Soil water infiltration models testing, with the use of experimental and computational simulation for surface and groundwater management

Abstract

The present study investigates infiltration models in soil porous media, useful tools for proactive and rehab actions, to safeguard surface and subsurface soft water, which have become even more scarce. Integrated management plans of water basins are of crucial importance since intensively cultivated areas are adding huge quantities of fertilizers to the soil, affecting surface water basins and groundwater. Aquifers are progressively being nitrified on account of the nitrogen-based fertilizer surplus, rendering water for human consumption not potable. Well-tested solute leaching models, standalone or part of a model package, provide rapid site-specific estimates of the leaching potential of chemical agents, mostly nitrates, below the root zone of crops and the impact of leaching toward groundwater. Most of the infiltration models examined, were process-based or conceptual approaches. Nonetheless, empirical prediction models, though rather simplistic and therefore not preferrable, demonstrate certain advantages, such as less demanding extensive calibration database information requirements, which in many cases are unavailable, not to mention a stochastic approach and the involvement of artificial intelligence (AI). Models were categorized according to the porous medium and agents to be monitored. Integrated packages of nutrient models are irreplaceable elements for extensive catchments to monitor the terrestrial nitrogen-balanced cycle and to contribute to policy making as regards soft water management. Infiltration is a complex environmental process by which an aquatic solution i.e. rainwater, irrigation, potentially contaminated with insoluble/dispersed particles, enters the ground under the gravity force or the capillary action in deeper soil layers (percolation). Simple Hortonian compression events (when overflow run exceeds land infiltration capacity and depression storage capacity), silty-dominated topsoil with smooth texture characteristics and coarse-grained soil constituents are simplistically simulated by lab columns, in different settlement modes, e.g. packed/non-packed. In the present essay, suspended material, compression model equations were tested over laboratory setup columns by optimizing model fitting curves via nonlinear regression analysis, one of which received the lowest Standard Error of Estimate value, among eight overall evaluated models, an indication of the best fitting model performance of the ongoing soil-water suspension compression. By using multiple linear regression, modifications were made of all eight tested models which are presented herein. The modified models under examination, were structured upon the linear dependence of their parameters on the selected variables: silt-water concentration, inner cylinder diameter and effective porosity. A modified Kang et al model, proposed to predict soil water compression phenomenon, by setting coefficients of linear dependence on independent variables. A higher applicability is to be achieved, due to the better fitting of the tested field values, after the conclusion of a proper field calibration. Practitioners would be able to implement the findings over certain field engineering applications. The observed settlement response, during soil water compression in packed/non packed column operating modes, is in compliance with the relative bibliography.

