Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жер бетіндегі судың топыраққа сіңу процесі
Process by which water on the ground surface enters the soil
Инфильтрация – жер бетіндегі судың топыраққа сіңу процесі. Ол гидрология және топырақ ғылымдарында кеңінен қолданылады. Инфильтрациялық қабілет – инфильтрацияның максималды жылдамдығы ретінде анықталады. Ол көбінесе күніне метрмен өлшенеді, бірақ қажет болған жағдайда уақытқа шаққандағы басқа қашықтық бірліктерінде де өлшенуі мүмкін. Топырақ беткі қабаттарының ылғалдылығы артқан сайын инфильтрациялық қабілет төмендейді. Жауын-шашын мөлшері инфильтрация жылдамдығынан асып кетсе, физикалық кедергі болмаса, су ағып кетеді. Инфильтрометрлер, параметрлер және жауын-шашын симуляторлары – инфильтрация жылдамдығын өлшеуге қолданылатын құралдар. Инфильтрацияға гравитация, капиллярлық күштер, адсорбция және осмос сияқты бірнеше факторлар әсер етеді. Топырақтың көптеген қасиеттері де инфильтрация жылдамдығын анықтауда маңызды рөл атқарады.
Infiltration is the process by which water on the ground surface enters the soil. It is commonly used in both hydrology and soil sciences. The infiltration capacity is defined as the maximum rate of infiltration. It is most often measured in meters per day but can also be measured in other units of distance over time if necessary. The infiltration capacity decreases as the soil moisture content of soils surface layers increases. If the precipitation rate exceeds the infiltration rate, runoff will usually occur unless there is some physical barrier. Infiltrometers, parameters and rainfall simulators are all devices that can be used to measure infiltration rates. Infiltration is caused by multiple factors including; gravity, capillary forces, adsorption, and osmosis. Many soil characteristics can also play a role in determining the rate at which infiltration occurs.
Жауын-шашын
Жауын-шашын инфильтрацияға көптеген жолдармен әсер ете алады. Жауын-шашынның мөлшері, түрі және ұзақтығының барлығы да әсер етеді. Жаңбыр қар немесе қырау сияқты басқа жауын-шашын түрлеріне қарағанда инфильтрация жылдамдығын арттырады. Мөлшері тұрғысынан, жауын-шашын қанша көп болса, топырақ қаныққанға дейін инфильтрация да соғұрлым көп болады, осы кезде инфильтрация қабілетіне жетеді. Жаңбырдың ұзақтығы да инфильтрация қабілетіне әсер етеді. Жауын-шашын басталғанда топырақ қанықпағандықтан инфильтрация жылдам жүреді, бірақ уақыт өте келе топырақ қанығуына байланысты инфильтрация жылдамдығы төмендейді. Жаңбыр мен инфильтрация қабілеті арасындағы осы қатынас қанша су ағып кететінін де анықтайды. Егер жаңбыр инфильтрация қабілетінен жылдамрақ жауса, ағын пайда болады.
Precipitation can impact infiltration in many ways. The amount, type, and duration of precipitation all have an impact. Rainfall leads to faster infiltration rates than any other precipitation event, such as snow or sleet. In terms of amount, the more precipitation that occurs, the more infiltration will occur until the ground reaches saturation, at which point the infiltration capacity is reached. The duration of rainfall impacts the infiltration capacity as well. Initially when the precipitation event first starts the infiltration is occurring rapidly as the soil is unsaturated, but as time continues the infiltration rate slows as the soil becomes more saturated. This relationship between rainfall and infiltration capacity also determines how much runoff will occur. If rainfall occurs at a rate faster than the infiltration capacity runoff will occur.
