Przewodność hydrauliczna gleby lub zdolność gleby do przenoszenia wody ma wpływ na prawie każde zastosowanie gleby. Ma ona kluczowe znaczenie dla zrozumienia pełnego bilansu wodnego i jest również wykorzystywana do szacowania zasilania wód gruntowych przez strefę wadozy. Hydrolodzy potrzebują wartości przewodności hydraulicznej do modelowania, a naukowcy wykorzystują ją do określania stanu gleby lub przewidywania, w jaki sposób woda będzie przepływać przez glebę w różnych miejscach na polu. Decyzje rolnicze opierają się na przewodności hydraulicznej w celu określenia szybkości nawadniania lub przewidywania erozji lub wymywania składników odżywczych. Jest on również wykorzystywany do określania skuteczności pokrycia składowisk odpadów. Inżynierowie geotechnicy potrzebują go do projektowania stawów retencyjnych, koryt drogowych, ogrodów deszczowych lub dowolnego systemu zaprojektowanego do przechwytywania spływów. Jest również wykorzystywany do zrozumienia wody dostępnej dla roślin w podłożach bezglebowych. Zasadniczo, jeśli chcesz przewidzieć, w jaki sposób woda będzie przemieszczać się w systemie glebowym, musisz zrozumieć przewodność hydrauliczną, ponieważ reguluje ona przepływ wody. Jak ją zmierzyć? W tym artykule omówiono, jak mierzyć przewodność hydrauliczną, czym ona jest oraz zalety i wady popularnych metod.
Co to jest przewodność hydrauliczna gleby?
W kategoriach naukowych przewodność hydrauliczna jest definiowana jako zdolność porowatego ośrodka( na przykładgleby ) do przenoszenia wody w warunkach nasyconych lub prawie nasyconych. Równanie 1 ilustruje, co to oznacza. Jeśli i oznacza strumień wody (ilość wody na jednostkę powierzchni w jednostce czasu), jest on równy K (przewodność hydrauliczna) pomnożonemu przez gradient wysokości dh/dz. Gradient wysokości (lub gradient potencjału wody) to siła powodująca ruch wody w glebie. K jest współczynnikiem proporcjonalności między tą siłą napędową a strumieniem wody w glebie.
Równanie 1
Wysokość podnoszenia(potencjał wody) można podzielić na dwa główne składniki hm to wysokość matric (potencjał matric), a hg to wysokość grawitacyjna (potencjał grawitacyjny). Innymi słowy, istnieją siły matematyczne powodujące przemieszczanie się wody przez glebę, a także siły grawitacyjne.
Równanie 2
Gradient grawitacyjny dhg/dz jest równy 1. Początkowo, gdy woda jest podawana do gleby, siły matrykalne szybko wciągają wodę do gleby (patrz rysunek 2 poniżej). Jeśli jednak infiltracja zachodzi przez dłuższy czas, a gleba jest bardzo mokra, ciśnienie matryczne staje się równe 0.
Równanie 3
Tak więc w wydłużonym czasie współczynnik infiltracji jest w przybliżeniu równy przewodności hydraulicznej. Daje to wyobrażenie o tym, co oznacza przewodność hydrauliczna gleby. Jeśli woda jest podawana przez długi czas, szybkość infiltracji wody do gleby będzie w przybliżeniu równa przewodności hydraulicznej.
Czynniki wpływające na przewodność hydrauliczną
Przewodność hydrauliczna zależy od takich czynników, jak tekstura gleby, rozkład wielkości cząstek, chropowatość, krętość, kształt i stopień wzajemnego połączenia porów przewodzących wodę. Gdybyśmy brali pod uwagę tylko teksturę gleby, gleby o grubszej teksturze miałyby zazwyczaj wyższą przewodność hydrauliczną niż gleby o drobnej teksturze. Jednak struktura gleby i struktura porów mogą mieć znaczący wpływ na zdolność gleby do przenoszenia wody.
Gleba strukturalna zazwyczaj zawiera duże pory, podczas gdy gleby bezstrukturalne mają mniejsze pory. Rysunek 1 (poniżej) ilustruje różnicę między dobrze ustrukturyzowaną glebą gliniastą a słabo ustrukturyzowaną glebą gliniastą oraz znaczenie struktury dla przewodności hydraulicznej, szczególnie przy nasyceniu lub w jego pobliżu.
Biopory, kanały korzeniowe lub nory zwierząt zwiększają przewodność hydrauliczną nasycenia, jeśli zawierają wodę. Jeśli nie wypełniają się wodą, ponieważ nie docierają do powierzchni, mogą zmniejszać przewodność. Zagęszczenie lub gęstość gleby jest kolejnym czynnikiem wpływającym, podobnie jak zawartość wody lub potencjał wodny gleby.
