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