View
224
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
TL 2130 Hidrologi
Infiltrasi (Infiltration)
Infiltration
• General – Process of water
penetrating from ground into soil
– Factors affecting • Condition of soil
surface, vegetative cover, soil properties, hydraulic conductivity, antecedent soil moisture
– Four zones • Saturated,
transmission, wetting, and wetting front
depth
Wetting Zone
Transmission
Zone
Transition Zone
Saturation Zone
Wetting Front
Definitions
solid
Pore with
air
Pore with
water
Element of soil, V
(Saturated)
Element of soil, V
(Unsaturated) n0content;moisturenSV
V
S0;saturationV
VS
porosityV
Vn
waterofvolumeV
solidsofvolumeV
poresofvolumeV
elementofvolumegrossV
w
v
w
v
w
s
v
1
• Lapisan Tak Jenuh (Unsaturated zone)= lapisan yang tidak seluruh pori-pori mikro tanah terisi air
• Lapisan jenuh air (saturated zone) = lap yang seluruh pori-pori tanah terendam air
Gaya gravitasi dan gaya kapiler
• Porositas (porosity)= prosentase bagian suatu material yang berupa pori-pori terhadap volume totalnya
• Porositas total= vol. pori—pori dalam satu material (berhubungan dan terisolir)
vol. keseluruhan dari material
• Porositas efektif=
vol. pori-pori bersambungan atau berhubungan
volume keseluruhan
• Kapasitas lapang (field capacity/specific retention)= besarnya kandungan air maximum yang dapat ditahan oleh tanah terhadap gaya tarik gravitasi
- kerikil : 1 – 10%
- pasir : 5 – 20%
- clay : 25 - 50%
Tumbuhan mengisap air dari sumber ini.
• Koefisien layu/kelembaban kritik (wilting point)= kandungan air pada tanah, dengan tumbuh-tumbuhan dalam keadaan layu permanen dan akan mati bila air tidak ditambahkan
• Abstraksi awal (initial abstraction)= jumlah intersepsi dan penampungan cekungan yang harus dipenuhi lebih dahulu, sebelum terjadinya limpasan hujan (overland flow)
• Soil moisture content= nilai prosentase
kebasahan/lembab tanah
SMC = kehilangan berat pada waktu tanah mengering
berat tanah dalam keadaan basah
SMC = berat tanah dalam keadaan basah – berat tanah kering
berat tanah dalam keadaan basah
• Available soil moisture (lembab tanah yang
tersedia)= selisih antara nilai kebasahan tanah
dalam keadaan kapasitas lapangan dan
kebasahan tanah dalam keadaan titik layu
permanen. Hal ini menggambarkan kebasahan
yang dapat disimpan dalam tanah untuk
menunjang kelanjutan hidup dari tanaman.
• Infiltrasi= proses meresapnya air/proses
pelaluan air, ke dalam tanah melalui
permukaan tanah. Kebalikan: mata air,
perembesan (seepage)
• Perkolasi= pergerakan air di dalam tanah
melalui soil moisture zone (lingkungan
sejumlah kecil air diantara sela-sela tanah
yang menyebabkan kebasahan tanah)
pada unsaturated zone, sampai mencapai
muka air tanah pada saturated zone
Infiltrasi vs perkolasi
• Kapasitas infiltrasi (infiltration capacity= fp)= kec. infiltrasi maks. yang bisa terjadi kap. pada awal hujan besar mengecil bila profil tanah sudah jenuh (1-2 jam hujan).
• Kecepatan infiltrasi (infiltration rate= fa)= kec. infiltrasi yang terjadi sesungguhnya) Dipengaruhi oleh intensitas hujan dan kapasitas infiltrasi
fa<fp bila i < fp
fa=fp bila i ≥ fp
• Infiltration rate
– Rate at which water enters the soil at the surface
(in/hr or cm/hr)
• Cumulative infiltration
– Accumulated depth of water infiltrating during given
time period
t
dftF0
)()(
)(tf
dt
tdFtf
)()(
Infiltrasi
• Kapasitas perkolasi (percolation capacity=Pp)= kecepatan perkolasi maksimum
Jumlah perkolasi (mm)= jumlah infiltrasi yang terjadi (mm) – jumlah air yang diperlukan untuk pengisian kelembaban tanah (soil moisture) (mm)
• Kecepatan perkolasi (percolation rate=Pa)= kecepatan perkolasi yang sesungguhnya terjadi. Nilai ini dipengaruhi oleh kecepatan infiltrasi dan kapasitas perkolasi.
1. Karakteristik hujan: lama hujan, intensitas
hujan terjadi pengurangan kapasitas infiltrasi
secara konstan, karena:
- pemadatan permukaan tanah
- pembengkakan tanah liat dan humus
- penyumbatan pori-pori oleh partikel kecil
- terjeratnya gelembung-gelembung udara
Faktor-faktor yang mempengaruhi
kapasitas infiltrasi
2. Kondisi permukaan tanah; ada/tidak ada tanaman
3. Karakteristik tanah; tekstur dan struktur
Tekstur= aspek geometris dari partikel komponen suatu batuan, termasuk ukuran, bentuk dan aturan susunan butir-butir tanah
Struktur= perbedaan-perbedaan dari bidang perlapisan yang normal (paralel atau sejajar) proses sedimentasi, tektonik
4. Pengerjaan tanah
5. Kondisi klimatologi
6. Nilai lembab tanah (soil moisture)
7. Kedalaman air yang tertahan di permukaan tanah (D) serta ketebalan lapisan tak jenuh (L)
Soil Particle Sizes
Table 1. Size limits (diameter in millimeters) of soil separates in the USDA soil textural classification system.
