TL 2130 Hidrologi. Infiltrasi (Infiltration)

(1)

TL 2130 Hidrologi

Infiltrasi (Infiltration)

(2)

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



(3)

Definitions

solid

Pore with air

Pore with water Element of soil, V (Saturated)

Element of soil, V (Unsaturated)

n 0

content;

moisture V nS

V

S 0

; saturation V

S V

porosity V

n V

water of

volume V

solids of

volume V

pores of

volume V

element of

volume gross

V

w v w v w

s v











1

(4)

• 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

(5)

• 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)

(6)

• 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.

(7)

• 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

(8)

• 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

(9)

• 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 f d t

F

0

) ( )

(  

) (t f

dt t t dF

f ( )

) ( 

Infiltrasi

(10)

• 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.

(11)

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

(12)

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)

(13)

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

(14)

Soil Texture Triangle

Source: USDA Soil

Survey Manual Chapter 3

(15)

Soil Water Content

TotalVol VolWater

 

Soil Water Content

(16)

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

(17)

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

D z z

t 





z K z

t D 

 

 



2 2









0

2 2

z t D 





 _



c kt

c f f e

f t

f ( )  ( ₀  ) ^ f₀initial infiltration rate, f_c is constant rate and k is decay constant

(18)

Hortonian Infiltration

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 0.5 1 1.5 2

Time

Infiltration rate, f

k1

k3 k2

k1 < k2 < k3

fc f0

(19)

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

D z z

t 





Kt St

t

F( )  ¹^/² 

K St

t

f  ^¹^/²  2

) 1 (

(20)

Green – Ampt Infiltration

Wetted Zone

Wetting Front Ponded Water Ground Surface

Dry Soil

h0

L



 n

i



z



   

 L L

t

F( ) ( _i)

dt dL dt

f  dF  

z h   

z K K

f  





z f K h

q_z  



Moisture Soil

Initial

Front Wetting

to Depth



i

L



(21)

Green – Ampt Infiltration (Cont.)

• Apply finite difference to the derivative, between

– Ground surface – Wetting front

z K K

f   



Wetted Zone

Wetting Front Ground Surface

Dry Soil L







i



0 z

,

0 

  z

L f

z  ,  L K K z K

K z K

K

f ^f 



 

 

 



 0

 0









 



 L F

L t

F )(



 



 

 1

K F

f  ^f

z K K

f  





(22)



 



 



 1

K L dt

dL  f





 



 

 1

K F

f  ^f

dt f   dL

Green – Ampt Infiltration (Cont.)





 L t

F )(

Wetted Zone

Dry Soil L







i



z

L dL dL

K dt

f f

 

  





C L

L K t

f

f  



   ln( )



Integrate

Evaluate the constant of integration

) ln( _f C  f 

0

@

0 

 t

L

)

ln( L

L Kt

f f

f 







 

 



(23)

Green – Ampt Infiltration (Cont.)

)

ln( L

L Kt

f f

f 







 

 



) 1

ln(

f f

Kt F

F  

 









 



 

 1

K F

f  ^f

Wetted Zone

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

(24)

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

r

e n 

  

e

se 

  (1 )



e e r

s 



 

 Effective saturation Effective porosity

(25)

Ponding time

• Elapsed time between the time rainfall

begins and the time water begins to pond

on the soil surface (t

_p

)

(26)

Ponding Time

• Up to the time of ponding, all rainfall has infiltrated (i

= rainfall rate)

i

f  F  i*t_p



 



 

 1

K F

f  ^f











 

 1

* _p

f

t K i

i 

) (i K K i

t_p ^f



 

Potential Infiltration

Actual Infiltration Rainfall

Accumulated Rainfall

Infiltration

Time Time

Infiltration rate,f

Cumulative Infiltration,F

i

tp p

p i t

F  *

(27)

Example

• Silty-Loam soil, 30%

effective saturation, rainfall 5 cm/hr

intensity ₀_.₃₀

/ 65

. 0

7 . 16

486 . 0



e e

s

hr cm K

 cm



340 . 0 ) 486 . 0 )(

3 . 0 1 ( )

1

(    



 s_e _e 340 . 0

* 7 .

16





hr 17 . ) 0 )(

65 . 0 0 . 5 ( 0 . 5

68 . 65 5

. ) 0

( 



 



 

K i K

i K i

t_p  ^f

(28)

Infiltrometer

Single ring infiltrometer

Double ring infiltrometer

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)