Krzywe przewodności hydraulicznej: ważne narzędzia predykcyjne
Gleba jest nasycona lub nienasycona, dlatego przewodność hydrauliczna gleby jest określana jako nasycona przewodność hydrauliczna (Ks/Kfs) lub nienasycona przewodność hydrauliczna (K(Ψ)). Naukowcy używają przyrządów laboratoryjnych (KSAT i HYPROP) do tworzenia krzywych przewodności hydraulicznej, które przedstawiają wartości przewodności dla danej gleby przy różnych poziomach nasycenia/nienasycenia. Krzywe te przewidują przepływ wody w różnych typach gleby przy różnych potencjałach wody.
Rysunek 1. Krzywe przewodności hydraulicznej dla trzech różnych gleb. Wartości po prawej stronie osi pionowej wskazują wartości przewodności nasyconej. Wartości po lewej stronie wskazują wartości nienasycone. Należy zauważyć, że oś pionowa jest osią logarytmiczną. Różnice są więc rzędu wielkości (współczynniki 10, a nie 1 lub 2).
Rysunek 1 przedstawia krzywe przewodności hydraulicznej gleby dla trzech różnych gleb. Oś pionowa znajduje się na wysokości 0(potencjał wody). Wartości po prawej stronie wskazują wartości przewodności nasyconej. Wartości po lewej stronie wskazują wartości nienasycone. Gleba gliniasta o słabej strukturze (dolna linia) ma przewodność nasyconą znacznie niższą niż gleba piaszczysta. Wynika to z faktu, że gleba gliniasta składa się z małych porów, a ścieżki przepływu są bardziej ograniczone. Gdyby jednak gleba gliniasta (linia przerywana) miała dobrą strukturę (tj. zawierała agregaty z dużymi porami między tymi agregatami, które tworzą lepsze ścieżki przepływu), wówczas jej przewodność hydrauliczna w stanie nasycenia mogłaby być wyższa niż przewodność piasku.
Po lewej stronie rysunku 1, gdzie wysokość podnoszenia (potencjał wody) jest ujemna, gleba zaczyna się desaturować, a pory opróżniają się. Wraz z opróżnianiem się porów (zwłaszcza dużych), przewodność hydrauliczna gwałtownie spada. Tak więc przewodność nienasycona jest zawsze mniejsza, a w większości przypadków o rzędy wielkości mniejsza niż wtedy, gdy gleba jest nasycona.
Zauważ, że nienasycone przewodnictwo hydrauliczne dla słabo ustrukturyzowanej gleby gliniastej i dobrze ustrukturyzowanej gleby gliniastej w końcu się spotykają. Dzieje się tak, ponieważ w pewnym momencie makropory przestają przyczyniać się do przepływu, a następnie przepływ odbywa się tylko w mezoporach między cząstkami gleby. Należy również zauważyć, że nienasycona krzywa przewodności hydraulicznej dla bezstrukturalnej gleby piaszczystej zaczyna się wyżej niż gleba gliniasta, ale gdy gleba wysycha, nienasycona przewodność hydrauliczna staje się niższa niż gleby gliniaste.
Nasycenie pola to nie nasycenie
Przewodność hydrauliczna w stanie nasycenia (Ks) to nie to samo, co przewodność hydrauliczna w stanie nasycenia w terenie (Kfs). Wynika to z faktu, że gdy przewodność hydrauliczna nasycenia jest mierzona w laboratorium, rdzenie gleby można doprowadzić do całkowitego nasycenia. Jednak w terenie trudno jest doprowadzić glebę do całkowitego nasycenia. Dlaczego? Zazwyczaj podczas infiltracji od góry nie ma miejsca na ucieczkę powietrza, więc gleba kończy się uwięzionym powietrzem (rysunek 2).
Rysunek 2. Gdy gleba adsorbuje wodę, tworzy film wodny, który przylega do cząstek gleby. Istnieją również pory wypełnione powietrzem. W warunkach polowych trudno jest wyeliminować te przestrzenie powietrzne. To właśnie dlatego procent nasycenia rzadko będzie równy teoretycznemu maksimum nasycenia dla danego typu gleby.
Skutkuje to niecałkowitym nasyceniem, dlatego nazywa się to przewodnością hydrauliczną nasyconą w terenie (Kfs). Kfs jest zazwyczaj niższa niżKs ze względu na uwięzione powietrze spowalniające ruch wody.
Jak mierzyć przewodność hydrauliczną
Naukowcy mierzą zarówno nasyconą, jak i nienasyconą przewodność hydrauliczną gleby przy użyciu wielu różnych technik laboratoryjnych i terenowych. W tym artykule omówiono niektóre z najpopularniejszych metod.