Топырақ ерекшеліктері
Топырақтың саңылаулылығы инфильтрациялық қабілетті анықтауда маңызды рөл атқарады. Мысалы, сазды топырақ сияқты кіші тесік өлшеміне ие топырақтардың инфильтрациялық қабілеті төмен және инфильтрация жылдамдығы құмды топырақтарға қарағанда баяу. Бірақ, саз құрғақ жағдайда болса, бұл ережеге ерекшелік бар. Мұндай жағдайда топырақта үлкен жарықтар пайда болып, инфильтрациялық қабілет артады. Топырақтың тығыздалуы да инфильтрациялық қабілетке әсер етеді. Топырақтың тығыздалуы топырақтағы саңылаулылықты азайтып, инфильтрациялық қабілетті төмендетеді. Орман өрттерінен кейін гидрофобты топырақтар пайда болуы мүмкін, бұл инфильтрация процесін күрт азайтады немесе толығымен тоқтатады.
The porosity of soils is critical in determining the infiltration capacity. Soils that have smaller pore sizes, such as clay, have lower infiltration capacity and slower infiltration rates than soils that have large pore sizes, such as sands. One exception to this rule is when the clay is present in dry conditions. In this case, the soil can develop large cracks which lead to higher infiltration capacity. Soil compaction also impacts infiltration capacity. Compaction of soils results in decreased porosity within the soils, which decreases infiltration capacity. Hydrophobic soils can develop after wildfires have happened, which can greatly diminish or completely prevent infiltration from occurring.
Топырақтың ылғалдылығы
Суға тоғысып қалған топырақтың қосымша суды сіңіру қабілеті болмайды, демек, инфильтрация қабілетіне жеткен, және осы шектен жылдамдығы арта алмайды. Бұл жер бетінен судың көп ағып кетуіне себеп болады. Топырақ жартылай қаныққан болса, инфильтрация орташа қарқында жүреді, ал толығымен қанықпаған топырақ ең жоғары инфильтрация қабілетіне ие.
Soil that is already saturated has no more capacity to hold more water, therefore infiltration capacity has been reached and the rate cannot increase past this point. This leads to much more surface runoff. When soil is partially saturated then infiltration can occur at a moderate rate and fully unsaturated soils have the highest infiltration capacity.
Топырақтағы органикалық материалдар
Топырақтағы органикалық заттар (оның ішінде өсімдіктер мен жануарлар) инфильтрация қабілетін арттырады. Өсімдіктердің топыраққа енетін тамырлары топырақта жарықтар мен телімдер жасап, судың жылдам сіңуіне және сыйымдылықтың артуына жағдай жасайды. Өсімдіктер топырақтың беткі қабатының тығыздалуын азайтады, соның салдарынан инфильтрация да артады. Егер өсімдік жамылғысы болмаса, инфильтрация деңгейі өте төмен болуы мүмкін, бұл артық су ағынына және эрозияның күшеюіне алып келеді. Жер бетіндегі өсімдік жамылғысы да инфильтрация қабілетіне әсер етеді. Өсімдік жамылғысы жауын-шашынның көбірек тоқтатылуына мүмкіндік береді, бұл жауын қарқындылығын азайтып, су ағынын азайтады және оны көбірек ұстап тұрады. Өсімдіктердің көп болуы буланудың жоғары деңгейіне алып келеді, бұл инфильтрация жылдамдығын төмендетуі мүмкін.
Organic materials in the soil (including plants and animals) all increase the infiltration capacity. Vegetation contains roots that extend into the soil which create cracks and fissures in the soil, allowing for more rapid infiltration and increased capacity. Vegetation can also reduce the surface compaction of the soil which again allows for increased infiltration. When no vegetation is present infiltration rates can be very low, which can lead to excessive runoff and increased erosion levels. Vegetative cover of the land also impacts the infiltration capacity. Vegetative cover can lead to more interception of precipitation, which can decrease intensity leading to less runoff, and more interception. Increased abundance of vegetation also leads to higher levels of evapotranspiration which can decrease the amount of infiltration rate.
