4.2: Домашній експеримент з інфільтрації

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37165

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Експеримент з інфільтрації

Ось домашній експеримент, який не складе труднощів для вас зробити, якщо ви домашній садівник. Це дуже реалістичний експеримент щодо контролю швидкості інфільтрації та інфільтраційної здатності.

Встановіть спринклер для газону з регульованою швидкістю на дуже пологій, щойно розкинутій та згрібаній ділянці у вашому саду (рис. 4-1). Виміряйте «опади» з розпилювача газону невеликим дощоміром та виміряйте поверхневий стік безпосередньо, збираючи його або вловлюючи біля краю ділянки. Ви можете обчислити швидкість інфільтрації побічно за рівнянням

\[S=P-I (1)\]

де\(S\) поверхневий стік,\(P\) є швидкість опадів і\(I\) швидкість інфільтрації. Ви повинні виражати\(S\) в одиницях, які такі ж, як\(I\) і\(P\): глибина води на одиницю площі в одиницю часу. Ви можете легко помітити ненульову точку\(S\) під час поливу саду: вода стоїть на поверхні грунту як тонкий гладкий лист замість того, щоб негайно просочуватися.

Малюнок 2-1.png — Малюнок 4-1. Експериментальний спринклерний ділянку для вивчення інфільтрації.

Але є трохи більше, ніж це. Малюнок 4-2 - типова ділянка інфільтраційної здатності I c проти часу, для даного грунту. Існує швидке зниження від дуже високого I c в перші кілька хвилин, але потім він вирівнюється до стійкого значення. (Важко виміряти I c на самому початку.) Чому початкове зниження?

Деякі частинки ґрунту, такі як глина або органіка, мають тенденцію до набухання при контакті з рідкою водою, і це має тенденцію закривати порові простори. І ваша інтуїція повинна підказати вам, що чим менше проходів, тим складніше проштовхнути через них воду.
Вплив крапель дощу подрібнює структуру грунту на поверхні і вимиває дрібні частинки в самі верхні порові простори, виробляючи своєрідну «мікро- броню».

Малюнок 2-2.png — Малюнок 4-2. Ділянка інфільтраційної здатності проти часу для даного грунту.

Як вимірюється інфільтраційна здатність?

За допомогою інфільтрометра: трубка діаметром близько однієї ноги, загнана приблизно на одну ногу в грунт. Ви підтримуєте рівень води в трубці на деякій висоті над поверхнею землі, і ви вимірюєте швидкість введення нової води, необхідної для поповнення води, втраченої для інфільтрації. Переваги такого розташування в тому, що вона недорога і проста у використанні; недоліком є те, що вона порушує грунт.
З розпилювачем на піддослідній ділянці, як в домашньому експерименті вище. Перевага цього полягає в тому, що він точний, реалістичний і не руйнує, але недоліком є те, що це дорого і багато часу, і ви не можете зробити це дуже добре на нерегулярній землі.

Що відбувається, фізично, під час інфільтрації та проціджування? Все просто: крапля дощу падає на зернисту поверхню, а потім стікає вниз через взаємопов'язані пори грунту тягою тяжіння. Проходи різноманітні: це можуть бути міжкристалічні міжвузлі, нори тварин, усадочні тріщини або гнилі корінці. Якщо швидкість опадів менше інфільтраційної здатності (P < I c), то деякі пори зайняті вниз дренажною водою, а інші зайняті повітрям (рис. 4-3А). Якщо швидкість опадів більше інфільтраційної здатності (P > I c), то всі пори зайняті вниз стікає водою (рис. 4-3В). В обох випадках шар води, що рухається вниз, відзначається розмита, але впізнавана передня або нижня межа. Ви можете переконатися в цьому красиво для себе, викопавши і вивчивши невелику вертикальну стіну грунту у вашому саду після важкого короткого душу або більш тривалого дощу після сухого заклинання (рис. 4-4). Після припинення дощу, проникла вода продовжує опускатися як цілісний шар.

Малюнок 2-3.png — Малюнок 4-3. Ескіз поведінки інфільтрації зернових масштабів. А) Порні простори зайняті як водою, так і повітрям. Б) Порні простори повністю зайняті водою.

