Nasycená hydraulická vodivost - tlakový infiltrometr

Tlakový infiltrometr (Matula and Kozáková, 1997)

Jednoduchý tlakový infiltrometr je infiltrometr Mariottova typu, vyrobený z nekorodujících materiálů (plexisklo, mosaz, PVC, teflon). Zařízení pracuje na mechanicko-hydraulickém základě bez nároku na zdroj energie, avšak je přenosné do běžných polních podmínek a obsluhované jedním až dvěma pracovníky. Toto zařízení umožňuje s dostatečnou přesností měřit kumulativní infiltraci do půdy z výtopy v malém infiltračním válci. Infiltrační ocelový válec infiltrometru o průměru 15 cm je opatřen samostatným vodoznakem pro kontrolu konstantní výšky vody H v infiltrometru a času jejího dosažení po zahájení zatápění plochy v infiltračním válci vodou. Hloubka zaražení infiltračního válce je volena do 10 cm. Infiltrometr je schopen dotovat profil při experimentu vodou až do množství odpovídající nasycené hydraulické vodivosti K=77 m den^-1.


Práce s infiltrometrem je demonstrována na videu.

Popis infiltrometru 1 - pístový ventil pro otevření a zavření výtoku vody 2 - nastavitelná trubička umožňující nastavit tlakovou výšku H vzhledem k infiltračnímu povrchu 3 - vodní rezervoár Marriotova typu 4 - plexisklová trubice malého průměru umožňující přesné čtení vodní hladiny 5 - kovový válec o poloměru a zaražený do země do hloubky d 6 - saturovaná zóna pod infiltrometrem 7 - čelo zvlhčení 8 - zóna zvlhčení Tab 1. Data infiltrometru jsou shrnuta v následující tabulce.

Obr 1. Schéma tlakového infiltrometru (Matula a Kozáková, 1997).

Postup při terénním experimentu

Na vybrané lokalitě se odstraní sestříháním či seříznutím travní pokryv drnové vrstvy, případně celý drn. Je samozřejmě možné měřit i na etážích kopané sondy. Na upravený povrch se zarazí infiltrační válec o vnitřním průměru 150 mm do hloubky na úroveň vodoznaku. Na povrch půdy ve válci se před každým testem položí kruhová vložka z měkkého porézního materiálu, zabraňující rozplavování půdního povrchu pod výtokem infiltrometru. Na infiltrační válec se osadí infiltrometr, jeho zásobní prostor se naplní vodou z přenosné nádoby a v laboratoři byla před experimentem nastavena výška výtopy v infiltračním válci např. na 10 cm.

Otevřením ventilu v infiltrometru dojde za několik sekund k výtopě povrchu. Skutečná výška hladiny výtopy je kontrolována vodoznakem na infiltračním válci, kde je ji možno také změřit. Od otevření výtoku z infiltrometru se stopkami měří čas a sleduje se stoupání vody na vodoznaku infiltračního válce. Čas dosažení konstantní hladiny se zaznamená a na měřítku infiltrometru se odečítá pokles hladiny ve válci infiltrometru za určitý časový úsek, např. po 2 minutách. Formulář pro záznam dat z tlakového infiltrometru (Matula a Kozáková, 1997) je na obrázku vpravo.

Na začátku je důležité stanovit počáteční podmínky experimentu - počáteční vlhkost půdy, která může může být určena gravimetricky ze vzorků odebraných sondýrkou v blízkosti infiltračního válce těsně před zahájením experimentu, nebo použitím nepřímých metod měření vlhkosti (např. TDR nebo FDR metodou). Výsledkem testů jsou údaje o průběhu kumulativní infiltrace I (vyjádřené jako cm poklesu hladiny vody v rezervoáru - nutný přepočet na objem skutečně zainfiltrované vody plochou válce!!! Plocha infiltračního válce se musí zohlednit i při výpočtu skutečné rychlosti infiltrace!) v závislosti na čase Δt (min) v jednotlivých zvolených časových úsecích (záznam do výše uvedeného formuláře). Infiltrační test probíhá až do stavu ustáleného proudění pod infiltrometrem, tedy kdy množství zainfiltrované vody za ekvidistantní časový krok je stále stejné.

