СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИНФИЛЬТРАЦИИ ДОЖДЕВОЙ ВОДЫ В ГРУНТ
METHOD OF DETERMINATION OF SOIL RAINWATER INFILTRATION RATE

Предлагаемое изобретение относится к области гидрологии, а именно к способам инструментального определения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт.
Инфильтрация - это процесс впитывания воды в толщу грунта до полного его насыщения. После этого инфильтрация переходит в фильтрацию, т.е. в установившееся движение воды в пористой среде.
Известны различные способы определения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт, основанные на применении различных эмпирических формул:
- Костякова - Бефани: ,
- Хортона: ,
- Попова: ,
(Аполов Б.А. Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974, с.137), где в приведенных формулах:
I - скорости инфильтрации;
k - коэффициент фильтрации;
α и n - эмпирически устанавливаемые параметры;
t - время с момента начала дождя;
0
I -начальная скорость впитывания;
β -эмпирический коэффициент;
n - показатель степени, зависящий от интенсивности дождя;
R - интенсивность осадков;
D - дефицит влаги в верхнем полуметровом слое грунта;
К недостаткам известных способов можно отнести высокую степень неопределенности коэффициентов, входящих в формулы, не учет уклона площадки, а также сложность выбора способа для определения скорости инфильтрации в конкретном месте.
i
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является способ измерения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт, включающий измерение количества осадков (x), выпавших на заданную луговую местность за выбранный интервал времени (t), определение уклона склона луговой местности (i), коэффициента фильтрации (k) и индекса влажности грунта (µ), и определение скорости инфильтрации дождевой воды в грунт (I) по расчетной формуле
(Аполов Б.А. Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974, с 140, ПРОТОТИП.)
Для определения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт по известному способу необходимо:
i
i
- в течение 30 дней вести измерение количества осадков, выпавших на данную местность, затем при помощи заранее выбранных эмпирических коэффициентов γ(0<γ<1) определить индекс влажности µ - по формуле
,
i
где x -количество осадков, выпавшее в i-й интервал времени.
Затем по статистическим данным выбрать эмпирический коэффициент (α), зависящий от интенсивности дождя и меняющийся в пределах от 1,2 до 1,45. После этого засечь время (t) от момента начала дождя до текущего момента времени (в минутах), и расчетным путем определить значение скорости инфильтрации дождевой воды в грунт (I).
К недостаткам известного способа можно отнести то, что он был разработан для луговых склонов бассейна реки Рика, и не является универсальным. Кроме того, при выборе значение коэффициента α требуется набрать необходимую статистику, что занимает много времени.
Расчет индекса влажности почвы (µ) является также весьма приблизительным и трудоемким, и требует данные об осадках за 30 предшествующих дней.
Приведенные выше недостатки существенно снижают точность измерения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявленного способа, является возможность прямого инструментального измерения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт в конкретном месте, и повышение точности результата измерения.
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт, включающем измерение коэффициента фильтрации грунта и определение значения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт по расчетной формуле, предварительно определяют пористость грунта, и значения электрического сопротивления грунта, соответствующие минимальному и максимальному значению его объемной влажности, затем в грунт на заданную глубину вводят два электрода, расположенные друг от друга на заданном расстоянии, затем при определении искомой интенсивности инфильтрации дождевой воды в грунт измеряют текущее значение сопротивления грунта и его значение через заданный промежуток времени, после чего определяют искомую скорость инфильтрации по формуле
где
I - скорость инфильтрации дождевой воды в грунт;
k - коэффициент фильтрации грунта;
max
min
R и R - значения электрического сопротивления грунта, соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта;
0
1
R и R - значение электрического сопротивления грунта в начале и в конце измерения;
Р - пористость грунта;
Н - глубина залегания электродов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически представлена система, реализующая предлагаемый способ.
На чертеже схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит два электрода 1 и 2, введенные в грунт 3 на глубину Н. Расстояние между электродами обозначено через L. К электродам 1 и 2 подключен прибор 4 для измерения электрического сопротивления грунта 3.
Способ реализуется следующим образом.
max
min
max
min
Предварительно необходимо осуществить привязку устройства к местности. Для этого в грунт на заданном расстоянии друг от друга (L) на глубину (Н) вводят два электрода 1 и 2 и в зоне их размещения осуществляют забор пробы грунта. Затем в лабораторных условиях традиционными методами определяют тип грунта, его пористость (Р), коэффициент фильтрации грунта (k), а также значения электрического сопротивления грунта (R и R), соответствующие минимальному и максимальному значению его объемной влажности. При определении значений R и R в лабораторных условиях используют электроды, которые имеют те же размеры и форму и располагаются в грунте на той же глубине Н и на таком же расстоянии L друг от друга. Максимальную и минимальную объемную влажность грунта определяют методом взвешивания увлажненного до полного насыщения водой грунта, и высушивавшем данного грунта до постоянного веса. Значение коэффициента фильтрации (k) по типу грунта определяют по соответствующим таблицам (Чеботарев Н.П. Учение о стоке. - Изд-во Московского Университета, 1962, с.147-148).
Все вышеперечисленные действия осуществляются только один раз - при установке и привязке устройства к местности.
0
1
Затем при определении искомой интенсивности инфильтрации дождевой воды в грунт (7) с помощью прибора 4 измеряют текущее значение сопротивления грунта (R) и его значение (R) через заданный промежуток времени Δt, после чего определяют искомую скорость инфильтрации (7) по формуле
Пример конкретного определения скорости инфильтрации по предлагаемому методу.
max
min
max
min
0
1
1
0
В грунт на расстоянии L=0,06 м друг от друга были введены два электрода длиной Н=0,1 м каждый. Пористость грунта, определенная по изложенной выше методике, равнялась Р=0,25. Коэффициент фильтрации для данного грунта, найденный табличным методом, составил: k=0,03 мм/сек. Найденные в лабораторных условиях значения электрического сопротивления грунта (R и R), соответствующие минимальному и максимальному значению его объемной влажности, составили: R=5000 Ом и R=400 Ом. При помощи тестера было замерено текущее значение сопротивления грунта (R) на момент начала проведения эксперимента, и значение этого сопротивления (R) по истечении времени Δt=15 с. В результате измерений было получено R=1000 Ом и R=1200 Ом. Подставляя полученные значения величин в расчетную формулу, получаем
При определении скорости инфильтрации влияние температуры грунта на его электрическое сопротивление не учитывалось в связи с ее незначительностью (0,5-2,5%).
Способ обеспечивает возможность прямого инструментального измерения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт в конкретном месте и повышает точность результата измерения.