Η παρούσα μελέτη διερευνά μοντέλα φίλτρανσης και κατείσδυσης στο πορώδες του εδάφους, χρήσιμα εργαλεία για προληπτικές ενέργειες και ενέργειες αποκατάστασης για την προστασία του μαλακού νερού επιφανείας και υπόγειου, τα οποία έχουν γίνει ακόμη πιο σπάνια. Τα σχέδια ολοκληρωμένης διαχείρισης των υδάτινων λεκανών απορροής είναι ζωτικής σημασίας, καθώς οι εντατικά καλλιεργούμενες εκτάσεις προσθέτουν τεράστιες ποσότητες λιπασμάτων στο έδαφος, επηρεάζοντας τα επιφανειακά νερά των λεκανών απορροής και τα υπόγεια ύδατα. Οι υδροφορείς προοδευτικά «νιτρορρυπαίνονται», λόγω του υπολειμματικών στο έδαφος αζωτούχων λιπασμάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση των υπόγειων υδροφορέων, καθιστώντας το νερό ακατάλληλο για ανθρώπινη κατανάλωση και άλλες χρήσεις. Καλά δοκιμασμένα μοντέλα έκπλυσης διαλυμένων ουσιών, μεμονωμένα ή μέρος ενός πακέτου μοντέλων, παρέχουν γρήγορες εκτιμήσεις για το δυναμικό έκπλυσης των χημικών παραγόντων, κυρίως νιτρικών, κάτω από τη ζώνη ρίζας των καλλιεργειών και τον αντίκτυπο της έκπλυσης προς τα υπόγεια ύδατα. Τα περισσότερα μοντέλα φίλτρανσης στο έδαφος που εξετάστηκαν βασίζονται σε αλληλουχίες επιμέρους διεργασιών ή είναι εννοιολογικά μοντέλα. Παρά ταύτα, εμπειρικά μοντέλα πρόγνωσης της διάδοσης ρευστών στο έδαφος, παρ’ όλο που θεωρούνται απλουστευτικά, και γι’ αυτό όχι προτεινόμενα, κάποιες φορές επιδεικνύουν πλεονεκτήματα, όπως την μη απαίτηση επίπονων βαθμονομήσεων που απαιτείται σε περίπλοκα μοντέλα και την μεγάλη ανάγκη χρήσης χρονοσειρών, μετρήσεων πεδίου, οι οποίες κάποιες φορές είναι αδύνατες, πέραν της περαιτέρω ανάγκης προσέγγισης με στοχαστικό τρόπο και χρήση της τεχνητής νοημοσύνης. Τα μοντέλα κατηγοριοποιήθηκαν αναλόγως το πορώδες μέσο στο οποίο πρέπει να διέλθει ο χημικός παράγοντας που παρακολουθείται. Ολοκληρωμένα πακέτα μοντέλων ανεπτυγμένων για την πρόγνωση της διάδοσης θρεπτικών παραγόντων στο έδαφος, για τον έλεγχο του κύκλου του αζώτου στις υδρολογικές λεκάνες βοηθούν στην θέσπιση πολιτικών για την ορθή διαχείριση των επιφανειακών υδάτων. Η φίλτρανση στο πορώδες του εδάφους είναι μία σύνθετη διεργασία, κατά την οποία ένα υδατικό διάλυμα π.χ. νερό βροχής, νερό άρδευσης, εν δυνάμει ρυπασμένο με αδιάλυτα, διασπαρμένα σωματίδια, εισέρχονται στο έδαφος δια βαρύτητας ή με την επίδραση τριχοειδών δράσεων και προκαλούν σταδιακή διάχυση και σε άλλες διευθύνσεις πέραν της κατακόρυφης κατείσδυσης. Συμβάντα πλημμυρικά (Hortonian) ανόδου από την αυξημένη στάθμη υδάτων και ακολούθως συμπίεσης του επιφανειακού πηλώδους χώματος με ομαλά χαρακτηριστικά στοιχεία αναγλύφου και έντονα επί πλέον στοιχεία χονδρόκοκκου εδάφους, μπορεί να προσομοιάσουν, δεδομένων των απλουστεύσεων, με εργαστηριακά πειράματα. Σε αυτά τα πειράματα, στήλες πληρούμενες με νερό, πηλώδες χώμα και πληρωτικό υλικό/ ή χωρίς πληρωτικό προσεγγίζουν σύνθετες κατάστασεις συμπεριφοράς του εδάφους σε φίλτρανση.Στο παρόν πόνημα, μοντέλα συμπίεσης και καθίζησης αιωρούμενου πηλώδους χώματος δοκιμάστηκαν, σε εργαστηριακές κατάλληλα προπαρασκευασμένες στήλες. Τα μοντέλα αριστοποιήθηκαν κατά την προσαρμογή μη γραμμικής παλινδρόμησής τους επάνω σε εργαστηριακές πειραματικές τιμές συμπεριφορά καθίζησης /φίλτρανσης σε διάφορες καταστάσεις πειραματικού ελέγχου. Εκείνο το μοντέλο που έλαβε τη χαμηλότερη τιμή Standard Error of Estimate (SEE), μεταξύ οκτώ συνολικά μοντέλων αξιολόγησης. Στη συνέχεια, με τη χρήση του μηχανισμού της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης, τροποποιήθηκαν και παρουσιάζονται στο παρόν πόνημα. Τα τροποποιημένα μοντέλα έγιναν στη βάση της γραμμικής εξάρτησης των παραμέτρων των επιλεγμένων ανεξάρτητων μεταβλητών ήτοι: (i) συγκέντρωση πηλώδους υλικό στο υδατικό διάλυμα πειραματισμού, (ii) στην εσωτερική διάμετρο των πειραματικών κυλίνδρων και (iii) στο ενεργό ή αποτελεσματικό πορώδες του πληρωτικού υλικού το οποίο αποτελείτο από γυάλινες σφαίρες γνωστής διαμέτρου.