Determination of hydraulic properties of a tropical soil of Hawaii using column experiments and inverse modeling

Abstract

A method for determining soil hydraulic properties of a weathered tropical soil (Oxisol) using a medium-sized column with undisturbed soil is presented. The method was used to determine fitting parameters of the water retention curve and hydraulic conductivity functions of a soil column in support of a pesticide leaching study. The soil column was extracted from a continuously-used research plot in Central Oahu (Hawaii, USA) and its internal structure was examined by computed tomography. The experiment was based on tension infiltration into the soil column with free outflow at the lower end. Water flow through the soil core was mathematically modeled using a computer code that numerically solves the one-dimensional Richards equation. Measured soil hydraulic parameters were used for direct simulation, and the retention and soil hydraulic parameters were estimated by inverse modeling. The inverse modeling produced very good agreement between model outputs and measured flux and pressure head data for the relatively homogeneous column. The moisture content at a given pressure from the retention curve measured directly in small soil samples was lower than that obtained through parameter optimization based on experiments using a medium-sized undisturbed soil column.É apresentado neste estudo um método para determinar as propriedades hidráulicas de um solo tropical (um Oxisol) utilizando uma coluna de tamanho médio e amostras não amolgadas desse solo. O método foi utilizado para determinar parâmetros de ajuste da curva de retenção de água e funções de condutividade hidráulica em uma coluna de solo para um estudo da mobilidade de pesticidas nesses solos. A coluna de solo foi extraída de um sítio utilizado para pesquisa na região central de Oahu (Havaí, EUA), e sua estrutura interna foi examinada por meio de tomografia computadorizada de raios X. O experimento baseia-se na infiltração sob sucção em uma coluna de solo com saída livre na extremidade oposta. O fluxo de água foi simulado por um programa de computador que resolve a equação de Richards em uma dimensão. A simulação direta foi realizada usando parâmetros hidráulicos medidos, e os parâmetros da curva de retenção e condutividade hidráulica foram estimados por modelagem inversa. O procedimento de modelagem inversa produziu bom ajuste entre os resultados da análise numérica e valores de carga de pressão para a coluna homogênea de solo. Valores de umidade para uma dada pressão, adquiridos de uma curva de retenção determinada em amostras de pequenas dimensões, mostraram-se menores que aqueles obtidos por meio da otimização de parâmetros dos ensaios realizados em colunas de dimensão média.