Ви виконуєте подібний експеримент кожного разу, коли поливаєте домашні рослини! Візьміть горщик зі встановленою структурою грунту, висушіть його до повної сухості в духовці, зважте, а потім дуже швидко полийте, щоб імітувати умову, що Р більше I с. У міру того, як провідна або нижня межа просочувального шару проходить дно горщика, вода починає виливатися на підлогу. Потім, у міру проходження задньої межі просочувального шару, вода перестає виходити з дна горщика досить різко. Тепер знову зважте горщик, і переведіть різницю між кінцевою вагою і початковою вагою в обсяг води на одиницю об'єму об'єму грунту. Цю величину називають польовою ємністю грунту: максимальною концентрацією грунтової води, яка може утримуватися грунтом проти тяги тяжіння. Потужність поля істотно перевищує нуль у більшості ґрунтів. Він набагато менше, але все ж ненульовий, навіть в дуже грубих гравійних грунтах.

Малюнок 2-4.png — Малюнок 4-4. Вивчення інфільтрації після сильного дощу за допомогою вертикально-стінної траншеї.

Вода, яка залишається в грунті після початкового дренажу, називається грунтовою вологістю. Вода, яка становить цю грунтову вологу, знаходиться в декількох видах місць в грунті (рис. 4-5):

як тонкі плівки на всіх частинках
як філе в точках зіткнення зерна
насичення пористої органічної речовини

Вологість ґрунту становить дуже малий відсоток прісної води, але вона має вирішальне значення для життя на поверхні Землі, тому що це те, що використовують рослини. Рослини витягують воду з грунту і виділяють її, поки залишилася вологість грунту не буде утримуватися настільки щільно, що рослини не можуть її взяти, а потім в'януть. Такий рівень вологості називається точкою в'янення. Волога ґрунту виснажується ще двома важливими способами:

повільний залишковий дренаж вниз
випаровування на поверхні, після дифузії вгору, коли водяна пара через ґрунт або капіляром піднімається як рідина через ґрунт

Малюнок 2-5.png — Малюнок 4-5. Ділянки зволоження грунту.

Передумови: Поверхневий натяг і капілярність

Усередині рідини, як вода, кожна молекула притягується молекулами навколо неї. Однак молекула на поверхні рідини притягується молекулами під нею і поруч з нею, але не над нею, тому що жодної там немає. Чистий ефект цієї асиметрії сил полягає в тому, що молекули поверхневої води притягуються одна до одної в площині поверхні, і результат аналогічний силі розтягування в тонкому аркуші розтягнутої гуми. Саме тому ефект називається поверхневим натягом. Це як ніби поверхня хоче «взяти себе в руки». Саме з цієї причини кульки води, а також мильні бульбашки намагаються набути форми сфери.

Тепер подумайте про невелику масу води, що відпочиває на твердій поверхні. Якщо тяжіння між молекулами води більше сили тяжіння між молекулами води і атомами або молекулами твердого тіла, то маса води «кульками вгору» на поверхні. Ми говоримо, що рідина не змочує тверду поверхню. Якщо сила тяжіння між молекулами води менше тяжіння між молекулами води і атомами або молекулами твердої поверхні, то рідина розтікається у вигляді однорідної тонкої плівки. Ми говоримо, що рідина змочує поверхню.

Якщо покласти порожнисту трубку з дуже малим діаметром в рідину, яка змочує поверхню твердої речовини, з якої складається трубка, рідина піднімається вгору в трубці, вище рівня рідини поза трубкою, через тенденцію до того, щоб рідина поширювалася вгору на тверду поверхню. Ефект називається капілярністю або капілярним підйомом.

Чим менше діаметр трубки, тим вище капілярний підйом в трубці. Це тому, що висота капілярного підйому є результатом двох конкуруючих ефектів: висхідної сили капілярності та сили тяжіння вниз. Площа поверхні всередині трубки йде як квадрат діаметра, тоді як периметр трубки йде в якості першої потужності діаметра. Оскільки підйом капілярів залежить від периметра, але сила тяжіння вниз залежить від площі поперечного перерізу, чим менша трубка, тим більша висхідна капілярна сила відносно сили тяжіння вниз.

Можливо, ви помітили, що в такій ситуації водна поверхня всередині трубки увігнута вгору, при цьому рівень у стінки трубки вище, ніж посередині трубки. Та вигнута поверхня називається меніском.