Application of the electrical impedance spectrometry for monitoring water flow in unsaturated soil

• Autorzy: Zydron T.A. , Gruchot A. , Parilkova J. , Zachoval Z.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metody spektrometrii impedancyjnej do monitorowania przepływu wody w gruncie nienasyconym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Aim of paper The aim of research was to determine the sensitivity of the impedance spectrometry method (EIS) to changes in electrical resistance of soil caused by water infiltration. Materials and methods Two types of mineral soil were considered in the research: fine sand and coarse silty sand. The research was to determine basic geotechnical properties of both soils (filtration coefficient, soil-water characteristic curve) and water infiltration tests in a vertical soil column. These tests included measuring changes in electrical resistance of soil medium, which were compared with observations of the location of the wetting front and numerical calculations of water flow through the soil. Infiltration tests were run for three soil samples. The first was a sample of medium sand, the second - coarse silty sand, and the third - medium sand in the lower part and coarse silty sand in the upper part. Results and conclusions The results of tests of electrical resistance of soils subjected to infiltration process in vertical column confirmed the significant impact of water in soil medium on its electrical conductivity. It has been shown that a change in soil moisture from an air-dry state to full saturation leads to a reduction of soil resistance by almost three orders of magnitude.

PL

Cel pracy Celem badań było określenie wrażliwości metody spektrometrii impedancyjnej (EIS) na zmiany oporności elektrycznej ośrodka gruntowego wywołane infiltracyjnym przepływem wody. Materiał i metody Badania przeprowadzono dla dwóch gruntów mineralnych – niespoistego – piasku drobnego i spoistego – piasku grubego pylastego. Zakres badań obejmował określenie podstawowych właściwości geotechnicznych obydwu gruntów (współczynnik filtracji, charakterystykę retencyjną) oraz badania infiltracji wody w pionowej kolumnie gruntowej. Badania te obejmowały pomiary zmian oporności elektrycznej ośrodka gruntowego, które porównano z obserwacjami położenia fronu zwilżenia oraz z obliczeniami numerycznymi przepływu wody przez grunt. Badania infiltracji przeprowadzono dla trzech próbek gruntu. W pierwszym przypadku była to próbka piasku średniego, drugą próbkę stanowił piasek gruby pylasty, a w przypadku trzeciej próbki, dolną jej część stanowił piasek średni, a górną piasek gruby pylasty. Wyniki i wnioski Wyniki przeprowadzonych badań rezystancji elektrycznej gruntów poddanych procesowi infiltracji w pionowej kolumnie potwierdziły istotny wpływ obecności wody w ośrodku gruntowym na jego przewodność elektryczną. Wykazano, że zmiana wilgotności gruntu od stanu powietrznie-suchego do pełnego nasycenia powoduje redukcję rezystancji gruntu o prawie trzy rzędy wielkości. Wyniki badań wykazały stosunkowo dobrą zbieżność pomiędzy obserwowanym położeniem frontu zwilżenia, a zmierzonymi wartościami rezystancji gruntu potwierdzając tym samym przydatność testowanej metody pomiarowej dla potrzeb monitoringu obiegu wody w ośrodku gruntowym.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus
• Rocznik: 2019
• Tom: 18
• Numer: 2
• Opis fizyczny: p.93-108,fig.,ref.

Twórcy

autor

Zydron T.A.

• Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, University of Agriculture in Krakow, Al.Mickiewicza 24/28, 30-059 Krakow, Poland

autor

Gruchot A.

• Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, University of Agriculture in Krakow, Al.Mickiewicza 24/28, 30-059 Krakow, Poland

autor

Parilkova J.

• Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology, Veveri street 331/95, 602 00 Brno, Czech Republic

autor

Zachoval Z.

• Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology, Veveri street 331/95, 602 00 Brno, Czech Republic

