Vodohosp. Čas., 53, 2005, 1, 54–62
LABORATORNÍ INFILTRAČNĚ VÝTOKOVÝ EXPERIMENT MONITOROVANÝ METODOU MAGNETICKÉ REZONANCE MICHAL SNĚHOTA, MILENA CÍSLEROVÁ ČVUT v Praze, Fakulta stavebního inženýrství, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Česká Republika; mailto:
[email protected], fax: +420 233337005.
Uskutečnili jsme infiltračně výtokový experiment na neporušených vzorcích hlinitopísčité půdy za souběžného snímkování metodou magnetické rezonance (MR). Zkoumaná půda vykazuje výrazné preferenční proudění a časovou závislost hydraulických charakteristik. Pro transientní fáze experimentů jsme použili rychlého vertikálního 2D snímkování. Při ustáleném proudění a při rovnovážném stavu byly pořízeny horizontální 2D snímky a bylo provedeno mapování podélné relaxivity (T1). Pro zjištění vnitřní struktury pevné fáze byly všechny vzorky v suchém stavu snímkovány počítačovou tomografií (CT). Výsledkem experimentu je komplexní soubor dat, který kromě snímků MR obsahuje záznam kumulativní infiltrace výtoku a tlakových výšek. Možnosti metody MR jsou demonstrovány na příkladu porovnání sledu 2D snímků MR s měřenými sacími tlakovými výškami během transientní části infiltrace, kde obě měření shodně zaznamenaly postup čela zvlhčení. Prezentovaná data jsou výsledkem prvního snímkování infiltrace do neporušených vzorků půdy pomocí MR v kombinaci se souběžným měřením sacích tlaků. Dalším krokem bude použití takového souboru dat jako podkladu pro modelování procesu infiltrace do půdy. KLÍČOVÁ SLOVA: preferenční proudění, heterogenní půda, infiltrace, magnetická rezonance, snímkování, počítačová tomografie. Michal Sněhota, Milena Císlerová: INFILTRATION OUTFLOW EXPERIMENT MONITORED BY MEANS OF MAGNETIC RESONANCE. J. Hydrol. Hydromech., 53, 2005, 1; 12 Refs, 6 Figs, 1 Tab. Infiltration-outflow experiments were performed on undisturbed soil samples of coarse sandy loam simultaneously with the imaging of flow process by means of magnetic resonance (MR) imaging. The flow in soil under study is highly preferential and exhibits time instability of soil hydraulic properties. For the transient part of infiltration runs, fast 2D imaging was used. For the steady state flow and for the equilibrium state after drainage, horizontal 2D imaging and mapping of longitudinal relaxation (T1) was performed. To obtain the information about internal soil structure all samples were imaged by the computer tomography (CT). The results of all the measurements represent a unique data set. For each sample it contains a record of cumulative infiltration and outflow, hydraulic pressure heads and the simultaneous MR visualization of each particular experiment. Suction pressure heads show a good agreement with the propagation of the wetting front in the sample as displayed by the MR at the very beginning of the each infiltration run. Presented data are the result of first experiment, where MR imaging of infiltration into undisturbed soil samples was combined with concurrent monitoring of suction pressure heads. The next step is to use the gained data for modeling of the infiltration in heterogeneous soil. KEY WORDS: Preferential Flow, Heterogeneous Soil, Infiltration, Magnetic Resonance, Magnetic Resonance Imaging, Computer Tomography.
