Nenasycená hydraulická vodivost - Hood infiltrometer IL-2700 (Umwelt Geräte Technik, GmbH.)


>

Hood infiltrometr IL-2700 (Umwelt Geräte Technik, GmbH.) je zařízení určené k měření nasycené a nenasycené hydraulické vodivosti in-situ. Výhodou oproti jiným typům tenzních infiltrometrů (např. Perroux and White, 1988; Ankeny et al., 1991; Vandervaere et al., 1997; Špongrová et al., 2009 a další), je fakt, že voda je v přímém kontaktu s půdou, do které je infiltrována. Hood infiltrometr pro kontakt s půdou nevyžaduje žádnou membránu či disk, jejichž kontakt by bylo třeba zlepšovat použitím vrstvy kontaktního materiálu. Je pouze zapotřebí zkrátit rostlinný pokryv pod infiltračním zvonem ("hood") na výšku cca 5 mm. Kontaktní materiály vytváří standardně navíc k membráně či disku ještě další přídavnou vrstvu, která může mít vliv na průběh infiltrace a měla by být zohledněna v rámci analýzy dat.

Pracovní postup

Postup měření je krok za krokem znázorněn na přiloženém videu. Přesto před jeho shlédnutím doporučujeme pečlivě přečíst tento text.

1. Umístění a nastavení infiltrometru
2. Plnění infiltrometru
3. Nastavení tlakové výšky a dataloggeru
4. Vlastní průběh infiltrace
5. Analýza data a výpočet nenasycené hydraulické vodivosti K(h)


Obr 1. Hood infiltrometr: princip měření.

Ad 1. Umístění a nastavení infiltrometru

- Umístěte jednotlivé části zařízení na relativně rovné místo a zkontrolujte všechna připojení a délku hadic. Rezervoár lze výškově nastavit pomocí posuvných nožiček tak, aby vody z rezervoáru mohla spodní hadicí vytékat gravitačně do infiltračního zvonu. V případě potřeby zkraťte rostlinný pokryv na výšku cca 0,5 cm.
- Zatlačte kovový válec do půdy (minimálně do hloubky několika mm, lépe 1,5 až 2 cm) a umístěte infiltrační zvon do jeho středu. Utěsněte infiltrační zvon před průnikem nežádoucího vzduchu zvenku; vyplňte mezeru mezi infiltračním zvonem a kovovým válcem jemným pískem a písek zvlhčete.
- Připojte infiltrační zvon k rezervoáru vody a dále infiltrační zvon k vodnímu manometru ve tvaru U-trubice.
- Připojte datalogger IL-2700. Má dva možné vstupy: vpravo pro datový kabel pro připojení k PC a vlevo pro datový kabel k tlakovému transduceru pro čtení výšky hladiny vody v rezervoáru.


Ad 2. Plnění infiltrometru

- Zavřete všechny ventily a vytáhněte trubičku, kterou vstupuje do systému vzduch, ven z vnitřního rezervoáru vody (systém Mariottovy lahve; probublávací věž). Naplňte probublávací věž až po značku a vložte trubičku pro vstup vzduchu zpět na místo. Naplňte vnější rezervoár na vodu pro infiltraci ke značce. Naplňte vodní manometr ve tvaru U-trubice po značku 0.
- Naplňte vnitřní žlutou nádobu uvnitř infiltračního zvonu tak, že otevřete hlavní ventil na spodní části rezervoáru spojující rezervoár a infiltrační zvon. Voda by měla do infiltračního zvonu proudit gravitačně. Pokud ne, zvedněte rezervoár vody pomocí výškově nastavitelných nožiček.
- Naplňte infiltrační zvon až po značku tím, že otevřete ventil na hadičce spojující vodní rezervoár a infiltrační zvon. Během plnění je vhodné infiltrační zvon přitlačit rukou. Po naplnění zvonu po značku ventil opět uzavřete. Otevřete propojovací ventil mezi infiltračním zvonem a vodním manometrem.


