Numerical modeling of the effect of variation of boundary conditions on vadose zone hydraulic properties

Abstract

An accurate estimation of hydraulic fluxes in the vadose zone is essential for the prediction of water, nutrient and contaminant transport in natural systems. The objective of this study was to simulate the effect of variation of boundary conditions on the estimation of hydraulic properties (i.e. water content, effective unsaturated hydraulic conductivity and hydraulic flux) in a one-dimensional unsaturated flow model domain. Unsaturated one-dimensional vertical water flow was simulated in a pure phase clay loam profile and in clay loam interlayered with silt loam distributed according to the third iteration of the Cantor Bar fractal object Simulations were performed using the numerical model Hydrus 1D. The upper and lower pressure heads were varied around average values of -55 cm for the near-saturation range. This resulted in combinations for the upper and lower constant head boundary conditions, respectively, of -50 and -60 cm, -40 and -70 cm, -30 and -80 cm, -20 and -90 cm, and -10 and -100 cm. For the drier range the average head between the upper and lower boundary conditions was set to -550 cm, resulting in the combinations -500 and -600 cm, -400 and -700 cm, -300 and -800 cm, -200 and -900 cm, and -100 and -1,000 cm, for upper and lower boundary conditions, respectively. There was an increase in water contents, fluxes and hydraulic conductivities with the increase in head difference between boundary conditions. Variation in boundary conditions in the pure phase and interlayered one-dimensional profiles caused significant deviations in fluxes, water contents and hydraulic conductivities compared to the simplest case (a head difference between the upper and lower constant head boundaries of 10 cm in the wetter range and 100 cm in the drier range).

A estimativa precisa e acurada de fluxos hidráulicos na zona vadosa é um fator crítico para simular o transporte de água, nutrientes e contaminantes em sistemas naturais. O objetivo deste estudo foi simular o efeito de variações nas condições de contorno na estimativa de propriedades hidráulicas do solo (isto é, conteúdo de água, condutividade hidráulica efetiva em condições não saturadas e fluxo hidráulico) em um modelo de fluxo não saturado unidimensional. Fluxo vertical não saturado unidimensional foi simulado em um perfil de material franco-argiloso puro e em material franco-argiloso intercalado com camadas de material franco-siltoso distribuído seguindo a terceira iteração de um modelo do objeto fractal Conjunto de Cantor. As simulações foram realizadas no modelo numérico Hydrus 1D. Os potenciais totais superiores e inferiores na coluna unidimensional foram variados ao redor do valor médio de -55 cm para a faixa de valores próxima da saturação. Isso resultou em combinações para potenciais constantes nos limites superior e inferior da coluna de -50 e -60 cm; -40 e -70 cm; -30 e -80 cm; -20 e -90 cm; e -10 e -100 cm, para as condições de contorno superior e inferior, respectivamente. Para o intervalo de umidade definido como mais seco o valor médio de potencial de água no solo foi fixado em -550 cm, resultando em combinações de -500 e -600 cm; -400 e -700 cm; -300 e -800 cm; -200 e -900 cm; e -100 e -1.000 cm, para as condições de contorno superior e inferior, respectivamente. Houve aumento nos conteúdos de água, fluxos e condutividades hidráulicas com o aumento no gradiente entre os valores estipulados nos limites superior e inferior do domínio. Variação nas condições de contorno nos sistemas de fase pura e em camadas resultou em desvios significativos nos fluxos, conteúdos de água e condutividades hidráulicas com relação ao caso mais simples (uma diferença de potencial total entre os limites superior e inferior fixada em 10 cm para o intervalo mais úmido e 100 cm para o intervalo mais seco).