Úvod Aby bylo možné předpovědět pohyb vody v proměnlivě nasyceném pórovém prostředí, musí být známy především jeho hydraulické charakteris54
tiky. Odhad funkce nenasycené hydraulické vodivosti předpovědí z retenční čáry je s použitím stávajících postupů (Mualem, 1976) ve vysoce heterogenním půdním prostředím nespolehlivý. Modely předpovědi založené na aproximaci půdního pro-
Laboratorní infiltračně výtokový experiment monitorovaný metodou magnetické rezonance
středí proudění svazkem kapilár v takovýchto půdách v oblasti blízké nasycení selhávají. Se zvyšující se vlhkostí dochází k zaplňování velkých pórů, které se mohou významně podílet na proudění. Vlivem vysokých rychlostí proudění může docházet k místní nerovnováze tlaků a tak k nesplnění předpokladů Richardsovy rovnice. Modelování těchto procesů na úrovni pórů v současnosti dosud není proveditelné. Nadějnou koncepcí pro modelování proudění vody za takovýchto podmínek je princip duální propustnosti (Gerke, van Genuchten, 1993), ve kterém je heterogenní prostředí aproximováno dvěma doménami, z nichž každá je representovaná vlastním souborem makroskopických hydraulických charakteristik. V rámci prezentovaného projektu byl pro určení hydraulických charakteristik metodou inverzního modelování navrhnut infiltračně výtokový experiment na velkých, vodou nenasycených půdních vzorcích. Princip měření vychází z experimentů představených Robovskou (2001) a spočívá v opakované infiltraci vody pomocí podtlakového diskového infiltrometru. Data prezentovaná v tomto příspěvku byla získána měřením na velkých vzorcích půdy za použití automatizované experimentální sestavy (Sněhota a kol., 2002a), a měřením za současného MR-snímkování (Sněhota a kol., 2002b). Pro vizualizaci vnitřní struktury byly všechny půdní vzorky snímkovány pomocí počítačové tomografie (CT). Analýzou snímků byly získány doplňující informace o prostorovém rozložení pórovitosti. Informace o vnitřní heterogenitě vzorku je přímo využitelná pro stanovení distribuce hydraulických charakteristik při modelování proudění vody ve studovaném vzorku půdy. Pro hlubší porozumění procesu infiltrace za podmínek preferenčního proudění byl experiment snímkován metodou magnetické rezonance (MR). Předmětem tohoto příspěvku je seznámení s postupy a výsledky experimentů. Metody a materiál Neporušené půdní vzorky Zkoumaným materiálem je hlinitopísčitá půda (Korkusova Huť, Česká Republika) s širokým zrnitostním spektrem. Pro laboratorní experiment bez snímkování pomocí MR byly rozměry vzorku zvoleny tak, aby se co nejlépe přiblížily velikosti representativního elementárního objemu zkoumané půdy. Neporuše-
ný vzorek KHXL3 byl válec o průměru 189 mm a výšce 250 mm. Vzorek byl odebrán z druhého půdního horizontu. Horní okraj vzorku odpovídá hloubce 40 cm. Vzorek byl odebrán postupným zapouštěním plastové trubky opatřené ocelovým ostřím. Pro snímkování metodou MR byly odebrány tři menší půdní vzorky. Průměr těchto vzorků byl 90 mm a výška 85 mm. Rozměr těchto vzorků byl zvolen s ohledem na velikost vnitřního průměru cívky gradientů a radiofrekvenční cívky MR skeneru. Malé neporušené vzorky byly pojmenovány KHS4, KHS5 a KHS7. Postup přípravy vzorků pro experimenty byl shodný pro všechny vzorky. V laboratoři byl urovnán povrch horního a dolního okraje. Plocha horního okraje vzorků KHXL3, KHS4 a KHS5, na kterých byla prováděna podtlaková infiltrace, byla pokryta jemným pískem pro zabezpečení kontaktu povrchu vzorku a diskového infiltrometru. Vzorky byly usazeny na perforované destičky. Uspořádání experimentu Postup experimentu na velkém neporušeném půdním vzorku KHXL3 byl podrobně popsán již v minulosti (Sněhota, 2002a). Experiment tvořila série infiltrací, po kterých vždy následovala volná drenáž a přirozené vysoušení vzorku. Při každé infiltraci byla na horním okraji půdního vzorku nastavena sací tlaková výška. Na vzorcích KHS4 a KHS5 byla provedena zkrácená verze téhož experimentu. Počáteční podmínkou byla u obou vzorků vlhkost odpovídající přirozenému vysušení. Na každém vzorku byly provedeny podtlakové infiltrace s konstantní tlakovou výškou vody htop = –3 cm nastavenou diskovým infiltrometrem na horním okraji. Po opětovném vysušení vzorku byla provedena výtopová infiltrace s htop = + 2 cm. Pro oba běhy experimentu bylo dolní okrajovou podmínkou volné gravitační drénování vody. Na vzorku KHS7 byla provedena opakovaná výtopová infiltrace (Císlerová a kol., 1988). K udržování konstantní kladné tlakové výšky byl rovněž použit infiltrační disk modifikovaný pro použití v podmínkách malého přetlaku v kombinaci s mariottovou lahví. Druhá infiltrace byla zahájena bezprostředně po gravitačním oddrénování vzorku. Experimentální sestava byla upravena tak, aby bylo možno i uvnitř MR skeneru zaznamenávat hydraulické veličiny. Pomocí systému automatického sběru dat byla měřena kumulativní infiltrace, tlaková výška v jednom tenzometru, dále byl pro kontrolu 55