Teorie vyhodnocení měření a příklad vyhodnocení dat

Vtok vody do půdy za podmínek ustáleného proudění, které nastává po delším časovém období trvání infiltrace popisuje obecně rovnice (Reynolds a Elrick, 1991, Reynolds et al., 1985), která má tvar:

kde: Q - vtok vody do půdy, tedy množství dodávané infiltrometrem (L3 T-1), a - poloměr infiltračního válce (L), G - funkce geometrie infiltračního povrchu (L), Φ - tokový potenciál (L2 T-1), ψ vlhkostní potenciál vyjádřený jako tlaková výška h v délkových jednotkách (L).

Rovnice (1) pro tlakový infiltrometr je dále upravena na tvar (Elrick and Reynolds, 1992):

kde: Qti - stacionární vtok vody do půdy pro tlakový infiltrometr (L3 T-1), a - poloměr infiltračního válce (L), Gti - tvarový koeficient (L3 T-1), H - hydraulická výška vody v infiltračním ocelovém válci (L), α - alfa parametr (L-1) (Philip, 1985 and 1987; pro tlakovou infiltraci viz blíže Elrick and Reynolds, 1989), K - nasycená hydraulická vodivost v polních podmínkách (L T-1).

Tvarový koeficient G_ti je Reynoldsem a Elrickem (1990) definován jako:

kde: d - hloubka zaražení infiltračního válce do půdy (L) a a - poloměr infiltračního válce (L)

Na základě rovnice (2) a dalších rovnic (viz blíže Elrick a Reynolds, 1989), je odvozena rovnice pro výpočet nasycené hydraulické vodivosti K z infiltračního experimentu tlakovým infiltrometrem ve tvaru:


Rovnice (4) je rovnice se použije pro vyhodnocení provedených infiltračních testů (viz Tab 2), kde alfa parametr α = 12 m^-1 (= pro většinu strukturních půd a střední a jemně zrnité písky) a Q_ti (cm³ min^-1) se spočte jako:

kde h je pokles hladiny v infiltrometru za Δt

Tab 2. Příklad výpočtu nasycené hydraulické vodivosti K.

Do rovnice (5) se dosazují až hodnoty stacionární vyrovnané infiltrace po delším čase pokusu (žlutá část v tabulce Tab 2). Jako pomůcku je vhodné vynést závislost Q_ti na čase t do grafu a nalézt přímkovou závislost proložením jednotlivých naměřených bodů přímkou, viz Obr 2.


Obr 2. Kumulativní infiltrace a rychlost infiltrace.

Získaná hodnota K se potom může použít pro klasifikaci půdy pomocí tabulky na stránce Dvouválcový infiltrometr (Tab. 1.)

Literatura

Elrick, D.E., and Reynolds, W.D. (1989) Water Flux Components and their measurements. Proc. App. Soil Physics in Stress Environments. Jan 22-26 NARC. Islamabad, Pakistan.

Elrick, D.E., Reynolds, W.D. (1992) Methods for analysing constant head well permeameter data. Soil Science Society of America Journal, 56, 309-312.

Matula, S., Kozáková, H. (1997) A simple pressure infiltrometer for determination of soil hydraulic properties by in situ infiltration measurements. Rostlinná výroba, 43, 405-413.

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

Reynolds, W.D., Elrick, D.E., Clothier, B.E. (1985) The constant head well permeameter: effect of unsaturated flow. Soil Science, 139, 172-180.

Philip, J.R. (1985) Approximate analysis of the borehole permeameter in unsaturated soils. Water Resources Research, 21, 1025-1033.

Philip, J.R. (1987) The quasilinear analysis, the scattering analog, and other aspects of infiltration and seepage. In: Y.S. Fok (Ed.) Infiltration, development and application. Water resources Research Center, Honolulu, USA, 1-27.