Nenasycená hydraulická vodivost - Mini Disk Infiltrometer

Mini Disk Infiltrometer (Decagon Devices, Inc.) je malé, šikovné zařízení s manuální obsluhou k měření nenasycené hydraulické vodivosti při tlakových výškách od -0,5 cm do -6 cm. Infiltrometr sestává ze dvou komor umístěných v jedné trubici nad sebou (viz Obr 1).

Obě komory (horní i spodní) jsou na začátku měření naplněny vodou. Poloha trubičky v horní komoře reguluje tlakovou výšku (= tenzi), při které bude voda infiltrována. Spodní komora je kalibrována a objem je označen v ml. Spodní část infiltrometru je tvořena pórézním diskem ze spékané nerezové oceli. Tento disk má průměr 4,5 cm a tloušťku 0,3 cm. Disk s takto malým průměrem je relativně snadné umístit na povrch půdy, který musí být urovnaný.

Obr 1. Mini Disk Infiltrometer (Decagon Devices, Inc., 2005)

Jakmile se infiltrometr umístí na povrch půdy, začne voda ze spodní komory infiltrovat do půdy, jak je názorně předvedeno na videu. Pomocí záznamu poklesu hladiny ve spodní komoře v průběhu času se vypočítá hodnota nenasycené hydraulické vodivosti K(h).
Je třeba podotknout, že je měřen pouze malý úsek půdy, který nesplňuje požadavky na reprezentativní elementární objem. Množství vody, která se může zainfiltrovat, je 135 ml. Časový interval pro manuální odečítání poklesu hladiny se určuje podle testované půdy a zvolené tenze. Doporučené intervaly podle uživatelského manuálu jsou např. 2 - 5 s pro písek, 30 s pro hlinité půdy a 30 - 60 min pro nepropustné jíly.

Terénní experiment Příprava infiltrometru k měření: Naplňte horní (probublávací) komoru vodou. Není vhodné používat destilovanou vodu. Poté, co je horní komora naplněna, posuňte trubičku na nastavení tenze co nejníže, otočte infiltrometr, sundejte spodní část infiltrometru s pórézním diskem a naplňte dolní komoru vodou. Nasaďte zpět spodní část infiltrometru a ujistěte se, ze pórézní disk je pevně na svém místě (voda nesmí nikde samovolně protékat). Nastavte požadovanou tenzi. Pokud se volí více tenzí, je vhodné začít u největší hodnoty tenze (např. pro měření při tenzích -2 cm a -4 cm, je třeba začít s nastavením tenze -4 cm). Umístění infiltrometru na povrch půdy: Infiltrometr musí být umístěn na urovnaný, hladký a rovný povrch, aby byl zajištěn dobrý hydraulický kontakt s půdou. V té chvíli spustíme stopky. Záznam dat: Zaznamenejte počáteční objem vody = počáteční hladinu. V čase 0 se umístí infiltrometr na povrch půdy. Zaznamenávejte ve vhodně zvolených časových intervalech pokles hladiny ve spodní komoře infiltrometru, použijte např. formulář zde vpravo.

Analýza změřených dat

Pro výpočet nenasycené hydraulické vodivosti K(h) je výrobcem doporučena metoda dle Zhanga (1997) vycházející z rovnice Philipa (1957). Tato metoda vyžaduje měření kumulativní infiltrace v průběhu času a parametrizování výsledků pomocí následující funkce:


kde C₁ (L T^-1) a C₂ (L T^-1/2) jsou parametry; parametr C₁ je vztažen k hydraulické vodivosti půdy a parametr C₂ k sorptivitě půdy, I (L) je kumulativní infiltrace, a t (T) je čas.

Hodnota nenasycené hydraulické vodivosti K(h) je poté vypočtena z následujícího vztahu:


kde C₁ je úhel sklonu křivky kumulativní infiltrace a druhé odmocniny času, a A je hodnota vztahující van Genuchtenovy parametry (van Genuchten, 1980) pro daný půdní druh k nastavené hodnotě tenze a poloměru disku infiltrometru; hodnota A se získá z tabulky Tab 1 nebo vypočítá podle následujících rovnic s použitím van Genuchtenových parametrů (také v Tab 1):


kde n (-) a α (L^-1) jsou van Genuchtenovy parametry, r_d (L) je poloměr disku a h (L) je nastavená tenze, při které voda do půdy infiltruje.

Tab 1. Van Genuchtenovy parametry a hodnoty parametru A pro Minidisk Infiltrometer (Decagon Devices, Inc., 2005);
pro 12 půdních druhů dle texturního trojúhelníku USDA


Určení parametru C₁ se provede následujícím způsobem. V Excelu se vynese bodový graf kumulativní infiltrace I v cm (přepočítané ze zainfiltrovaného objemu pomocí infiltrační plochy) a druhé odmocniny času t; body se proloží polynomickou funkcí 2. stupně obecně zapsanou jako y = ax²+b, kde a je parametr C₁, viz Obr 2. K proložení se použije funkce Excelu „přidat spojnici trendu“ tak, že na kartě „možnosti“ se označí y = 0, zobrazit rovnici regrese, a také zobrazit hodnotu spolehlivosti R.
Hodnota nenasycené hydraulické vodivosti se pak vypočte pomocí rovnice (2).


Obr 2. Příklad analýzy dat. Podobné řešení lze stáhnout z webu výrobce na http://www.decagon.com.

Jako doplňkovou literaturu k tématu „Měření a analýza dat měřených diskovým infiltrometrem“ výrobce doporučuje: Dane and Topp, 2002, str. 888-896.

Literatura

Dane, J.H., and G.C. Topp (eds.) 2002. Methods of Soil Analysis. Part 4 — Physical Methods, Soil Science Society of America Book Series, Vol. 5, p. 888-896.

Decagon Devices, Inc., (2005). Minidisk infiltrometer, User’s manual.

Philip, J.R. (1957) The theory of infiltration: 4. Sorptivity and algebraic infiltration equations Soil Science 84, 257-264.

Zhang, R. (1997) Determination of soil sorptivity and hydraulic conductivity from the disk infiltrometer. Soil Science Society of America Journal, 61, 1024-1030.

Poznámka: Obr 1 a Tab 1 jsou převzaty z výše uvedeného uživatelského manuálu "Mini Disk Infiltrometer. User's manual."