M. Sněhota, M. Císlerová
stability horní okrajové podmínky měřen také tlak v infiltračním disku. Snímkování pomocí MR bylo prováděno na suchém vzorku, v průběhu infiltrace, během drénování a po ukončení drenáže. Snímkování metodou MR Nukleární magnetická rezonance, neinvazivní lékařská diagnostická metoda, našla v nedávné době uplatnění v řadě dalších odvětví. Princip magnetické rezonance je založen na detekci vodíkových spinů v silném magnetickém poli pomocí měření odezvy radiofrekvenčního signálu. Kódováním radiofrekvenčních pulsů použitím gradientů magnetického pole a následným dekódováním signálu je získáván jednorozměrný, dvourozměrný, nebo trojrozměrný obraz. Přestože vlastnosti většiny půd neumožňují pomocí snímkování MR kvantifikovat obsah vody v půdní matrici, detekce vody ve velkých pórech je možná. Snímkování pomocí MR se tak stává vhodným prostředkem ke sledování preferenčního proudění (Císlerová a kol., 1999). Cílem prezentovaného experimentu bylo aplikovat metody snímkování vyvinuté na malých vzorcích půd (Votrubová, 2002) na vzorky větších rozměrů a uskutečnit snímkování klasického infiltračně výtokového experimentu za současného automatického měření tlaků a průtoků. Pro všechny snímky byl použit protokol „spinecho“. V různých fázích experimentů byly použity celkem čtyři různé techniky MR. Ve fázi transientního proudění po zahájení infiltrace a během volného gravitačního drénování byl vzorek snímkován v jednom vertikálním 2D řezu o tloušťce 100 mm. V tomto řezu byl zahrnut celý objem vzorku, výsledné snímky jsou tedy projekcí veškerého signálu
do roviny vodorovné s osou vzorku. Velikost matrice snímků byla 256 x 16, zobrazená plocha (FOV) 188.3 x 188.3 mm. Nízké rozlišení matrice umožňuje vysokou rychlost snímkování s opakováním t = 24 s. Ve stejném rozlišení a orientaci řezu bylo provedeno T1 mapování vzorku ve fázích ustáleného proudění a po ukončení drenáže. Ve fázi ustáleného proudění a v rovnovážném stavu po ukončení drenáže bylo uskutečněno snímkování v šestnácti 2D řezech o tloušťce 5 mm, se vzdáleností těžišť řezů 5 mm. Z těchto snímků je tedy možné sestavit 3D obraz intenzity signálu, o velikosti matrice 256 x 256 x 16 pro vzorky KHS5 a KHS7 a 128 x 128 x 16 pro vzorek KHS4. Oblast horních a dolních okrajů vzorku nebyly snímkovány z důvodu ovlivnění signálem vody v infiltračním disku a perforované destičce. Pro vzorky KHS4 a KHS5 bylo T1 mapování provedeno z časových důvodů pouze v 8 řezech. Vzorek KHS7 byl T1 mapován ve stejné orientaci, velikosti a počtu řezů jako při snímkování. MR snímkování bylo uskutečněno ve velkém (whole body) supravodivém magnetu o průměru 100 cm a s hustotou magnetického toku 2 Tesla. Elektronickou část zařízení představuje modernizovaná konzole Bruker MSL. Konfiguraci doplňovala soustava cívek gradientů (G240) a radiofrekvenční cívka (SINE SPACE). Vzorek byl uvnitř radiofrekvenční cívky upevněn pomocí speciálního držáku tak, aby se nedotýkal stěn. Cílem tohoto opatření bylo omezit přenášení vibrací, vznikajících v cívce gradientů, do vzorků půdy. Uspořádání experimentu je patrné z obr. 1.
Obr. 1. Schéma infiltračního experimentu v MR. Půdní vzorek byl umístěn uvnitř MR skeneru. Přívod a odvod vody je zajištěn nestlačitelnou hadicí. Tensometr, zajištující měření sacích tlakových výšek je propojen tenkou teflonovou hadicí s tlakovým čidlem umístěným mimo MR skener, tak aby nedocházelo k interferencím. Fig. 1. Scheme of infiltration experiment in MR. Soil core was placed inside MR scanner during the experiment. Water in inlet and outlet is secured using rigid tubing. Suction pressure head was monitored using tensiometer and pressure transducer located outside the MRI scanner in order to prevent interferences. Both parts were connected by teflon tubing.
