نفوذ

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
این صفحه مربوط به نفوذ آب در خاک است. برای دیگر کاربردها به نفوذ (ابهام‌زدائی) مراجعه کنید.

وارد شدن آب به داخل خاک را نفوذ (Infiltration) گویند. نفوذ از یک نقطه به نقطه دیگر بسیار متغیر است، زیرا سرعت نفوذ آب در خاک بستگی به خصوصیات فیزیکی و شیمیائی خاک دارد.


Infiltration[ویرایش]

یکی از خصوصیات فیزیکی خاک‘نفوذ آب به داخل خاک میباشد.نفوذ بر حسب تعریف عبارتست از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک است. اگر نفوذ آب به داخل خاک عمودی وتنها در یک جهت باشد به آن Infiltration میگویند. ولی اگر نفوذ در چند جهت صورت گیرد‘ یعنی علاوه بر حرکت عمودی دارای حرکت افقی نیز باشد‘ آنرا Inpouration مینامند. نفوذ یکی از مهمترین پارامترهای خاک است. شرایط فیزیکی خاک مانند ساختمان خاک‘ بافت خاک‘ رطوبت اولیه خاک و شرایط فیزیولوژیک خاک مانند خلل و فرج ایجاد شده توسط کرمها و...وهمچنین کیفیت آب خاک و دمای آب در نفوذآب در خاک تاثیر دارند.

تابع نفوذ[ویرایش]

مقدار نفوذ تجمعی (I) یعنی ابی که از آغاز نفوذ تا این لحظه در خاک نفوذ کرده است. واحد نفوذ تجمعی سانتیمتریا هر واحد دیگر طول است. چنانچه مقدار نفوذ تجمعی آب به داخل خاک را بررسی کنیم‘مشاهده میشود که نفوذ تجمعی در ابتدا بسیار سریع انجام میشود‘ بطوریکه منحنی تغییرات نفوذ تجمعی نسبت به زمان (I-T) در ابتدا دارای شیب تندی است و در طول زمان مقدار شیب آن رفته رفته کاهش میابد تا به مقدار شیب ثابتی میرسد( شکل الف). علت زیاد بودن شیب منحنی نفوذ تجمعی در زمان های اولیه این است که در ابتدا خاک خشک تر و دارای پتانسیل مکش بیشتری است. بدین معنا که آب در ابتدا تحت تاثیر نیروی های ثقل و مویینگی به داخل خاک نفوذ میکند. ولی پس گذشت زمان و با افزایش رطوبت خاک خاصیت مویینگی اثر خود را در حرکت آب به سمت پایین از دست میدهد و آب تنها تحت اثر نیروی ثقل نفوذ میکند‘ لذا بتدریج یکی از نیروی های عامل حرکت آب حذف شده و سرعت نفوذ کاهش میابد. بنابراین سرعت نفوذ (i) یا شیب منحنی تجمعی نفوذ به مقدار رطوبت خاک (θ)وابسته است و با آن نسبت عکس دارد. ولی باید توجه داشت که مقدار سرعت نفوذ هیچگاه به صفر نخواهد رسید بلکه در زمان بینهایت به مقدار ثابتی خواهد رسید.


( ب) (الف) (Infiltration rate) i(cm/min) = Δ I /Δ t

حلقه های مضاعف: به منظور اندازه گیری میزان نفوذ آب به داخل خاک معمولا از حلقه های ساده یا مضاعف (Double rings) میتوان استفاده کرد که به حلقه های نفوذ معروف هستند. برای آنکه اثر جانبی نفوذ آب و شرایط مرزی به حداقل رسانده شود‘ توصیه می شود به جای یک حلقه ساده از حلقه های مضاعف یا متداخل که بصورت دو حلقه که در داخل یکدیگر قرار گرفته میباشد استفاده شود. با این کار فشار آب در حد فاصل دو حلقه باعث شود که نفوذ آب از حلقه داخلی در جهت عمودی صورت گیرد. در این حالت نفوذ در حلقه داخلی اندازه گیری می گردد.

مراحل انجام آزمایش: برای انجام آزمایش دو حلقه آهنی را که دارای ارتفاع 30 سانتیمتر بوده و قطر حلقه بزرگتر 30-45 سانتیمتر و قطر حلقه کوچکتر 20-25 سانتیمتر می باشد‘ بر روی خاک قرار داده میشوند. حلقه ها توسط یک پتک تا 3/1ارتفاع مربوطه در خاک فرو میروند. بین دو حلقه مقداری آب به ارتفاع h می ریزیم که حدودا معادل آبیاری کرتی در آبیاری در مزرعه می باشد. در زمانی که فقط در بین دو حلقه آب وجود دارد، بدلیل خشک بودن خاک هر دوی نفوذ های عمودی و افقی وجود دارند. در مرحله بعد داخل استوانه میانی یک پلاستیک قرار داده میشود تا از دست خوردگی وبر هم خوردن ساختمان خاک جلوگیری شود. سپس به همان ارتفاع h در استوانه داخلی یعنی بر روی پلاستیک قرار گرفته در حلقه داخلی آب ریخته میشود. زمان را صفر کرده و در یک لحظه پلاستیک را بر داشته و کرنومتر را به کار میاندازیم. یک اشل در داخل حلقه میانی قرار داده میشود تا توسط آن مقدار نفوذ لحظه ای را بااندازه گیری ارتفاع آب در حلقه داخلی بدست آوریم.در این حالت چون خاک اطراف استوانه کوچک تقریبا اشباع شده است‘ نفوذ آب از حلقه داخلی عمودی خواهد بود. پس از برداشتن پلاستبک ‘ مقادیر h و زمان t را در لحظات مختلف یادداشت میشوند.