TECHNIKI LABORATORYJNE: NASYCONA PRZEWODNOŚĆ HYDRAULICZNA
Komórki przepływowe (Ks): Jak działają
Pomiary w komorach przepływowych są zazwyczaj wykonywane na rdzeniach glebowych dostarczonych do laboratorium. Mierzą one niezakłócone lub zakłócone próbki gleby, ale wielkość próbki zależy od konstrukcji celi przepływowej. Mogą one wykorzystywać technikę pomiaru stałej lub opadającej głowicy.
Rysunek 3. Schemat komórki przepływowej
Rysunek 3 pokazuje, jak działa typowa komora przepływowa (istnieją inne konstrukcje). Rdzeń gleby jest nasycony przed włożeniem do komory przepływowej. Woda ze źródła wody przepływa przez górną część rdzenia gleby i mierzone jest natężenie przepływu w stanie ustalonym. Wartość ta jest następnie wykorzystywana do określenia współczynnika infiltracji. Korekty są wprowadzane zarówno dla technik stałej wysokości podnoszenia, jak i opadania, aby przejść od i (współczynnik infiltracji) do Ks (reprezentatywnej dla wpływu ciśnienia 0).
Wady i zalety komory przepływowej
Tabela 1. Wady i zalety komory przepływowej
Zalety
Wady
Proste obliczenia
Gleby ekspansywne są ograniczone
Brak poprawek dla przepływu trójwymiarowego
Wartości mogą różnić się od metod terenowych
Oddzielenie różnych horyzontów
Wymaga dodatkowego sprzętu do automatyzacji
Możliwość jednoczesnego pomiaru wielu próbek
Dedykowana przestrzeń laboratoryjna
Stosunkowo łatwa konfiguracja
Mała powierzchnia
Obliczenia komórek przepływu są proste, ponieważ woda infiltruje przez znany obszar, co eliminuje przepływ trójwymiarowy (boczny). Kolejną zaletą jest możliwość oddzielenia horyzontów gleby - można pobierać próbki z różnych warstw gleby, aby określić, który horyzont może być czynnikiem ograniczającym.
Komory przepływowe są łatwe w konfiguracji, ale automatyzacja urządzenia jest bardziej złożona. Wymaga to dedykowanej przestrzeni laboratoryjnej ze względu na duży sprzęt do automatyzacji, który musi pozostać skonfigurowany. Innym ograniczeniem celi przepływowej jest to, że gdy ekspansywna gleba jest zwilżana, rozszerza się w ograniczonym rdzeniu gleby, co ściska pory gleby i zmienia jej właściwości. Może to spowodować niedoszacowanie przewodności hydraulicznej gleby. Aby przezwyciężyć ten problem, należy pobierać próbki, gdy gleba jest bliska nasycenia.
Jedną z kwestii związanych z komórkami przepływowymi (i wszystkimi technikami laboratoryjnymi) jest to, że wartości laboratoryjne różnią się od wartości terenowych. Zamknięty makropor w terenie może zostać otwarty podczas pobierania rdzenia gleby. Ponieważ woda łatwiej przepływa przez otwarte pory, możliwe jest przeszacowanie przewodności hydraulicznej. Ponadto mały rdzeń glebowy nie uwzględnia zmienności przestrzennej. Dlatego potrzeba więcej próbek, aby uzyskać dokładną reprezentację pola.
KSAT (Ks): Jak to działa
METER's KSAT jest podobny do celi przepływowej, z tą różnicą, że upraszcza i przyspiesza pomiar, ponieważ automatyzacja jest wbudowana w urządzenie.
Widok z przodu przyrządu laboratoryjnego KSAT mierzącego przewodność hydrauliczną w stanie nasycenia
Jest w stanie wykonywać zarówno techniki opadania, jak i stałego ciśnienia. Urządzenie KSAT wykorzystuje mały rdzeń glebowy i posiada kolumnę wodną z biuretą do kontrolowania przepływu wody (rysunek 4).
Rysunek 4. Przekrój KSAT
Woda przepływa przez biuretę, wpływa do dolnej części próbki i wypływa przez górną część próbki. Urządzenie KSAT wykorzystuje czujnik ciśnienia, który automatycznie mierzy wysokość ciśnienia w słupie wody. Komputer pobiera odczyty z przetwornika ciśnienia, a oprogramowanie automatyzuje obliczenia i koryguje zmiany lepkości wody w różnych temperaturach. Podczas korzystania z techniki opadającej głowicy przetwornik ciśnienia mierzy zmianę słupa wody, a oprogramowanie oblicza natężenie przepływu i przewodność hydrauliczną tej próbki.
Podobnie jak w przypadku komórek przepływowych, ograniczenia KSATwynikają z małej powierzchni i faktu, że próbka jest ograniczona. Podczas pobierania próbek dla tego urządzenia należy więc kierować się tymi samymi względami.