56
Laboratorní infiltračně výtokový experiment monitorovaný metodou magnetické rezonance
CT snímky Počítačová tomografie je založena na měření útlumu rentgenového záření při průchodu materiálem. Fyzikální podstata metody a princip rekonstrukce obrazu při snímkování pomocí CT byly v literatuře mnohokrát popsány, například Duliuem (1999), proto zde budou uvedeny jen velmi stručně. Relativní útlum rentgenového paprsku je exponenciálně závislý na součinu lineárního koeficientu útlumu a vzdálenosti. Lineární koeficient útlumu kompozitního materiálu odpovídá průměru koeficientů útlumu jednotlivých složek, váženému jejich podílem na celkovém objemu. Konvenčně se ve výstupech z CT snímkování používají Hounsfieldovy jednotky (HU), které jsou takovou lineární transformací koeficientu útlumu, aby hodnoty absorpce vzduchu a vody byly HUa = 0, respektive HUw = = 1000. Dvourozměrný obraz je snímán tak, že zkoumaným objektem prostupuje vějířovitý svazek paprsků rentgenového nebo gama záření a detektory umístěnými za objektem je měřen jejich útlum. Zdroj záření i detektory jsou umístěny na společném rotoru a pohybují se okolo zkoumaného objektu. Z hodnot útlumu získaných z různých směrů je rekonstruován 2D obraz. Možnosti snímkování vzorků půdy počítačovou tomografií byly představeny v práci Hopmanse et al. (1994), kde byla demonstrována schopnost zjišťování prostorové a časové variability vlhkosti a prostorové variability pórovitosti. CT snímkování bylo také využito pro 3D rekonstrukci tvaru a velikosti makropóru v půdním vzorku (Pierret a kol., 2002). Císlerová a Votrubová (2002) zkoumaly vztah mezi CT snímky a hydraulickým chováním dvou odlišných půdních typů. Snímky prezentované v tomto příspěvku byly pořízeny lékařským skenerem Siemens SOMATON PLUS IV. Přímým výstupem byly soubory standardního formátu International Multimedia Association (IMA), přičemž každý soubor představoval jeden snímek řezu (kolmého k podélné ose vzorku) o tloušťce 1 mm. Krok snímkování byl 1mm. Rastr matrice 512 x 512 byl stejný pro všechny snímky. Rozměry snímků (FOV) byly voleny s ohledem na velikost vzorku. V případě vzorků KHS4, KHS5 a KHS7 byla zvolena stejná velikost FOV, s jakou bylo provedeno snímkování metodou MR. Při dalším zpracování snímků byly speciálním programem z originálních souborů odfiltrovány voxely, které skutečně představují půdní prostředí od těch, které náleží do oblasti vně vzorku, nebo představují ten-
zometry, které byly uvažovány jako doména neúčastnící se proudění. Velikost a celkový počet voxelů podílejících se na proudění a objem jednotlivých vzorků je uveden v tab. 1 společně s porovnáním základních statistických údajů. T a b u l k a 1. Podíl preferenční domény Wf a průměrné pórovitosti nf a nm, pro domény PFD a MFD půdního vzorku KHXL3, stanovené na základě CT snímků pro různé prahové hodnoty HUtresh. T a b l e 1. Fraction of preferential flow domain Wf and mean porosities nf and nm for domains PFD resp. MFD calculated from CT images for different threshold values of HUtresh. HUtresh Wf
HU
300
500
800
1000
1200
1400
1600
-1
[V V ] 0,020 0,028 0,048 0,072 0,118 0,197 0,319
nf
[–]
0,976 0,953 0,906 0,862 0,811 0,758
0,71
nm
[–]
0,545 0,542 0,536
0,48
0,53
0,519 0,503
