Model of transport in vadose zone in vertisols under semiarid climate.

• Název práce v češtině: Model transportu látek v nesaturované zóně ve vertisolech v semiaridním klimatu
• Název v anglickém jazyce: Model of transport in vadose zone in vertisols under semiarid climate.
• Klíčová slova: desikační trhliny, salinizace, preferenčni tok, koncepční model, nesaturovaná zóna, vertisol, retenční křivka, HYDRUS, podpovrchový výpar, semiaridní klima, modelování
• Klíčová slova anglicky: desiccation crack, salinization, subsurface evaporation, semi-arid climate, preferential flow, numerical model, vadose zone, vertisols, retention curve, HYDRUS, modelling
• Akademický rok vypsání: 2014/2015
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky (31-450)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Tomáš Ondovčin, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 10.12.2014
• Datum zadání: 30.01.2015
• Datum odevzdání elektronické podoby: 04.05.2015
• Datum proběhlé obhajoby: 11.06.2015
• Oponenti: prof. Ing. Radka Kodešová, CSc.

Předběžná náplň práce

Vertisoly pokrývají hydrologicky velmi významnou část semiaridních oblastí, a tak pochopení proudění vody a látek je velmi důležité z hlediska zemědělské činnosti a využívání vodních zdrojů. V předchozích pracích byl prezentován koncepční model salinizace způsobené desikačními trhlinami. Podle tohoto modelu se salinizace sedimentu nesaturované zóny objevuje do hloubky až 4 m pod povrchem a je způsobena podpovrchovým odpařováním
v důsledku konvekčního proudění vzduchu v desikačních trhlinách. Tato diplomová práce představuje koncepční model proudění vody a transportu rozpuštěných látek ve vertisolech a její numerickou aplikaci. Model počítá s homogenně pórovitým materiálem, ale netradičně předepisuje jednak okrajové podmínky představující desikační trhliny v půdě a jednak nenasycenou hydraulickou vodivost. Numerický model sice simuluje konkrétní místo v blízkosti odkaliště odpadu z kravína, ale jeho koncepční řešení by se dalo aplikovat na všechny semiaridní oblasti s vertisoly.
Simulace byly provedeny za použití několika modelovacích přístupů s konečným cílem kalibrovat výsledky simulací na měřené hodnoty in situ: půdní vlhkost a koncentrace chloridů v pórové vodě. Model byl vyvinut na základě mnoha simulací, veškeré metodou pokus-omyl.
Okrajová podmínka popisující trhlinu umožňuje hromadění chloridů v důsledku podpovrchového odpařováním na stěně trhliny a infiltrující dešťová voda tlačí tyto rozpuštěné látky směrem dolů do sedimentu. Aby bylo možné předepsat navrženou okrajovou podmínku, HYDRUS 2D/3D musel být upraven jeho vývojáři. Mezi hlavní kalibrační parametry patří: nasycená hydraulická vodivost a rozložení infiltrace dešťové vody. Model podporuje dřívější zjištění, že významné množství (více než 80%) dešťové vody se musí infiltrovat trhlinou (zbytek vody povrchem), a že desikační trhliny jsou odpovědné za více než 70% celkového skutečného výparu. Bylo rovněž zjištěno, že infiltrace z trhliny se musí zvyšovat s hloubkou a že nejvyšší infiltrace by měla být mezi 1-3 m pod povrchem půdy.
Tato práce podporuje předchozí poznatky o vertisolech: především že půdní trhliny jsou naprosto zásadní pro hydraulický popis daného prostředí. Fungují totiž jako preferenční cesty pro vodu a kontaminanty a také umožňují evaporaci hluboko pod povrchem.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Vertisols cover a hydrologicaly very significant area of semi-arid regions, and thus understanding of water flow and solute accumulation is very relevant to agricultural activity and water resources management. Previous works suggest a conceptual model of desiccation-crack-induced salinization where salinization of sediment in deep section of the vadose zone (up to 4 m) is induced by subsurface evaporation due to convective air flow in desiccation cracks. This thesis presents a conceptual model of water flow and solute transport in vertisols, and its numerical implementation. The model uses a single-porosity material but unconventionally prescribes a boundary condition representing a deep crack in soil and uses the unsaturated hydraulic conductivity as one of the fitting parameters. The numerical model is bound to one location close to a dairy farm waste pond, but the application of the suggested conceptual model could be possibly extended to all semi-arid regions with vertisols.
Simulations were conducted using several modelling approaches with an ultimate goal of fitting the simulation results to the controlling variables measured in the field: water content, and chloride salinity of pore water. The development of the model was engineered in numerous steps; all computed as forward solutions by trial-and-error approach.
The crack boundary condition allows chloride to accumulate due to subsurface evaporation on the crack wall, and subsequently rainwater pushes the solute further down the sediment. In order to prescribe the suggested function, HYDRUS 2D/3D code had to be modified by its developers. The main fitting parameters were: the saturated hydraulic conductivity and infiltration distribution of rainwater. The model supports previous findings that significant amount (more than 80%) of water from rain events must infiltrate through the crack rather than through land surface, and that the desiccation cracks are responsible for more than 70% of overall actual evaporation. It was also noted that infiltration from the crack has to be increasing with depth and that the highest infiltration rate should be between 1-3 m below land surface.
In conclusion, this thesis supports previous findings about vertisols: especially, the utmost importance of soil cracks as preferential pathways for both water and contaminants, and soil cracks as deep evaporators.