Введение

Процесс, при котором вода с поверхности земли проникает в почву.

Инфильтрация – это процесс проникновения воды с поверхности земли в почву. Она широко используется как в гидрологии, так и в почвоведении. Инфильтрационная способность определяется как максимальная скорость инфильтрации. Чаще всего она измеряется в метрах в день, но при необходимости может измеряться и в других единицах расстояния, отнесенных ко времени. Инфильтрационная способность уменьшается с увеличением влажности поверхностных слоев почвы. Если интенсивность осадков превышает скорость инфильтрации, обычно происходит поверхностный сток, если нет каких-либо физических препятствий. Для измерения скорости инфильтрации используются инфильтрометры, различные параметры и имитаторы дождей. Инфильтрация обусловлена множеством факторов, включая гравитацию, капиллярные силы, адсорбцию и осмос. Многие характеристики почвы также могут влиять на скорость инфильтрации.

Осадки

Осадки могут влиять на инфильтрацию различными способами. Количество, тип и продолжительность осадков оказывают влияние. Дождь приводит к более высокой скорости инфильтрации, чем любые другие виды осадков, такие как снег или ледяной дождь. Что касается количества, то чем больше осадков, тем больше будет инфильтрации, пока грунт не достигнет насыщения, и тогда будет достигнута инфильтрационная способность. Продолжительность дождя также влияет на инфильтрационную способность. В начале, когда осадки только начинаются, инфильтрация происходит быстро, поскольку почва ненасыщена, но со временем скорость инфильтрации замедляется по мере насыщения почвы. Эта взаимосвязь между количеством осадков и инфильтрационной способностью также определяет объем поверхностного стока. Если осадки происходят со скоростью, превышающей инфильтрационную способность, то образуется сток.

Характеристики почвы

Пористость почв критически важна для определения способности к инфильтрации. Почвы с меньшим размером пор, такие как глина, обладают более низкой способностью к инфильтрации и меньшей скоростью инфильтрации, чем почвы с большим размером пор, такие как пески. Однако, исключением из этого правила является состояние глины в сухих условиях. В этом случае в почве могут образовываться крупные трещины, что приводит к увеличению способности к инфильтрации. Уплотнение почвы также оказывает влияние на способность к инфильтрации. Уплотнение почв приводит к снижению пористости, что уменьшает способность к инфильтрации. Гидрофобные почвы могут формироваться после лесных пожаров, что может значительно снизить или полностью предотвратить инфильтрацию.

Содержание влаги в почве

У почвы, которая уже насыщена, больше нет способности поглощать воду, следовательно, достигнута максимальная проницаемость, и скорость инфильтрации не может увеличиться выше этого уровня. Это приводит к значительно большему поверхностному стоку. Когда почва частично насыщена, инфильтрация может происходить умеренными темпами, а полностью ненасыщенные почвы обладают наибольшей проницаемостью.

Органические материалы в почвах

Органические материалы в почве (включая растения и животных) повышают способность к инфильтрации. Растительность содержит корни, проникающие в почву и создающие трещины и разломы, что обеспечивает более быстрое проникновение воды и увеличивает емкость почвы. Растительность также снижает поверхностное уплотнение почвы, тем самым способствуя увеличению инфильтрации. При отсутствии растительности скорость инфильтрации может быть очень низкой, что приводит к избыточному поверхностному стоку и усиленной эрозии. Растительный покров также влияет на способность к инфильтрации. Растительный покров способствует большему перехвату осадков, что снижает их интенсивность, уменьшает сток и увеличивает перехват. Увеличение количества растительности также приводит к повышению уровня транспирации и испарения, что может снизить скорость инфильтрации.

Наклон

Когда уклон местности увеличивается, поверхностный сток происходит легче, что приводит к снижению скорости инфильтрации, а также к уменьшению скорости отвода ранее проникшей воды от поверхности вглубь почвы. Максимальная скорость, с которой вода может проникать в почву при заданных условиях, называется инфильтрационной способностью. Если поступление воды на поверхность почвы не превышает инфильтрационную способность, для анализа часто используются гидрологические транспортные модели – математические модели, учитывающие инфильтрацию, сток и русловой сток для прогнозирования расхода воды в реках и качества воды в ручьях.

Результаты исследований

Роберт Э. Хортон предположил, что способность к инфильтрации быстро снижается в начальной фазе шторма, а затем стремится к приблизительно постоянному значению через несколько часов и сохраняет его до конца события. Вода, проникшая ранее, заполняет доступные объемы хранения и уменьшает капиллярные силы, удерживающие воду в порах. Частицы глины в почве могут набухать при увлажнении, тем самым уменьшая размер пор. В районах, где почва не защищена слоем лесной подстилки, капли дождя могут отрывать частицы почвы от поверхности и заносить мелкие частицы в поверхностные поры, затрудняя процесс инфильтрации.

Инфильтрация в коллектор сточных вод

Системы сбора сточных вод состоят из сети трубопроводов, соединений и насосных станций для транспортировки канализационных стоков к очистным сооружениям. При повреждении этих трубопроводов в результате разрыва, образования трещин или проникновения корней деревьев часто происходит инфильтрация и приток дождевых вод. Это может привести к переполнению канализационной системы и сбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.

Методы расчета проникновения

Инфильтрация является компонентом общего гидрологического баланса. Существует несколько способов оценки объема и/или скорости инфильтрации воды в почву. Строгим стандартом, полностью учитывающим связь между грунтовыми и поверхностными водами через неоднородный грунт, является численное решение уравнения Ричардса. Более новый метод, позволяющий осуществлять 1D-связь между грунтовыми и поверхностными водами в однородных слоях почвы и связанный с уравнением Ричардса, – это решение метода потока в зоне вадозы с конечным содержанием воды на основе уравнения скорости движения влаги в почве. В случае однородного начального содержания воды в почве и хорошо дренированной почвы существуют эффективные приближенные методы для определения потока инфильтрации при единичном дождевом событии. К ним относятся метод Грина и Ампта (1911) и метод Parlange et al. (1982). Помимо этих методов существует множество эмпирических методов, таких как метод SCS, метод Хортона и другие, которые по сути представляют собой лишь подгонку кривых.

Уравнение Ричардса (1931)

Стандартным строгим подходом к расчету инфильтрации в почву является уравнение Ричарда — частное дифференциальное уравнение с сильно нелинейными коэффициентами. Решение уравнения Ричарда требует больших вычислительных затрат, не гарантирует сходимость и иногда сталкивается с проблемами сохранения массы.

Метод потока в зоне вадозы с конечным содержанием воды

Этот метод является приближением уравнения частичных дифференциалов Ричардса (1931), которое снижает значимость диффузии воды в почве. Это было установлено путем сравнения решения адвективного члена уравнения скорости движения влаги в почве с точными аналитическими решениями инфильтрации, полученными для специальных форм зависимостей между влагой и свойствами почвы. Результаты показали, что данное приближение не оказывает влияния на рассчитанный инфильтрационный поток, поскольку диффузионный поток незначителен, и что метод моделирования потока в зоне вадозных вод с конечным содержанием воды является допустимым решением уравнения – представляющим собой систему из трех обыкновенных дифференциальных уравнений, гарантированно сходящуюся и сохраняющую массу. Для этого требуется предположение об однонаправленном (вертикальном) потоке и однородности почвы внутри слоев.