Қиғаштық
Жердің еңісі жоғары болғанда, судың ағып кетуі жеңілдеп, инфильтрация деңгейі төмендейді, сондай-ақ бұрын сіңген судың топырақ арқылы беттен алыстауының жылдамдығы да төмендейді. Белгілі бір жағдайда топыраққа судың енуінің ең жоғары деңгейі – инфильтрациялық қабілеттілік деп аталады. Егер топырақ бетіне келіп түскен су мөлшері инфильтрациялық қабілеттіліктен кем болса, онда оны гидрологиялық тасымалдау модельдерімен, яғни инфильтрация, ағып кету және арна ағысын ескеретін математикалық модельдер арқылы талдап, өзен ағысының жылдамдығы мен су сапасын болжауға болады.
When the slope of the land is higher runoff occurs more readily which leads to lower infiltration rates. and the rate at which previously infiltrated water can move away from the surface through the soil. The maximum rate at that water can enter soil in a given condition is the infiltration capacity. If the arrival of the water at the soil surface is less than the infiltration capacity, it is sometimes analyzed using hydrology transport models, mathematical models that consider infiltration, runoff, and channel flow to predict river flow rates and stream water quality.
Зерттеу нәтижелері
Роберт Э. Хортонның пікірінше, дауылдың басында инфильтрация қабілеті тез төмендейді, бірақ кейін шамамен тұрақты мәнге жуықтап, оқиғаның қалған уақытында солай қалады. Бұрын сіңген су қолжетімді кеңістіктерді толтырып, капиллярлық күштерді азайтады, осы күштер суды кеуектің ішіне тартады. Топырақтағы саз бөлшектері ылғалданғанда ісіп, кеуектің өлшемін кішірейтеді. Егер жер орман төсенішінің қабатымен қорғалмаса, жаңбыр тамшылары топырақ бөлшектерін беттен бөліп алып, ұсақ бөлшектерді беткі кеуектің ішіне жуып, инфильтрация процесін қиындатуы мүмкін.
Robert E. Horton suggested that infiltration capacity rapidly declines during the early part of a storm and then tends towards an approximately constant value after a couple of hours for the remainder of the event. Previously infiltrated water fills the available storage spaces and reduces the capillary forces drawing water into the pores. Clay particles in the soil may swell as they become wet and thereby reduce the size of the pores. In areas where the ground is not protected by a layer of forest litter, raindrops can detach soil particles from the surface and wash fine particles into surface pores where they can impede the infiltration process.
Қалдық суды жинау жүйесіне ену
Қалдық суды жинау жүйелері ағынды суларды тазарту қондырғысына жеткізу үшін желілер, түйісулер және көтеру станцияларынан тұрады. Егер осы желілер жарылу, жарық қаналар пайда болу немесе ағаш тамырларының өсуі салдарынан зақымданса, жауын суының немесе жер асты суының ішке сіңуі/ағып кіруі жиі болады. Мұндай жағдай санитарлық кәріздің толып кетуіне немесе тазаланбаған ағынды судың қоршаған ортаға шығарылуына алып келуі мүмкін.
Wastewater collection systems consist of a set of lines, junctions, and lift stations to convey sewage to a wastewater treatment plant. When these lines are compromised by rupture, cracking, or tree root invasion, infiltration/inflow of stormwater often occurs. This circumstance can lead to a sanitary sewer overflow, or discharge of untreated sewage into the environment.
