Folyadék-visszatartás, folyadékvezetés és porozitás összefüggései vízzel és/vagy szerves folyadékkal telített talajokban I. Folyadék-visszatartó képesség — Szemle

Hernádi, Hilda and Barna, Gyöngyi and Makó, András (2017) Folyadék-visszatartás, folyadékvezetés és porozitás összefüggései vízzel és/vagy szerves folyadékkal telített talajokban I. Folyadék-visszatartó képesség — Szemle. Agrokémia és Talajtan, 66 (1). pp. 251-282. ISSN 0002-1873

Preview

Text 0088.2017.66.1.14.pdf Download (306kB) | Preview

Abstract

A víztartó-képesség meghatározása, eszközeit és módszertanát tekintve, jelentős előrelépéseken ment keresztül az elmúlt megközelítőleg 60 évben, mind a közvetlen mérések, mind a modellek területén, például a dinamikus, spektroszkópiai és digitális képazonosítási eljárások kidolgozása, fejlesztése, illetve a mintázatfelismerésen alapuló pedotranszfer típusú becslő eljárások fejlesztése, validálása, beépítése szoftverekbe, almodellekbe. A pórustér hierarchikus hálózati rendszerként való új értelmezésével, illetve a geometriai alapú, a szemifizikus, majd a statisztikus közelítő eljárásokkal lehetővé vált a pórustér és az abban lejátszódó folyamatok mind pontosabb jellemzése. A talaj víztartó-képességét — és ezáltal a pórusméret-eloszlását is — többmódusú függvénnyel jellemző egyszerű, vagy összetett összefüggések lehetőséget nyújtanak a porozitás, illetve a porozitás-változási jelenségek, folyamatok (aggregátumstabilitás, tömődöttség változása, pórusdeformációs jelenségek stb.) tanulmányozására, valamint a hiszterézis számszerűsítésére és mind pontosabb meghatározására, akár az SWRC teljes nyomástartományában. A modellezés különböző léptékeiben értelmezett talajjellemzők közötti összefüggések vizsgálatához a hidrológiai talajtulajdonságokat és az áramlási folyamatokat egyaránt meghatározó talajszerkezet szerepének számszerűsítése mind a mai napig kihívást jelent a talajtani, hidrológiai, környezetvédelmi szakterületen dolgozó kutatók számára. Az NAPL típusú szennyezőanyagok felszín alatti terjedését szimuláló modellek jellemzően a víztartó-képesség használatával állítják fel az NAPL-visszatartó képességre (elsődleges bemeneti paraméter) alkalmazott összefüggéseket. Ezen összefüggések nem veszik figyelembe a különböző fizikai-, kémiai és fizikokémiai tulajdonságokkal jellemezhető folyadékok, illetve a folyadékok és a szilárd fázis között lezajló különböző mértékű kölcsönhatások jelentőségét (duzzadás, dezaggregáció stb). Több különböző környezetvédelmi célú kutatás (hulladéklerakók agyagszigetelésének kompatibilitási tesztjei, mikromorfológiai vizsgálatok, illetve dinamikus NAPL visszatartó- és vezetőképesség mérési módszertan fejlesztésére vonatkozó vizsgálatok stb.) eredményei alapján a víztartó-képességből kiinduló számítási eljárások alkalmazhatósága a talajok NAPL-visszatartó képességének meghatározására megkérdőjelezhető. Megoldást jelenthet, hogy a víztartó-képesség görbék illesztésére alkalmazott parametrikus eljárásokkal az NAPL-visszatartó képesség görbék is meghatározhatóak. A különböző polaritású folyadékokkal felvett folyadékvisszatartó-képesség görbék alaki jellemzői alapján igazolt a differenciált porozitás különböző mértékű megváltozása a talaj vízzel és nem vizes fázisú szerves folyadékokkal való telítése során. A víztartó-képesség becslésére képzett szemifizikus és empirikus eljárások kidolgozásának és fejlesztésének módszertana szerint az NAPL-visszatartó képesség meghatározására alkalmas PTF típusú becslő összefüggések is képezhetőek, melyek pontossága elsősorban 0–1500 kPa nyomástartományban megfelelő. A porozitásváltozás mértékére vonatkozóan a víz- és NAPL-visszatartó képesség görbék alapján meghatározott pórusméret-eloszlási görbék statisztikai jellemzői nyújthatnak információt. A multimodális függvények alkalmazásával lehetővé válhat az NAPL-visszatartó képesség görbék végponti értékei és a becslésbe vont talajtulajdonságok közötti öszefüggések pontosabb feltérképezése. Szükséges a PTF típusú NAPL-visszatartó képesség becslő eljárások fejlesztése; pl. az NAPL-visszatartó képesség görbék meghatározására alkalmas parametrikus eljárás megválasztása; a többfázisú folyadéktranszport modellezésben kulcsfontosságú telítettségi értékek (pl. maradvány telítettség), illetve az azokhoz rendelhető kapilláris nyomás (pl. belépési küszöbnyomás) meghatározása és a folyadékvisszatartó-képesség görbék függvény paraméterei közötti konverziós lehetőségek kidolgozása. | Methods for measuring and predicting water retention and conductivity have improved enormously over the last 60 years (e.g. elaboration and application of dynamic and spectroscopic measurement techniques, digital image analysis methods, the development of pedotransfer functions (PTF) based on equations and pattern recognition and their incorporation into software and submodels). Using the new theoretical approach for the representation of pore space as a hierarchical network, the estimation of these hydrological properties based on geometry, semiphysics and statistics offers the increasingly correct characterisation of pore space, fluid transport and migration processes. The multimodal representation of soil water retention (SWR), together with multimodal pore size distribution (PoSD), makes it possible to quantify dynamic changes in and deformation of the pore system (through swelling/shrinking, compaction, disaggregation, etc.) or the phenomenon of hysteresis more accurately, even over the entire pressure range. Finding correlations between porosity and structural and hydrological properties on different scales and quantifying their relationships continue to be challenging topics in the fields of soil physics, hydrology and environmental sciences. Improvements in models for the simulation of non-aqueous phase organic liquid transport (NAPL) in porous media have not touched on the determination of the primary input parameter in these models, i.e. the NAPL retention of soils, which can still only be determined indirectly from water retention. These calculations neglect the magnitude of the various extents of interaction between the solid phase and fluids with different physical, chemical and physicochemical properties. The results of environmental research (compatibility tests on the clay liners of waste disposal, micromorphological analysis, applicability tests on dynamic methods for measuring NAPL retention and conductivity, etc.) question the accuracy and reliability of scaling methods based on water retention. Nevertheless, the parametric techniques used for fitting water retention curves could well be suitable for fitting NAPL retention curves as well. Similar to the use of PTFs for predicting SWRC, NAPL retention could also be approximated sufficiently well with PTFs in the pressure range of 0–1500 kPa. The statistical parameters of PoSD curves determined from normalized derived fluid retention functions for NAPL and water could provide information on dynamic changes in porosity. The application of multimodal functions could help us to obtain more accurate knowledge on correlations between the endpoint saturation values of NAPL retention curves and the soil properties used for estimation, thus leading to improvements in PTF-type methods for estimating NAPL retention ability. Further investigations are needed, e.g. for the selection of the appropriate parametric functions and for the determination of key saturation points in multiphase transport modelling (e.g. immobile and residual saturation) and the corresponding pressure values. Additional research will be required on the possibility of conversion between the parameters of the fitted characteristic functions.

Actions (login required)

Edit Item