Vattendynamiken i den omättade markzonen; balansen mellan avdunstningen och den kapillära stigningen har följts i en laboratoriekolonn med sand under tre år.
Av: Jörgen Hanaeus
Den omättade zonens vattendynamik är viktig då näring, men även oönskade ämnen passerar där. Kvantitativa bestämningar av processer i den omättade zonen kräver kunskap om sambandet Pc – S, där Pc står för kapillärtrycket och S för vattenmättnaden.
I denna studie har en sandkolonn fyllts med vatten och vatteninnehållet har mätts med givare längs höjden under 3 år.
Kolonnen torkade ut i toppen, men kapillärt ersatte vatten underifrån till en balans, som visade viss säsongsvariation.
Bakgrund
Både luft och vatten finns tillgängligt i markens omättade zon och proportionerna dem emellan ändras med tiden pga externa tillskott såsom regn, snöfall och avdunstning.
Vid jämvikt beskrivs balansen med relationen Pc-S. Om vertikalflöde inte inträffar är kapillärtrycket Pc i höjdenheter lika med höjden över grundvattenytan. Mättnaden S (Saturation) är förhållandet mellan vatten och luft i porvolymen. S = 1,0 betyder att porerna är helt vattenfyllda och S = 0 säger att porsystemet är fritt från vatten.
Vidare är relationen Pc – S hysteresisbetingad, så att det S som observeras i en given punkt inte bara beror på Pc, utan även på vätning-torkningshistoriken.
Att förstå dynamiken i vatteninnehållet i den omättade zonen är väsentligt för praktiska tillämpningar som jordbruk och växtodling. Metoder för att mäta och bestämma Pc – S-parametrarna finns, men kunskapen om hur miljöeffekter, som avdunstningen, påverkar relationen är mindre.
Studiens syfte var att söka avdunstningens effekter på markens fuktighet i ett längre tidsperspektiv, och den bedrevs under 3,3 år.
Försök
Försöken utfördes med en PVC-kolonn, innerdiameter 2,5 cm, och med en stegvis torrpackad sandhöjd (d50 = 0,6 mm) om 87 cm. 12 kapacitiva givare för vatten (skivformade, 2 cm * 2 cm) placerades 30 cm nerifrån och därefter var 5 cm uppåt. Avlästes var 10 sekund, tim-medelvärden bildades. Fyra små (φ ca 3 mm) ventilationsfönster 2,5 cm under givare 1,4,7 och 10 (numrerade nerifrån). Stålnät i botten och anslutning där till en vattenreservoar om 4 L, φ=15 cm, försedd med skruvlock (med litet luftutjämningshål) för att minimera dess avdunstning.
Utanför kolonnen mättes inomhus- och utomhustemperatur samt luftfuktigheten ute och inne.
Resultat
De första 4 h efter vätning var händelserika, vattennivån steg till drygt 25 cm nerifrån och vattenmättnaden blev ca 0,7. Inget vatten från 40 cm nerifrån och uppåt.
Kolonnen vattenfylldes sedan och tilläts dränera, varvid mättnaden S noterades. Efter 20 h hade S sjunkit från 1,0 till 0,5 vid de översta givarna men var kvar vid nära 1,0 vid de understa. Efter 900 h var den översta givaren torr, S=0, medan den understa höll S=0,96. Förloppen i övrigt kunde följas detaljerat, t ex när avdunstningen nådde de översta givarna; den översta blev torr efter 300 h.
Efter full försöksperiod, 3,3 år, är kolonntoppen (61 cm från botten) torkad och torr (S=0).
Nästa givare upptill (56 cm nerifrån) visade S=0,1, givaren på 51 cm gav S=0,55 medan de fyra lägsta givarna 6-36 cm nerifrån visade S mellan 0,95 och 0,98.
S-värdena som funktion av drifttiden var i huvudsak horisontella linjer för resp. givare efter de första månadernas fall men viss säsongsvariation kunde skönjas.
Slutsatser
Det finns en koppling mellan Pc – S relationen i ett poröst m edium och avdunstningshastigheten. Klara säsongserfarenheter noterades, där vattenmättnaden S ökade i tider när avdunstningens drivkrafter bedömdes låga och omvänt.
Initiell vätning eller dränage var snabba förlopp, storleksordningen timmar, medan avdunstningens effekter var betydligt långsammare, hundratals timmar.
Denna dynamik bör infogas i ett detaljerat modelleringsarbete för markprocesser.
Källa: Adegbule, A.O.1,2) & Kibbey, C.G.2) (2022):The Influence of Evaporation and Seasonal Effects on the Water Content in the unsaturated Zone: A Multi-Year Laboratory Study. Water 14 3294-3304.
School of Civilengineering and Environmental Science, University of Oklahoma, Norman, OK 73019, USA
Office of Chemical Safety and Pollution Prevention, Environmental Protection Agency, Washington, DC 20460, USA.
Kontakt: kibbey [a]ou.edu