Dużą zaletą systemu KSAT jest to, że wszystko jest zautomatyzowane, co oszczędza czas i nie wymaga dużej przestrzeni laboratoryjnej. Ponadto można go połączyć z oprogramowaniem HYPROP w celu automatycznego generowania punktów na nasyconej i nienasyconej krzywej przewodności hydraulicznej. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to zrobić.
TECHNIKI TERENOWE: PRZEWODNOŚĆ HYDRAULICZNA NASYCENIA W TERENIE
Infiltrometry pierścieniowe(Kfs)
Techniki terenowe zapewniają lepszą reprezentację tego, co faktycznie dzieje się w terenie. Infiltrometr pierścieniowy to cienkościenny, otwarty cylinder wprowadzany do gleby na określoną głębokość (zwykle około 5 cm) w celu pomiaru przewodności hydraulicznej nasyconej gleby. Woda infiltruje przez pierścień (pierścienie) przy użyciu techniki stałej lub opadającej głowicy. Odbywa się to ręcznie lub system może być zautomatyzowany, co umożliwia wykonywanie wielu pomiarów w tym samym czasie. Istnieją różne układy cylindrów, w tym infiltrometry z pojedynczym pierścieniem i podwójnym (lub koncentrycznym) pierścieniem.
Infiltrometr jednopierścieniowy(Kfs)
Infiltrometr z pojedynczym pierścieniem wykorzystuje pojedynczy cylinder pomiarowy (rysunek 5), a woda jest infiltrowana przez cylinder przy użyciu techniki stałej lub opadającej głowicy. Podczas wykonywania techniki stałej głowicy, zbiornik z bełkotką Mariotte jest powszechnie używany do kontrolowania przepływu i poziomu wody wewnątrz pierścienia. Gdy woda infiltruje przez pierścień, będzie przemieszczać się zarówno poziomo, jak i pionowo do gleby, dlatego należy wprowadzić poprawki dla przepływu trójwymiarowego.
Średnice pojedynczych pierścieni infiltracyjnych wynoszą od 10 do 50 cm. Większa średnica pierścienia oznacza, że można zmierzyć większy obszar, co umożliwia lepsze odwzorowanie zmienności przestrzennej.
Infiltrometr dwupierścieniowy(Kfs)
Infiltrometr z podwójnym pierścieniem (lub pierścieniem koncentrycznym) ma pojedynczy cylinder pomiarowy umieszczony wewnątrz większego cylindra buforowego. Cylinder buforowy ma na celu zapobieganie rozbieżności przepływu z cylindra pomiarowego w celu uproszczenia analizy. Teoretycznie cylinder pomiarowy mierzy tylko pionowy przepływ wody, nie pozwalając na przepływ poziomy. Metoda ta wykorzystuje techniki opadania lub stałej wysokości podnoszenia, a ten sam poziom wody musi być utrzymywany w obu cylindrach, aby uzyskać takie same gradienty ciśnienia, co zazwyczaj wymaga dużej ilości wody.
Rysunek 6. Przekrój poprzeczny infiltrometru z podwójnym lub koncentrycznym pierścieniem
Wady i zalety infiltrometru pierścieniowego
Większe pierścienie infiltrometru pierścieniowego uwzględniają większą zmienność przestrzenną, więc lepiej odzwierciedlają warunki terenowe niż instrumenty laboratoryjne, co oznacza, że są bardziej przydatne do modelowania. Pomiar wymaga jednak dużej ilości wody - od 60 do 100 l wody na godzinę, przy założeniu szybkości infiltracji około 30 cm/godzinę (gleba o wysokiej przewodności może zużywać ponad 300 l/godzinę), co jest trudne do wykonania. Pomiar jest czasochłonny - od dwóch do trzech godzin w zależności od rozmiaru pierścienia.
Inną kwestią jest konieczność oszacowania makroskopowego współczynnika długości kapilarnej gleby (określanego jako Alpha) w celu skorygowania przepływu trójwymiarowego. Istnieją tabele do oszacowania tego parametru Alpha, ale jeśli się pomylisz, spowoduje to niedokładne oszacowanie przewodności hydraulicznej.
Często cylinder buforowy nie jest skuteczny w zatrzymywaniu przepływu bocznego. Zostało to wykazane w literaturze poprzez analizę laboratoryjną i modelowanie. Tak więc obliczenia oparte na założeniu, że występuje tylko przepływ pionowy, mogą prowadzić do przeszacowań.
SATURO (KFS): Jak to działa
METER's SATURO automatyzuje dobrze znaną metodę podwójnej głowicy, która mierzy infiltrację przy dwóch różnych głowicach ciśnieniowych, usprawniając pomiar i unikając potencjalnego błędu ludzkiego.
Konfiguracja infiltrometru SATURO
Urządzenie gromadzi wodę na powierzchni gleby, wykorzystuje ciśnienie powietrza do wytworzenia dwóch głowic ciśnieniowych, a pompa automatycznie utrzymuje prawidłowy poziom wody. Jego wewnętrzny procesor automatycznie oblicza przewodność hydrauliczną nasyconego pola na pokładzie, eliminując późniejsze przetwarzanie danych.
