Skattning av infiltrationskapacitet för stora ytor i kines

Ett avsevärt antal provgropar har grävts och provinfiltrerats i Babaoflodens avrinningsområde i Kina. Infiltrationsdata har avstämts mot tre olika modeller och även relaterats till höjd över havet. Infiltrationsförloppet kan beskrivas i tre steg, med avtagande kapacitet.

Av: Jörgen Hanaeus

För att få ett bättre grepp om grundvattenbildningen på en regional nivå har infiltrationsförsök genomförts i fält (nivå ca 3000 m ö h) i Babaoflodens avrinningsområde i Kina. Guelphs permeameter användes och relativt plana gräsytor valdes för provgroparna. Tre enkla modeller för infiltrationsförloppet valdes och validerades. Infiltrationsförloppet kunde beskrivas i tre perioder; avtagande kapacitet i de två första men stabilare efter ca 30 min.

Kostiakovs infiltrationsmodell bedömdes beskriva fältresultaten bäst, men i vissa avseendeen lyckades både Hortons modell och Philips modell bättre.

Bakgrund

Infiltration av nederbörd är fundamental för grundvattenbildningen och viktig för förståelsen av avrinningen på en regional nivå. Den påverkar också markfuktigheten och avdunstningen. 

Qilianbergen styr vattenbalansen för avrinningsområdet till Heihe River. Babaofloden är en viktig del av Heihes vattensystem och av stor ekonomisk och social betydelse för kringliggande region.

Det studerade delområdet i Babaoflodens avrinningsområde är beläget ca 3 000 möh och har en årsmedelnederbörd av 400 mm. Vegetationen täcker ungefär 80 % av området och täcket består främst av sävstarrarna Kobresia parva, Kobresia humilis, Kobresia capillifolia samt Elymus dahuricus och Carex-arter.

Fältförsök

Via permeametern lades 5 cm vattenpelare på vid 20 cm djup. Vattennivån avlästes varannan minut och försöket avbröts när tre avläsningar under ett intervall gav samma sänkning. Intill aktuell provgrop grävdes en grop om 40 cm och prov togs på 20 cm nivån för att bestämma dels markfuktigheten, dels innehållet av organiskt material och dels partikelstorleksfördelningen enligt amerikansk jordartsstandard.

De modeller som provades för att förklara fältresultaten var:

Kostiakovs modell       f(t) = at^-b  

där f (t) är infiltrationshastigheten, t är infiltrationstiden och a och b konstanter utan fysikalisk mening;

Hortons modell        f(t) = f_c + (f₁-f_c) e^-βt

där f_c är den stabila infiltrationshastighet som uppnåtts, f₁ är den initiella infiltrationshastigheten och β en empirisk constant;

Philips modell       f(t) = f_c +0,5St^-0,5

där S är jordens hygroskopicitet.

För att utvärdera modellerna mot fältresultaten användes flera vägar: minsta kvadratmetoden (SSE), modelleffektivitet  (%) (EF, definierad i artikeln), Willmotts index, W och avvikelser för medelvärdet (ME) samt minsta kvadratfelssumman (RMSE). Fem parametrar, alltså.

Resultat

För det studerade området blev innehållet av organiskt material på 20 cm djup mellan 4,24 och 7,80 g/kg med medelvärdet 5,61 g/kg. Markfuktigheten (20 cm) varierade mellan 23 och 47 %. Jordens volymvikt låg mellan 0,81 och 1,38 t/m³. Silt var dominerande kornstorlek.

Infiltrationshastigheten var initiellt  0,48 cm/min, som medelvärde för mellanhöjdregionen (ca 2900 möh), och 0,21 cm/min som stabilt slutvärde. I övre höjdregionen (ca 3300 möh) blev motsvarande värden1,93 cm/min och 0,99 cm/min respektive.

Infiltrationsförloppet kunde indelas i tre stadier: Det snabbt föränderliga (0-10 min), det långsamt föränderliga (10-30 min) och det stabila stadiet (>30 min).

Modellanpassningen gav följande medelvärden på modellparametrarna:

a = 1,93 ,  b = 0,22 ; f_c = 0,99, f₁ = 1,93, k = 0,21 ; S = 0,68.

Beträffande parametrarna lärde man följande: Ett lågt värde på ”a” innebär att skillnaden mellan initial och slutlig infiltrationshastighet är liten. Ett lågt värde på ”k” berättar att infiltrationshastigheten avtar långsamt.

Tabellvärden för alla fem modellutvärderingsparametrarna relativt de tre modellerna presenteras i artikeln.

I den övergripande rankingen föll Kostiakovs modell bäst ut. 

Slutsatser  

Infiltrationshastigheten avtog med tiden i ett trestegsförlopp. Infiltrationen gick något snabbare på den övre höjdnivån (såväl initialt som stabilt) och även snabbare vid högre markfuktighet. Kostiakovs modell beskrev förloppen bäst av de prövade.

I VA-världen är markinfiltration normalt en lokal för att inte säga en superlokal företeelse, ofta gällande avloppsvatten. Denna mer hydrologiska ansats – att med relativt enkla medel skaffa sig en bild av storleken på infiltrationen över en större yta – kan kanske finna tillämpningar i vattenförsörjningssammanhang.

Källa: Li, GuangWen ^a,b) , Feng, Qi^a,c), Zhang, FuPing^a), Cheng, AiFang^c) (2014). Research on the infiltration processes of lawn soils of the Babao River in the Qilian Mountain. Water Science & Technology.

Hela artikeln finns här.

a)     The College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an

710062, China.

b)    The Science Department of Qiqihar University, Qiqhar 161006, China.

c)     Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,  Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China.

Kontakt:  qifeng@lzb.ac.cn