СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИНФИЛЬТРАЦИИ ДОЖДЕВОЙ ВОДЫ В ГРУНТ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/24 

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;

I₀ -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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является способ измерения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт, включающий измерение количества осадков (x_i), 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:

- в течение 30 дней вести измерение количества осадков, выпавших на данную местность, затем при помощи заранее выбранных эмпирических коэффициентов γ_i(0<γ_i<1) определить индекс влажности µ - по формуле

,

где x_i -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;

R_max и R_min - значения электрического сопротивления грунта, соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта;

R₀ и R₁ - 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.

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_max и R_min), соответствующие минимальному и максимальному значению его объемной влажности. При определении значений R_max и R_min 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.

Затем при определении искомой интенсивности инфильтрации дождевой воды в грунт (7) с помощью прибора 4 измеряют текущее значение сопротивления грунта (R₀) и его значение (R₁) через заданный промежуток времени Δt, после чего определяют искомую скорость инфильтрации (7) по формуле

Пример конкретного определения скорости инфильтрации по предлагаемому методу.

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_max и R_min), соответствующие минимальному и максимальному значению его объемной влажности, составили: R_max=5000 Ом и R_min=400 Ом. При помощи тестера было замерено текущее значение сопротивления грунта (R₀) на момент начала проведения эксперимента, и значение этого сопротивления (R₁) по истечении времени Δt=15 с. В результате измерений было получено R₁=1000 Ом и R₀=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.

Способ включает определение коэффициента фильтрации грунта и значения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт по расчетной формуле. Предварительно определяют пористость грунта и значения электрического сопротивления грунта, соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта. Затем в грунт на заданную глубину вводят два электрода, расположенные друг от друга на заданном расстоянии. Определяют искомую интенсивность инфильтрации дождевой воды в грунт путем измерения текущего значения сопротивления грунта и значения сопротивления грунта через заданный промежуток времени. После чего определяют искомую скорость инфильтрации по формуле: где I - скорость инфильтрации дождевой воды в грунт; k - коэффициент фильтрации грунта;

R_max и R_min - значения электрического сопротивления грунта соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта; R₀ и R₁ - значение электрического сопротивления грунта в начале и в конце измерения; Р - пористость грунта; Н - глубина залегания электродов. Такая технология позволит повысить точность результатов измерения и обеспечивает возможность прямого инструментального измерения скорости инфильтрации воды в грунт в любом исследуемом месте. 1 ил.

Способ определения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт, включающий определение коэффициента фильтрации грунта и значения скорости инфильтрации дождевой воды в грунт по расчетной формуле, отличающийся тем, что предварительно определяют пористость грунта и значения электрического сопротивления грунта, соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта, затем в грунт на заданную глубину вводят два электрода, расположенные друг от друга на заданном расстоянии, определяют искомую интенсивность инфильтрации дождевой воды в грунт путем измерения текущего значения сопротивления грунта и значения сопротивления грунта через заданный промежуток времени, после чего определяют искомую скорость инфильтрации по формуле:
,
где I - скорость инфильтрации дождевой воды в грунт;
k - коэффициент фильтрации грунта;
R_max и R_min - значения электрического сопротивления грунта соответствующие минимальному и максимальному значению объемной влажности грунта;
R₀ и R₁ - значение электрического сопротивления грунта в начале и в конце измерения;
Р - пористость грунта;
Н - глубина залегания электродов.