Infiltration: indices et mesure de l'infiltration (avec diagramme)
Lisez cet article pour en savoir plus sur les indices et la mesure de l'infiltration.
Indices d'infiltration:
Différents indices d'infiltration donnent des taux d'infiltration de différentes manières pour aider à l'évaluation de l'eau perdue par infiltration.
Les plus importants parmi eux sont les suivants:
(i) Capacité d'infiltration:
C'est la vitesse maximale à laquelle l'eau peut pénétrer à travers la surface du sol à un moment donné dans un ensemble de conditions donné. À présent, il est clair que le taux d'infiltration réel sera inférieur à la capacité d'infiltration, à moins que le taux de pluie net atteignant le sol après avoir atteint la rétention (c.-à-d. Interception + dépression) soit égal ou supérieur à la capacité d'infiltration. La capacité d'infiltration continue à diminuer à mesure que le profil de sol devient saturé. De même que l'infiltration, la capacité d'infiltration dépend également du type de sol, de la teneur en humidité, de la matière organique présente dans le sol, de la couverture végétale et de la saison.
Horton a donné l’expression mathématique suivante pour déterminer la valeur de la capacité d’infiltration à tout moment:
f p = f c + (f o - f c ) e- Kt
Où f p est la capacité d'infiltration.
f o est le taux d'infiltration au début de la tempête.
f c est le taux d'infiltration constant qui est atteint une fois que le profil du sol est saturé.
e est la base des logarithmes naturels (base napérienne).
t est le temps depuis le début des précipitations et K est une constante. On peut se rappeler que cette équation ne peut être appliquée que lorsque le taux de précipitations nettes atteignant la surface est supérieur à la capacité d'infiltration pendant la tempête.
ii) ф Index:
L'indice ф est la partie du taux moyen de précipitations pendant une tempête qui est perdue à la fois par les processus d'interception, de stockage de la dépression et d'infiltration. Il peut donc être défini comme le taux de précipitations moyennes au cours de toute tempête au-delà duquel le volume de précipitations restantes est égal au volume de ruissellement direct. L'indice peut être calculé à partir d'un hyétographe (graphique du temps en fonction de l'intensité des précipitations) de la tempête, de manière à ce que le volume des précipitations dépassant ce taux soit égal au volume des eaux de ruissellement. Fig. 3.2.
Si l'intensité des précipitations tout au long de la tempête reste égale ou supérieure à l'indice, l'indice représente la recharge du bassin, car l'indice représente la somme totale de l'infiltration, de l'interception et du stockage de la dépression.
(iii) Indice W:
Cet indice donne le taux moyen d'infiltration pour la période de pluie pluvieuse pendant laquelle l'intensité de la pluie est supérieure à W. On peut donc parler de raffinement par rapport à l'indice qui, outre l'infiltration, comprend également l'interception et le stockage des dépressions.
L'indice W peut être obtenu à l'aide de l'équation suivante:
W = PQS / t
Où
W est le taux d'infiltration moyen
P est la précipitation totale correspondant à t
Q est le ruissellement total de la tempête.
t est le temps pendant lequel l'intensité des précipitations est supérieure à W et
S est la rétention de surface efficace.
W = ф taux moyen de rétention
La rétention comprend l'interception et le stockage de la dépression.
À toutes fins pratiques, on peut considérer que l'indice représente le taux moyen d'infiltration. Puisque ф et les indices supposent un taux d'infiltration moyen qui est en fait inférieur au taux d'infiltration initial et supérieur au taux d'infiltration ultime, leur utilité est limitée aux grandes tempêtes génératrices d'inondations.
Ces tempêtes se produisent généralement sur un sol humide et leur intensité et leur durée sont telles que le taux d'infiltration pourrait être presque considéré comme constant pour l'ensemble de la tempête ou la période majoritaire de tempête. Évidemment pour les tempêtes isolées courtes, les indices ф et W ne sont pas utiles.