Ad 3. Nastavení tlakové výšky a dataloggeru

- Pro nastavení požadované tlakové výšky, při které má infiltrace probíhat, je třeba použít modrý balónek, kterým se natáhne voda do kalibrované trubičky umístěné na horní straně infiltračního zvonu (čtení hodnoty Hs). Na vodním manometru ve tvaru U-trubice přečtěte rozdíl hladin (čtení hodnoty Us). Pokud je čtení hodnoty Hs rovno čtení na vodním manometru Us, je nastavená hodnota tlakové výšky 0 cm (nasycené podmínky). Rozdíl čtení hodnot Hs a Us udává nastavenou hodnotu tlakové výšky v cm. Posunem trubičky v probublávací věži směrem nahoru nebo dolů lze nastavit požadovanou hodnotu tlakové výšky (posunem dolů směrem do více záporných hodnot).



Obr 2. Schéma Hood infiltrometru: Nastavení tlakové výšky.

- Nastavení dataloggeru pro sběr dat: postupuje se podle návodu. Po zapnutí dataloggeru se nastaví vzorkovací interval pro čtení hladiny vody v rezervoáru, nastaví se hodnota první tenze (=tlakové výšky), potvrdí se tlačítkem „START“. Datalogger ukáže aktuální hodnotu výšky hladiny vody v rezervoáru.
- U více záporných hodnot tlakové výšky (obvykle více než -5 cm, jako např. -6 cm atd.) je třeba vždy kontrolovat povrch půdy pod infiltračním zvonem, zda pod zvonem nejsou uvolňovány bublinky vzduchu či zda nedochází k probublávání půdy. I výskyt jednotlivých bublin vzduchu ve vodě pod infiltračním zvonem znamená, že systém nepracuje zcela správně. Půdní makropóry totiž dodávají do systému vzduch potřebný pro infiltraci namísto trubičky z probublávací věže a infiltrace neprobíhá při nastavené a požadované tlakové výšce. Je možno o něco málo snížit zápornou hodnotu nastavené tlakové výšky povytažením trubičky v probublávací věži dokud probublávání pod infiltračním zvonem neustane a infiltrační experiment dokončit při tomto novém nastavení.

Ad 4. Vlastní průběh infiltrace

- Celý proces se spustí otevřením hlavního ventilu. Pak probíhá infiltrace vody do půdy.
- Datalogger ukazuje aktuální čtení hodnot výšky hladiny v rezervoáru spolu s hodnotou aktuálního množství zainfiltrované vody v mm poklesu hladiny vody za nastavený časový interval.



- Pro každou nastavenou hodnotu tlakové výšky je třeba nechat vodu infiltrovat dostatečně dlouho, aby bylo možno dosáhnout ustáleného infiltračního průtoku, který je základem pro analýzu dat podle Woodinga (1968) a Reynoldse a Elricka (1991).
- Poté co je dosaženo ustáleného infiltračního průtoku (konstantní čtení aktuálního množství zainfiltrované vody za časový interval na dataloggeru) je možno nastavit další hodnotu tlakové výšky (směrem do více záporných hodnot). Pro všechny další nastavené tlakové výšky je také třeba vyčkat, až bude dosaženo ustáleného infiltračního průtoku.
- V průběhu infiltračního pokusu je možno doplnit rezervoár na vodu. Doporučuje se doplňovat vodu do rezervoáru těsně před nastavením další tlakové výšky. Před vyjmutím gumové zátky uzavírající plnící otvor na svrchní straně rezervoáru je třeba uzavřít hlavní ventil na spodní straně rezervoáru spojující rezervoár a infiltrační zvon. Doplňte vodu do rezervoáru co nejrychleji. Když je rezervoár naplněn, vložte zpět gumovou zátku a teprve potom pomalu otevřete hlavní ventil na spodní straně rezervoáru. Při otevírání hlavního ventilu položte druhou ruku na svrchní stranu infiltračního zvonu a jemně ho tlačte směrem k povrchu půdy.
- Měření ustáleného infiltračního průtoku opakujte pro všechny požadované hodnoty tlakových výšek mezi „nulou“ a „probublávací tlakovou výškou“.

