Effect of hysteresis of soil-water characteristic curves on infiltration under different climatic conditions: Fid-Bau Portal

Effect of hysteresis of soil-water characteristic curves on infiltration under different climatic conditions

Sharma, Jitendra

Le présent article décrit les résultats d’une modélisation numérique permettant d’étudier l’effet de l’hystérésis de la courbe caractéristique sol-eau (CCSE) sur les mécanismes d’infiltration d’eau dans des sols soumis aux quatre climats différents (très sec à humide) qui caractérisent la province canadienne de l’Alberta. Des séries de données recueillies sur plusieurs années dans quatre régions et sous-régions naturelles de l’Alberta ont été rassemblées et classées et ont servi de conditions limites dans le cadre de modélisations unidimensionnelles d’écoulement non saturé par éléments finis réalisées à l’aide du logiciel Hydrus-1D. On a effectué des simulations à l’échelle de plusieurs années en prenant compte ou non l’hystérésis de la CCSE. On a analysé les résultats de ces simulations en examinant l’équilibre hydrique ainsi que la distribution temporelle de l’eau et les réserves en eau dans le sol. On a montré que l’hystérésis de la CCSE pouvait beaucoup influer sur la prédiction de l’écoulement et de la redistribution de l’eau et des réserves en eau dans la zone non saturée. On a constaté que, dans le cas des sols dont la CCSE est hystérétique, lorsque l’on prend en compte de l’hystérésis lors de la modélisation de l’écoulement insaturé, on prédit une infiltration et des mouvements d’eau dans le sol moins importants. On a également remarqué que, lorsqu’on utilisait les paramètres de mouillage, on prédisait une infiltration et des déplacements d’eau plus importants que ceux prédits à l’aide des paramètres de séchage. On en a conclu que, dans le cas de sols caractérisés par une CCSE fortement hystérétique, il était important de calculer précisément à la fois la portion de la CCSE correspondant au séchage et celle associée au mouillage et que, pour simuler avec précision l’hystérésis, il était nécessaire de disposer de séries de données climatiques de résolution appropriée. Les résultats présentés dans cet article montrent qu’il est important de prendre en compte l’hystérésis de la CCSE dans le cadre de nombreux problèmes géotechniques, tels que la conception de sols de couverture, la prédiction de la recharge des nappes phréatiques, le transport des contaminants dans les sols non saturés, l’érosion du sol, la stabilité des terrains en pente et le gonflement ou la contraction des sols gonflants. [Traduit par la Rédaction].

This paper presents results of a numerical modelling exercise that investigates the effects of hysteresis of the soil-water characteristic curve (SWCC) on the infiltration characteristics of soils subjected to four different climatic conditions — from very dry to wet — within the Canadian province of Alberta. Multi-year climate datasets from four different natural regions and subregions of Alberta are compiled, classified, and applied as the soil–atmosphere boundary condition in one-dimensional finite element unsaturated flow models using Hydrus-1D software. Multi-year simulations are carried out with and without consideration of the SWCC hysteresis. Simulation results are analyzed in terms of water balance at the ground surface and temporal distribution and storage of water within the soil domain. It is demonstrated that hysteresis of the SWCC can significantly affect the prediction of flow, redistribution, and storage of water in the unsaturated zone. It is found that for soils that exhibit hysteretic SWCC, consideration of hysteresis in unsaturated flow modelling results in the prediction of lower infiltration and less movement of water through the soil. It is also found that the use of wetting parameters results in the prediction of increased infiltration and movement of water compared with the predictions using drying or hysteretic parameters. It is concluded that, for soils that exhibit a greater degree of SWCC hysteresis, it is important to measure both the drying and wetting branches of the SWCC accurately and that accurate simulation of hysteretic behaviour requires climate datasets at appropriate resolution. The results presented in this paper highlight the importance of considering SWCC hysteresis for a wide range of geotechnical problems, such as soil cover design, prediction of groundwater recharge, contaminant transport through unsaturated soils, soil erosion, slope stability, and swelling–shrinkage of expansive soils.