Stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pomocí mini-diskových podtlakových infiltrometrů

Transkript

1 Stanovení nenasycené hydraulcké vodvost pomocí mn-dskových podtlakových nfltrometrů Teoretcký úvod nenasycená hydraulcká vodvost Pro řešení mnoha úloh v oblastech vodního hospodářství, ochrany žvotního prostředí nebo zemědělství je nezbytná znalost nfltrační schopnost půdy. Infltrační schopnost půdy je předurčena geometrí půdních pórů a dalším fyzkálním a chemckým vlastnostm půdního prostředí. Pro potřeby detalního numerckého modelování nfltrace do půdy modely založeným na řešení Rchardsovy rovnce (Warrck, je nutná znalost hydraulckých charakterstk půdy: retenční čáry θ(h a funkce nenasycené hydraulcké vodvost - K(h. Průběh funkce nenasycené hydraulcké vodvost vztahuje rychlost proudění vody půdou př jednotkovém gradentu celkového potencál k aktuální vlhkost (θ, a zároveň (přes retenční křvku konkrétní půdy k tlakové výšce (h, která této vlhkost odpovídá (Císlerová, Typcké průběhy funkce nenasycené hydraulcké vodvost jsou zobrazeny na obr. 1. Obr. 1 Funkce nenasycené hydraulcké vodvost pro různé materály Alternatvou ke standardním laboratorním metodám, které bývají časově velm náročné z důvodu prodlevy potřebné k opakovanému ustanovení ustáleného proudění - K(h, je vyšetření průběhu funkce nenasycené hydraulcké vodvost pomocí terénních nfltračních expermentů. V terénu se často provádí měření 1 nasycené hydraulcké vodvost K s a nenasycené hydraulcké vodvost K(h př různých tlakových výškách - h. Nasycená hydraulcká vodvost se v terénu běžně měří provedením výtopové nfltrace jednoválcovou nebo dvouválcovou metodou. Nasycená hydraulcká vodvost je často ovlvněna výskytem preferenčních cest (trhlny, cestčky po žížalách apod., ve kterých je proudění vody často mnohonásobně rychlejší než v půdní matrc. Tento jev lze elmnovat použtím takzvaného podtlakového dskového nfltrometru (Hllel, Nastavením určtého podtlaku (záporné tlakové výšky na půdní povrch jsou z procesu nfltrace vody do půdy vyloučeny póry s menší vstupní hodnotou vzduchu (preferenční cesty než je aplkovaný podtlak a voda tak proudí především půdní matrcí. Obecně se tedy dá tvrdt, že s rostoucím podtlakem, aplkovaným na půdní povrch, se snžuje množství pórů, zapojených do nfltrace a hodnota nenasycené hydraulcké vodvost klesá. Výsledkem měření je pak jeden bod nenasycené hydraulcké vodvost pro nastavenou tlakovou výšku. Opakováním měření pro další tlakové výšky je získána posloupnost nenasycených hydraulckých vodvostí, které dohromady (vč. nasycené hydraulcké vodvost tvoří funkc nenasycené hydraulcké vodvost. Poděkování: Tento výukový materál vnkl za podpory MŠMT v rámc grantu FRVŠ č. 116/13 G1

2 Teoretcký úvod řídící rovnce proudění vody v proměnlvě nasyceném prostředí V nenasyceném půdním prostředí, kde je část pórů vyplněna vzduchem a část se dosycuje vodou, dochází k tzv. nenasycenému proudění, které je v přírodních podmínkách téměř vždy neustálené (tok q je proměnlvý v čase. V takovémto prostředí je hnací slou proudění gradent potencálu a hydraulcká vodvost nenasyceného půdního prostředí je funkcí vlhkostního potencálu (nebo vlhkost. Pro pops neustáleného nenasyceného proudění se používá tzv. Rchardsova rovnce proudění [1] (zde se zanedbáním propadu r, která vznkne sloučením rovnce kontnuty []a Darcy- Buckhnghamovy rovnce [3] (Marshall, et. al, Uvedené rovnce mají pro 1D proudění tvary: q θ [1] + + r z t h [] q K( h + 1 z θ h [3] K( h + 1 t z z Podtlakový mn-dskový nfltrometr frmy Decagon - Nastavení tlakové výšky (podtlaku je nutné provést dle obr. (vpravo!!! - v komoře je nutné nastavt hodnotu h komora, aby měření probíhalo př zvolené tlakové výšce h. - Infltrometr se po naplnění vodou pokládá na povrch půdy urovnaný do rovny a doplněný o (zvlhčenou tenkou vrsvou kontaktního písku (pro zajštění dokonalého hydraulckého propojení půdy se sntrovou destčkou - Měření se provádí manuálně odečtem objemu vody na stupnc v čase (zapšte do formuláře Vyhodnocení podtlakové nfltrace (Decagon Obr. podtlakový mn-dskový nfltrometr Decagon Poděkování: Tento výukový materál vnkl za podpory MŠMT v rámc grantu FRVŠ č. 116/13 G1