Ad 5. Analýza dat a výpočet nenasycené hydraulické vodivosti K(h)

- Naměřená infiltrační data mohou být zpracována různými typy analýz dat. Výrobce Hood infiltrometru doporučuje použít analýzu pro jeden infiltrační disk při měření ustálených infiltračních průtoků při několika tlakových výškách.
- Nejdříve je třeba určit hodnotu parametru α pro dvě po sobě jdoucí hodnoty tlakových výšek (h1 a h2), pro které platí:

Kde:

Q1 je hodnota ustáleného infiltračního průtoku (L3 T-1; např. cm3 min-1) pro dříve nastavenou tlakovou výšku (tenzi) h1
Q2 je hodnota ustáleného infiltračního průtoku (L3 T-1; např. cm3 min-1) pro následující nastavenou tlakovou výšku (tenzi) h2
kf je hodnota nasycené hydraulické vodivosti (L T-1; např. cm min-1)
a je poloměr infiltrační kruhové plochy (L; např. cm)
e je konstanta, základ přirozeného logaritmu
π je konstanta, Ludolfovo číslo
α je parametr


- Z výše uvedených rovnic je možno vyjádřit parametr α:


- A hydraulická vodivost se určí podle následující rovnice:

Důležité poznámky a možné chyby měření

- Před spuštěním experimentu zkontrolujte, zda je nabitá baterie v dataloggeru; mějte s sebou v terénu náhradní novou či nově nabitou baterii.
- Zajistěte si dopředu dostatečné množství vody pro infiltrační experiment a identifikujte místní využitelné zdroje vody.
- Zajistěte, aby nedošlo k poškození datového kabelu.
- Chraňte infiltrační povrch půdy před rozplavením a ucpáním pórů jemnými částicemi tak, že na povrch půdy pod infiltrační zvon umístíte ochrannou rohožku.
- Infiltrační zvon a rezervoár na vodu plňte k indikačním značkám a ne výše.
- V průběhu infiltrace dohlížejte na hladinu vody pod infiltračním zvonem, zda se zde nevyskytují bubliny vzduchu a zda je hladina vody pod zvonem konstantní. Pokud tomu tak není, jsou pro to v podstatě dva možné důvody:
i) bylo dosaženo hodnoty probublávací tlakové výšky pro danou půdu a infiltrační experiment by měl být zastaven a nebo by měl probíhat při méně negativní hodnotě tlakové výšky
ii) dochází k průniku vzduchu z jiné části systému; je třeba zkontrolovat veškeré spoje a utažení ventilů.

Příklad vyhodnocení naměřených dat

Zdrojová data: Stáhněte data zaznamenaná datalogerem (Micrologger IL-2700) do počítače. Pro import dat postupujte podle pokynů uvedených v Manuálu a importujte soubor s koncovkou .DAT.
Otevřete MS Excel a pomocí příkazu „Otevřít“ najděte importovaný soubor s koncovkou .DAT. Postupujte podle dialogu, otevřete soubor a uložte jej ve formátu .XLS.

Počátek a úprava dat pro analýzu pro první nastavenou tlakovou výšku (na uvedeném příkladu 0 cm) spolu s dalšími potřebnými mezivýpočty jsou uvedeny v tabulce vpravo (Tab 1). Data z posledních 5 minut každé infiltrační fáze (pro každou nastavenou tlakovou výšku) jsou zde považovaná za data ustáleného proudění a jsou použita dále pro výpočet hydraulické vodivosti.

Je důležité si během infiltračního pokusu dělat poznámky, kdy došlo k přenastavení tenzí, jaká byla čtení hladiny a kdy došlo k doplnění vody do rezervoáru. Tyto informace jsou důležité pro orientaci v zaznamenaných datech pro vytvoření kontinuální řady párů dat: uplynulý čas od počátku experimentu (sloupec „čas“) a výška hladiny v rezervoáru (sloupec „Opravené čtení výšky hladiny vody“).


Tab 2. Analýza dat.