Bibliografia

• Almadani, S., Elkhedr Ibrahim, E., Hafez, M., Alfaifi, H., Alharbi, T., Abdelrahman, K., Abdel-Motaal, E. (2018). Geotechnical investigation of the El-Elb dam site, northwest Riyadh, Saudi Arabia, using 2D resistivity and ground-penetrating radar techniques. Arabian Journal of Geosciences, 11:33. DOI: https://doi.org/10.1007/s12517-017-3353-x
• Alamrya, A.S., van der Meijde, M., Noomen, M., Addink, E.A., van Benthem, R., de Jong, S.M. (2017). Spatial and temporal monitoring of soil moisture using surface electrical resistivity tomography in Mediterranean soils. Catena, 157, 388–396.
• Bacior, S., Nawrocki, W. Piasek, Z., (2015). Georadarowa ocena konstrukcji nasypów drogowych. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus, 14(2), 17–24.
• Bajda, M., Lech, M., Kronik, K. (2013). Wykorzystanie powierzchniowych badań elektrooporowych do oceny stanu technicznego budowli ziemnych. Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 60, 117–125.
• Bertermann, D., Schwarz, H. (2018). Bulk density and water content-dependent electrical resistivity analyses of different soil classes on a laboratory scale. Environmental Earth Sciences, 77: 570.
• Cadergen, R. (1997). Seepage, Drainage and Flow Nets. New York: John Wiley and Sons, 467.
• Cardoso, R., Dias, A.S. (2017). Study of electrical resistivity of compacted kaolin basend on water potential. Engineering Geology, 226, 1–11.
• Gruchot, A., Zydroń, T., Pařilková, J., Zachoval, Z., Cholewa, M., Koś, K. (2018). Wykorzystanie spektrometrii impedancyjnej do monitorowania przepływu filtracyjnego przez nasypy hydrotechniczne. Acta Sci. Pol. Architectura, 17(1), 55–65, DOI: 10.22630/ASPA.2018.17.1.6.
• Head, K., Epps, R. (2011). Manual of soil laboratory testing. Vol. 2. Permeability, shear strength and compressibility test. Whittles Publishing, Dunbeath Mill.
• Lech, M., Bajda, M., Markowska-Lech, K., Skutnik, Z. (2016). Przykłady zastosowania pomiarów oporności elektrycznej w geotechnice środowiskowej. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, 93, 83–94.
• Lech, M., Garbulewski, K. (2009). Określanie porowatości gruntów niespoistych na podstawie pomiarów oporności elektrycznej. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 18(4), 48–56.
• Lu, N., Godt, J. (2008). Infinite slope stability under steady unsaturated seepage conditions. Water Resources Research, 44, W11404, DOI: 10.1029/2008WR006976
• Lu, N., Griffiths, D.V. (2004). Profiles of steady-state suction stress in unsaturated soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130, 10, 1063–1076, DOI: 10.1061./(ASCE)1090-0241(2004)130:10(1063)
• Merritt, A.J., Chambers, J.E., Wilkinson, P.B., West, L.J., Murphy, W., Gunn, D., Uhlemann, S. (2016). Measurement and modelling of moisture—electrical resistivity relationship of fine-grained unsaturated soils and electrical anisotropy. Journal of Applied Geophysics, 124: 155–165.
• Pařílková, J., Zachoval, Z., Gruchot, A., Zydroń, T. (2018). Application of the electrical impedance spectrometry method for monitoring filtration phenomena on the example of Karolinka earth dam. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus, 17(1), 163–177, DOI: http://dx.doi.org/10.15576/ASP.FC/2018.17.1.163.
• Pazdro, Z., Kozerski, B. (1990). Hydrogeologia ogólna. Warszawa: Wyd. Geol.
• PN-88/B-04481:1988. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. Warszawa : Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości.
• PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny.
• PN-CEN ISO/TS 17892-3: 2004. Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 3: Oznaczanie gęstości właściwej – Metoda piknometru. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny.
• PN-CEN ISO/TS 17892-4: 2004. Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 4: Oznaczanie składu granulometrycznego. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny.
• Van Genuchten, M.T. (1980). A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society American Journal, 44, 892–898.
• Vanella, D., Cassiani, G., Busato, L., Boaga, J., Barbagallo, S., Binley, A., Consoli, S. (2018). Use of small scale electrical resistivity tomography to identify soil-root interactions during deficit irrigation. Journal of Hydrology, 556, 310–324.
• Yilmaz, S., Koksoy, M. (2017). Electrical resistivity imaging and dye tracer test for the estimation of water leakage paths from reservoir of Akdeğirmen Dam in Afyonkarahisar, Turkey. Environmental Earth Sciences, 76, 829, DOI: https://doi.org/10.1007/s12665-017-7174-8.
• Zawisza, E., Klimek, K. (2016). Wodoprzepuszczalność gruntów skarpy abrazyjnej zbiornika Czorsztyn-Niedzica. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 15(4)2016, 395–407. DOI: http://dx.doi.org/10.15576/ASP.FC/2016.15.4.395
• Zawadzki, Ł. (2015). Wpływ właściwości gruntu na oporność elektryczną. Inżynieria Morska i Geotechnika, 3, 233–237.
• Zieher, T., Markart, G., Ottowitz, D., Römer, A., Rutzinger, M., Meißl, G., Geitner, C. (2017). Water content dynamics at plot scale – comparison of time-lapse electrical resistivity tomography monitoring and pore pressure modeling. Journal of Hydrology, 544, 195–209.

Identyfikatory

DOI

10.15576/ASP.FC/2019.18.2.93