DE4242388A1 - Tension filtrometer to determine hydraulic soil conductivity - uses infiltration assembly coupled to pressure measurement assembly determining tension during process - Google Patents

Tension filtrometer to determine hydraulic soil conductivity - uses infiltration assembly coupled to pressure measurement assembly determining tension during process

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Abstract

A Mariotte water supply is coupled to a flexible infiltration unit. The infiltration assembly permanently linked to a pressure measuring device which consists of an additional volume partly filled with water. A closed water column is formed with the water volume in the assembly. A U-shaped pipe manometer is connected to the associated air volume, with the water supply system secured to a fixture which enables it to be vertically adjusted with respect to the assembly. ADVANTAGE - Facilitates direct determination of tension at infiltration area during test. Tension measured is independent of wetting characteristics in ventilation system and respective infiltration rate. Meter enables continual variation and setting as required.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die hydraulische Leitfähigkeit von Böden im nahe gesättigten Bereich wird im Feldversuch vorzugsweise mit Tensionsinfiltrometern ermittelt. (Ankeny, M. D., Kaspar, T. C., Horton, R., 1989. Automated Tension Infiltrometer. US Pat. Nr. 48 84 436) Die Bestimmungsgrößen der hydraulischen Leitfähigkeit bei dem zugrundeliegenden Meßprinzip sind die an der untersuchten Bodenoberfläche wirksamen Tensionen und die sich dabei einstellenden Infiltrationsflußraten.The hydraulic conductivity of soils in the near saturated area is tested in the field preferably determined with tension infiltrometers. (Ankeny, M.D., Kaspar, T.C., Horton, R., 1989. Automated Tension Infiltrometer. US Pat. No. 48 84 436) The determinants of hydraulic conductivity in the underlying The principle of measurement is the effective tensions on the examined soil surface and the resulting infiltration flow rates.

Bei den bisher bekannten Konstruktionen dieser Meßgeräte wird eine angestrebte Tension an der Infiltrationsfläche durch eine Kaskade Mariotte'scher Gefäße eingestellt, wobei dem letzten Gefäß der Kaskade (Infiltrationsgefäß) das Wasser für den Infiltrationsfluß entnommen wird. Das in der Zeiteinheit ausfließende Wasservolumen betimmt den Infiltrationsfluß in den untersuchten Boden. Diese Bestimmungsgröße kann bei den bisher benutzten Anordnungen mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden (Constantz, J., Murphy, F., 1987. An automated technique for flow measurement from Mariotte reservoirs. Soil Sci. Soc. Am. J. 51; 252-254).In the previously known constructions of these measuring devices, a desired one Tension on the infiltration surface set by a cascade of Mariotte vessels, the last vessel in the cascade (infiltration vessel) being the water for the Infiltration flow is removed. The volume of water flowing out in the unit of time determines the infiltration flow into the examined soil. This determinant can with sufficient accuracy in the arrangements previously used can be determined (Constantz, J., Murphy, F., 1987. An automated technique for flow measurement from Mariotte reservoirs. Soil Sci. Soc. At the. J. 51; 252-254).

Die an der untersuchten Bodenoberfläche wirksame Tension bildet die antreibende Kraft für die Wasser- und Luftströmung in der Versuchsanordnung. Bei einer quasistatischen Versuchsführung, bei sehr kleinen Infiltrationsraten, wird das dem Infiltrationsgefäß entnommene Wasservolumen durch einzelne Luftblasen ersetzt, die in das Infiltrationsgefäß eintreten, wenn die wirksame Tension an der Infiltrationsfläche den stationären Schließdruck der Belüftungssteuerung übersteigt. Dieser stationäre Schließdruck wird gebildet aus der Summe der hydraulischen Druckhöhe bei der Eintauchtiefe der Belüftungsröhrchen in den Mariotte'schen Gefäßen und dem jeweiligen kapillaren Schließdruck dieser Belüftungsröhrchen.The tension that is effective on the examined surface forms the driving one Force for the water and air flow in the experimental setup. With a quasi-static Conducting the experiment, with very low infiltration rates, becomes the infiltration vessel withdrawn water volume replaced by individual air bubbles that in enter the infiltration vessel when the effective tension on the infiltration surface exceeds the stationary closing pressure of the ventilation control. This stationary Closing pressure is formed from the sum of the hydraulic head at Immersion depth of the ventilation tubes in the Mariotte vessels and the respective capillary closing pressure of these ventilation tubes.

