volume di acqua persa = (Volume totale delle precipitazioni) - (Volume totale di deflusso), ovvero (infiltrazione + ritenzione)
= 30.000 - 20.045 = 9955 m 3
Come profondità d'acqua sopra il bacino = 9955 / (0, 5 × 10 6 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.
indice ф = 3, 98 mm.
Misurazione dell'infiltrazione:
L'infiltrazione può essere misurata con due metodi:
1. Metodi indiretti:
Implicano l'applicazione artificiale di acqua su un'area campione. Il meccanismo utilizzato per lo scopo è chiamato infiltrometro. Esistono due tipi di infiltrometro, tipo di allagamento e simulatori di pioggia.
(a) infiltrometro di tipo Flood:
È costituito da un cilindro di circa 25 cm di diametro dal 50 al 65 cm di lunghezza. Il cilindro viene affondato nel terreno ad una profondità di 40-50 cm. L'acqua viene quindi applicata attraverso burette graduate per mantenere una costante d'acqua. Le letture sulla buretta a intervalli di tempo fissi forniscono la velocità e la quantità di acqua infiltrata nel terreno. Per eliminare l'effetto del terreno asciutto circostante sull'infiltrometro, a volte due anelli concentrici, uno delle stesse dimensioni e un altro diametro più grande, dicono che 35 cm sono affondati nel terreno.
Questi anelli, tuttavia, sono affondati fino a una profondità minima necessaria solo per evitare perdite dagli anelli. Lo spazio tra entrambi gli anelli viene riempito allo stesso livello e mantenuto a livello costante da due diverse burette. La lettura della buretta che alimenta l'anello interno dà velocità e quantità di infiltrazione. Questo metodo è ora sostituito dal simulatore di pioggia.
(b) Simulatore di pioggia:
In questo metodo gli sprinkler speciali sono montati su entrambi i lati di una trama sperimentale di 2 mx 4 m. L'ugello di questi irrigatori dirige lo spruzzo di acqua in modo inclinato per coprire completamente la trama e raggiungere un'altezza di circa 2 m dal suolo. Questa disposizione garantisce l'applicazione di acqua sotto forma di precipitazioni probabili.
L'intensità delle precipitazioni simulate può essere modificata chiudendo e aprendo gli ugelli. L'infiltrometro inizia a lavorare con quella che viene chiamata una corsa di calibrazione delle precipitazioni. Per far ciò, una placca di plastica o di metallo viene posizionata sul terreno in modo che tutta l'acqua che raggiunge il suolo possa essere misurata senza perdita d'acqua. Questo dà il tasso medio di pioggia.
Dopo questo inizia la corsa di prova. Questa corsa può continuare fino a quando il deflusso diventa costante. La differenza tra il tasso di pioggia simulato e il tasso di deflusso misurato fornisce il valore di fc (fc è il tasso di infiltrazione costante che si è stabilito dopo che il terreno è saturo). Per eliminare l'effetto del bordo di circa 0, 5 m di larghezza, la trama viene spruzzata anche separatamente con acqua.
Questo metodo presenta i seguenti inconvenienti:
(i) È difficile simulare le dimensioni delle gocce di pioggia.
(ii) La velocità di caduta raggiunta dalle gocce d'acqua non rappresenta le condizioni corrette di pioggia.
(iii) Il valore dell'esperimento del tasso di infiltrazione tende ad essere più alto di quello ottenuto in condizioni naturali.
(iv) I valori infiltrometrici possono essere utilizzati per calcolare il deflusso da un piccolo spartiacque solo a causa della limitata area su cui è stata calcolata la velocità di infiltrazione.
2. Metodo diretto:
Consiste nell'analisi dell'idrografo di dilavamento derivante da una pioggia naturale su un bacino in esame.
Misurazione dell'infiltrazione mediante analisi idrografica:
L'analisi teorica dell'idrogramma di dilavamento ha il vantaggio di prendere in considerazione il modello delle piogge, la lunghezza del flusso terrestre, la pendenza del bacino, il tipo di suolo, la copertura vegetativa, lo stoccaggio della depressione, la detenzione della superficie in quanto tendono a verificarsi in tempo reale.
Tuttavia, su una vasta distribuzione spartiacque delle precipitazioni non è generalmente noto in dettaglio per garantire laboriosi metodi teorici di analisi idrografica. Per l'applicazione pratica è conveniente separare le piogge di ogni tempesta di pioggia in una serie di blocchi e considerare l'idrogramma di deflusso risultante indipendentemente trasponendo le curve di recessione o calcolando il tasso medio di infiltrazione.
L'analisi può essere fatta nei seguenti passaggi (Vedi Fig. 3.4):
io. Disegna l'ietogramma delle piogge e l'idrogramma del deflusso sullo stesso appezzamento per la tempesta nel bacino.
ii. Separa ogni acquazzone della tempesta.
iii. Separare ciascun idrogramma di deflusso da quello successivo trasponendo le curve di recessione.
iv. Deriva il flusso base dal flusso totale.
v. Ottenere lo scolo della tempesta per ogni aumento.
VI. Selezionare la durata dell'eccesso di precipitazione (T e ) mediante ispezione di hyetograph e hydrograph.
vii. Tracciare le curve di massa delle precipitazioni e ottenere i valori cumulativi delle precipitazioni (Pw 1, Pw 2, Pw 3 ecc.).
viii. Traccia le curve di massa del deflusso diretto della tempesta e ottieni i valori di deflusso cumulativo (Qs 1, Qs 2, Qs 3 ecc.).
ix. Calcola la differenza tra pioggia cumulata e deflusso cumulativo (P w - Q s ) che fornisce l'infiltrazione totale F.
X. Dividere l'infiltrazione totale per durata dell'eccesso di pioggia (Te) per ottenere un tasso di infiltrazione medio per quella doccia o blocco della tempesta.
Idoneità del metodo di misurazione dell'infiltrazione:
I vari metodi di misurazione delle infiltrazioni dirette e indirette non possono essere utilizzati su tutte le dimensioni dei bacini idrografici con sufficiente precisione per valutare il deflusso risultante.
I metodi comunemente adottati su varie dimensioni dei bacini idrografici sono i seguenti:
(i) Piccoli acquiferi:
Sui valori infiltrati di piccoli bacini idrografici e il metodo di analisi dell'idrogramma tempesta fornisce risultati soddisfacenti.
(ii) Grandi bacini idrici:
In caso di grandi bacini idrografici si ritiene opportuno sviluppare curve standard di infiltrazione valutando il numero di tempeste su uno spartiacque rappresentativo tipico considerando diversi usi del suolo. Un altro metodo di importanza pratica in entrambi i casi è l'adozione dell'indice ф che fornisce un tasso medio durante la tempesta. È adatto per stimare il picco di deflusso da una grande tempesta su terreni bagnati.