Name of soil
separate
Diameter limits (mm)
Very coarse sand* 2.00 - 1.00
Coarse sand 1.00 - 0.50
Medium sand 0.50 - 0.25
Fine sand 0.25 - 0.10
Very fine sand 0.10 - 0.05
Silt 0.05 - 0.002
Clay less than 0.002
Soil Texture Triangle
Source: USDA Soil
Survey Manual Chapter 3
Soil Water Content
TotalVol
VolWater
Soil Water Content
Infiltration Methods
• Horton and Phillips
– Infiltration models developed as approximate
solutions of an exact theory (Richard’s
Equation)
• Green – Ampt
– Infiltration model developed from an
approximate theory to an exact solution
Hortonian Infiltration
• Recall Richard’s
Equation
– Assume K and D are
constants, not a function
of or z
• Solve for moisture
diffusion at surface
K
zD
zt
z
K
zD
t
2
2
02
2
zD
t
ktcc effftf )()( 0
f0 initial infiltration rate, fc is constant rate and k is decay constant
Hortonian Infiltration
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 0.5 1 1.5 2
Time
Infi
ltra
tio
n r
ate
, f
k1
k3
k2
k1 < k2 < k3
fc
f0
Philips Equation
• Recall Richard’s Equation – Assume K and D are
functions of , not z
• Solution – Two terms represent
effects of • Suction head
• Gravity head
• S – Sorptivity – Function of soil suction
potential
– Found from experiment
K
zD
zt
KtSttF 2/1)(
KSttf 2/1
2
1)(
Green – Ampt Infiltration
Wetted Zone
Wetting Front
Ponded Water
Ground Surface
Dry Soil
0h
L
n
i
z
LLtF i )()(
dt
dL
dt
dFf
zh
Kz
Kf
fz
hKqz
MoistureSoilInitial
Front WettingtoDepth
i
L
Green – Ampt
Infiltration (Cont.)
• Apply finite difference to the
derivative, between
– Ground surface
– Wetting front
Kz
Kf
Wetted Zone
Wetting Front
Ground Surface
Dry Soil
L
i
z0,0 z
fLz ,
KL
KKz
KKz
Kff
0
0
FL
LtF )(
1
FKf
f
Kz
Kf
1
LK
dt
dL f
1
FKf
f
dt
dLf
Green – Ampt
Infiltration (Cont.)
LtF )(
Wetted Zone
Wetting Front
Ground Surface
Dry Soil
L
i
z
L
dLdLdt
K
f
f
CLLtK
ff
)ln(
Integrate
Evaluate the constant of integration
)ln( ffC
0@0 tL
)ln(L
LKtf
ff
Green – Ampt Infiltration
(Cont.)
)ln(L
LKtf
ff
)1ln(f
fF
KtF
1
FKf
f
Wetted Zone
Wetting Front
Ground Surface
Dry Soil
L
i
z
Nonlinear equation, requiring iterative solution.
ψ is wetting front soil suction head;
θ is porosity;
K is Hydraulic conductivity;
F is the total volume already infiltrated
Soil Parameters
• Green-Ampt model requires
– Hydraulic conductivity, Porosity, Wetting Front
Suction Head
– Brooks and Corey
Soil Class Porosity Effective
Porosity
Wetting
Front
Suction
Head
Hydraulic
Conductivity
n e K
(cm) (cm/h)
Sand 0.437 0.417 4.95 11.78
Loam 0.463 0.434 9.89 0.34
Clay 0.475 0.385 31.63 0.03
re n
ees )1(
e
res
Effective saturation
Effective porosity
Ponding time
• Elapsed time between the time rainfall
begins and the time water begins to pond
on the soil surface (tp)
Ponding Time
• Up to the time of ponding,
all rainfall has infiltrated (i
= rainfall rate)
if ptiF *
1
FKf
f
1
* p
f
tiKi
)( KiiKt
fp
Potential
Infiltration
Actual Infiltration
Rainfall
Accumulated
Rainfall Infiltration
Time
Time
Infi
ltra
tio
n r
ate
, f
Cu
mu
lati
ve
Infi
ltra
tio
n,
F
i
pt
pp tiF *
Example
• Silty-Loam soil, 30%
effective saturation,
rainfall 5 cm/hr
intensity
30.0
/65.0
7.16
486.0
e
e
s
hrcmK
cm
340.0)486.0)(3.01()1( ees
340.0*7.16
hr17.0))(65.00.5(0.5
68.565.0
)(
KiKiiKt
fp
Infiltrometer
Single ring infiltrometer
Double ring infiltrometer
Recommended