Bei den bisher verwendeten Geräten wird diese "stationäre" Tension einer vorgegebenen Anordnung der Belüftungsröhrchen in einem Eichversuch mit einer Druck­ meßeinrichtung (z. B. U-Rohrmanometer) ermittelt und den Infiltrationsläufen im Feldversuch zugrunde gelegt.In the devices used so far, this "stationary" tension becomes a given one Arrangement of the ventilation tubes in a calibration test with a pressure  measuring device (e.g. U-tube manometer) determined and the infiltration runs in Field trial used.

Diese Methode zur Bestimmung der wirksamen Tensionen beim Infiltrationsversuch enthält folgende Fehlerquellen:This method for determining the effective tensions when trying to infiltrate contains the following sources of error:

  • 1. Der kapillare Schließdruck der Belüftungsröhrchen hängt von ihrem Benetzungsverhalten gegenüber der Absperrflüssigkeit und deren Oberflächenspannung ab. Eine Veränderung diese Benetzungsverhaltens tritt z. B. bei einer Besiedelung der Oberflächen durch Mikroorganismen auf. Die Oberflächenspannung kann durch Temperaturänderungen oder durch gelöste Fremdstoffe verändert werden.1. The capillary closing pressure of the ventilation tubes depends on their wetting behavior compared to the barrier liquid and its surface tension from. A change in this wetting behavior occurs e.g. B. at a Colonization of the surfaces by microorganisms. The surface tension can be caused by temperature changes or by dissolved foreign substances to be changed.
  • 2. Die Einhaltung vorgegebener Eintauchtiefen der Belüftungsröhrchen erfordert im Feldversuch einen besonderen Aufwand. Diese Eintauchtiefe ändert sich im Versuchsverlauf, wenn ungesättigte Atmosphärenluft in die Belüftungsröhrchen eintritt und dabei Wasser aufnimmt.
    Bei Verwendung großer Infiltrationsflächen ist aus Stabilitätsgründen die Infiltrationsvorrichtung vom Infiltrationsgefäß getrennt und mit einem Schlauch flexibel verbunden (Tension Infiltrometer, Model II; Soil Measurement Systems, 7344 N. Oracle Road, Tucson, Az 85704 USA). Die Eichung für die wirksame Tension bezieht sich jedoch auf einen vorgegebenen vertikalen Abstand der Infiltrationsfläche zum Infiltrationsgefäß. Unter den Bedingungen von Feldmessungen ist dieser Abstand bei der getrennten Anordnung nur ungenau zu ermitteln oder einzuhalten.
    2. Compliance with the specified immersion depths of the ventilation tubes requires a special effort in the field test. This immersion depth changes in the course of the test when unsaturated atmospheric air enters the ventilation tubes and absorbs water.
    When using large infiltration areas, the infiltration device is separated from the infiltration vessel for reasons of stability and flexibly connected with a hose (Tension Infiltrometer, Model II; Soil Measurement Systems, 7344 N. Oracle Road, Tucson, Az 85704 USA). However, the calibration for the effective tension relates to a predetermined vertical distance between the infiltration surface and the infiltration vessel. Under the conditions of field measurements, this distance can only be determined or maintained inaccurately with the separate arrangement.
  • 3. Ein "quasistationärer" Infiltrationsfluß bei der Belüftungssteuerung in einem Tensionsinfiltrometer erfolgt bei der Mehrzahl der Böden nur bei Tensionen oberhalb etwa 15 mm WS. Bei weiterer Absenkung der Tension steigen die Fließraten derart an, daß ein zunehmender Teil der wirksamen Tension zur Überwindung der Strömungswiderstände in der Meßapparatur benötigt wird. Die wirksame Tension ist um diesen Betrag gegenüber der "quasistationären" Tension vergrößert. Da Tensionsinfiltrometer bevorzugt zur Charakterisierung des Grobporensystems von Böden eingesetzt werden, sind insbesondere Infiltrationsversuche bei niedrigen Tensionen bis zum Wert Null bei entsprechend hohen Infiltrationsflußraten erforderlich. Der Fehler bei der Tensionsmessung kann dabei den "quasistationär" ermittelten Eichwert um ein mehrfaches übertreffen.3. A "quasi-steady" infiltration flow in ventilation control in one Tension infiltrometers are only used for tensions in the majority of floors above about 15 mm WS. If the tension is lowered further, the Flow rates such that an increasing part of the effective tension for Overcoming the flow resistances in the measuring apparatus is required. The effective tension is by this amount compared to the "quasi-stationary" Tension increased. Because tension infiltrometers are preferred for characterization of the coarse pore system of soils are particularly attempts at infiltration in the case of low tensions up to the value of zero if appropriate high infiltration flow rates required. The error in the tension measurement  can exceed the "quasi-stationary" calibration value by a multiple.

