Przewodność hydrauliczna nasycenia w terenie - dlaczego jest to takie trudne?

Field saturated hydraulic conductivity—Why is it so difficult?

Niedokładne pomiary nasyconej przewodności hydraulicznej (Kfs) są powszechne z powodu błędów w szacowaniu alfa specyficznego dla gleby i nieodpowiedniego trójwymiarowego buforowania przepływu.

WSPÓŁTWÓRCY

Dlaczego Kfs jest uciążliwy

Nasycona przewodność hydrauliczna, czyli zdolność gleby do wchłaniania wody, jest tradycyjnie skomplikowanym pomiarem dla naukowców. Niedokładne pomiary nasyconej przewodności hydraul icznej (Kfs) w terenie są powszechne z powodu błędów w szacowaniu alfa specyficznego dla gleby i nieodpowiedniego trójwymiarowego buforowania przepływu. Trójwymiarowy przepływ oznacza, że woda infiltruje glebę w trzech wymiarach; rozprzestrzenia się zarówno na boki, jak i w dół. Problem polega na tym, że wartość reprezentująca nasycone przewodnictwo hydrauliczne, Kfs, jest wartością jednowymiarową. Naukowcy wykorzystują Kfs w modelowaniu jako podstawę do podejmowania decyzji, ale aby uzyskać tę wartość, muszą najpierw usunąć skutki przepływu trójwymiarowego.

Szacowanie - ryzykowna propozycja

Tradycyjną metodą usuwania efektów przepływu trójwymiarowego jest spojrzenie na tabelę wartości alfa lub makroskopową długość kapilarną gleby. Ponieważ jednak wartość alfa jest jedynie oszacowaniem efektu sorpcji lub tego, jak bardzo gleba będzie przyciągać wodę na boki, ryzyko niedokładności jest wysokie. A jeśli badacz lub inżynier wybierze niewłaściwą wartość alfa, jego szacunki mogą być znacznie błędne.

Aby obejść ten problem, badacze czasami mierzą Kfs za pomocą infiltrometru z podwójnym pierścieniem (rysunek 2), prostej metody, w której zewnętrzny pierścień ma na celu ograniczenie bocznego rozprzestrzeniania się wody po infiltracji i buforowanie trójwymiarowego przepływu. Jednak infiltrometr z podwójnym pierścieniem nie buforuje idealnie przepływu trójwymiarowego (Swartzendruber D. i T.C. Olson 1961a). Jeśli więc badacze działają przy założeniu, że uzyskują jednowymiarowy przepływ w środkowym pierścieniu, mogą przeszacować wartości przewodności nasyconej w terenie. Może to być katastrofalne w skutkach, szczególnie podczas pracy z glebą, która została zaprojektowana tak, aby miała bardzo niską przepuszczalność. Jeśli Kfs jest przeszacowane, badacz lub inżynier może błędnie założyć, że pokrywa składowiska odpadów (na przykład) jest nieskuteczna (Ks wynosi ponad 10-5 cm s-1), podczas gdy w rzeczywistości przeszacowali Kfs, a pokrywa jest w rzeczywistości zgodna.

Kfs-rozwiązany

Metoda SATURO eliminuje problem szacowania/założenia poprzez automatyzację dobrze znanej metody podwójnej głowicy . Polega ona na umieszczeniu wody na powierzchni gleby i wykorzystaniu ciśnienia powietrza do wytworzenia dwóch różnych ciśnień. Pomiar infiltracji przy tych dwóch różnych głowicach ciśnieniowych pozwala uniknąć konieczności szacowania współczynnika alfa, umożliwiając badaczom określenie przewodności hydraulicznej nasyconego pola bez przyjmowania jakichkolwiek założeń. Dodatkowo, SATURO zużywa znacznie mniej wody, ponieważ nie wymaga dużego pierścienia zewnętrznego, jak w przypadku infiltrometru dwupierścieniowego. To zautomatyzowane podejście oszczędza czas i zmniejsza błędy w ocenie przewodności hydraulicznej. Poniższa sekcja teoretyczna wyjaśnia szczegółowo, dlaczego jest to możliwe.

