Univesitatea “Politehnica” Bucureşti
Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor
~ Dinamica poluanţilor ~
Referat de laborator
Profesor:
Studenţi:
Bucureşti, 2009
Tema:
Determinarea vitezei medii de infiltraţie a apei în solurile nisipoase
Determinarea vitezei medii de infiltratie a apei in solurile nisipoase
1. Infiltrabilitatea şi infiltraţia totală
Intre sol si atmosferă au loc schimburi regulate sub formă de : - aporturi intermitente datorate precipitaţiilor şi irigaţiilor; - evaporaţie şi evapotranspiraţie (acestea au un regim variabil în funcţie de intensitatea
radiaţiilor, temperatură şi de umiditatea relativă a aerului). Apa se deplasează continuu fie spre suprafaţă (urcă) unde se evaporă sau este absorbită
de rădăcini, fie spre pânza freatică (coboară). Apa poate urca dinspre pânza freatică prin capilaritate.
Vom numi infiltraţie pătrunderea apei în sol, prin traversarea suprafeţei solului. Procesul de pătrundere a apei în sol va fi caracterizat de:
- regimul de alimentare (ploaie, irigaţii), - regimul de infiltraţii (fluxul maxim pe care solul poate să îl absoarbă la suprafaţă.Regimul de infiltraţie este caracterizat de capacitatea de infiltraţie(infiltrabilitatea).Există două situaţii: a) regimul de alimentare < regimul de infiltraţie: În acest caz solul nu ajunge la saturaţie, la suprafaţă şi toată apa se infiltrează în sol
(infiltraţie sub flux = intensitatea ploii) b) regimul de alimentare > regimul de infiltraţie. Solul nu poate absorbi toată cantitatea de apă căzută. Apa în exces se acumulează la
suprafaţă sau formează curgerea de suprafaţă. Infiltraţia se face sub sarcină(la capacitate) şi solul este saturat, la suprafaţă.
Fig. 1. Variaţia infiltrabilităţii în timpul unei ploi
Fig. (1) reprezintă variaţia infiltrabilităţii “i”în timpul unei ploi. Scăderea infiltrabilităţii “i” se datorează pe de o parte micşorării gradientului de sucţiune şi pe de altă parte modificării proprietăţilor solului (degradarea structurii, formarea unei cruste la suprafaţă, migrarea particulelor, umflarea argilelor, înglobarea bulelor de aer).
Fig 2. Variaţia infiltraţiei totale
Infiltraţia cumulată I va tinde către o valoare maximă. Forţele ce provoacă infiltraţia provin din combinaţia gradienţilor de sucţiune şi
gravitaţie. Pe măsură ce frontul de umiditate pătrunde mai profund, gradientul mediu de sucţiune scade (diferenţa de sucţiune între suprafaţă şi zona uscată se repartizează pe o distanţă crescătoare). După un timp gradientul de sucţiune devine neglijabil în partea superioară a profilului iar gradientul gravitaţional rămâne singura forţă motrice). Legea lui Darcy devine:
pentru ca iar (la saturaţie)
2 Modele empirice şi semiempirice de apreciere a infiltraţiei
1. Modelul empiric Kostiakov
deci modelul nu este util pentru infiltraţia verticală.
2. Modelul empiric Horton
Fig. 3.
3. Modelul semiempiric Green şi Ampt
Se poate utiliza pentru soluri grosiere, iniţial puţin umede, în care frontul de umezire este foarte bine definit (fig. 4). Modelul este valabil în următoarele ipoteze:
- în zona de transmisie, este presupus constant şi egal cu (conţinutul volumic de umezeală la saturaţie) şi K = Ks;
- = constant; - frontul de umiditate abrupt (orizontal); - sarcina de presiune pe frontul hf este constantă, indiferent de poziţia frontului; - deplasarea apei este asemănătoare cu aceea de sub influenţa mişcării unui piston (efect piston).
Fig 4 Înaintarea frontului de umiditate
Dacă un sol omogen este supus, la suprafaţă la o sarcină constantă h0> 0
Prin integrarea ecuaţiei (5) se obţine relaţia dintre zf şi t.
4. Modelul semiempiric al lui Philip,
reprezintă o integrare semianalitică a ecuaţiei lui Richards pentru cazul unidimensional, vertical. Această ecuaţie este puternic neliniară şi nu poate fi integrată analitic decât în anumite condiţii restrictive.
Philip (1957) a arătat că pentru faza iniţială de infiltraţie, soluţia ecuaţiei:
în condiţii de sarcină impusă pe frontieră, ia forma unei dezvoltări în serie:
Funcţia reprezintă înaintarea verticală în timp, a unui conţinut volumic de apă . Coeficienţii sunt soluţii ale unui sistem de ecuaţii diferenţiale.
unde coeficientii sunt dati de ecuatiile:
cu :
si cu relatiile :
În [Vauclin 1979] este dată rezolvarea semianalitică a acestei probleme precum şi programul de calcul în limbaj FORTRAN. Dacă reducem cei patru termeni ai ecuaţiei (4.68) la doi [Mermoud, 1996].
S conţine atât influenţa sucţiunii cât şi a conductivităţii. S şi A se determină prin încercări de infiltraţie. Ele depind de sol şi de starea de umiditate iniţială.