Инфильтрацияны есептеу әдістері
Инфильтрация – жалпы массалық баланстың гидрологиялық бюджетінің құрамдас бөлігі. Топыраққа судың ену көлемін және/немесе жылдамдығын бағалаудың бірнеше тәсілі бар. Жер асты суын біртекті емес топырақ арқылы жер үсті суымен толық байланыстыратын қатаң стандарт – Ричардс теңдеуінің сандық шешімі. Жаңа әдіс, бір өлшемді жер асты суы мен жер үсті суының байланысын біртекті топырақ қабаттарында қамтамасыз етеді және Ричардс теңдеуімен байланысты, – топырақ ылғалдылығы теңдеуінің шекті су құрамы вадозалық аймақ ағыны әдісінің шешімі. Егер топырақтағы бастапқы су мөлшері біркелкі болса және топырақ жақсы кеуекті болса, бір жаңбыр оқиғасы үшін инфильтрациялық ағынды шешуге арналған бірнеше жақсы жуық әдістер бар. Олардың ішінде Грин мен Ампт (1911) әдісі, Parlange және авторлар (1982) әдістері бар. Бұл әдістерден басқа, SCS әдісі, Хортон әдісі сияқты көптеген эмпирикалық әдістер де бар, олар негізінен қисық сызуға негіделген тәжірибелік есептеулер.
Infiltration is a component of the general mass balance hydrologic budget. There are several ways to estimate the volume and/or the rate of infiltration of water into the soil. The rigorous standard that fully couples groundwater to surface water through a non homogeneous soil is the numerical solution of Richards' equation. A newer method that allows 1 D groundwater and surface water coupling in homogeneous soil layers, and that is related to the Richards equation is the Finite water content vadose zone flow method solution of the Soil Moisture Velocity Equation. In the case of uniform initial soil water content and deep well drained soil, there are some excellent approximate methods to solve the infiltration flux for a single rainfall event. Among these are the Green and Ampt (1911) method, Parlange et al. (1982). Beyond these methods there are a host of empirical methods such as SCS method, Horton's method, etc., that are little more than curve fitting exercises.
Ричардс теңдеуі (1931)
Топыраққа су сіңуін есептеудің стандартты, қатаң тәсілі – Ричардс теңдеуі, ол өте сызықтық емес коэффициенттері бар дербес дифференциалдық теңдеу. Ричардс теңдеуін есептеу қиынға түседі, оның сәйкестігі кепілденбесе және кейде масса сақталуымен мәселелер туындайды.
The standard rigorous approach for calculating infiltration into soils is Richards' equation, which is a partial differential equation with very nonlinear coefficients. The Richards equation is computationally expensive, not guaranteed to converge, and sometimes has difficulty with mass conservation.
Шекті сулы вадозалық аймақ ағыны әдісі
Бұл әдіс Ричардстың (1931) топырақ суының диффузиясын азайтатын бөлшектік дифференциалдық теңдеуінің жуықтамасы болып табылады. Бұл, топырақ ылғалдылығы жылдамдығы теңдеуінің адвекцияға ұқсас мүшесінің шешімін, топырақ құраушы қатынастарының ерекше формаларын қолдана отырып, инфильтрацияның дәл талдамалық шешімдерімен салыстыру арқылы анықталды. Нәтижелер көрсеткендей, бұл жуықтама есептелген инфильтрациялық ағынға әсер етпейді, себебі диффузиялық ағын шағын, ал шекті сулылықтағы қаныққан аймақ ағыны әдісі – теңдеудің дұрыс шешімі болып табылады. Бұл әдіс үш қарапайым дифференциалдық теңдеулер жиынтығынан тұрады, конвергенцияға кепілдік береді және массаны сақтайды. Ол ағынның тек тік бағытта (бір өлшемді) және топырақ қабаттарында біртекті болатыны туралы болжамды талап етеді.
This method is an approximation of Richards' (1931) partial differential equation that de emphasizes soil water diffusion. This was established by comparing the solution of the advection like term of the Soil Moisture Velocity Equation and comparing against exact analytical solutions of infiltration using special forms of the soil constitutive relations. Results showed that this approximation does not affect the calculated infiltration flux because the diffusive flux is small and that the finite water content vadose zone flow method is a valid solution of the equation is a set of three ordinary differential equations, is guaranteed to converge and to conserve mass. It requires the assumption that the flow occurs in the vertical direction only (1 dimensional), and that the soil is uniform within layers.