Zobacz, jak odczyty SATURO wypadają w porównaniu z odczytami infiltrometru dwupierścieniowego

W poniższym filmie dr Gaylon S. Campbell uczy podstaw hydrologii i nauki stojącej za automatycznym infiltrometrem z podwójną głowicą SATURO . W tym 30-minutowym webinarium dowiesz się:

  • Co to jest przewodność hydrauliczna?
  • Nośniki porowate
  • Co określa przewodność hydrauliczną?
  • Dlaczego warto dbać o przewodność hydrauliczną
  • Jak mierzy się przewodność hydrauliczną?
  • Przyrządy laboratoryjne
  • Instrumenty terenowe
  • Metoda stojąca za SATURO: infiltrometr z podwójną głowicą
  • Porównanie: Metody podwójnego pierścienia i podwójnej głowicy SATURO

SATURO: Dlaczego jest bardziej dokładny

Przewodność hydrauliczna nasycenia w terenie, Kfs (cm/s) jest podstawową właściwością hydrauliczną gleby, która opisuje łatwość, z jaką płyn (zwykle woda) może przemieszczać się przez przestrzenie porowe lub szczeliny w warunkach nasycenia polowego. Jedną z najstarszych i najprostszych metod określania Kfs obejmowała pomiar infiltracji w stawie(D) z pojedynczego pierścienia (o promieniu b) przesuniętego na niewielką odległość w głąb gleby(d) (rysunek 1). Pierwotna analiza wykorzystywała zmierzone stałe natężenie przepływu, Qs (cm3/s) i zakładała jednowymiarowy, pionowy przepływ w celu uzyskania Kfs z Bouwer (1986) i Daniel (1989).

A diagram of the cross section of a single-ring infiltrometer
Rysunek 1. Przekrój poprzeczny infiltrometru jednopierścieniowego

Podejście to przeszacowało wartość Kfs ze względu na boczną dywergencję przepływu wynikającą z kapilarności nienasyconej gleby i tworzenia się stawów w pierścieniu (Bouwer 1986). Próby wyeliminowania rozbieżności przepływu obejmowały dodanie zewnętrznego pierścienia do buforowania przepływu w pierścieniu wewnętrznym (Rysunek 2). Jednak technika infiltrometru z podwójnym pierścieniem była nieskuteczna w zapobieganiu bocznemu przepływowi z pierścienia wewnętrznego (Swartzendruber i Olson 1961a, 1961b).

A diagram of cross section of a double-ring infiltrometer that measures field saturated hydraulic conductivity
Rysunek 2. Przekrój poprzeczny dwupierścieniowego infiltrometru mierzącego przewodność hydrauliczną nasycenia w terenie

Najnowsze badania dostarczają nowych metod korygowania przepływu bocznego. Reynolds i Elrick (1990) przedstawili nową metodę analizy stałej infiltracji stawowej do pojedynczego pierścienia, która uwzględnia kapilarność gleby, głębokość stawu, promień pierścienia(b) i głębokość wstawienia pierścienia(d) oraz zapewnia środki do obliczania Kfs(φm) i makroskopowej długości kapilarnej(∝). Analiza ta znana jest jako metoda dwóch stawów (Reynolds i Elrick 1990).

Podejście oparte na dwóch głowicach jest techniką stosowaną przez SATURO, choć z pewnymi modyfikacjami i uproszczeniami. Najprostsze równanie dla tego obliczenia pochodzi od Nimmo et al. (2009). Obliczają oni Kfs jak pokazano w równaniu 1.

calculation is from Nimmo et al. (2009)
Równanie 1

gdzie i ( cm/s) to stały (końcowy) współczynnik infiltracji (objętość podzielona przez powierzchnię), a F to funkcja korygująca sorpcyjność i efekty geometryczne.

Nimmo et al. (2009) podaje F jak pokazano w równaniu 2

Equation 3
Równanie 3

gdzie

  • D to głębokość sadzawki (cm)
  • d to głębokość wprowadzenia infiltrometru (cm)
  • b jest promieniem infiltrometru (cm)
  • jest stałą dla danej geometrii infiltrometru; C1d + C2b (cm)
  • C1 wynosi 0,993
  • C2 wynosi 0,578
  • λ jest odwrotnością współczynnika Gardnera ∝, który jest charakterystyczny dla gleby i jej początkowej zawartości wody (cm).

W równaniu 2, ∆ jest po prostu równaniem 36 Reynoldsa i Elricka (1990) pomnożonym przez , co pozwala na pogodzenie rysunku 2 i równania 2 z równaniem 37 Reynoldsa i Elricka (1990).