3 Podtlakový automatzovaný mn-dskový nfltrometr (Fsv, - Nastavení tlakové výšky (podtlaku je nutné provést dle obr.3 (vpravo!!! - v Marottově lahv je nutné nastavt hodnotu h Marott, aby měření probíhalo př zvolené tlakové výšce h. - Infltrometr se po naplnění vodou pokládá na povrch půdy urovnaný do rovny a doplněný o (zvlhčenou tenkou vrsvou kontaktního písku (pro zajštění dokonalého hydraulckého propojení půdy se sntrovou destčkou - Měření se provádí automatcky na základě změny vztlakové síly působící na plovák uvntř rezervoáru. Plovák je fxně upevněn na vážní čdlo, které reaguje na změnu sl působících na plovák během poklesu hladny vody v rezervoáru. Změny jsou zaznamenávány dataloggerem ve formě výstupního napětí (mv*1 a následně podle lneárního kalbračního vztahu přepočítány pomocí softwaru na hodnoty poklesu hladny v rezervoáru (z w. Pro stanovení nenasycené hydraulcké vodvost na základě automatcky naměřených dat použjte excelovskou výpočtovou tabulku Výuka v terénu stanovení K(h - Pro možnost provedení kalbrace nebo kontrolního měření je na rezervoáru umístěna stupnce, která slouží k manuálnímu odečtu poklesu hladny v rezervoáru během nfltrace Obr. 3 Schéma plnění (vyprazdňování nfltrometru (vlevo a procesu nfltrace (vpravo Poděkování: Tento výukový materál vnkl za podpory MŠMT v rámc grantu FRVŠ č. 116/13 G1

4 Vyhodnocení podtlakových nfltračních pokusů Úkoly: Přpravte povrch půdy a přístrojové vybavení k zahájení podtlakové nfltrace Z naměřených dat získejte, a vyneste do grafu, kumulatvní nfltrac určete koefcenty C (výpočet dle rovnce [5], A (odečet z tabulky 1 a stanovte K(h (výpočtet dle rovnce [6]. Pro výpočty lze využít excelovská výpočtový sešt Výuka v terénu stanovení K(h Vyměňte s s dalším skupnam hodnoty K(h měřené oběma přístroj př různých tlakových výškách a vyneste je do grafu funkce nenasycené hydraulcké vodvost spolu Vám naměřenou hodnotou K s (úloha s výtopovou nfltrací Výše uvedené výstupy zapracujte do závěrečného protokolu Na základě naměřených dat (objem vody Decagon; poklesk hladny vody automatzovaný nfltrometr je získán průběh kumulatvní nfltrace (obr. 4, který je v případě této úlohy prokládán Phlpovou rovncí [4] odvozenou ze semanalytckého řešení Rchardsovy rovnce (Phlp, Obr. 4 Graf kumulatvní nfltrace Pro stanovení nenasycené hydraulcké vodvost K(h modfkovanou Zhangovou metodou (Dohnal et al.1 je nutné získat první dva členy Phlpovy rovnce [4], popsující kumulatvní nfltrac C 1 a C [5], použtím metody nejmenších čtverců (pro výpočet K(h se používá pouze koefcent C. Nenasycená hydraulcké vodvost se následně vypočítá ze vztahu [6], kde A [7], [8], [9] je emprcký koefcent závsející na velkost van Genuchtenova parametru retenční křvky n. Pro stanovení koefcentu A pro různé půdy a tlakové výšky použjte v případě nfltrometru Decagon tabulku 1 (v případě automatzovaného nfltrometru je koefcent dopočítán automatcky Ct 1/ Ct [4] I 1 + C It I 1/ t ( 3/ 3/ [5] C K ( h A [6].1 ( n 1 exp.9( n 1.9 [ αh] A n.1 ( n 1 exp7.5( n 1.9 [ αh] [7] A 1.35 n< 1.9 [8].8 ( n 1 exp 34.65( n 1.19 [ h] α [9] A n 1.35 < Poděkování: Tento výukový materál vnkl za podpory MŠMT v rámc grantu FRVŠ č. 116/13 G1

5 Získáním několka bodů nenasycené hydraulcké vodvost (pro různé tlakové výšky dostaneme její funkc v blízkost nasycení (obr. 5. První bod grafu je roven nasycené vlhkost Ks, které odpovídá tlaková výška h cm (vz obr. 5 - červený bod. Obr. 5 - Funkce nenasycené hydraulcké vodvost v blízkost nasycení Tabulka 1 Hodnoty koefcentu A pro různé půdy a tlakové výšky TEXTURA písek hlntý písek písčtá hlína hlína prach prachovtá hlína písčto-jílovtá hlína jílovtá hlína prachovto-jílovtá hlín písčtý jíl prachovtý jíl jíl van Genuchten α n h (cm Srbsko A Pozn.: Lteratura: Císlerová, M. Inženýrská hydropedologe. Praha: Edční středsko ČVUT, ISBN Dohnal, M., Dusek, J., Vogel, T., 1. Improvng hydraulc conductvty estmates from mndsk nfltrometer measurements for sols wth wde pore-sze dstrbutons. Sol scence socety of amerca journal 74(3, Hllel, D. Envronmental Sol Physcs. San Dego: Academc Press, c1998. ISBN Marshall, TJ., Holmes, J.W., Rose, C.W. Sol Physcs. 3rd ed. Cambrdge: Cambrdge Unversty Press, c1996. ISBN Phlp, J.R The theory of nfltraton: 4. Sorptvty and algebrac nfltraton equatons. Sol Sc. 84: Warrck, A.W. Sol Physcs companon. Boca Raton: CRC Press, c. ISBN Poděkování: Tento výukový materál vnkl za podpory MŠMT v rámc grantu FRVŠ č. 116/13 G1