Problème:
Un bassin versant a un bassin versant de 0, 5 km 2 .
Une tempête de cinq heures s'est produite sur le bassin avec les intensités de précipitations suivantes:
Le volume de ruissellement direct observé en surface à la suite de cette tempête à la sortie du bassin était de 0, 232 cumec-jour.
Calculez l'indice ф pour le bassin.
Solution:
Étape 1:
L’hyétographe des précipitations peut être utilisé comme indiqué à la Fig. 3.3.
La ligne XX montre le taux moyen d'infiltration et de rétention de surface ensemble, c'est-à-dire l'indice.
Nous devons trouver la valeur de ф.
Étape 2:
L'hyétographe donne des précipitations totales de 60 mm par tempête de 5 heures.
Fig. 3.3
Étape 3:
Volume total des eaux de ruissellement directes = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20 045 m 3 .
Étape 4:
D'après la définition de ф index, il s'agit de la partie du taux de précipitations moyen au-dessus de laquelle le volume des précipitations restantes est égal au volume de ruissellement.
Volume d'eau perdu = (volume total des précipitations) - (volume total de ruissellement) c'est-à-dire (infiltration + rétention)
= 30 000 - 20 045 = 9955 m 3
En profondeur de l'eau sur le bassin = 9955 / (0, 5 × 10 6 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.
ф index = 3, 98 mm.
Mesure d'infiltration:
L'infiltration peut être mesurée par deux méthodes, à savoir:
1. Méthodes indirectes:
Ils impliquent une application artificielle d'eau sur une zone d'échantillon. Le mécanisme utilisé à cette fin s'appelle l'infiltromètre. Il existe deux types d’infiltromètre: le type d’inondation et le simulateur de pluie.
a) Infiltromètre de type à inondation:
Il consiste en un cylindre d'environ 25 cm de diamètre et de 50 à 65 cm de long. Le cylindre est enfoncé dans le sol sur une profondeur de 40 à 50 cm. L'eau est ensuite appliquée à travers des burettes graduées pour maintenir une charge constante. Les lectures sur la burette à intervalle de temps donné donnent le taux et la quantité d’eau infiltrée dans le sol. Pour éliminer l’effet du sol sec environnant sur l’infiltromètre, deux anneaux concentriques, un de même taille et un autre de plus grand diamètre disons que 35 cm sont enfoncés dans le sol.
Ces bagues sont cependant enfoncées à une profondeur minimale nécessaire pour éviter les fuites des bagues. L'espace entre les deux anneaux est rempli au même niveau et maintenu à niveau constant par deux burettes différentes. La lecture de la burette alimentant l’anneau intérieur indique le taux et la quantité d’infiltration. Cette méthode est maintenant remplacée par le simulateur de pluie.
b) simulateur de pluie:
Dans cette méthode, des sprinkleurs spéciaux sont montés sur les deux côtés d'une parcelle expérimentale de 2 mx 4 m. La buse de ces arroseurs dirige le jet d'eau de manière inclinée pour recouvrir complètement la parcelle et atteindre une hauteur d'environ 2 m au-dessus du sol. Cette disposition permet d’appliquer de l’eau sous forme de pluie probable.
L'intensité des précipitations simulées peut être modifiée en fermant et en ouvrant les buses. L'infiltromètre commence à fonctionner avec ce qu'on appelle un cycle d'étalonnage des précipitations. Pour cette opération, une feuille de plastique ou de métal est placée sur la parcelle afin que toute l'eau atteignant le sol puisse être mesurée sans perte d'eau. Cela donne le taux moyen de précipitations.
Après cela, le test commence. Cette course est autorisée à continuer jusqu'à ce que le ruissellement devienne constant. La différence entre le taux de pluie simulé et le taux de ruissellement mesuré donne la valeur de fc (fc est le taux d'infiltration constant qui s'est établi après la saturation du sol). Pour éliminer l'effet de bordure, une bande d'environ 0, 5 m de large tout autour de la parcelle est également aspergée d'eau séparément.
