The effect of different methods used for hysteretic K(h) determination on the infiltration simulations

Authors

  • P. Kerkides,

    Corresponding author
    1. Laboratory of Agricultural Hydraulics, Sector of Water Resources Management, Agricultural University of Athens, 75 Iera Odos St. 11855, Athens, Greece
    • Laboratory of Agricultural Hydraulics, Sector of Water Resources Management, Agricultural University of Athens, 75 Iera Odos St. 11855, Athens, Greece.
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  • G. Kargas,

    1. Laboratory of Agricultural Hydraulics, Sector of Water Resources Management, Agricultural University of Athens, 75 Iera Odos St. 11855, Athens, Greece
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  • I. Argyrokastritis

    1. Laboratory of Agricultural Hydraulics, Sector of Water Resources Management, Agricultural University of Athens, 75 Iera Odos St. 11855, Athens, Greece
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  • Effet des différentes méthodes utilisées pour la détermination hystérétique de K(h) sur la simulation d'infiltration.

Abstract

The phenomenon of hysteresis in hydraulic properties of porous media plays a significant role in the establishment of the soil water regime. Although a number of methodologies of various degrees of accuracy and subtlety have been developed for the determination of the hysteretic nature of these properties, nonetheless limited research work has been done in investigating the effect of hysteresis on soil water dynamics simulation.

The present work has a twofold objective. One is to use existing methodologies in obtaining the wetting and drying branches of the hydraulic conductivity (K) versus water content (Θ) or water pressure head (h), and the other is to investigate the effect which the obtained hysteretic K(h) has on the soil moisture profiles in a simulated soil water infiltration process under conditions of flooding. The investigation was performed for two different porous materials. Three methods have been employed for the determination of K. All of them rely on the experimental determination of the moisture retention curve (MRC). These methods are: 1. The conceptual model of Mualem which uses the MRC to derive K (both wetting and drying branches). 2. An imbibition experiment to determine the relationship of the soil water diffusivity D(Θ), which is subsequently used together with the MRC (its main wetting branch) to derive the wetting branch of K. 3. One-step outflow experiment to determine D(Θ), which is subsequently used together with the MRC (its main drying branch) to derive the drying branch of K.

After the determination of the hydraulic conductivity as a function of h, the problem of one-dimensional vertical infiltration under conditions of flooding was investigated by solving the Richard's equation numerically, using a finite difference discretization scheme. Four runs were performed for each of the porous materials with four different combinations of Θ(h) and K(h), using each time the pairs of Θ(h) and K(h) main branches. Some useful results are obtained. From our investigation it is shown that using the conventional approach according to which infiltration is simulated by using the drying K(h) and Θ(h) branches may be erroneous. Indeed, as infiltration is a wetting process it is more appropriate the use of the wetting branches K(h) and Θ(h). However, the wetting branches are not usually employed in the conventional approach since they are more difficult and time consuming to measure. The results indicated that the use of the drying branches of K(h) and Θ(h) produces soil moisture profiles advancing deeper than those obtained from using the appropriate wetting branches. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Abstract

Le phénomène de l'hystérésis dans les propriétés hydrauliques des milieux poreux joue un rôle important dans l'établissement du régime d'écoulement dans le sol. Bien que certaines méthodologies, au degré de précision divers, aient été développées pour la détermination de la nature hystérétique de ces propriétés, un nombre limité de recherches ont étudié l'effet de hystérésis sur la simulation de la dynamique de l'eau du sol.

Ce travail a deux objectifs. Le premier consiste à utiliser les méthodologies existantes pour obtenir des courbes d'infiltration et de drainage de la conductivité hydraulique (K) en fonction de l'humidité (Θ) ou de la tension de l'eau du sol (h) et le deuxième est d'étudier l'effet du K(h) hystérétique sur les profils de l'eau du sol dans une simulation d'infiltration sous condition d'inondation. La recherche a porté sur deux milieux poreux différents. Trois méthodes ont été utilisées pour déterminer K. Toutes les trois sont basées sur la détermination expérimentale de la courbe de rétention d'humidité du sol (MRC). Ces méthodes sont : 1. Le modèle conceptuel de Mualem, qui utilise le MPC pour obtenir K (utilisation des branches d'infiltration et de drainage). 2. Une expérimentation d'imbibition/absorption pour déterminer la relation de diffusivité D (Θ) qui a été utilisée en combinaison avec MRC (sur toute la branche d'infiltration) pour obtenir la branche d'infiltration de K. 3. Une expérimentation d'une décharge à une étape pour déterminer D (Θ) qui est ensuite utilisée en combinaison avec MPC (sa branche du drainage) pour obtenir la branche du drainage de K.

Après la détermination de la conductivité hydraulique en fonction de h, le problème d'infiltration verticale unidimensionnelle sous condition d'inondation a été étudié par résolution numérique de l'équation de Richards en utilisant un schéma de discrétisation des différences finies. Quatre exécutions de la simulation ont eu lieu pour chaque milieu poreux avec les quatre combinaisons différentes de Θ(h) et de K (h) en utilisant les couples de Θ(h) et de K (h) des branches principales.

Notre investigation démontre que l'approche conventionnelle basée sur l'utilisation de branches de drainage des fonctions K (h) et Θ(h) pour la simulation du processus d'infiltration peut conduire à des erreurs. En réalité le processus d'infiltration est un processus d'imbibition, et l'utilisation des branches d'imbibition est plus appropriée. Les branches d'imbibition ne sont pas fréquemment employées parce que leur détermination est difficile et plus longue. Les résultats indiquent que l'utilisation des branches de drainage de K (h) et Θ(h) produit des profils d'humidité du sol qui descendent plus profond que ceux obtenus en utilisant les branches appropriées d'infiltration. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

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