Vizualizace preferenčního proudění v heterogenních půdách

Abstract

Pokles ustálené infiltrační rychlosti, často pozorovaný při opakované výtopové infiltrace, byl podnětem pro doplnění výzkumu projevů preferenčního proudění. Pokles je přisuzován redistribuci nespojité plynné fáze uzavřené v pórech během experimentu. Cílem zkoumání je popis a kvantifikace zachyceného vzduchu s využitím neinvazivních metod pro sledování procesů proudění vody a transportu rozpuštěných látek v půdním prostředí. K posouzení projevů preferenčního proudění během infiltračních experimentů byla využita zobrazovací metoda nukleární magnetické rezonance (NMR). Pilotní experimenty byly uskutečněny na sypaných vzorcích vybraných půdních materiálů. Experimenty byly využity k testování pracovních postupů. Následně byly projevy preferenčního proudění studovány při opakovaných výtopových infiltrací na neporušených vzorcích půdy. Analýzou MR snímků při ustáleném proudění během prvního a druhého infiltračního běhu byl určen objemový podíl zachyceného vzduchu a trojrozměrná mapa jeho rozložení ve vzorku. Vliv uzavřeného vzduchu na režim proudění byl navíc prokázán rozdílným chováním vybraných preferenčních cest. Unikátní soubor dat získaný během neinvazivního snímkování poskytl potřebné informace pro práci s 3D modelem proudění vody založeným na Richardsově rovnici. Pomocí modelu byl simulován opakovaný výtopový experiment a analyzován vliv uzavřeného vzduchu.

The magnetic resonance imaging (MRI) technique was used for the visualization and interpretation of flow paths. A set of tracer-infiltration experiments was performed on packed and undisturbed soil samples. The flow paths were visualized using a tracer-solution containing nickel nitrate. The irregularities in the tracer front were attributed to the preferential flow phenomena in combination with the air bubble entrapment. On the undisturbed soil sample the recurrent ponded infiltration consisting of two consecutive runs was performed. During the second infiltration run the trapped air restricted some preferential flow pathways causing overall lower infiltration and outflow rates. The spatial distribution and the volume of the entrapped air were extracted from MR image. The tracer breakthrough patterns showed significantly different flow trajectories during the first and the second infiltration runs. The MRI information along with the information about internal structure of the sample gained from computed tomography scans was used to simulate transient water flow in the three-dimensional heterogeneous porous system. The three-dimensional (3D) model in parallel version based on Richards' equation was used. The results of numerical simulations are consistent with the assumption that an observed decrease of the outflow rate could be caused by entrapped air in large pores of the soil sample.