بخشی از نزولات جوی بعد از رسیدن به سطح زمین به داخل خاک نفوذ(infiltration) میکند .واین پدیده فقط شامل وارد شدن آب به داخل خاک است . این آب ممکن است در داخل زمین نیز به حرکت عمقی خود ادامه دهد تاد سرانجام وارد لایه های آبدار زیر زمینی شده و جزء منابع آب زیرزمینی به حساب آید و یا آن که صرف مرطوب کردن خاک شده و دوباره در اثر تبخیر و تعرق به هوا برگشت کند .
نفوذ آب در خاک از دو جهت باید مورد بررسی قرار گیرد ، یکی شدت نفوذ ودیگری مقدار نفوذ .
شدت یا سرعت نفوذ به ارتفاع آبی گفته می شود که اگر در روی زمین وجود می داشت می توانست در واحد زمان در زمین نفوذ کند .آب فقط در زمانی در سطح زمین انباشته یا جاری می شود که شدت بارندگی از سرعت نفوذ آب در خاک بیشتر باشد
{بر گرفته از کتاب فیزیک خاک کاربردی دکتر محبوبی( ع اَ ) و نادری (ع اَ ) صفحه90}
مقدمه
نفوذ عبارت است از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک است. سرعت وارد شدن آب به داخل خاک یا به عبارت دیگر سرعت نفوذ از پارامترهای بسیار مهم در طراحی آبیاری است . در واقع نوع سیستم آبیاری که برای یک منطقه برگزیده می شود بر اساس خصوصیات نفوذ آب به داخل خاک است .بنابر این سرعت نفوذ آب به داخل خاک را باید مهمترین پارامتر فیزیک خاک دانست که در طراحی سیستم آبیاری باید در نظر گرفته شود . شیوه هایی که برای اندازه گیری سرعت نفوذ آب در خاک در دسترس اند پرزحمت و وقت گیر بوده و به وسایل خاصی نیاز دارد . همچنین به دلیل تغییرات نفوذ پذیری از یک مکان در مزرعه آبیاری شده تا مکان دیگر تغییر نتیجه های بدست آمده اغلب دشوار است . نفوذ متاسفانه از مشکل ترین پارامترهای قابل تعیین دقیق در مزرعه نیز می باشد . اهمیت دانستن معادله نفوذ به جهت تشریح هیدرولیک یک آبیاری سطحی همراه با مشکلات تعیین تخمین های قابل اطمینان این پارامتر به معنی این است که محققین باید وقت و پول زیادی را صرف کنند قبل از این که بتوانند وارد مرحله طراحی سیستم آبیاری گردند . {بر گرفته از کتاب فیزیک خاک کاربردی دکتر محبوبی ( ع اَ ) و نادری ( ع اَ ) صفحه91 }
Infiltration
یکی از خصوصیات فیزیکی خاک نفوذ آب به داخل خاک میباشد . نفوذ بر حسب تعریف عبارتست از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک است. اگر نفوذ آب به داخل خاک عمودی و تنها در یک جهت باشد به آن Infiltration میگویند. ولی اگر نفوذ در چند جهت صورت گیرد‘ یعنی علاوه بر حرکت عمودی دارای حرکت افقی نیز باشد‘ آنرا Inpouration مینامند. نفوذ یکی از مهمترین پارامترهای خاک است. شرایط فیزیکی خاک مانند ساختمان خاک‘ بافت خاک‘ رطوبت اولیه خاک و شرایط فیزیولوژیک خاک مانند خلل و فرج ایجاد شده توسط کرمها و...و همچنین کیفیت آب خاک و دمای آب در نفوذ آب در خاک تاثیر دارند.
تابع نفوذ
مقدار نفوذ تجمعی (I) یعنی ابی که از آغاز نفوذ تا این لحظه در خاک نفوذ کرده است. واحد نفوذ تجمعی سانتیمتر یا هر واحد دیگر طول است. چنانچه مقدار نفوذ تجمعی آب به داخل خاک را بررسی کنیم‘مشاهده میشود که نفوذ تجمعی در ابتدا بسیار سریع انجام میشود‘ بطوریکه منحنی تغییرات نفوذ تجمعی نسبت به زمان (I-T) در ابتدا دارای شیب تندی است و در طول زمان مقدار شیب آن رفته رفته کاهش میابد تا به مقدار شیب ثابتی میرسد( شکل الف). علت زیاد بودن شیب منحنی نفوذ تجمعی در زمان های اولیه این است که در ابتدا خاک خشک تر و دارای پتانسیل مکش بیشتری است. بدین معنا که آب در ابتدا تحت تاثیر نیروی های ثقل و مویینگی به داخل خاک نفوذ میکند. ولی پس گذشت زمان و با افزایش رطوبت خاک خاصیت مویینگی اثر خود را در حرکت آب به سمت پایین از دست میدهد و آب تنها تحت اثر نیروی ثقل نفوذ میکند‘ لذا بتدریج یکی از نیروی های عامل حرکت آب حذف شده و سرعت نفوذ کاهش میابد. بنابراین سرعت نفوذ (i) یا شیب منحنی تجمعی نفوذ به مقدار رطوبت خاک (θ)وابسته است و با آن نسبت عکس دارد. ولی باید توجه داشت که مقدار سرعت نفوذ هیچگاه به صفر نخواهد رسید بلکه در زمان بینهایت به مقدار ثابتی خواهد رسید.