Frekvenční funkce (obr. 2) HU všech čtyř vzorků jsou podobné, což je v souladu s dřívějšími výzkumy. Dvojice inflexních bodů v oblasti hodnot 2500 a 2900 HU u vzorků KHS4 a KHS5 pravděpodobně ukazuje přítomnost větších kamenů nebo agregátů. Dalším krokem zpracování dat bylo vyšetření doplňujících informací o pórovitosti a vnitřní heterogenitě pro inverzní řešení modelu duální propustnosti. Vlastní řešení inverzní úlohy na základě dat naměřených na vzorku KHXL3 bylo podrobně popsáno Dohnalem, (2003). CT snímky obsahují velké množství informací o vnitřním uspořádání půdního vzorku, které je možné do řešení zahrnout. Základní operací je určení poměru mezi PFD a MFD doménami. Řešení spočívá v rozdělení histogramu výskytu HU na dvě části. Předpokladem je, že všechny voxely s hodnotou HU nižší než je stanovená mez (jejich makroskopická hustota je nízká) tvoří doménu PFD, zatímco ostatní voxely jsou zahrnuty do domény MFD. Objemový podíl Wf(HUtresh) domény PFD pro daný práh HU pak je: Wf (HUtresh) =nvoxf/nvoxtot [V V-1], kde nvoxf – počet voxelů, pro které platí HU < HUtresh, nvoxtot – počet voxelů, pro které platí HU ≥ HUtresh, HUtresh – prahová hodnota HU. Takto provedené rozdělení však může být bez doplňujících informací zavádějící. Samotný předpoklad toho, že oblastmi vzorku s malou hustotou (tj. vyšší pórovitostí) proudí voda preferenčně, ne57
M. Sněhota, M. Císlerová
KHS5 0.06
0.05
0.05
Relativní četnost výskytu
0.04 0.03 0.02
h
0.01
h
0.03 0.02 0.01
35 00
40 00 40 00
30 00
25 00
KHXL3 0.06
0.05
0.05
Relativní četnost výskytu
0.06
0.04 0.03 0.02 0.01 0.00
0.04 0.03 0.02 0.01
Kategorie hodnot HU
30 00
25 00
20 00
15 00
10 00
50 0
0
00 40
00 35
00 30
00 25
00 20
00 15
10
00
0.00
50 0
0
20 00
Kategorie hodnot HU
KHS7 Relativní četnost výskytu
35 00
Kategorie hodnot HU
15 00
0
00 40
35
00
00 30
00
00 25
20
00 15
0
00 10
50
10 00
0.00
0.00
0
0.04
50 0
Relativní četnost výskytu
KHS4 0.06
Kategorie hodnot HU
Obr. 2. Histogramy distribuce CT hodnot 3D snímků. Lokální maxima histogramů KHS4 a KHS5 jsou způsobeny přítomností štěrkových zrn v těchto vzorcích. Fig. 2. 3D image histograms resulting from the distribution of CT numbers. Local maximums observed for soil samples KHS4 and KHS5 indicate presence of gravel.
PFD
MFD
Hranice mezi PFD a MFD [HU]
Obr. 3. Distribuce pórovitostí nf a nm domén preferenčního proudění (PFD) resp. proudění půdní matricí (MFD) ve směru vertikální osy velkého neporušeného půdního vzorku KHXL3. Uvedené pórovitosti byly získány analýzou CT snímků a představují průměrné hodnoty 2D horizontálních CT snímků pro různé meze HUthresh. Fig. 3. Spatial distribution of porosity nf and nm for domains PFD resp. MFD in vertical direction of the soil core KHXL3. Porosity was calculated from the CT images. Each value represents the average value of the 2D horizontal CT image for thresholds HUthresh.
58
Laboratorní infiltračně výtokový experiment monitorovaný metodou magnetické rezonance
Obr. 4. 3D zobrazení CT snímku vzorku KHXL3 po morfologické operaci otevření pórů. Viditelné jsou pouze objekty s CT číslem < 1000 HU a o průměru > 1mm. Tímto způsobem jsou zobrazeny pouze oblasti vzorku s vysokou pórovitostí. Ze snímku je zřejmé, že tyto oblasti, které jsou potenciálními cestami preferenčního proudění, jsou vertikálně orientované a do značné míry propojené. Fig. 4. CT image 3D visualization of the soil core KHXL3 after morphological operation pore opening was performed. Only objects of CT number < 1000 HU and with the diameter > 1mm are visible on the image. Therefore only regions of high porosity are displayed. It is clearly visible that these potential preferential pathways are vertically oriented and highly interconnected.