Rysunek 7. Przekrój SATURO
SATURO plusy i minusy
System SATURO łączy automatyzację i uproszczoną analizę danych w jednym systemie. Jest przeznaczony do przenoszenia i konfiguracji przez jedną osobę, a ponieważ automatycznie utrzymuje prawidłowy poziom wody, eliminuje ciągłe pomiary i regulacje.
Pomiar zajmuje trochę czasu, ale znacznie mniej niż w przypadku infiltrometru pierścieniowego i działa bez nadzoru. Można uruchomić wiele instrumentów jednocześnie i unika się konieczności szacowania współczynnika Alpha, eliminując częste źródło błędów. Wykorzystuje dwa 20-litrowe worki na wodę, ale potrzebuje znacznie mniej wody niż infiltrometr z podwójnym pierście niem, ponieważ nie wymaga dużego pierścienia zewnętrznego.
W poniższym webinarium dr Gaylon S. Campbell przedstawia podstawy przewodnictwa hydraulicznego i naukę stojącą za zautomatyzowanym infiltrometrem z podwójną głowicą SATURO .
Infiltrometr ciśnieniowy (Kfs)
Infiltrometr ciśnieniowy jest podobny do infiltrometru z pojedynczym pierścieniem, z wyjątkiem mocowania do górnej części pierścienia umożliwiającego kontrolę ciśnienia wywieranego na pierścień (rysunek 8).
Rysunek 8. Przekrój poprzeczny infiltrometru z pierścieniem ciśnieniowym
Użytkownicy stosują jedną głowicę przez określony czas, następnie przełączają się na głowicę o wyższym ciśnieniu na określony czas, a następnie przełączają się z powrotem na niższą głowicę na określony czas. Czynność ta jest powtarzana do momentu osiągnięcia współczynnika infiltracji w stanie quasi-ustalonym dla obu głowic ciśnieniowych. Współczynniki infiltracji przy różnych głowicach ciśnieniowych można następnie wykorzystać do oszacowania wartości takich jak wartość Alpha lub sorpcyjność.
Plusy i minusy infiltrometru ciśnieniowego
Tabela 2. Wady i zalety infiltrometru ciśnieniowego
Zalety
Wady
Pomiar (𝛂) poprawia analizę Kfs
Bardziej złożona aparatura pomiarowa
Może być również używany do określania sorpcyjności i potencjału strumienia macierzy.
Technika wielogłowicowa wymaga więcej czasu
Nie jest zautomatyzowany - wymaga więcej pracy
Technika ta pozwala na przeprowadzenie analizy wielu głowic, co umożliwia wykonywanie innych pomiarów, takich jak sorpcyjność i potencjał strumienia macierzy. Ponadto można zmierzyć makroskopowy współczynnik długości kapilarnej (wartość Alpha) zamiast szacować, co eliminuje potencjalne źródło błędu podczas korygowania przepływu trójwymiarowego.
Jest to jednak bardziej złożona aparatura pomiarowa. Wymaga większej automatyzacji, zwłaszcza do przełączania głowic ciśnieniowych. Osiągnięcie ustalonego współczynnika infiltracji przy obu głowicach ciśnieniowych jest czasochłonne.
Permeametry otworowe (KFS)
Istnieje kilka konstrukcji permeametrów otworowych (co wykracza poza zakres tego artykułu), ale tutaj zbadamy podstawy.
Rysunek 9. Przekrój permeametru w otworze wiertniczym
Permeametry otworowe wykorzystują metodę stałej głowicy, aby uniknąć błędów związanych ze sprawdzaniem wysokości wody w otworze. Aby użyć permeametru otworowego, otwór jest wiercony na żądaną głębokość, permeametr jest montowany nad otworem, a bełkot Mariotte'a jest wkładany w celu utrzymania stałej wysokości wewnątrz otworu. Następnie oblicza się dopływ, czeka na stan ustalony i wykorzystuje te wartości do obliczenia przewodności hydraulicznej, po czym koryguje się przepływ trójwymiarowy. Można przeprowadzić analizę pojedynczej i wielokrotnej wysokości podnoszenia, zmieniając poziom wody i wysokość ciśnienia wewnątrz świdra.
Wady i zalety permeametru
Tabela 3. Wady i zalety permeametru otworowego
Zalety
Wady
Pomiar (𝛂) poprawia analizę Kfs (tylko w przypadku korzystania z analizy wielu głowic).
Mała powierzchnia
Analiza różnych warstw gleby
Długi czas pomiaru
Może być używany do określania sorpcyjności i potencjału strumienia macierzy.
