Rock fragments and surface-subsurface hydrological processes at plot and hillslope scales: Laboratory and numerical simulations

Abstract

Rainfall-induced surface runoff combined with soil erosion is one of the most important surface hydrological processes and its harmful impact on the environment and communities has been studied for decades. Understanding and modelling surface hydrological processes is vital for engineers, scientists, and policymakers to be able to develop water management and soil conservation strategies. Therefore, mathematical models that can predict the impact of surface hydrological processes on the environment require good quality measured hydrological data. Cost-effective innovative techniques are needed to obtain the good quality hydrological data from field and laboratory experiments. Furthermore, the presence of rock fragments in soils is a major soil property. Identifying the relationship between the rock fragments and surface-subsurface hydrological processes is a major challenge but one that is essential for the development of soil water conservation measures for the rock-fragment abundant soils. The present thesis focuses on two main objectives. The first is to improve understanding of the impact rock fragments have on surface-subsurface hydrological processes at plot and hillslope catchment scale. The second is concerned with the development of innovative measuring techniques and mathematical models related to surface hydrological processes. The research for the first objective started by comparing the influence of soil surface geometry and different distributions of surface rock fragment cover on runoff and soil loss under controlled laboratory conditions. Three different patterns of a constant surface rock fragment cover were tested for a single rainfall intensity event on converging and diverging plane soil surfaces at constant hillslope gradient. The study suggested that the understudied soil surface geometries had more influence on soil erosion than different distribution patterns of a specific percentage of rock fragment surface cover. The next study compared the simulated soil water response of stony soils with measured catchment runoff at hillslope scale. Rainfall-induced soil water response was simulated at three mountain catchment sites using the Hydrus-2D single porosity model. The soils at these sites had 10-65% stoniness. Soil hydraulic parameters employed in the numerical simulations, i.e. the saturated hydraulic conductivity and parameters of the soil water retention curves, were obtained by the Representative Elementary Volume approach (REVa) and by the inverse modelling with Hydrus-1D model (IMa). Shapes of the simulated soil water outflow hydrographs were similar to the measured catchment runoff ones for about a half of rainfall events. Furthermore, soil hydraulic parameters derived by REVa produced more realistic shapes of soil water hydrographs than the IMa ones. The research for the second objective started by testing the capability of a new thermal tracer (cold oil droplets) to measure the velocities of shallow overland flows (<2 mm depth) using the infrared-based particle tracking velocimetry (PTV) technique under controlled laboratory conditions without rainfall. This new approach was compared with dye tracing and the conventional PTV technique (polystyrene beads as tracer and optical video camera) in a quasi-laminar flow regime. The results showed that the infrared-based and conventional PTV techniques estimated velocities were closer to mean velocities measured through volumetric discharge method than were those given by the dye tracing method. This research stressed the potential of the infrared-based PTV technique to estimate the velocities of shallow water bodies due to its tracer's prominent visibility and independence from lighting conditions. Lastly, a 1D physically-based overland flow model that uses cascade plane theory for the estimation of rainfall-induced surface runoff, infiltration and soil erosion on converging and diverging plane surfaces was developed. The model’s simulations were evaluated by the measured data collected under controlled laboratory conditions. Satisfactory results indicated that the model could help to improve the modelling techniques for overland flow and soil erosion on convergent and divergent plane surfaces.

O escoamento superficial e o transporte sólido, induzidos pela precipitação, são importantes processos hidrológicos estudados há décadas, sendo o seu impacto muitas vezes prejudicial no meio ambiente e nos aglomerados populacionais. Compreender e modelar os processos hidrológicos de superfície é vital para que engenheiros, cientistas e decisores políticos possam desenvolver estratégias de gestão de água e conservação do solo. É por isso que os modelos matemáticos que podem prever o impacto dos processos hidrológicos de superfície no meio ambiente requerem dados hidrológicos de qualidade. São necessárias técnicas inovadoras e económicas para obter dados hidrológicos de boa qualidade em experiências de campo e de laboratório. A presença de pedras é uma propriedade importante do solo. Identificar a relação entre as pedras e fragmentos de rocha e os processos hidrológicos subsuperficiais é um grande desafio, mas é essencial para o desenvolvimento de medidas de conservação da água do solo para esses solos pedregosos. A presente tese concentra-se em dois objetivos principais. O primeiro é melhorar a compreensão do impacto que as pedras têm nos processos hidrológicos de superfície e subsuperficiais à escala de parcela e da bacia de drenagem. O segundo está relacionado ao desenvolvimento de técnicas inovadoras de medição e ao desenvolvimento de modelos matemáticos relacionados aos processos hidrológicos de superfície. A pesquisa relativamente ao primeiro objetivo começou por comparar a influência da geometria da superfície do solo e diferentes distribuições da cobertura de fragmentos de rocha no escoamento superficial e perda de solo, em condições controladas de laboratório. Três padrões diferentes de cobertura de pedras em superfícies planas, convergentes e divergentes, foram testados para uma chuvada tipo. Esse estudo concluiu que a geometria da superfície do solo tinha mais influência que os padrões de distribuição das pedras na severidade do processo de erosão. O estudo seguinte comparou a resposta da água no solo de solos pedregosos com o escoamento medido de bacia de drenagem, à escala da encosta. A resposta da água no solo induzida pela chuva foi simulada em três locais da bacia hidrográfica usando o modelo Hydrus-2D. Os solos nesses locais tinham pedregosidade entre 10-65%. Os parâmetros hidráulicos do solo usados nas simulações numéricas, ou seja, a condutividade hidráulica saturada e os parâmetros das curvas de retenção de água no solo, foram obtidos pela abordagem do Volume Elementar Representativo (REVa) e pela Modelagem Inversa com o modelo Hydrus-1D (IMa). As formas dos hidrogramas de água do solo simulados foram semelhantes às medidas formas dos hidrogramas de escoamento superficial das bacias para cerca de metade dos eventos de chuva. Além disso, os parâmetros hidráulicos do solo derivados do REVa produziram formas mais realistas de hidrogramas da água do solo do que os do IMa. A pesquisa para o segundo objetivo começou por testar a capacidade de um novo traçador térmico (gotas de óleo arrefecidas) para estimar as velocidades de escoamentos superficiais pouco profundos (<2 mm de profundidade) usando a técnica de velocimetria de rastreamento de partículas (PTV), baseada em infravermelho, sob condições controladas de laboratório. Esta nova abordagem foi comparada com o método do traçado colorido e a técnica PTV convencional (usando grânulos de poliestireno como traçador e uma câmara de vídeo) num regime de escoamento quase laminar. Os resultados mostraram que as velocidades estimadas das técnicas PTV convencionais e as baseadas no infravermelho estavam mais próximas das velocidades médias obtidas pelo método de volumétrico do que as velocidades do método de traçado colorido. Esta pesquisa enfatizou o potencial da técnica PTV baseada no infravermelho para estimativa das velocidades de escoamentos pouco profundos devido à alta visibilidade do traçador e independência das condições de iluminação. Por último, foi desenvolvido um modelo de escoamento superficial 1D, fisicamente baseado, que usa a teoria da cascata de planos para a estimativa do escoamento superficial, infiltração e erosão hídrica do solo em superfícies convergentes e divergentes. As simulações do modelo foram avaliadas comparando os resultados numéricos com dados medidos em laboratório. Os resultados indicaram que o modelo podia ajudar a aprimorar a modelação do escoamento superficial pouco profundo e a erosão do solo em superfícies planas convergentes e divergentes.