musí být obecně platný Císlerová, 2002). V případě zkoumaného půdního vzorku byl proto proveden také experiment s infiltrací barviva Briliant Blue (Sněhota a kol., 2002c). Porovnáním fotografií následně provedených řezů bylo zjištěno, že se zbarvené plochy dobře shodují s oblastmi nízkých hodnot HU na odpovídajících CT snímcích. Hlavním úskalím nadále zůstává správné zvolení hodnoty HUtresh. Z plynulého průběhu histogramu není možné určit žádný konkrétní bod, který by obě domény PFD a MFD odlišoval. Protože v použitém modelu je pro řešení proudění v každé z domén použito Richardsovy rovnice, je vhodné, aby obě domény představovaly skutečné pórovité prostředí, tj. voxely s HU > 0. V tab. 1 jsou pro vzorek KHXL3 uvedeny koeficienty Wf pro různé prahové hodnoty HU. Cílem je zahrnout hledání optimální prahové hodnoty do řešení inverzní úlohy na základě takovéto, předem generované tabulky. Pro jednotlivé voxely byla z hodnot HU také odvozena lokální makroskopická pórovitost. Nejjednodušším způsobem určení pórovitosti z CT snímků je použití lineární závislosti mezi HU a pórovitosti za předpokladu, že HU = 4095 odpovídá pórovitosti n = 0 a HU = 0 představuje pórovitost n = 1. Hodnoty pórovitosti získané tímto způsobem jsou rovněž
uvedeny v tab. 1. Pro parametry nf, nm a Wf byla zavedena prostorová heterogenita v závislosti na hloubce pod povrchem vzorku tak, že byly spočítány průměrné hodnoty v dvourozměrných horizontálních řezech (CT snímcích) a ty byly přisouzeny odpovídajícím elementům na ose z (obr. 3). Do inverzního modelu pak heterogenita může být zavedena pomocí „scaling“ faktorů. O charakteru oblasti PFD ve zkoumané půdě vypovídá obr. 4, na kterém je CT snímek vzorku KHXL3 zobrazen po morfologické operaci otevření pórů (erozi a následné dilataci) strukturním elementem o poloměru r = 1 mm. Použitá morfologická metoda je podrobně popsána Vogelem (1997). Pro otevření pórů byla použita prahová hodnota HU 1000. Výsledky a závěry Výsledkem měření je komplexní soubor dat. Kromě měřených toků a tlakových výšek jsou pro všechny vzorky k dispozici CT snímky a snímky MR. Z CT snímků vzorku KHXL3 bylo zjištěno, že obsahoval značné množství pórů o průměru blízkém 2 mm. Původ části z nich lze pravděpodobně přisoudit působení v půdě žijící fauně. Protože 59
M. Sněhota, M. Císlerová
vzorku, po výtopové infiltraci během drenáže se signál změnil pouze v horní třetině vzorku. Navíc z porovnání vyplývá, že intenzita signálu je na konci infiltrace v dolních dvou třetinách vzorku téměř totožná pro podtlakovou i výtopovou infiltraci. Tento jev by mohl mít souvislost s nízkým signálem v okolí pixelu 110, který je známkou malého množství vody ve velkých pórech v tomto místě. Lze tedy předpokládat, že toto místo omezuje proudění vody do spodní části vzorku. Na tomto příkladu se potvrzuje nutnost zkoumání vnitřní struktury vzorku. V případě odhadu hydraulických parametrů pouze na základě naměřených hydraulických dat by u tohoto vzorku došlo k výraznému zkreslení. Prezentovaný experiment je unikátní v tom, že umožňuje zobrazení preferenčních cest během klasického infiltračně výtokového experimentu. Předložená data jsou výsledkem testovacího experimentu. Jejich cílem bylo ověřit funkčnost systému. Data jsou v současnosti dále zpracovávána. Poděkování. Tento projekt byl podpořen výzkumným projektem AV ČR S206 0104. Projekt snímkování půd nukleární magnetickou rezonancí je podporován laboratoří Herchel Smith Laboratory for Medicinal Chemistry (HSLMC), University of Cambridge, UK.
Tlaková výška [ cm H2 O ]
mnohé z těchto pórů jsou dlouhé a vertikálně orientované, mohou se potenciálně významně podílet na proudění. Zda se takové póry a oblasti vysoké pórovitosti skutečně zaplní, je možné sledovat na kompozitních 3D snímcích MR. Data MR snímkování jsou v současné době zpracovávána. Jako příklad výsledků rychlé 2D projekce v transientních fázích experimentu jsou na obr. 5 uvedeny první minuty infiltrace na vzorku KHS5. Z obrázku je patrná dobrá shoda mezi snížením sacích tlaků v tensometru vlivem postupu čela zvlhčení a vizualizací čela zvlhčení, reprezentovaného MR signálem v 2D projekci vzorku pořizované v tomtéž čase. Při volné drenáži se po ukončení infiltrace uvolňuje voda z velkých pórů. Objem vytečeného množství vody je úměrný objemu preferenční domény. Měření pouze výtokového množství však může být značně zkreslené. K tomuto zkreslení dojde, pokud voda z horní části vzorku pouze nahradí vzduch, který byl za určitých podmínek během infiltrace uzavřen ve velkých pórech. Takový přesun lze zjistit na jednorozměrné interpretaci rychlé 2D projekce vzorku během drenáže. Obr. 6 je porovnáním intenzit signálu v průběhu drenáže ve vzorku KHS5 po podtlakové a výtopové infiltraci. Z obrázku vyplývá, že zatímco po podtlakové infiltraci byl úbytek signálu patrný po celé výšce
Čas [ s ]
Obr. 5. 2D MR projekce vzorku KHS5 v čase a graf záznamu hydraulických tlakových výšek v infiltrační hlavě (znázorněno body) a v tensometru (znázorněno trojúhelníčky). Šedé silné čáry vyznačují dobu pořizování jednotlivých snímků. Fig. 5. 2D MR projection of soil core KHS5 (images) and hydraulic pressure heads measured in infitlration disc (circles) and in the soil core (triangles). Grey solid lines mark the duration of aquisition time for each image.