Potencjalne rozmazanie i zamulenie
Brak widoczności powierzchni pomiarowej
W przypadku korzystania z analizy wielokrotnego stawu, permeametr umożliwia pomiar Alpha, usuwając potencjalne źródło błędu, a także może określić sorpcyjność i potencjał strumienia macierzy. Łatwiej jest również mierzyć różne warstwy gleby, ponieważ wystarczy wywiercić mały otwór w porównaniu z infiltrometrami pierścieniowymi, które wymagają dużego wykopu.
Permeametry mierzą tylko niewielką powierzchnię, więc potrzeba więcej pomiarów, aby uzyskać reprezentację pola. Czasy pomiarów są długie, szczególnie w przypadku analizy wielu głowic.
Inną kwestią jest rozmazanie i zamulenie wewnątrz otworu (tj. świder może rozmazać powierzchnię podczas cięcia). Zamyka to pory i sprawia, że nie są one w stanie przewodzić wody, powodując niedoszacowanie. Ponieważ nie ma widoczności, trudno jest stwierdzić, czy doszło do rozmazania lub zamulenia. Istnieją jednak sposoby na zmniejszenie tych problemów.
TECHNIKI LABORATORYJNE: NIENASYCONA PRZEWODNOŚĆ HYDRAULICZNA
Komórki przepływowe (K(Ψ))
Komory przepływowe są również używane do pomiaru nienasyconej przewodności hydraulicznej (K(Ψ)), ale w przeciwieństwie do nasyconej przewodności hydraulicznej, pomiar wymaga tensjometrów (Rysunek 10).
Rysunek 10. Przekrój poprzeczny komory przepływowej i tensjometru
Woda przepływa od źródła wody, przez próbkę i z rdzenia gleby. Dwa tensjometry monitorują potencjał wody, a użytkownik kontroluje niskie lub wysokie natężenie przepływu, aby umożliwić glebie przenoszenie wody w warunkach nienasyconych. Stałe natężenie przepływu jest utrzymywane do momentu, gdy oba tensjometry odczytają ten sam potencjał wody (ssanie gleby). Pomiary te i natężenie przepływu są wykorzystywane do określenia nienasyconej przewodności hydraulicznej przy określonym potencjale. Aby uzyskać właściwości retencyjne, użytkownik mierzy również zawartość wody w rdzeniu gleby. Kroki te są powtarzane w celu określenia różnych punktów wzdłuż krzywej nienasyconej przewodności hydraulicznej.
Wady i zalety komory przepływowej
Tabela 4. Wady i zalety komory przepływowej
Zalety
Wady
Jednoczesna transmisja wody i właściwości retencyjne
Wymaga metody utrzymywania stałego przepływu
Szacowanie parametrów przepływu nasyconego i nienasyconego w tej samej kolumnie gleby
Złożone działanie
Cela przepływowa umożliwia jednoczesny pomiar nienasyconej przewodności hydraulicznej i właściwości retencyjnych, umożliwiając wygenerowanie krzywej częściowego uwalniania wilgoci z gleby. Ponadto można mierzyć zarówno nasycone, jak i nienasycone parametry przepływu w tej samej kolumnie gleby.
Technika ta wymaga jednak pompy do sterowania i zmiany natężenia przepływu, a jej działanie jest skomplikowane. Komory przepływowe wymagają również miejsca w laboratorium, a automatyzacja wymaga złożonego oprzyrządowania.
Metoda odparowania (K(Ψ))
Metoda parowania została po raz pierwszy wprowadzona przez Winda w 1968 roku. Wymaga ona rdzenia glebowego z tensjometrami umieszczonymi na różnych głębokościach. Początkowo nasycony rdzeń jest otwarty na górze i zamknięty na dole, umożliwiając parowanie tylko z powierzchni. Tworzy to gradient potencjału macierzy w rdzeniu. Masa rdzenia gleby i gradient są mierzone w miarę odparowywania wody w czasie, umożliwiając obliczenie potencjału strumienia matric lub nienasyconej przewodności hydraulicznej. Technika ta wymaga stałej szybkości parowania, aby uzyskać jednoczesne pomiary wysokości matriks i zawartości wody, co umożliwia zarówno pomiar nienasyconej przewodności hydraulicznej, jak i wygenerowanie krzywej uwalniania wilgoci z gleby.
HYPROP (K(Ψ))
METER's HYPROP to przyrząd laboratoryjny oparty na uproszczonej wersji techniki parowania Wind/Schindler.
HYPROP 2 tworzy krzywe uwalniania wilgoci z gleby
Wewnątrz strony HYPROP znajdują się dwa tensjometry na różnych wysokościach wewnątrz rdzenia gleby, który jest otwarty tylko na powierzchni (Rysunek 11).