Cette méthode présente les inconvénients suivants:
(i) Il est difficile de simuler la taille des gouttes de pluie.
(ii) La vitesse de chute obtenue par les gouttes d'eau ne représente pas des conditions de pluie correctes.
(iii) La valeur expérimentale du taux d'infiltration a tendance à être supérieure à celle obtenue dans des conditions naturelles.
(iv) Les valeurs d'infiltromètre peuvent être utilisées pour calculer le ruissellement d'un petit bassin versant uniquement en raison de la zone limitée sur laquelle le taux d'infiltration a été calculé.
2. Méthode directe:
Elle consiste en une analyse d'hydrogramme de ruissellement résultant d'une pluie naturelle sur un bassin considéré.
Mesure d'infiltration par analyse hydrographique:
L’analyse théorique de l’hydrogramme de ruissellement présente l’avantage de prendre en compte la configuration des précipitations, la longueur de l’écoulement en surface, la pente du bassin, le type de sol, le couvert végétal, le stockage en dépression, la rétention en surface car ils ont tendance à se produire réellement.
Cependant, sur un grand bassin versant, la distribution des précipitations n’est généralement pas connue en détail pour justifier des méthodes théoriques laborieuses d’analyse hydrographique. Pour une application pratique, il convient de séparer les averses de chaque pluie pluviale en une série de blocs et d’envisager indépendamment l’hydrogramme de ruissellement qui en résulte en transposant les courbes de récession ou en calculant le taux moyen d’infiltration.
L’analyse peut être effectuée selon les étapes suivantes (voir Fig. 3.4):
je. Dessinez un hyétographe des précipitations et un hydrogramme des eaux de ruissellement sur la même parcelle que l'orage dans le bassin.
ii. Séparez chaque averse de l'orage.
iii. Séparez chaque hydrogramme de ruissellement de celui qui suit, en transposant les courbes de récession.
iv. Déduire le débit de base du débit total.
v. Obtenir des eaux de ruissellement pour chaque montée.
vi. Sélectionner les durées de l'excès de précipitation (T e ) en inspectant l'hyographe et l'hydrogramme.
vii. Tracer les courbes de masse des précipitations et obtenir les valeurs cumulatives des précipitations (Pw 1, Pw 2, Pw 3, etc.).
viii. Tracer les courbes de masse des eaux de ruissellement directes et obtenir les valeurs cumulées des eaux de ruissellement (Qs 1, Qs 2, Qs 3, etc.).
ix. Calculer la différence entre les précipitations cumulées et le ruissellement cumulatif ( Pw - Qs) donnant l'infiltration totale F.
X. Divisez l'infiltration totale par la durée de l'excès de pluie (Te) pour obtenir un taux d'infiltration moyen pour cette averse ou ce bloc de la tempête.
Pertinence de la méthode de mesure d'infiltration:
Les différentes méthodes de mesure de l'infiltration directe et indirecte ne peuvent pas être utilisées avec une précision suffisante pour toutes les tailles de bassins versants, afin d'évaluer le ruissellement qui en résulte.
Les méthodes couramment adoptées sur différentes tailles de bassins versants sont les suivantes:
i) Petits bassins versants:
Sur les petits bassins versants, les valeurs de l'infiltromètre et la méthode d'analyse de l'hydrogramme de tempête donnent des résultats satisfaisants.
ii) Grands bassins versants:
Dans le cas de grands bassins versants, il est jugé pratique de développer des courbes standard du taux d'infiltration en étudiant le nombre de tempêtes sur un bassin typique représentatif en tenant compte de différentes utilisations des terres. Une autre méthode d'importance pratique dans les deux cas est l'adoption de l'indice ф qui donne un taux moyen pendant toute la tempête. Il est bien adapté à l'estimation du ruissellement maximum d'une grosse tempête sur des sols humides.
