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Warum_Kfs eine Qual ist

Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, d.h. die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu absorbieren, ist für Wissenschaftler traditionell eine komplexe Messung. Ungenaue Feldmessungen der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (_Kfs) sind aufgrund von Fehlern bei der bodenspezifischen Alpha-Schätzung und unzureichender dreidimensionaler Fließpufferung üblich. Dreidimensionales Fließen bedeutet, dass das Wasser den Boden in drei Dimensionen infiltriert; es breitet sich sowohl seitlich als auch nach unten aus. Das Problem ist, dass der Wert, der die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit,_Kfs, darstellt, ein eindimensionaler Wert ist. Forscher verwenden_Kfs bei der Modellierung als Grundlage für ihre Entscheidungsfindung, aber um diesen Wert zu erhalten, müssen sie zunächst die Auswirkungen des dreidimensionalen Flusses entfernen.

Schätzung - eine riskante Angelegenheit

Die traditionelle Methode zur Beseitigung der Auswirkungen der dreidimensionalen Strömung besteht darin, eine Tabelle mit Alpha-Werten oder die makroskopische Kapillarlänge des Bodens zu betrachten. Da Alpha jedoch nur eine Schätzung der Sorptionswirkung ist, d.h. wie stark der Boden das Wasser seitlich zieht, ist das Risiko einer Ungenauigkeit hoch. Und wenn ein Forscher oder Ingenieur den falschen Alpha-Wert wählt, könnte seine Schätzung erheblich daneben liegen.

Um dieses Problem zu umgehen, messen Forscher_Kfs manchmal mit einem Doppelring-Infiltrometer (Abbildung 2), einer einfachen Methode, bei der der äußere Ring die seitliche Ausbreitung des Wassers nach der Infiltration begrenzen und den dreidimensionalen Fluss puffern soll. Allerdings puffert ein Doppelring-Infiltrometer den dreidimensionalen Fluss nicht perfekt ab (Swartzendruber D. und T.C. Olson 1961a). Wenn Forscher also von der Annahme ausgehen, dass sie im mittleren Ring eine eindimensionale Strömung erhalten, können sie ihre Werte für die gesättigte Leitfähigkeit im Feld überschätzen. Dies kann katastrophale Folgen haben, vor allem, wenn Sie mit einem Boden arbeiten, der für eine sehr geringe Durchlässigkeit konzipiert wurde. Wenn_Kfs überschätzt wird, könnte ein Forscher oder Ingenieur fälschlicherweise davon ausgehen, dass eine Deponieabdeckung (z.B.) unwirksam ist (_Ks ist über ^10-5 cm ^s-1), während sie in Wirklichkeit_Kfs überschätzt haben und die Abdeckung tatsächlich nachgiebig ist.

_Kfs-gelöst

Die SATURO beseitigt das Problem der Schätzung/Annahme, indem es die gut etablierte Doppelkopfmethode automatisiert. Dabei wird Wasser über dem Boden aufgestaut und mit Hilfe von Luftdruck zwei unterschiedliche Druckhöhen erzeugt. Durch die Messung der Infiltration bei diesen beiden unterschiedlichen Druckhöhen entfällt die Notwendigkeit, den Alpha-Faktor zu schätzen, so dass die Forscher die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit im Feld bestimmen können, ohne irgendwelche Annahmen zu treffen. Außerdem verbraucht das SATURO viel weniger Wasser, da es keinen großen Außenring wie ein Doppelring-Infiltrometer benötigt. Dieser automatisierte Ansatz spart Zeit und reduziert Fehler bei der Bewertung der hydraulischen Leitfähigkeit. Der folgende Theorieteil erklärt im Detail, warum dies möglich ist.

Sehen Sie sich an, wie die SATURO Messwerte Gegenüberstellung mit den Messwerten des Doppelring-Infiltrometers übereinstimmen

In dem folgenden Video erklärt Dr. Gaylon S. Campbell die Grundlagen der Hydrologie und die Wissenschaft hinter dem SATURO automatisierten Doppelkopf-Infiltrometer. In diesem 30-minütigen Webinar lernen Sie:

• Was ist die hydraulische Leitfähigkeit?
• Poröse Medien
• Was bestimmt die hydraulische Leitfähigkeit
• Warum Sie sich um die hydraulische Leitfähigkeit kümmern sollten
• Wie wird die hydraulische Leitfähigkeit gemessen?
• Laborinstrumente
• Feldinstrumente
• Die Methode hinter SATURO: Doppelkopf-Infiltrometer
• Vergleich: Doppelring- und SATURO Doppelkopf-Methode

SATURO: Warum es genauer ist

Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit im Feld, K_fs (cm/s) ist eine grundlegende hydraulische Eigenschaft des Bodens, die die Leichtigkeit beschreibt, mit der sich eine Flüssigkeit (in der Regel Wasser) unter feldgesättigten Bedingungen durch Porenräume oder Klüfte bewegen kann. Eine der ältesten und einfachsten Methoden zur In-situ-Bestimmung von K_fs ist die Messung der Infiltration durch einen Teich(D) innerhalb eines einzelnen Rings (mit einem Radius b), der über eine kleine Distanz in den Boden(d) geschoben wird (Abbildung 1). Die ursprüngliche Analyse verwendete die gemessene stetige Fließgeschwindigkeit Qs (cm3/s) und nahm eine eindimensionale, vertikale Strömung an, um K_fs aus Bouwer (1986) und Daniel (1989).

