Vliv reziduálního nasycení plynnou fází na proudění vody v půdě

Abstract

Nejvýznamnějšími tekutinami pohybujícími se v půdě jsou voda, která je transportním médiem pro další látky jako jsou živiny nebo látky znečišťující prostředí, a půdní vzduch. Jelikož se běžně obě tyto tekutiny (fáze) nacházejí v půdě zároveň, je vhodné, mohou si navzájem svůj pohyb ovlivňovat tak, že zjednodušený popis popisující jen jednu z těchto fází není dostatečný. Příkladem je přítomnost zachyceného vzduchu, který může při relativně malém zastoupení významně ovlivňovat infiltraci do půdy, a to až řádově, v závislosti na jeho distribuci v pórovém systému. V rámci této práce byly proveden experimentální výzkum a modelování směřující ke zlepšení popisu některých jevů, které souvisí s výskytem zachyceného vzduchu v písku. V první experimentální studii byla zjišťována hydraulická vodivost vzorků při různých hodnotách objemového zlomku vzduchu, který byl ve vzorcích zachycen v blízkosti nasycení vodou. Součásti některých dílčích experimentů bylo použití snímkování s využitím rentgenové výpočetní mikro-tomografie, umožňující získání distribuce vzduchu uvnitř vzorku. Druhá experimentální studie byla zaměřena na zjištění dynamiky rozpouštění zachyceného vzduchu do vody proudící vzorkem písku ve vzorku písku. Na experimentální studie navázalo vytvoření vlastního pore-network modelu který umožňuje simulovat zachytávání vzduchu ve vzorku písku při cyklech zvlhčování a drénování vzorku při relativně nízkých nárocích na výpočetní výkon.

The most important fluids moving through the soil are soil water, which is the transport medium for other substances such as nutrients or pollutants, and air. Since both fluids (phases) are normally present in the soil at the same time, in some cases they may interact with each other in such manner that a simplified description of only single phase is not adequate. An example of this is the presence of trapped air, which can significantly influence infiltration rate into the soil, up to an order of magnitude, depending on its distribution in the pore system, even when present in relatively small quantities. Experimental investigations and modelling have been carried out in the framework of this dissertation thesis, aimed at improving the description of some phenomena related to the presence of entrapped air in sand. In the first experimental study, the hydraulic conductivity of the samples was investigated for different volume fractions of air entrapped in the nearly saturated sand samples. Some of the experiments involved the use of X-ray computed micro-tomography to obtain the distribution of air within the sample. The second experimental study was aimed at determining the dissolution dynamics of entrapped air to water flowing through the sand sample. The experimental studies were followed by the development of a pore-network model that allows the simulation of air entrapment in the sand sample during the wetting and drainage cycles of the sample at relatively low computational cost.