Pentru valori mari ale timpului: - rata de infiltraţie tinde spre o constantă egală cu valoarea K( ), (în general diferă de
A), i tinde spre K( ). - frontul înaintează păstrându-şi forma- viteza de înaintare a frontului tinde spre o valoare dată:
În cazul unei infiltraţii orizontale:
S poate fi determinat ca panta funcţiei Vi=-K/*dh/dl - viteza de infiltratie in mediul porosDh/dl - gradient hydraulic
In tabelul nr.1 sunt prezentati factorii care induc sensibilitate la transferul fertilizantilor în
circuitul apei:
FactorRisc
Fenomen de luat în considerare Observaţii
Permeabilitatea stratului
infiltraţie Acest factor se referă la sensibilitatea substratului geologic faţă de infiltraţiaapelor în profunzime spre
straturile acvifere.
Sunt substraturi permeabile
şi substraturi impermeabile
Extinderea maselor de ape
subterane
Infiltraţie Cunoaşterea extinderii maselor de ape valorificate integru în
tratamentele maiimportante ale terenurilor
situate în siguranţă de această sursă.
Entităţi geologice
Infiltraţie Identificarea entităţilor geologice permite de a lua în seamă
infiltraţia în apelesubterane profunde poluate pe
calea scurgerii la apariţia surselor.
Formaţii extinseFormaţii mai puţin extinse
Grosimeaformaţiunilor
deacoperire
Infiltraţie Acest factor informeazăasupra sensibilitătii lainfiltrare şi deci asupra
potenţialului de transfer spremasele de apă acvifere.
Formaţiuni groase
Formaţiuni mai puţin groase
Textura de suprafaţa
Infiltraţie şi şiroire
Cunoaşterea texturii desuprafaţă ţine seamă decomportamentul solurilor
vis a vis de scurgerile prin şiroire( soluri umede) sau de infiltraţie
( soluri nisipoase).
NoroioasăArgiloasăNisipoasăEchilibrată
Ocuparea solului
Infiltraţie şi şiroire
Ocuparea solului este o descriere care asociază terenului o utilizare
şi o listăa fertilizanţilor utilizaţi.
Ocuparea solului permite astfel localizarea surselor de
Ocupareasolurilor
descrisă de10 staţii
obţinute prin fotointerpretare
poluare difuză.
Panta solurilor
Scurgeriprin şiroire
Efectul înclinării terenuluiasupra scurgerilor prin şiroire
Mai mică de 1%Între 1 si 5%
Îndepărtarea de
reţeaua de talveg
Scurgeriprin siroire
Reţeaua de talveg este calculată începând cu modelul numeric al
terenului.Luarea în seamă a proximităţii
imediate a acestei reţele( distanţa inferioară fata de 100m) identifică terenurile
asociate ca potenţial de risc similar cu scurgerile prin
şiroire difuză foarte slabă.
Mai puţin de 100 m
Mai mult de 100 m.
Diferenţiereatexturală
Scurgeriprin şiroire
Diferenţierea texturală esteutilizată pentru identificarea
solurilor care prezintă oruptură de permeabilitate.
Această discontinuitateverticală a texturii provoacă o
circulaţie suborizontalăplanşeului orizontal
permeabil. Acest fenomen setraduce prin şiroire
hipodermică care provoacătransferul fertilizanţilor
prezenţi pe sol spre apele desuprafaţă.
Prezenţa sau absenţa
acestui fenomen
Hidromorfologia
solurilor
Scurgeriprin şiroire
Hidromorfologia esteasimilată pentru a lua înseamă solurile a căror
saturatie este rapidă în perioada ploilor prelungite.Aceste soluri se
caracterizează prin şiroiri desuprafaţă ca urmare a
refuzului infiltrării induse desaturaţia rezervei utile.
Sol sănătosSol mediu hidromorf
Sol hidromorf
Orientarea lucrărilor
solurilor şi arândurilor
Scurgeriprin şiroire
Orientarea lucrărilor solului( arături şi însămânţări) sau a
rândurilor(în cazul culturilor
perene ) în raport cu pantainfluenţează modalitatea de
Perpendiculară cu panta
Paralelă cu panta
În unghi de45O / panta.
concentrare a şiroirii.
Valorile din tabel sunt recomandate de INMH, în “Îndrumar privind metodologia de centralizare şi prelucrare a datelor provenite din reţeaua hidrogeologică”.
Roca acviferului I0
Roci foarte permeabile 0,003 – 0,006
Nisipuri grăunţoase până la nisipuri mărunte 0,006 – 0,020
Nisipuri fine până la nisipuri argiloase 0,020 – 0,050
Roca acviferului Conductivitate hidraulică K
(m/zi)
Raza de influenţăR (m)
Granulometrie uniforma
Nisipuri argiloase 0,5 – 1 65Nisipuri fine 1,5 – 5 65
Nisipuri argiloase cu granule mici
10,0 – 15 75
Nisipuri cu granule mici 20,0 – 25,0 75Nisipuri argiloase cu
granule mijlocii20,0 – 25,0 100
Nisipuri cu granule mijlocii
35,0 – 50,0 100
Nisipuri argiloase cu granule mari
35,0 – 40,0 100
Nisipuri cu granule mari 60,0 – 75,0 125Pietrisuri 100,0 – 125,0 150
Granulometrie neuniforma
Nisipuri eterogene si mici
5 – 20 80 – 150
Pietrisuri sau galeti cu elemente fine
20 – 60 200 – 300
Pietrisuri sau galeti fara elemente fine, nisipuri
grosiere si medii
60 150 – 250
Roci putin fisurate 20 – 60 150 – 250
Roci fisurate 60 ≥ 500