حلقه های مضاعف: به منظور اندازه گیری میزان نفوذ آب به داخل خاک معمولا از حلقه های ساده یا مضاعف (Double rings) میتوان استفاده کرد که به حلقه های نفوذ معروف هستند. برای آنکه اثر جانبی نفوذ آب و شرایط مرزی به حداقل رسانده شود‘ توصیه می شود به جای یک حلقه ساده از حلقه های مضاعف یا متداخل که بصورت دو حلقه که در داخل یکدیگر قرار گرفته میباشد استفاده شود. با این کار فشار آب در حد فاصل دو حلقه باعث شود که نفوذ آب از حلقه داخلی در جهت عمودی صورت گیرد. در این حالت نفوذ در حلقه داخلی اندازه گیری می گردد.
مراحل انجام آزمایش: برای انجام آزمایش دو حلقه آهنی را که دارای ارتفاع 30 سانتیمتر بوده و قطر حلقه بزرگتر 30-45 سانتیمتر و قطر حلقه کوچکتر 20-25 سانتیمتر می باشد‘ بر روی خاک قرار داده میشوند. حلقه ها توسط یک پتک تا 3/1ارتفاع مربوطه در خاک فرو میروند. بین دو حلقه مقداری آب به ارتفاع h می ریزیم که حدودا معادل آبیاری کرتی در آبیاری در مزرعه می باشد. در زمانی که فقط در بین دو حلقه آب وجود دارد، بدلیل خشک بودن خاک هر دوی نفوذ های عمودی و افقی وجود دارند. در مرحله بعد داخل استوانه میانی یک پلاستیک قرار داده میشود تا از دست خوردگی و بر هم خوردن ساختمان خاک جلوگیری شود. سپس به همان ارتفاع h در استوانه داخلی یعنی بر روی پلاستیک قرار گرفته در حلقه داخلی آب ریخته میشود. زمان را صفر کرده و در یک لحظه پلاستیک را بر داشته و کرنومتر را به کار میاندازیم. یک اشل در داخل حلقه میانی قرار داده میشود تا توسط آن مقدار نفوذ لحظه ای را با اندازه گیری ارتفاع آب در حلقه داخلی بدست آوریم . در این حالت چون خاک اطراف استوانه کوچک تقریبا اشباع شده است‘ نفوذ آب از حلقه داخلی عمودی خواهد بود. پس از برداشتن پلاستبک ‘ مقادیر h و زمان t را در لحظات مختلف یادداشت میشوند.
دو حالت انجام آزمایش: در دو حالت آزمایش انجام میگردد. الف- حالت بار افتان: در این حالت ارتفاع آب در طول زمان در استوانه داخلی مرتبا کاهش می یابد. یعنی در طول آزمایش به استوانه داخلی آب افزوده نمیشود. ب- حالت بار ثابت: در حالت بار ثابت در طی آزمایش با افزودن آب به استوانه میانی سطح آب در آن ثابت نگهداشته میشود. یعنی هر چه آب نفوذ می کند‘همان مقدار آب به استوانه میانی اضافه میگردد تا ارتفاع آب در همان ارتفاع اولیه ثابت بماند. در حالت بار ثابت آزمایش دقیقتر است و در حدود 8-9% خطا نسبت به حالت اول کاهش می یابد. ولی حالت اول در عمل به شرایط مزرعه نزدیکتر است.
جریان ماندگار آب در خاک
جریان آب در خاک به صور مایع ، تحت تاثیر شیب پتانسیل (شیب پتانسیل عبارتست از افت پتانسیل در واحد طول m) آبی است و لزوما به شیب رطوبتی خاک بستگی ندارد. بدین ترتیب هنگامی که پتانسیل به عنوان تابعی ازعمق رسم شود منتج به منحنی صاف و یکپارچه ای حتی در امتداد مرز بین لایه های خاک میگردد (قسمت الف شکل زیر)
هنگامی که مقدار رطوبت موجود در خاک به عنون تابعی از عمق خاک رسم شود در مرز بین لایه ها خک انفصاال و جدایی مشخص دیده میشود.