Rysunek 11. Przekrój wewnątrz cylindra HYPROP
Urządzenie HYPROP znajduje się na wadze i mierzy masę rdzenia gleby w miarę jej parowania w czasie. Generuje zarówno właściwości retencyjne gleby, jak i nienasyconą przewodność hydrauliczną. Nienasycona przewodność hydrauliczna jest obliczana przy użyciu inwersji równania Darcy'ego (równanie 4).
Równanie 4
HYPROP plusy i minusy
Tabela 5. HYPROP plusy i minusy
Zalety
Wady
Jednoczesna transmisja wody i właściwości retencyjne
Niewiarygodne dane K(Ψ) w pobliżu nasycenia
Zautomatyzowany pomiar
Krzywa uczenia się
Doskonała rozdzielczość pomiaru
Tylko charakterystyka desorpcji
Zaletą miernika HYPROP w porównaniu do celi przepływowej jest całkowicie zautomatyzowany pomiar w pełnym zakresie wilgotności. HYPROP oszczędza czas poprzez automatyczne generowanie krzywej nienasyconej przewodności hydraulicznej podczas wykonywania innych czynności. Zapewnia jednoczesną transmisję wody i właściwości retencyjne z wysoką rozdzielczością (ponad 200 punktów danych) z wyjątkiem stanu bliskiego nasycenia. Można go połączyć z KSAT dla nasyconego końca krzywej oraz z instrumentem WP4C (gleby suche) w celu wygenerowania pełnych krzywych uwalniania wilgoci z gleby. Więcej informacji na temat krzywych uwalniania wilgoci z gleby można znaleźć w poniższym filmie.
Tensjometr HYPROP ma krzywą uczenia się, ale ponauczeniu się, jak napełniać tensjometry, jest to łatwa konfiguracja. A po skonfigurowaniu jest całkowicie zautomatyzowany. Należy pamiętać, że HYPROP mierzy tylko charakterystykę desorpcji (utraty wody), ponieważ jest to metoda parowania, więc mogą występować różnice w stosunku do charakterystyki adsorpcji (dodawania wody).
TECHNIKI TERENOWE: NIENASYCONA PRZEWODNOŚĆ HYDRAULICZNA
Infiltrometry naprężeniowe (K(Ψ))
Infiltrometry naprężeniowe mierzą jedynie nienasyconą przewodność hydrauliczną. Porowata płyta jest umieszczana na glebie (Rysunek 12), a woda jest wyciągana pod wpływem ssania, które jest kontrolowane przez wieżę zawierającą bełkotkę Mariotte'a.
Kontroluje ona ujemne zasysanie poprzez umieszczenie rurki pęcherzykowej głębiej w wodzie, aby zwiększyć energię wymaganą do wciągnięcia powietrza w celu zastąpienia wody wciągniętej przez urządzenie. Technika ta umożliwia analizę przy użyciu metod w stanie nieustalonym lub ustalonym.
Metoda przejściowa: mierzy współczynnik infiltracji zmieniający się w czasie i ekstrapoluje go do stanu ustalonego.
Metoda stanu ustalonego: z czasem osiągany jest stan ustalony współczynnika infiltracji.
Infiltrometr naprężeniowy infiltruje wodę do gleby pod narzuconym ciśnieniem, dzięki czemu można mierzyć współczynniki infiltracji przy różnych ujemnych ciśnieniach w celu segregacji rozmiarów porów. Im wyższe ssanie, tym mniejsze muszą być pory, aby wyciągnąć wodę. Jest to również trójwymiarowa technika infiltracji, więc wymaga trójwymiarowej analizy przepływu.
Plusy i minusy infiltrometru napięciowego
Tabela 6. Plusy i minusy infiltrometru napięciowego
Zalety
Wady
Kontrolowane ssanie
Metody stanu ustalonego są czasochłonne
Większe dyski odpowiadają za większą zmienność przestrzenną
Wymaga oszacowania właściwości gleby w celu skorygowania przepływu trójwymiarowego.
Oszacowanie sorpcyjności i odpychalności
Zdjęcie infiltrometru napięciowego
Zaletą infiltrometru naprężeniowego jest to, że kontrolowane ssanie umożliwia pomiar nienasyconej przewodności hydraulicznej przy określonym potencjale matrycowym. Użycie większego dysku uwzględni większą zmienność przestrzenną. Może to jednak nie być krytyczne, ponieważ duże pory są głównym źródłem zmienności przestrzennej i odwadniają się przy bardzo niskim ssaniu. Infiltrometry naprężeniowe są również używane do szacowania sorpcyjności i odpychania - przydatne do badań hydrofobowości w sytuacjach po pożarze lasu.
Ograniczenia polegają na tym, że metody w stanie ustalonym są czasochłonne i, podobnie jak w przypadku metody przejściowej, możliwe są niedokładności (szczególnie w bardzo suchej glebie o wyższym początkowym współczynniku infiltracji). Dlatego dobrym pomysłem jest wykonanie wielu pomiarów. Technika ta wymaga oszacowania Alpha w celu skorygowania przepływu trójwymiarowego - potencjalnego źródła błędu. Ale ogólnie jest to dobra technika terenowa.
