This study focuses on modeling hydrological responses of shallow hillslope soil in a headwater catchment. The research is conducted using data from the experimental site Uhlířská in Jizera Mountains, Czech Republic. To compare different approaches of runoff generation modeling, three models were used: (1) onedimensional variably saturated flow model S1D, based on the dual-continuum formulation of Richards’ equation; (2) zero-dimensional nonlinear morphological element model GEOTRANSF; and (3) semidistributed model utilizing the topographic index similarity assumption - TOPMODEL. Hillslope runoff hydrographs and soil water storage variations predicted by the simplified catchment scale models (GEOTRANSF and TOPMODEL) were compared with the respective responses generated by the more physically based local scale model S1D. Both models, GEOTRANSF and TOPMODEL, were found to predict general trends of hydrographs quite satisfactorily; however their ability to correctly predict soil water storages and inter-compartment fluxes was limited. and Studie je zaměřena na modelování hydrologické reakce mělké svahové půdy v pramenné části povodí Nisy, k výzkumu byla použita data z experimentálního povodí Uhlířská. Porovnání různých konceptuálních představ modelování odtoku bylo uskutečněno pro: (1) jednorozměrný model proměnlivě nasyceného proudění S1D; (2) model založený na bezrozměrném nelineárním morfologickém prvku - GEOTRANSF a (3) semi-distribuovaný model využívající principu podobnosti na základě topografického indexu - TOPMODEL. Hydrogramy odtoku ze svahu a změny zásob vody v půdě vypočtené zjednodušenými modely GEOTRANSF a TOPMODEL byly porovnány s odpovídajícími odezvami fyzikálně založeného modelu S1D. Oba modely, GEOTRANSF i TOPMODEL, byly poměrně úspěšné v předpovědi základních trendů hydrogramů odtoku, jejich schopnost správně předpovídat zásoby vody v půdě a toky mezi nimi však byla omezená.
The paper provides an overview of recent hydrology-related research conducted by the Research Institute for Soil and Water Conservation and its predecessors. Research catchments and similar research sites, mostly under agricultural land use, are described. The principal catchments, located in Central and East Bohemian peneplains and highlands (Cerhovický potok near Hořovice, anonymous stream above Černičí near Čechtice, Kopaninský tok near Pelhřimov, and Žejbro near Skuteč with its subcatchments) are described in a greater detail with reference to web presentations (http://www.hydromeliorace.cz/povodi/ index.html). The second part overviews the main research results obtained, prevailingly during the last decade, in the field of catchment hydrology, water quality generation, agronomic measures for protection against nitrate pollution, the effect of tile drainage on extreme flows and water quality, soil water in the vadose zone with preferential flow and the landscape-ecological aspects of water resources protection. It is concluded that some problems could not be solved if the questions were not posed in a hydrological manner. The authors recommend to generalise empirical research results by modelling and to intensify connections between RISWC research and hydrological activities of other institutions. and Práce podává přehled novější historie výzkumu s hydrologickými prvky ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy a v ústavech, které byly jeho předchůdci. Stručně popisuje jednotlivá malá výzkumná povodí a další výzkumné lokality, většinou se zemědělským využitím půdy. Hlavní výzkumná povodí, umístěná v oblasti středočeských a východočeských parovin a pahorkatin (Cerhovický potok u Hořovic, bezejmenný potok nad Černičím u Čechtic, Kopaninský tok u Pelhřimova a Žejbro u Skutče se svými podpovodími), jsou popsána podrobněji s odkazem na prezentace na webu (http://www.hydromeliorace.cz/povodi/index.html). Ve druhé části článku je podán přehled hlavních výsledků výzkumu dosažených převážně v posledním desetiletí v oblasti hydrologického režimu povodí a mechanismů tvorby jakosti vody, agronomických opatření na ochranu před dusičnanovým znečištěním, vlivu drenážních systémů na extrémní průtoky a jakost vod, vody v nenasycené zóně půdy s preferenčním prouděním a krajinně ekologických aspektů ochrany vodních zdrojů. Závěrem se konstatuje, že řadu problémů by nebylo možno vyřešit, kdyby otázky nebyly kladeny hydrologickým způsobem. Autoři doporučují zobecnit empirické výzkumy modelováním a zintenzivnit návaznost výzkumu VÚMOP na hydrologické aktivity jiných institucí.
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.
Ponded infiltration experiment is a simple test used for in-situ determination of soil hydraulic properties, particularly saturated hydraulic conductivity and sorptivity. It is known that infiltration process in natural soils is strongly affected by presence of macropores, soil layering, initial and experimental conditions etc. As a result, infiltration record encompasses a complex of mutually compensating effects that are difficult to separate from each other. Determination of sorptivity and saturated hydraulic conductivity from such infiltration data is complicated. In the present study we use numerical simulation to examine the impact of selected experimental conditions and soil profile properties on the ponded infiltration experiment results, specifically in terms of the hydraulic conductivity and sorptivity evaluation. The effect of following factors was considered: depth of ponding, ring insertion depth, initial soil water content, presence of preferential pathways, hydraulic conductivity anisotropy, soil layering, surface layer retention capacity and hydraulic conductivity, and presence of soil pipes or stones under the infiltration ring. Results were compared with a large database of infiltration curves measured at the experimental site Liz (Bohemian Forest, Czech Republic). Reasonably good agreement between simulated and observed infiltration curves was achieved by combining several of factors tested. Moreover, the ring insertion effect was recognized as one of the major causes of uncertainty in the determination of soil hydraulic parameters.