60
Laboratorní infiltračně výtokový experiment monitorovaný metodou magnetické rezonance
76
229.00
126 136 146
5525.0
126 136 146 156
166
166
176
176
1.0E+06
2.0E+06
3.0E+06
4.0E+06
5.0E+06
6.0E+06
7.0E+06
intenzita signálu
277.0
116
156
0.0E+00
83.0
106
hloubka [pixely]
5693.00
116
-14.0
96
85.00
106
doba od zahájení infiltrace [s]
86
-11.00
96
hloubka [pixely]
76
doba od zahájení infiltrace [s]
86
0.0E+00
1.0E+06
2.0E+06
3.0E+06
4.0E+06
5.0E+06
6.0E+06
7.0E+06
intenzita signálu
Obr. 6. Porovnání změn rozložení intenzity signálu na snímcích MR při gravitační drenáži vzorku KHS5 a) po podtlakové infiltraci, b) po výtopové infiltraci ve srovnatelných časech. Výrazně odlišná je distribuce signálu pouze v horní části vzorku. Fig. 6. MR signal distribution and in time during free gravitational drainage of soil core KHS5 after a) tension infiltration and b) ponded infiltration. Signal distribution differ only in upper part of the soil core. Seznam symbolů 2D 3D CT FOV HU HUtresh
– dvourozměrný, – trojrozměrný, – počítačová tomografie, – plocha zobrazená na snímku (field of view), – Hounsfieldovy jednotky, – prahová hodnota pro odhad podílu preferenční domény proudění, – hydraulická tlaková výška nastavená na horním htop okraji vzorku [L], KHS4(5,7) – malé neporušené vzorky půdy z lokality Korkusova Huť, KHXL3 – velký neporušený vzorek půdy z lokality Korkusova Huť, MFD – zóna proudění půdní matricí, MR – magnetická rezonance, PFD – zóna preferenčního proudění, T1 – podélná relaxivita [T], – objemový podíl domény preferenčního proudění Wf [–]. LITERATURA CÍSLEROVÁ M., ŠIMŮNEK J., VOGEL T., 1988: Changes of steady state infiltration rates in reccurent ponding infiltration experiments. J. Hydrol., 104, 1–16. CÍSLEROVÁ M.,VOTRUBOVÁ J., VOGEL T., AMIN M.H.G., HALL L.D., 1999: Magnetic resonance imaging and preferential flow in soil. In: van Genuchten, M.Th., Leij,F.J. (Eds.) Proc. Int. Workshop on Characterization and Measurement of the Hydraulic Properties of Unsaturated Porous Media. Riverside, CA, 397–412. CÍSLEROVÁ M., VOTRUBOVÁ J., 2002: CT derived porosity and flow domains. J. Hydrol., 267, 186–200. CÍSLEROVÁ M., VOGEL T., VOTRUBOVÁ J., ROBOVSKÁ A., 2002: Searching below thresholds: Tracing the origins of preferential flow within undisturbed soil samples. In: Raats P.A.C, Smiles D.E. and Warrick, A. (Eds.), Environmental mechanics: Water, Mass and Energy Transfer in the Biosphere.
