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.
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.
Growing occurrence of extreme floods in the Czech Republic has attracted attention to the security of protective earthfill embankments along the rivers. A suddenly increased amount of water on the waterside slope of the embankment may have destroying or even catastrophic consequences. Predictions of seepage patterns through the earth body are usually done considering the saturated flow beneath the free water level only, neglecting the saturated-unsaturated character of the soil water dynamics within earthfill dams. The importance of water dynamics within an earth dam is known and may be addressed using numerical simulation models. In this study the solution based on transient simulation of seepage through protection levee using saturated-unsaturated theory is presented. Simulations were carried out by a two-dimensional numerical model based on Richards’ equation for water flow in porous medium. It has been shown that proposed approach is, with certain limitations, suitable for large scale engineering applications. and Vyšší pravděpodobnost výskytu extrémních klimatických jevů obrací pozornost k ochraně před následky, které tyto jevy způsobují. Zájem se soustředí na protipovodňové ochranné zemní hráze a jejich bezpečnost při povodních. Výpočet průsaku zemními hrázemi se často omezuje pouze na tu část hráze, která byla plně nasycená vodou, to znamená na plně nasycené proudění. Tento způsob modelování průsaku je dodnes považován za standardní, přestože je velmi limitující. Bez zahrnutí nenasycené části tělesa hráze je zanedbán vliv časově i prostorově proměnlivého pole vlhkostí (např. při infiltraci vody ze srážky) na polohu hladiny. V naší studii je simulováno proudění v tělese hráze s použitím numerického modelu, který umožňuje řešit proudění vody v proměnlivě nasyceném heterogenním pórovitém prostředí, s obecnými okrajovými podmínkami. Výsledky potvrdily, že přístup, který uvažuje proudění i v nenasycené části hráze, lze k řešení průsaků zemními tělesy úspěšně využít.
To reveal and evaluate the mechanism of transforming rainfall into runoff in the region, where the subsurface flow plays a dominant role in the runoff formation, a continuous hydrological and climatic data monitoring has been set-up in the experimental catchment Uhlířská (the Jizera Mountains, CR). The soil profile (Dystric Cambisol), formed on the weathered granite bedrock, is shallow and highly heterogeneous. Beside a standard catchment data observation a hillslope transect was instrumented to control the flow dynamics in the soil profile. From three soil horizons, the subsurface outflow is recorded in the subsurface trench. Adjacent to the trench the soil water suction is scanned by triplets of automatic tensiometers. Within the soil profile the unsaturated regime prevails, nevertheless the soil keeps almost saturated. Nearly simultaneous reaction of suction on a rainfall in all soil horizons implies a rapid vertical flow. Local preferential flow paths are conducting infiltrating water at significantly variable rates when saturation is reached. Groundwater table, soil moisture and subsurface runoff measured at the hillslope transect and the total outflow from the catchment, are correlated. The outflow from the catchment is dominantly controlled by soil moisture however the mechanism of its generation is not yet fully understood. and V oblasti s dominantním podpovrchovým odtokem bylo započato s kontinuálním hydrologickým a klimatickým monitoringem s cílem popsat a vyhodnotit transformaci srážky na odtok. Experimentální povodí Uhlířská se nachází v severní části České republiky v Jizerských horách. Půdní profil, klasifikovaný jako dystrická kambizem na zvětralém žulovém podloží, je mělký a velmi heterogenní. Svahový transekt byl vystrojen pro sledování dynamiky podpovrchového odtoku. Ve třech půdních horizontech je monitorován odtok a půdní sací tlak. V půdním profilu převládá nenasycený stav, ačkoliv je půdní vlhkost dlouhodobě blízko nasycení. Rychlé vertikální proudění je indikováno téměř současnou odezvou půdního sacího tlaku na srážku ve všech půdních horizontech. Po dosažení nasycení infiltrující voda protéká preferenčními cestami s výrazně odlišnými lokálními rychlostmi. Závislost hladiny podzemní vody, půdní vlhkosti, podpovrchového odtoku ve svahovém transektu na odtoku z povodí je významná. Odtok vody z povodí, které leží na zvětralém žulovém podloží, je dominantně určován půdní vlhkostí. Přes tato zjištění není mechanismus tvorby odtoku zatím jednoznačně popsatelný.
The experimental watershed Uhlířská of the Černá Nisa River (1.87 km2 ) is subject to hydrological monitoring on the continual basis focused towards the processes of water balance in the soil profile. Watershed average altitude is 822 m. Watershed rainfall exceeds 1300 mm/year. Its average temperature is 6.5o C. The typical soil profile is highly heterogeneous, formed by 0.8 - 1.2 m of Cambisols based on the decayed and fractured granite bedrock. At the locality Tomšovka, the experimental hillslope transect has been instrumented. In the subsurface trench, subsurface outflow is monitored and soil water suction is scanned by tensiometers adjacent to the trench. During seven vegetation periods more than 25 significant runoff events has been recorded. They are caused by a rainfall of a different intensity and duration. Runoff behaviour is of a high variability in terms of soil suction, soil moisture or depth of water in the soil profile in the vicinity of the trench. Instant moisture in the soil profile depends on the history of filling of the pore space. Soil profile is mostly unsaturated, however close to the saturation resulting in the course of the subsurface outflow. Relations of groundwater table, soil moisture, subsurface runoff and the total outflow from the watershed are significant, showing that transformation of rainfall into runoff in the area where soils are shallow, based on decayed crystalline bedrock is controlled by water content or soil suction in the subsurface. and V Jizerských horách na experimentálním povodí Uhlířská probíhá hydrologické monitorování na kontinuální bázi zaměřené na sledování procesů vodní bilance půdního profilu. Plocha povodí je 1.87 km2 , nadmořská výška je 822 m n.m. Srážkové úhrny převyšují 1300 mm rok-1. Půdní profil, tvořený hnědou půdou kyselou (Dystric Cambisol), je mělký a vysoce heterogenní, formovaný na zvětralém žulovém podloží. Ke studiu mechanismu transformace srážky na odtok z půdního profilu v prostředí, kde podpovrchový odtok hraje dominantní roli, byl vybudován podzemní sběrný příkop pro měření podpovrchového odtoku a plocha mikropovodí byla osazena tenzometry pro sledování půdního sacího tlaku. Během sedmi vegetačních období bylo zaznamenáno více než 25 významných odtokových událostí, způsobených infiltrací srážek různých intenzit a dob trvání. Odtokové jevy vykazují vysokou míru variability vztahu půdního sacího tlaku, půdní vlhkosti či celkového obsahu vody v půdním profilu vůči okamžité intenzitě odtoku. Momentální vlhkost půdního profilu závisí na historii plnění pórového prostoru. Půdní profil je převážně nenasycený, přesto je po většinu času blízko nasycení, což ovlivňuje průběh podpovrchového odtoku. Vztah půdní vlhkosti a podpovrchového odtoku s celkovým odtokem z povodí je velmi těsný. Odtok z povodí, kde je půdní profil tvořen zvětrávajícím krystalinickým substrátem, je podmíněn do velké míry půdní vlhkostí a existencí preferenčních cest.