دو حالت انجام آزمایش: در دو حالت آزمایش انجام میگردد. الف- حالت بار افتان: در این حالت ارتفاع آب در طول زمان در استوانه داخلی مرتبا کاهش می یابد. یعنی در طول آزمایش به استوانه داخلی آب افزوده نمیشود. ب- حالت بار ثابت: در حالت بار ثابت در طی آزمایش با افزودن آب به استوانه میانی سطح آب در آن ثابت نگهداشته میشود. یعنی هر چه آب نفوذ می کند‘همان مقدار آب به استوانه میانی اضافه میگردد تا ارتفاع آب در همان ارتفاع اولیه ثابت بماند. در حالت بار ثابت آزمایش دقیقتر است و در حدود 8-9% خطا نسبت به حالت اول کاهش می یابد. ولی حالت اول در عمل به شرایط مزرعه نزدیکتر است.

معادلات نفوذ[ویرایش]

1) معادله کوستیاکف (Kostiakov):

معادله نفوذ تجمعی

     ,     0<m<1                                          
      
 معادله سرعت نفوذ

, -1<n<0 (That is because n=m-1) که در آن :

عمق آب نفوذ یافته تجمعی (سانتیمتر)=I

زمان نفوذ تجمعی (دقیقه) =t

ضرایب تجربی که به نوع (بافت) خاک بستگی دارند. = m ,A

سرعت نفوذ (سانتیمتر بر دقیقه)= i

معادله کوستیاکف برای دوره های زمانی کوتاه (حدود چند ساعت)‘ نتایج رضایت بخشی می دهد. برای اندازه گیری نفوذ توسط حلقه های مضاعف‘معمولا این زمان بین 15 تا 160 دقیقه می باشد. معادله کوستیاکف فقط تا زمانی صادق است که سرعت نفوذ آب در خاک معادل ضریب آبگذری اشباع خاک یا هدایت هیدرولیکی نشده و هنوز در مراحل ابتدایی نفوذ آب در خاک هستیم. چنانکه توضیح داده شد در زمان طولانی نرخ نفوذ به مقدار ثابتی میرسد که همان ضریب آبگذری اشباع خاک است.

                                                                                                        ,   
                                                        
    → ln I  = ln A + m ln t    →   if   lnt = X ;   If ln I = Y ;  If ln A =Aَ →                           
                                      Y = Aَ+ MX

(2معادله لوئییس – کوستیاکف:

این رابطه نیز از راه آزمایش(تجربی) بدست آمده است.


             0 < m  <1                  
                                                                               :    سرعت نهایی نفوذ آب در خاک  

, -1 < n < 0

مقدار bتابعی از هدایت هیدرولیکی خاک است و تقریبا همان سرعت نفوذ پایه یا سرعت نفوذ نهایی میباشد. سرعت نهایی نفوذ هنگامی اتفاق می افتد که تغییرات زمانی سرعت نفوذ برابر 0.1 - سرعت نفوذ لحظه ای (برحسب ساعت) یا برابر 600/1 – سرعت نفوذ لحظه ای (برحسب دقیقه) شود. یعنی کاهش (وجود علامت منفی) در سرعت نفوذ در یک ساعت 0.1 برابر خود سرعت نفوذ باشد یا این تغییر در یک دقیقه که زمان آن یک شصتم ساعت است سرعت نفوذ باشد. بنابر این با استفاده از روابط روش اول :


باید گفته شود که چون n عددی منفی است مقدار ib عددی مثبت بدست خواهد آمد.متذکر میشود که مقدار ضرایب n و a با استفاده از روش اول (کوستیاکف) و برازش خط به منحنی های لگ –لگ بدست میآید. و مثلا دو نقطه I روی t و یا i روی t بدست خواهد آمد.

در معادله لوئییس- کوستیاکف‘ مشکل حالت اول معادله کوستیاکف(صفر شدن سرعت نفوذ در بی نهایت)که مشکل مهمی نیز میباشد ‘ رفع شده است.

منابع[ویرایش]

  • Show, E.Hydrology, Dover inc, New york, ۱۹۷۰