DOHNAL M., 2003: Určování půdních hydraulických charakteristik inverzním modelováním. [Diplomová práce.] KH ČVUT v Praze, Fakulta stavební. DULIU O.G., 1999: Computer axial tomography in geosciences: an overview. Earth-Science Reviews, 48, 4, 256– –281. GERKE H.H., VAN GENUCHTEN M.Th., 1993: A dualporosity model for simulating the preferential movement of water and solutes in structured porous media. Wat. Resour. Res., 29, 2, 305–319. HOPMANS J.W., CÍSLEROVÁ M., VOGEL T., 1994: X-Ray Tomography of Soil Properties. In: Tomography of SoilWater-Root Processes, SSSA Special publication no. 36, SSSA, Madison. MUALEM Y., 1976: A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Wat. Resour. Res., 12, 513–526. PIERRET A., CAPOWIEZ Y., BELZUNCES L., MORAN C.J., 2002: 3D reconstruction and quantification of macropores using X-ray computed tomography and image analysis. Geoderma, 106, 3-4, 247–271. ROBOVSKÁ A., 2001: Měření hydraulických charakteristik pomocí diskového tlakového infiltrometru na velkých laboratorních vzorcích. [Doktorská disertace.], ČVUT v Praze. SNĚHOTA M., CÍSLEROVÁ M., GAO AMIN M.H., HALL L.D., 2002a: Automated infiltration-outflow experiment performed in MR. Transport of Water, Chemicals and Energy in the Soil-Crop Canopy–Atmosphere System, Bratislava, 369–374. SNĚHOTA M., ROBOVSKÁ A., CÍSLEROVÁ M., 2002b: Automated set-up designed to measure hydraulic parameters in heterogeneous soil close to saturation. J. Hydrol. Hydrodromech., 50, 3, 247–257. SNĚHOTA M., CÍSLEROVÁ M., AMIN M.H.G., HALL L.D. 2002c: Evaluation of Experimental Concepts Using Magnetic Resonance Imaging. Geophysical Res. Abstracts, 07167. VOGEL H.J., 1997: Morphological determination of pore connectivity as a function of pore size using serial section. European J. Soil Sci., 48, 365–377.
61
M. Sněhota, M. Císlerová VOTRUBOVÁ J., 2002: MRI potential to monitor preferential flow in structured soils. [Doktorská disertace.] ČVUT v Praze. Došlo 10. októbra 2003 Referát prijatý 28. júla 2004
INFILTRATION OUTFLOW EXPERIMENT MONITORED BY MEANS OF MAGNETIC RESONANCE Michal Sněhota, Milena Císlerová Near-saturated water flow and water infiltration in heterogeneous soil, where preferential flow is likely to develop, is not completely understood and predictable. New modeling approaches based on theory of dualpermeability appear to be a promising tool for prediction of preferential flow. However, experimental data are needed to validate these models. This study shows the test run of an experiment, in which a standard infiltration outflow experiment and magnetic resonance (MR) imaging were performed simultaneously to monitor infiltration in undisturbed soil cores. Magnetic resonance, a method based on detection of hydrogen protons in strong magnetic field, is capable to reveal distribution of soil water in time and space. In most soils, only water occupying large pores is visible by means of MR imaging. In current study the infiltration-outflow experiment was performed on undisturbed cores of coarse sandy loam. The soil cores were placed in the MR scanner during the experiments and MR imaging of the samples was done during significant parts of the experiments. The experiment was based on downward infiltration of water, while cumulative infiltration and outflow and suction pressure head were monitored. For the first two samples the infiltration was done into naturally dried soil. Infiltration disc was used to set the hydraulic pressure head h = -3cm to the top of the sample. After infiltration was finished and samples were naturally dried, a ponded infiltration was performed. Recurrent ponded infiltration was performed on the third sample. First infiltration was done into dry soil while second infiltration was done into wet sample. MR imaging techniques involve two-dimensional (2D) and three-dimensional
62
(3D) signal imaging and composite three-dimensional mapping of relaxivity parameter T1, which is related to the surface to volume ratio. Besides three soil samples which has been imaged by means of MR, fourth large soil core was introduced and the infiltration-outflow experiment of the same concept was conducted on this soil core. Three-dimensional CT images of all soil cores were taken to visualize the internal structure of the soil cores. The results of the CT imaging shows interconnected objects of high porosity in the samples. Result is unique package of data. For each sample there were pressure and flux observations acquired for at least two infiltrations. 3D CT imaging was done on all the samples and for three soil samples series of MR images was obtained. Results show clearly non-Richards behavior of flow. As an example; the fast 2D imaging showed difference between water redistribution after tension and ponded infiltration, where the degree of water saturation in bottom part of the soil core did not differ for different boundary condition. Presented experiment was performed in order to test the possibilities of simultaneous automated measurements of pressure and fluxes in combination with MR imaging. The experiment described here can contribute to better understanding of preferential flow in soils. List of symbols 2D 3D CT FOV HU HUtresh htop KHS4(5,7) KHXL3 MFD MR PFD T1 Wf
– two-dimensional, – three-dimensional, – computer tomography, – field of view, – Hounsfield unit, – treshold value of Hounsfield unit, – hydraulic pressure head at the top of soil core [L], – names of two undisturbed soil cores from Korkusova Huť, – names of large undisturbed soil core from Korkusova Huť, – domain of soil matrix flow, – magnetic resonance, – domain of preferential flow, – longitudinal relaxivity [T], – fraction of preferential flow domain [–].