Für die Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit sind Versuchsläufe mit unterschiedlichen Tensionen erforderlich. Bei den bisher üblichen Tensionsinfiltrometern werden dazu Mariotte'sche Gefäße mit mehreren Belüftungsröhrchen verwendet, die jeweils unterschiedliche Eintauchtiefen in der Absperrflüssigkeit besitzen. Die bei einer Messung anwendbaren Tensionen sind dabei auf diese voreingestellten diskreten Werte beschränkt.For the determination of the hydraulic conductivity, test runs with different Tensions required. With the usual tension infiltrometers Mariotte vessels with several ventilation tubes are used for this each have different immersion depths in the shut-off liquid. The at Measurements applicable to a measurement are based on these preset discrete ones Values limited.

Ziel der ErfindungAim of the invention

Ziel der Erfindung ist eine Tensiometeranordnung, die eine direkte Bestimmung der an der Infiltrationsfläche wirksamen Tension während des Versuchslaufes gestattet. Diese Tensionsmessung soll unabhängig von den Benetzungseigenschaften des Belüftungssystems und unabhängig von der jeweiligen Infiltrationsflußrate sein. Die erfindungsgemäße Tensiometeranordnung soll auch die kontinuierliche Änderung bzw.beliebige Einstellung einer Tension gestatten.The aim of the invention is a tensiometer arrangement which enables a direct determination of the effective tension allowed on the infiltration surface during the test run. This tension measurement should be independent of the wetting properties of the ventilation system and be independent of the respective infiltration flow rate. The tensiometer arrangement according to the invention is also intended to be the continuous change allow any adjustment of a tension.

Lösungsolution

Die Zielstellung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß bei einem Tensionsinfiltrometer mit einer abgesetzten Infiltrationsvorrichtung an das Wasservolumen oberhalb der Infiltrationsfläche ein Zusatzvolumen angeschlossen ist, das teilweise mit Wasser gefüllt ist. Diese Wasserfüllung bildet mit dem Wasservolumen der Infiltrationsvorrichtung eine Wassersäule in der kein Druckabfall infolge einer Wasserströmung eintritt. Das verbleibende Luftvolumen oberhalb dieser Wasserfüllung ist mit einem U-Rohrmanometer zur Druckanzeige berbunden. Bei dieser Anordnung ist die wirksame Tension an der Infiltrationsfläche bestimmt durch die hydraulische Druckhöhe dieser Wassersäule und den Unterdruck in dem darüberliegenden Luftvolumen. Beide Größen können in üblicher Weise genau ermittelt werden. Die Höhe der Tension wird bei dieser Anordnung durch Variation des vertikalen Abstandes zwischen dem Infiltrationsgefäß und der Infiltrationsvorrichtung verändert. The object of the invention is achieved in that with a tension infiltrometer with a remote infiltration device to the water volume above an additional volume is connected to the infiltration surface, some of which is connected with Water is filled. This water filling forms with the water volume of the infiltration device a water column in which there is no pressure drop due to a water flow entry. The remaining air volume above this water filling is included connected to a U-tube manometer for pressure display. In this arrangement, the effective tension on the infiltration surface determined by the hydraulic pressure head this water column and the negative pressure in the air volume above. Both variables can be determined precisely in the usual way. With this arrangement, the height of the tension is determined by varying the vertical Distance between the infiltration vessel and the infiltration device changed.  

AusführungsbeispielEmbodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein Mariotte'sches Gefäß (1) mit einem Belüftungsröhrchen (2) ist mit einem Infiltrationsgefäß (3) fest verbunden.An embodiment of the invention is shown in the drawing. A Mariotte vessel ( 1 ) with a ventilation tube ( 2 ) is firmly connected to an infiltration vessel ( 3 ).

Über eine flexible Verbindung (4) ist an das Infiltrationsgefäß (3) eine Infiltrationsvorrichtung (5) angeschlossen, die an den zu untersuchenden Boden angekoppelt ist. In einem Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit des infiltrierenden Wassers (Position mit maximalem Strömungsquerschnitt) ist an der Infiltrationsvorrichtung (5) ein teilweise mit Wasser gefülltes Zusatzvolumen (6) und an dessen Luftvolumen (7) ein U-Rohrmanometer (8) angeschlossen.An infiltration device ( 5 ) is connected to the infiltration vessel ( 3 ) via a flexible connection ( 4 ) and is coupled to the soil to be examined. In an area of low flow velocity of the infiltrating water (position with maximum flow cross-section), an additional volume ( 6 ) partially filled with water is connected to the infiltration device ( 5 ) and a U-tube manometer ( 8 ) is connected to its air volume ( 7 ).

Die Kombination aus Mariotte'schem Gefäß (1) und dem Infiltrationsgefäß (3) kann an seiner Halterung (9) vertikal gegenüber der Infiltrationsvorrichtung (5) verschoben werden. Dabei ändert sich die Höhe der zwischen (3), (4) und (5) ausgebildeten Wassersäule und damit die Tension auf der Infiltrationsfläche. Diese Tension wird durch die Höhe der Wassersäule in (5) und (6) und den Druck im U-Rohrmanometer angezeigt.The combination of Mariotte's vessel ( 1 ) and the infiltration vessel ( 3 ) can be displaced vertically relative to the infiltration device ( 5 ) on its holder ( 9 ). The height of the water column formed between ( 3 ), ( 4 ) and ( 5 ) changes and thus the tension on the infiltration surface. This tension is indicated by the height of the water column in ( 5 ) and ( 6 ) and the pressure in the U-tube manometer.

Claims (3)

1. Tensionsinfiltrometer zur Bestimmung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit von Böden, mit einem Mariotte'schen Wasserzuführungssystem (1), (3) und einer damit flexibel verbundenen Infiltrationsvorrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltrationsvorrichtung (5) mit einer Druckmeßeinrichtung (6) fest verbunden ist.1. Tension infiltrometer for determining the unsaturated hydraulic conductivity of soils, with a Mariotte water supply system ( 1 ), ( 3 ) and an infiltration device ( 5 ) flexibly connected thereto, characterized in that the infiltration device ( 5 ) with a pressure measuring device ( 6 ) is firmly connected. 2. Tensionsinfiltrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung aus einem teilweise mit Wasser gefüllten Zusatzvolumen (6) besteht, dessen Wasserfüllung mit dem Wasservolumen der Infiltrationsvorrichtung (5) eine geschlossene Wassersäule bildet und an dessen Luftvolumen (7) ein U-Rohrmanometer (8) angeschlossen ist.2. Tension infiltrometer according to claim 1, characterized in that the pressure measuring device consists of a partially filled with water additional volume ( 6 ), the water filling with the water volume of the infiltration device ( 5 ) forms a closed water column and at the air volume ( 7 ) a U-tube manometer ( 8 ) is connected. 3. Tensionsinfiltrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mariotte'sche Wasserzuführungssystem (1), (3) an einer Halterung (9) befestigt ist, die seine vertikale Verschiebung gegenüber der Infiltrationsvorrichtung (5) gestattet.3. Tension infiltrometer according to claim 1, characterized in that the Mariotte water supply system ( 1 ), ( 3 ) is attached to a holder ( 9 ) which allows its vertical displacement relative to the infiltration device ( 5 ).
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