Dieser Ansatz überschätzt K_fs aufgrund der seitlichen Divergenz der Strömung, die durch die Kapillarität des ungesättigten Bodens und durch das Aufstauen im Ring entsteht (Bouwer 1986). Um die Strömungsdivergenz zu beseitigen, wurde ein äußerer Ring hinzugefügt, um die Strömung im inneren Ring zu puffern (Abbildung 2). Die Technik des Doppelring-Infiltrometers war jedoch unwirksam, wenn es darum ging, den seitlichen Abfluss aus dem inneren Ring zu verhindern (Swartzendruber und Olson 1961a, 1961b).

Neuere Forschungen bieten neue Methoden zur Korrektur der seitlichen Strömung. Reynolds und Elrick (1990) stellten eine neue Analysemethode für die gleichmäßige Versickerung in einem einzelnen Ring vor, die die Bodenkapillarität, die Tiefe der Versickerung, den Ringradius(b) und die Tiefe der Ringeinbindung(d) berücksichtigt und eine Möglichkeit zur Berechnung von K_fs, des matrix Flusses(φm) und der makroskopischen Kapillarlänge(∝). Diese Analyse ist bekannt als der Zwei-Tauchkopf-Ansatz (Reynolds und Elrick 1990).

Der Ansatz mit zwei Tümpeln ist die von SATURO verwendete Technik, allerdings mit einigen Änderungen und Vereinfachungen. Die einfachste Gleichung für diese Berechnung stammt von Nimmo et al. (2009). Sie berechnen K_fs wie in Gleichung 1 dargestellt.

wobei i ( cm/s) die konstante (endgültige) Infiltrationsrate ist (Volumen geteilt durch Fläche) und F eine Funktion ist, die die Sorptivität und geometrische Effekte korrigiert.

Nimmo et al. (2009) geben F wie in Gleichung 2 dargestellt an

wobei

• D ist die Pfützentiefe (cm)
• d ist die Eintauchtiefe des Infiltrometers (cm)
• b ist der Radius des Infiltrometers (cm)
• ∆ ist die Konstante für eine bestimmte Infiltrometergeometrie; C₁d + C₂b (cm)
• C₁ ist 0,993
• C₂ beträgt 0,578
• λ ist der Kehrwert des Gardner ∝, der eine Eigenschaft des Bodens und seines anfänglichen Wassergehalts ist (cm)

In Gleichung 2 ist ∆ einfach Gleichung 36 von Reynolds und Elrick (1990) multipliziert mit bπ, wodurch sich Abbildung 2 und Gleichung 2 mit Gleichung 37 von Reynolds und Elrick (1990) in Einklang bringen lassen.

Für zwei Pfützenhöhen verwenden Sie Gleichung 3:

Wenn Sie einen der rechten Terme umstellen, um λ in Form von K zu lösen_fszu lösen, dies im anderen rechten Term durch λ zu ersetzen und zu vereinfachen, ergibt

wobei

• D₁ ist die tatsächliche Hochdruckhöhe
• D₂ ist die tatsächliche Niederdruckhöhe
• ∆ ist 0,993d + 0,578b (cm)
• i₁ ist die Infiltrationsrate bei der hohen Druckhöhe
• i₂ ist die Infiltrationsrate bei der niedrigen Druckhöhe

Für ∆ ist d die Eintauchtiefe des Infiltrometers und b der Radius des Infiltrometers. Für den SATURO, 5-cm-Einführungsring, d = 5 cm und b = 7,5 cm, also ∆ = 9,3 cm. Für den 10-cm-Einsatzring ist d = 10 cm und b = 7,5 cm, also ∆ = 14,3 cm.

Die hydraulische Leitfähigkeit wird dann mit der Differenz der quasistationären Infiltrationsrate für den letzten Druckzyklus multipliziert und durch die Differenz der gemessenen Druckhöhe des letzten Druckzyklus geteilt.

Gleichung 4 ist äquivalent zu Gleichung 41 von Reynolds und Elrick (1990) und beseitigt die durch λ beschriebene Abhängigkeit von den Bodeneigenschaften und dem ursprünglichen Wassergehalt.

Sparen Sie Stunden mühsamer Handarbeit

Die SATURO kombiniert Automatisierung und vereinfachte Datenanalyse in einem einzigen System. Es berechnet sogar die Infiltrationsraten und die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit im Feld während der Messung. Das SATURO macht denjenigen das Leben ein wenig leichter, die eine schnellere und genauere Methode zur Messung von_Kfs im Feld benötigen.

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Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.

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Referenzen

1. Bouwer H. 1986. Ansaugrate: Cylinder infiltrometer. In Klute A., Herausgeber, Methoden der Bodenanalyse: Teil 1-Physikalische und mineralogische Methoden. 2nd ed. Madison (WI): ASA und SSSA. 825-844.(Artikel-Link)
2. Dane JH und Topp GC, Herausgeber. 2002. Methoden der Bodenanalyse: Teil 4-Physikalische Methoden. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(Link)
3. Daniel DE. 1989. In situ Tests zur hydraulischen Leitfähigkeit von verdichtetem Ton. J. Geotech. Eng. 115(9).(Artikel-Link)
4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS, und Stock JD. 2009. Schnelle Messung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Feld zur flächenhaften Charakterisierung. Vadose Zone J. 8(1): 142-149(Artikel-Link)
5. Reynolds WD und Elrick DE. 1990. Ponded infiltration from a single ring: I. Analyse des stetigen Flusses. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Artikel-Link)
6. Swartzendruber D und Olson TC. 1961. Sandmodell-Studie der Puffereffekte im Doppelring-Infiltrometer. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Artikel-Link)
7. Swartzendruber D und Olson TC. 1961. Modellstudie zum Doppelring-Infiltrometer in Abhängigkeit von der Benetzungstiefe und der Partikelgröße. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Artikel-Link)

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