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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.64.2018.tde-13042018-084604
Document
Author
Full name
Lívia Previatello da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2017
Supervisor
Committee
Lier, Quirijn de Jong van (President)
Armindo, Robson André
Cooper, Miguel
Ling, Tseng Chien
Reichardt, Klaus
Title in English
Analysis of hydraulic properties and 3D images of some tropical soils
Keywords in English
3D soil images
Evaporation experiment
Microtomography
Soil hydraulic properties
Abstract in English
Mass and energy flow processes in soil are strongly dependent on the state of the soil structure and on pore space geometry. To correctly describe these transport processes, an adequate pore space characterization is required. In this context, the use of computerized microtomography allows the visualization of the soil structures and processes that occur at large scales may be very useful, besides being a fast and non-destructive technique. Soil hydraulic properties, which are essential in the quantification of water balance components in hydrological models of the unsaturated zone, can be measured directly with field or laboratory methods. Simultaneous determination of these properties can be done by the Wind-Schindler evaporation method, but determining only the retention function is a more common practice. The relation between soil water retention and hydraulic conductivity can then be predicted using theories like those developed by Childs and Collis-George, Burdine and Mualem. These models treat pore-space tortuosity and connectivity as an empirical parameter, and its value remains usually undetermined, the use of a standard value being more common. Based on this contextualization, the objectives of this thesis are: (i) to evaluate the correlation between soil hydraulic properties measured in the laboratory, and parameters that quantify soil pore space from 3D images obtained by X-ray microtomography; and (ii) to functionally analyze soil hydraulic property parameterization in the prediction of soil water balance components by an agrohydrological model. To verify the relationship between soil hydraulic properties and soil image parameters, a stepwise multiple regression analysis was performed between the pore space parameters from images and empirical parameters of the semi-deterministic model, obtained with evaporation experiments together with an inverse solution method. Functional evaluation of soil hydraulic parameters was performed by a sensitivity analysis of the outputs of an agro-hydrological model to several ways of obtaining the tortuosity/connectivity parameter: applying the commonly used standard value, or determining its value in evaporation experiments in the laboratory with wet-range tensiometers, dry-range tensiometers, or both wet- and dry-range tensiometers. Simulations with the agro-hydrological model were performed for some years with distinct rainfall characteristics. The soil retention curve obtained using soil images had a good agreement to the retention curve obtained by the evaporation experiment, although the spatial resolution of the microtomograph allowed to only quantify macropores, consequently, to determine the hydraulic properties in a small range close to saturation. Soil hydraulic parameterization using a wide range of pressure heads is recommended for a better representation of vadose zone processes and soil-water-plant relations
Title in Portuguese
Análise das propriedades hidráulicas e imagens 3D de alguns solos tropicais
Keywords in Portuguese
Experimento de evaporação
Imagens do solo 3D
Microtomografia
Propriedades hidráulicas do solo
Abstract in Portuguese
Os processos de fluxo de massa e energia no solo dependem fortemente do estado da estrutura do solo e da geometria do espaço dos poros. Para descrever corretamente esses processos de transporte, é necessária uma caracterização adequada do espaço poroso. Neste contexto, o uso da microtomografia computadorizada permite a visualização das estruturas do solo e os processos que ocorrem em grandes escalas podem ser muito úteis, além de ser uma técnica rápida e não destrutiva. As propriedades hidráulicas do solo, que são essenciais na quantificação dos componentes do balanço hídrico em modelos hidrológicos da zona não saturada, podem ser medidas diretamente com métodos de campo ou laboratório. A determinação simultânea dessas propriedades pode ser feita pelo método de evaporação Wind-Schindler, mas a determinação apenas da função de retenção é uma prática mais comum. A relação entre a retenção de água do solo e a condutividade hidráulica pode então ser predita por teorias como as desenvolvidas por Childs e Collis-George, Burdine e Mualem. Esses modelos tratam a tortuosidade e conectividade do espaço poroso como um parâmetro empírico, e seu valor permanece geralmente indeterminado, sendo o uso de um valor padrão mais comum. Com base nessa contextualização, os objetivos desta tese são: (i) avaliação da correlação entre propriedades hidráulicas do solo, medidas em laboratório e parâmetros que quantificam o espaço de poros do solo a partir de imagens 3D obtidas por microtomografia de raios X; (ii) a análise funcional da parametrização das propriedades hidráulicas do solo na predição dos componentes do balanço hídrico do solo por um modelo agro-hidrológico. Para a verificação da relação entre as propriedades hidráulicas do solo e os parâmetros da imagem do solo, foi realizada uma análise de regressão múltipla entre os parâmetros do espaço poroso por imagens e parâmetros empíricos do modelo semi-determinística, obtidos com experimentos de evaporação juntamente com método de solução inversa. A avaliação funcional das parametrizações hidráulicas do solo foi feita pela análise de a sensibilidade das saídas de um modelo agro-hidrológico a várias maneiras de obter o parâmetro de tortuosidade/conectividade: aplicando um valor fixo comumente utilizado ou determinando seu valor em experimentos de evaporação no laboratório com tensiômetros na faixa úmida, tensiômetros na faixa seca, ou com tensiômetros nas faixas seca e úmida. As simulações com o modelo agro-hidrológico foram realizadas por vários anos com disponibilidade de água distinta. A curva de retenção de solo obtida através de imagens do solo está em concordância com a curva de retenção obtida pelo experimento de evaporação, embora a limitação da resolução espacial da microtomografia, permitiu apenas quantificar macroporos, consequentemente, a determinação das propriedades hidráulicas em uma pequena faixa próxima à saturação. A parametrização hidráulica do solo usando uma faixa mais ampla de tensões é recomendada para melhor representar os processos na zona não-saturada e das relações solo-água-planta
 
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Publishing Date
2018-08-13
 
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