Uncertainty in estimation of hydraulic conductivity function from the retention curve limits the possibility of accurate quantitative predictions of water flow in natural heterogeneous porous media. Experiments were conducted on large undisturbed soil samples to measure hydraulic conductivity function directly. As a next stage, an enhanced set-up with fully automated data acquisition was developed to allow long infiltration-outflow experiments under variable saturated conditions. To control the upper boundary condition the tension infiltration disc is used. The inflow and the outflow rate are recorded continuously. The soil water pressure heads are measured at three different heights. Continuous weighing of the sample during the experiment monitors changes in the soil water content. For undisturbed soil sample of coarse sandy loam, a sequence of experimental runs was performed, each represented by a constant suction pressure head applied to the soil surface. The initial conditions of each run were the same. All experimental runs show several noticeable stages, the bulk soil water content changes during those stages are presented here. Automation of the experimental set-up allowed the extension of the experiment duration and improved the accuracy of the data. Because of the long experiment duration, remarkable phenomenons were observed. and Nejistota v odhadu funkce hydraulické vodivosti z retenční čáry znemožňuje přesnou kvantitativní predikci pohybu vody v přírodním heterogenním pórovém prostředí. Pro přímé měření funkce hydraulické vodivosti byly provedeny experimenty na velkých neporušených vzorcích půd. Vylepšením těchto experimentů je experimentální sestava s plně automatizovaným záznamem měřených hodnot, která umožňuje provádění dlouhých infiltračně-výtokových experimentů při různém nasyceni půdy. Pro nastavení horní okrajové podmínky je použito podtlakového infiltrometru. Infiltrace a výtok jsou automaticky kontinuálně měřeny a zaznamenávány. Sací tlakové výšky jsou měřeny ve třech různých místech vzorku. Kontinuálním měřením vzorku je umožněno sledování změn okamžité vlhkosti půdy během experimentu. Na neporušeném vzorku hlinitopísčité půdy byla provedena série experimentálních běhů, přičemž při každém z nich byla nastavena určitá sací tlaková výška aplikovaná na povrchu vzorku. Počáteční podmínka všech experimentálních běhů byla stejná. Záznamy jednotlivých experimentálních běhů se vyznačují několika významnými fázemi, v článku jsou ukázány změny celkového objemu vody ve vzoku během těchto fází. Automatizací experimentální sestavy bylo umožněno prodloužení doby trvání experimentálních běhů a byla zvýšena přesnost měření. Díky dlouhému trvání experimentu byly pozorovány některé významné jevy.
Changes of steady state water flow rates and the bromide breakthrough were observed in laboratory infiltration experiments done on a sample of compacted sand and on an undisturbed soil sample (Eutric Cambisol). Infiltration-outflow experiments consisted of series of ponded infiltration runs with seepage face boundary condition at the lower end of columns. The initial water contents were different for each run. The results of the experiment done on an undisturbed soil column showed that the flux rates and water contents measured during quasi-steady state differ between infiltration runs. This finding contradicts the standard theory. The fluctuations of the water content during the steady state flow can be ascribed to the variations in volume of the entrapped air. Similarly, bromide breakthrough curves performed during the steady state flow runs differ for the undisturbed soil sample. The same behaviour was not observed in the sample of homogeneous sand. Computer tomography was utilized to characterize the structure of the undisturbed soil sample with focus on potential preferential flow pathways. To formulate more general conclusions, the infiltration outflow and bromide solute transport experiments have to continue with the aim to collect a representative set of data. and Studie sleduje změny ustálených rychlostí proudění a průnikových čar bromidu na vzorku zhutněného písku a na neporušeném vzorku půdy ze skupiny kambisolů. Experimenty sestávaly ze série výtopových infiltrací na horním okraji a s výronovou plochou na spodním okraji vzorků. Počáteční vlhkost byla pro jednotlivé infiltrační běhy různá. Výsledky experimentu uskutečněného na neporušené půdě ukazují, že se vlhkosti a rychlosti proudění během ustáleného proudění lišily pro jednotlivé infiltrační běhy. Tento efekt není ve shodě se standardní teorií. Změny vlhkosti během ustáleného proudění mohou být způsobeny přítomností uzavřeného vzduchu. Pro neporušený půdní vzorek se lišil také tvar průnikových čar bromidu, měřených během ustáleného proudění. Oba efekty nebyly pozorovány pro vzorek zhutněného písku. Počítačová tomografie byla použita k popisu struktury neporušeného půdního vzorku se zaměřením na přítomnost potenciálních cest preferenčního proudění. K tomu, aby bylo možno formulovat obecné závěry, bude nutné získat reprezentativní soubor dat pomocí zde představeného experimentu.