Uwagi dotyczące pomiaru przewodności hydraulicznej
Nie należy zakładać, że można użyć tych samych wartości przewodności hydraulicznej gleby dla tego samego typu gleby na polu. Nie jest to prawdą, zwłaszcza w przypadku różnych sposobów użytkowania gruntów i położenia krajobrazu. Jeden z badaczy stwierdził drastyczne zmiany właściwości hydraulicznych w tym samym typie gleby. Jego teren różnił się od rodzimej prerii, ulepszonego pastwiska i konwencjonalnej uprawy, a na wszystkich trzech polach nastąpiła silna zmiana położenia krajobrazu.
Rysunek 13. Wartości przewodności hydraulicznej dla trzech różnych sposobów użytkowania gruntów i pozycji krajobrazowych na czarnych terenach w Teksasie. Badacze wykonali potrójne pomiary przewodności hydraulicznej nasyconego pola przy użyciu infiltrometrów z podwójnym pierścieniem w każdym z punktów.
Rysunek 13 pokazuje te same tendencje zarówno na pastwiskach, jak i na preriach na szczycie, na zboczu grzbietowym i na zboczu podnóża. Wyższe wartości przewodności hydraulicznej gleby występowały na zboczu grzbietowym, a najniższe na zboczu podnóża. Było to częściowo spowodowane efektem catina (zmiany właściwości hydraulicznych gleby i składu chemicznego gleby spowodowane wymywaniem substancji rozpuszczonych ze szczytu i wytrącaniem substancji rozpuszczonych na zboczu podnóża). Co ciekawe, trend ten nie był widoczny w konwencjonalnym miejscu uprawy, prawdopodobnie ze względu na fakt, że miejsce to było zaburzone (regularnie uprawiane).
Gdzie należy dokonać pomiaru? Ile pomiarów?
Jedną ze strategii jest pomiar masowego EC na całym polu w celu oszacowania rzeczywistej zmienności przestrzennej. Dzięki tym informacjom można podejmować decyzje o tym, gdzie wykonać pomiary i ile ich potrzeba, aby objąć zmienność przestrzenną pola. Rysunek 14 przedstawia mapę EC pola wygenerowaną przy użyciu urządzenia EM38 do pomiaru całkowitego EC.
Rysunek 14. Mapa EC pokazująca zmienność na polu w Teksasie
Mapa ta pomogła badaczom podzielić pole na sekcje i zdecydować, gdzie wykonać pomiary. W tym przypadku badacze zdecydowali się wykonać potrójne pomiary przewodności hydraulicznej nasyconego pola w każdym z wybranych punktów (białe krzyżyki).
Dowiedz się, jak mierzyć przewodność hydrauliczną
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)
Dane JH i Topp GC, redaktorzy. 2002. Metody analizy gleby: Część 4 - Metody fizyczne. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(link)
Daniel DE. 1989. Testy przewodności hydraulicznej in situ dla zagęszczonej gliny. J. Geotech. Eng. 115(9).(Link do artykułu)
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)
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)
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)
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.
Niedokładne pomiary nasyconej przewodności hydraulicznej (Kfs) są powszechne z powodu błędów w szacowaniu alfa specyficznego dla gleby i nieodpowiedniego trójwymiarowego buforowania przepływu.
Większość ludzi patrzy na wilgotność gleby tylko w kategoriach jednej zmiennej - zawartości wody. Jednak do opisania stanu wody w glebie wymagane są dwa rodzaje zmiennych.
Studia przypadków, webinaria i artykuły, które pokochasz
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
Webinarium: Plant & Canopy 101: Śledzenie przepływu wody z gleby do atmosfery
Jak mierzyć przepływ wody przez roślinę i koronę drzew?
Próbując zrozumieć ruch wody przez kontinuum gleba-roślina-atmosfera, nie trzeba polegać na wnioskowaniu, aby wiedzieć, co dzieje się w roślinie. Podczas tego webinarium kierownik produktu METER ds. oprzyrządowania do monitorowania roślin, baldachimów i atmosfery Jeff Ritter wyjaśni pomiary potrzebne do śledzenia podróży wilgoci przez rośliny. Omówi on:
Kluczowe pomiary do śledzenia wilgoci w roślinie i koronie, w tym leaf area index (LAI) i przewodnictwo szparkowe (SC).
Sprawdzone metody badawcze pozwalające uzyskać kompleksowy obraz przepływu wody przez kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Przykłady wykorzystania czujników wilgotności gleby do pomiaru zawartości wody w pniach drzew
Jak połączyć pomiary LAI, SC i zawartości wody w łodydze?