Przewodność hydrauliczna: Ile pomiarów jest potrzebnych?
Naukowcy zmieniają sposób, w jaki pomiary infiltracji są rejestrowane, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich standardów pomiaru.
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.
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.
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:
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).
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).
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.
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
gdzie
W równaniu 2, ∆ jest po prostu równaniem 36 Reynoldsa i Elricka (1990) pomnożonym przez bπ, 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:
Przestawienie jednego z odpowiednich wyrażeń w celu rozwiązania dla λ w kategoriach Kfspodstawiając λ w drugim prawym wyrażeniu i upraszczając otrzymujemy
gdzie
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.
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.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
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.
Naukowcy zmieniają sposób, w jaki pomiary infiltracji są rejestrowane, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich standardów pomiaru.
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.
Leo Rivera, naukowiec z METER, wyjaśnia, które sytuacje wymagają nasyconej lub nienasyconej przewodności hydraulicznej oraz zalety i wady popularnych metod.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.