Isothermal and non-isothermal infiltration experiments with tracer breakthrough were carried out in the laboratory
on one intact column (18.9 cm in diameter, 25 cm in height) of sandy loam soil. For the isothermal experiment, the
temperature of the infiltrating water was 20°C to the initial temperature of the sample. For the two non-isothermal experiments
water temperature was set at 8°C and 6°C, while the initial temperature of the sample was 22°C. The experiments
were conducted under the same initial and boundary conditions. Pressure heads and temperatures were monitored in two
depths (8.8 and 15.3 cm) inside the soil sample. Two additional temperature sensors monitored the entering and leaving
temperatures of the water. Water drained freely through the perforated plate at the bottom of the sample by gravity and
outflow was measured using a tipping bucket flowmeter. The permeability of the sample calculated for steady state stages
of the experiment showed that the significant difference between water flow rates recorded during the two experiments
could not only be justified by temperature induced changes of the water viscosity and density. The observed data
points of the breakthrough curve were successfully fitted using the two-region physical non-equilibrium model. The results
of the breakthrough curves showed similar asymmetric shapes under isothermal and non-isothermal conditions.
Infiltration-outflow experiments were performed on undisturbed soil samples of coarse sandy loam simultaneously with the imaging of flow process by means of magnetic resonance (MR) imaging. The flow in soil under study is highly preferential and exhibits time instability of soil hydraulic properties. For the transient part of infiltration runs, fast 2D imaging was used. For the steady state flow and for the equilibrium state after drainage, horizontal 2D imaging and mapping of longitudinal relaxation (T1) was performed. To obtain the information about internal soil structure all samples were imaged by the computer tomography (CT). The results of all the measurements represent a unique data set. For each sample it contains a record of cumulative infiltration and outflow, hydraulic pressure heads and the simultaneous MR visualization of each particular experiment. Suction pressure heads show a good agreement with the propagation of the wetting front in the sample as displayed by the MR at the very beginning of the each infiltration run. Presented data are the result of first experiment, where MR imaging of infiltration into undisturbed soil samples was combined with concurrent monitoring of suction pressure heads. The next step is to use the gained data for modeling of the infiltration in heterogeneous soil. and Uskutečnili jsme infiltračně výtokový experiment na neporušených vzorcích hlinitopísčité půdy za souběžného snímkování metodou magnetické rezonance (MR). Zkoumaná půda vykazuje výrazné preferenční proudění a časovou závislost hydraulických charakteristik. Pro transientní fáze experimentů jsme použili rychlého vertikálního 2D snímkování. Při ustáleném proudění a při rovnovážném stavu byly pořízeny horizontální 2D snímky a bylo provedeno mapování podélné relaxivity (T1). Pro zjištění vnitřní struktury pevné fáze byly všechny vzorky v suchém stavu snímkovány počítačovou tomografií (CT). Výsledkem experimentu je komplexní soubor dat, který kromě snímků MR obsahuje záznam kumulativní infiltrace výtoku a tlakových výšek. Možnosti metody MR jsou demonstrovány na příkladu porovnání sledu 2D snímků MR s měřenými sacími tlakovými výškami během transientní části infiltrace, kde obě měření shodně zaznamenaly postup čela zvlhčení. Prezentovaná data jsou výsledkem prvního snímkování infiltrace do neporušených vzorků půdy pomocí MR v kombinaci se souběžným měřením sacích tlaků. Dalším krokem bude použití takového souboru dat jako podkladu pro modelování procesu infiltrace do půdy.
Soil hydraulic conductivity is a key parameter to predict water flow through the soil profile. We have developed an automatic minidisk infiltrometer (AMI) to enable easy measurement of unsaturated hydraulic conductivity using the tension infiltrometer method in the field. AMI senses the cumulative infiltration by recording change in buoyancy force acting on a vertical solid bar fixed in the reservoir tube of the infiltrometer. Performance of the instrument was tested in the laboratory and in two contrasting catchments at three sites with different land use. Hydraulic conductivities determined using AMI were compared with earlier manually taken readings. The results of laboratory testing demonstrated high accuracy and robustness of the AMI measurement. Field testing of AMI proved the suitability of the instrument for use in the determination of sorptivity and near saturated hydraulic conductivity.
Detailed data on the long-term performance of bioretention cells (BC) for stormwater management are sparse. This research aimed at setting up and testing an infrastructure that will provide the data on hydrologic and chemical performance of BC. Two identical experimental BC’s were built. The monitoring methodology monitoring was developed and tested during a first growing season with the first BC supplied with natural rainfall, while the second BC was used for ponding experiments. Key layer of the BCs, a biofilter, was composed of sand, compost and topsoil. Both BCs are equipped with sensors monitoring the components of water balance and the water potential of the biofilter. High levels of total suspended solids were detected in the outflow. The runoff coefficient for the entire period of the growing season was 0.72 in the first BC and 0.86 in the second BC, while the peak outflow reduction for individual rainfall episodes ranged between 75% to 95% for the first BC and 19% to 30% for the second BC. Saturated hydraulic conductivity of the biofilter in the first BC decreased by two orders of magnitudes after the first year of operation. Retention curves of the biofilter changed due to material consolidation.