Ze známých hodnot rozdílů hladin v rezervoáru je možno určit množství zainfiltrované vody v cm3 za každý časový interval. Na základě těchto hodnot je možno vypočítat kumulativní množství zainfiltrované vody v cm3. Vzhledem k tomu, že voda je infiltrována přes známou infiltrační plochu v cm2, je možno vypočítat hodnoty infiltrace a kumulativní infiltrace v cm. Názorně lze zobrazit průběh celého infiltračního pokusu graficky vynesením kumulativní infiltrace (cm) a uplynulého času (min).


Obr 3. Graf kumulativní infiltrace v čase.

Pro výpočet je třeba použít data ustáleného proudění. Nejdříve je třeba určit parametr α:


A hydraulická vodivost se potom vypočítá následujícím způsobem:


Tabulka zobrazující výpočet hydraulické vodivosti pro všech 6 nastavených tlakových výšek je uvedena níže (Tab 2). Zvýšenou pozornost při výpočtech věnujte použitým jednotkám v každé fázi výpočtu. Q1 a Q2 jsou hodnoty ustáleného infiltračního průtoku; t.j. množství zainfiltrované vody za časovou jednotku, např. v cm3 min-1 změřených pro dvě po sobě jdoucí tlakové výšky.

Tab 2. Výpočet hydraulické vodivosti pro všech 6 nastavených tlakových výšek.


Nenasycenou hydraulickou vodivost je možno graficky zobrazit jako funkci tlakové výšky a dále je možno změřené body proložit exponenciální rovnicí (Obr 4).


Obr 4. Nenasycená hydraulická vodivost.

Výsledné hodnoty K(h) zjištěné pro různé lokality, různá roční období či roky, pro lokality s různým vegetačním pokryvem mohou být statisticky porovnávány. Nicméně K(h) data nevykazují normální rozdělení a proto musí být před statistickým vyhodnocením transformována. Nejčastěji používaným typem transformace je zlogaritmování K(h) dat a to buď pomocí dekadického logaritmu (log) a nebo přirozeného logaritmu (ln).

Možnosti statistického vyhodnocení také závisí na primárním rozložení a opakování infiltračních experimenů. Je tedy třeba věnovat značnou pozornost plánování terénních infiltračních experimentů, protože daný experiment není možno zopakovat při zachování naprosto shodných podmínek. Informace o statistickém vyhodnocování jsou uvedeny např. v publikaci Nielsen a Wendroth (2003).

Závěrečná poznámka

Je velmi důležité provádět veškeré činnosti co nejpečlivěji. Pro stanovení nenasycené hydraulické vodivosti K(h) neexistuje žádná referenční metoda, podle které by bylo možno měřená data zkontrolovat.

Literatura

Ankeny, M.D., Ahmed, M., Kaspar, T.C., Horton, R. (1991) Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal, 55, 467 – 470.

Nielsen, D.R., Wendroth, O. (2003) Spatial and Temporal Statistics: Sampling Field Soils and their Vegetation. GeoEcology textbook, Catena Verlag, Reiskirchen, Germany, 398 pp. ISBN 3-923381-46-8

Perroux, K.M., White, I. (1988) Designs for disc permeameters. Soil Science Society of America Journal, 52, 1205 – 1215.

Reynolds, W.D., Elrick, D.E. (1991) Determination of hydraulic conductivity using a tension infiltrometer. Soil Science Society of America Journal, 55, 633-639

Vandervaere J.P., Peugeot, C., Vauclin, M., Angulo-Jaramilo, R., Lebel, T. (1997) Estimating hydraulic conductivity of crusted soils using disc Infiltrometers and minitensiometers. Journal of Hydrology, 188/189, 209 – 223.

Wooding, R.A. (1968) Steady infiltration from a shallow circular pond. Water Resources Research, 4, 1259 – 1273.

Špongrová, K., Kechavarzi, C., Dresser, M., Matula, S., Godwin, R.J. (2009): Development of an automated tension Infiltrometer for field use, Vadose Zone Journal, 8, 810 – 817.

Poznámka: Obr 1 a Obr 2 jsou převzaty z příručky "Operating instructions for Hood Infiltrometer IL-2700", která je dodávána standardně s infiltrometrem, a upraveny.