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 water repellency causes at least temporal changes in the hydrological properties of a soil which result in, among other things, suboptimal growing conditions and increased irrigation requirements. Water repellency in soil is more widespread than previously thought and has been identified in many soil types under a wide array of climatic conditions worldwide. Consequences of soil water repellency include loss of wettability, increased runoff and preferential flow, reduced access to water for plants, reduced irrigation efficiency, increased requirement for water and other inputs, and increased potential for non-point source pollution. Research indicates that certain soil surfactants can be used to manage soil water repellency by modifying the flow dynamics of water and restoring soil wettability. This results in improved hydrological behavior of those soils. Consequently, the plant growth environment is also improved and significant water conservation is possible through more efficient functioning of the soil. and Vodoodpudivosť pôdy spôsobuje prinajmenšom dočasné zmeny v hydrologických vlastnostiach pôdy, ktoré okrem iného môžu viesť k suboptimálnym podmienkam rastu rastlín a k zvýšenej potrebe závlah. Vodoodpudivosť pôdy je rozšírenejší jav, ako sa pôvodne predpokladalo; bola identifikovaná v mnohých pôdnych typoch a klimatických podmienkach na celom svete. Dôsledkom vodoodpudivosti pôdy je strata zmáčavosti, zvýšený povrchový odtok a preferenčné prúdenie, znížená dostupnosť vody a iných vstupov pre rastliny, znížený účinok závlah, zvýšené požiadavky na vodu a iné vstupy, ako aj zvýšené riziko plošného znečistenia. Výskum naznačuje, že niektoré povrchovo aktívne látky (soil surfactants) môžu upraviť vodoodpudivosť pôdy obnovením omáčania a modifikáciou dynamiky vody. Výsledkom je zlepšenie hydrologických vlastností pôdy. Podobne, výsledkom je zlepšenie prostredia pre rast rastlín, zvýšenie retencie vody v pôde a teda aj efektívnejšia funkcia pôdy.
The application of Brilliant Blue FCF tracer enables to identify flow types in multi-domain porous systems of soils via analyses of morphologic parameters of stained objects occurring in dye pattern profiles, as they represent the footprint of flow processes which occurred in soil during both the infiltration and the redistribution of dye solution. We analysed the vertical dye pattern profiles exposed for different time lengths, and revealed temporal evolution of dye solution redistribution leading to changes in flow types. The field experiment was performed with the Brilliant Blue tracer (the 10 g l–1 concentration) applied on 1m x 1m surface of the Dystric Cambisol. The top litter horizon had been removed before 100 l of the tracer was applied. Four vertical profiles were excavated on the experimental plot (always 20 cm apart) at different times after the irrigation had been finished: 2 hours (CUT 2), 24 hours (CUT 24), 27 hours (CUT 27) and 504 hours (CUT 504). The analyses of the dyed patterns profiles showed the spatio-temporal changes in the dye coverage, surface area density, average BB concentration, and stained path width, which allowed us to specify three stages of dye solution redistribution history: (i) a stage of preferential macropore flow, (ii) a stage of strong interaction between macropore-domain and soil matrix leading to the generation of heterogeneous matrix flow and fingering flow types, and (iii) a final stage of dye redistribution within the soil body connected with leaching of BB caused by meteoric water. With increasing time, the macropore flow types convert to mostly matrix-dominated FTs in the upper part of the soil profile. These results were supported by soil hydrological modelling, which implied that more than 70% of the soil moisture profiles variability among CUT 2–CUT 504 could be explained by the time factor.
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.
A one-dimensional dual-continuum model (also known as dual-permeability model) was used to simulate the lateral component of subsurface runoff and variations in the natural 18O content in hillslope discharge. Model predictions were analyzed using the GLUE generalized likelihood uncertainty estimation procedure. Model sensitivity was evaluated by varying two separate triplets of parameters. The first triplet consisted of key parameters determining the preferential flow regime, i.e., the volumetric proportion of the preferential flow domain, a first-order transfer coefficient characterizing soil water exchange between the two flow domains of the dual-continuum system, and the saturated hydraulic conductivity of the preferential flow domain. The second triplet involved parameters controlling exclusively the soil hydraulic properties of the preferential flow domain, i.e., its retention curve and hydraulic conductivity function. Results of the analysis suggest high sensitivity to all parameters of the first triplet, and large differences in sensitivity to the parameters of the second triplet. The sensitivity analysis also confirmed a significant improvement in the identifiability of preferential flow parameters when 18O content was added to the objective function. and K simulacím laterální složky podpovrchového proudění a změn koncentrace izotopu kyslíku 18O ve vodě vytékající ze svahu byl použit jednorozměrný model využívající přístupu duálního kontinua. Nejistota modelových předpovědí byla odhadnuta s využitím metody zobecněné věrohodnosti (GLUE). Citlivost modelu byla zjišťována pomocí variací dvou samostatných trojic parametrů. První trojice sestávala z klíčových parametrů pro určení režimu preferenčního proudění, tj. objemového podílu preferenční domény proudění, přenosového koeficientu charakterizujícího výměnu vody mezi oběma doménami duálního systému a nasycené hydraulické vodivosti preferenční domény. Druhá trojice zahrnovala výhradně parametry určující hydraulické charakteristiky preferenční domény proudění, tj. retenční křivku a funkci hydraulické vodivosti. Z výsledků analýzy vyplývá vysoká citlivost modelu na všechny parametry z první trojice a velké rozdíly v citlivostech parametrů druhé trojice. Analýza dále potvrdila významné zlepšení zjistitelnosti parametrů preferenční domény v případě, kdy je do cílové funkce přidána koncentrace izotopu kyslíku 18O.
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.