W przypadku dwóch głębokości stawu należy użyć równania 3:

Equation 3
Równanie 3

Przestawienie jednego z odpowiednich wyrażeń w celu rozwiązania dla λ w kategoriach Kfspodstawiając λ w drugim prawym wyrażeniu i upraszczając otrzymujemy

Equation 4
Równanie 4

gdzie

  • D1 to rzeczywista wysokość wysokiego ciśnienia
  • D2 to rzeczywista wysokość niskiego ciśnienia
  • wynosi 0,993d + 0,578b (cm)
  • i1 to współczynnik infiltracji przy wysokim ciśnieniu głowicy
  • i2 to współczynnik infiltracji przy niskim ciśnieniu czołowym

Dla ∆ , d jest głębokością wprowadzenia infiltrometru, a b jest promieniem infiltrometru. Dla pierścienia wprowadzającego SATURO, 5 cm, d = 5 cm i b = 7,5 cm, więc = 9,3 cm. Dla 10-centymetrowego pierścienia wprowadzającego, d = 10 cm i b = 7,5 cm, więc = 14,3 cm.

Przewodność hydrauliczna jest następnie mnożona przez różnicę w szybkości infiltracji w stanie quasi-ustalonym dla ostatniego cyklu ciśnienia i dzielona przez różnicę w zmierzonej wysokości ciśnienia z ostatniego cyklu ciśnienia.

Równanie 4 jest równoważne równaniu 41 z Reynolds i Elrick (1990) i usuwa zależność od właściwości gleby i początkowej zawartości wody opisanej przez λ.

Oszczędność godzin żmudnej pracy ręcznej

System SATURO łączy automatyzację i uproszczoną analizę danych w jednym systemie. Oblicza nawet współczynniki infiltracji i przewodność hydrauliczną nasyconą w terenie w locie. SATURO ułatwia życie tym, którzy potrzebują szybszego i dokładniejszego sposobu pomiaru Kfs w terenie.

Pytania?

Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.

Referencje

  1. Bouwer H. 1986. Współczynnik wlotu: Infiltrometr cylindryczny. W Klute A., redaktor, Metody analizy gleby: Część 1 - Metody fizyczne i mineralogiczne. 2nd ed. Madison (WI): ASA i SSSA. 825-844.(Link do artykułu)
  2. Dane JH i Topp GC, redaktorzy. 2002. Metody analizy gleby: Część 4 - Metody fizyczne. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(link)
  3. Daniel DE. 1989. Testy przewodności hydraulicznej in situ dla zagęszczonej gliny. J. Geotech. Eng. 115(9).(Link do artykułu)
  4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS i Stock JD. 2009. Szybki pomiar przewodności hydraulicznej nasyconego pola dla charakterystyki obszarowej. Vadose Zone J. 8(1): 142-149.(Link do artykułu)
  5. Reynolds WD i Elrick DE. 1990. Infiltracja z pojedynczego pierścienia: I. Analiza stałego przepływu. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Link do artykułu)
  6. Swartzendruber D i Olson TC. 1961. Sand-model study of buffer effects in the double-ring infiltrometer. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Link do artykułu)
  7. Swartzendruber D i Olson TC. 1961. Badanie modelowe infiltrometru dwupierścieniowego w zależności od głębokości zwilżania i wielkości cząstek. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Link do artykułu)

Weź udział w naszej klasie mistrzowskiej dotyczącej wilgotności gleby

Sześć krótkich filmów wideo nauczy Cię wszystkiego, co musisz wiedzieć o zawartości wody w glebie i potencjale wodnym gleby - i dlaczego powinieneś mierzyć je razem. Ponadto opanuj podstawy przewodnictwa hydraulicznego gleby.

Obejrzyj teraz

Powiązane artykuły

Zobacz wszystkie artykuły

Przewodność hydrauliczna: Ile pomiarów jest potrzebnych?

Naukowcy zmieniają sposób, w jaki pomiary infiltracji są rejestrowane, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich standardów pomiaru.

OBEJRZYJ SEMINARIUM INTERNETOWE

Właściwości hydrauliczne gleby - 8 sposobów na nieświadome narażenie danych na szwank

Jeśli dane są wypaczone w złym kierunku, przewidywania będą błędne, a błędne zalecenia lub decyzje mogą kosztować. Leo Rivera omawia typowe błędy i najlepsze praktyki.

OBEJRZYJ SEMINARIUM INTERNETOWE

Wilgotność gleby 302: Przewodność hydrauliczna - który przyrząd jest odpowiedni?

Leo Rivera, naukowiec z METER, wyjaśnia, które sytuacje wymagają nasyconej lub nienasyconej przewodności hydraulicznej oraz zalety i wady popularnych metod.

OBEJRZYJ SEMINARIUM INTERNETOWE

Studia przypadków, webinaria i artykuły, które pokochasz

Regularne otrzymywanie najnowszych treści.

icon-angle paski ikon ikona-czasu