Infiltration and Drainage Analysis in a Heterogeneous Soil by Electrical Resistivity Tomography

Dietrich, Sebastián; Weinzettel, Pablo Ariel; Varni, Marcelo

doi:10.2136/sssaj2014.02.0062

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“…This field was linearly scaled to represent spatially varying fields of van Genuchten () parameters α (between 0.005 and 0.02 cm −1 ) and n ′ (between 1 and 2) over a 55‐m‐long and 4‐m‐in depth grid, with 0.2 × 0.2 m 2 grid cells size. These parameters and synthetic survey size are comparable to those of our site (Dietrich et al, ). Using these parameters we computed soil water contents for two water table positions, 1.5 and 2.6 m below surface assuming a residual saturation of 0.15 and a porosity of 0.45 (Figures a and b, the actual water content values are available in the supporting information).…”

Section: Proposed Methods For Estimation Of Sy and Error Analysissupporting

confidence: 82%

Estimation of Specific Yield and its Variability by Electrical Resistivity Tomography

Dietrich

Carrera

Weinzettel

et al. 2018

Water Resources Research

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Specific yield (Sy) is defined as the average volume of water that can be drained, per unit surface of aquifer per unit drop of head. This parameter is of critical relevance for groundwater resources assessment, but its estimation suffers from numerous difficulties, including spatial variability, hysteresis, dependence on depth to water table, or delayed drainage. As a result, no widely accepted method is available for its estimation. Here we show that most of these difficulties can be overcome by using time‐lapse electrical resistivity tomography (ERT) to map water content variations in response to phreatic level fluctuations. We applied the method to a synthetic example and to a real site in Argentina. Results demonstrate that the approach is robust and provides a picture of how, how much and where water is being released from the soil when aquifer heads drop, which is the ultimate goal of Sy concept. ERT produced some oscillations in estimated water contents, which we attribute to inversion artifacts. Still, the error analysis and the synthetic example suggest that the impact of spurious oscillations tends to cancel out during estimation of Sy, which supports the robustness of the method. Estimated Sy is sensitive to the petrophysical law. If the slope of this law is inadequate, calculated values of Sy may be biased, but their variability patterns are well captured by the method. What is clear is that Sy is a spatially and temporally variable parameter, whose estimation is difficult. ERT represents a possible avenue to evaluate Sy and its variability.

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Section: Proposed Methods For Estimation Of Sy and Error Analysissupporting

confidence: 82%

Estimation of Specific Yield and its Variability by Electrical Resistivity Tomography

Dietrich

Carrera

Weinzettel

et al. 2018

Water Resources Research

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“…Electrical resistivity tomography (ERT), which measures the spatial distribution of subsurface resistivity, has emerged as a useful geophysical tool for studying the subsurface and tracking hydrologic processes. Due to the general tendency of decreasing resistivity with increasing water content, ERT has commonly been used in a time-lapse capacity to monitor infiltration processes at the event scale (Batlle-Aguilar et al, 2009;Dietrich, Weinzettel, & Varni, 2014;Michot et al, 2003) and seasonal moisture fluctuations (French & Binley, 2004;Jayawickreme, Van Dam, & Hyndman, 2008;Kotikian, Parsekian, Paige, & Carey, 2018;Schwartz, Schreiber, & Yan, 2008;Thayer et al, 2018). Other geophysical tools such as seismic refraction and ground-penetrating radar (GPR) can provide valuable information regarding subsurface structure (Holbrook et al, 2014;McClymont, Hayashi, Bentley, & Liard, 2012;Mills, 1990;Neal, 2004;Parsekian, Singha, Minsley, Holbrook, & Slater, 2015).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Characterizing hydrological processes in a semiarid rangeland watershed: A hydrogeophysical approach

Carey

Paige

Carr

et al. 2018

Hydrological Processes

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The complex ecohydrological processes of rangelands can be studied through the framework of ecological sites (ESs) or hillslope‐scale soil–vegetation complexes. High‐quality hydrologic field investigations are needed to quantitatively link ES characteristics to hydrologic function. Geophysical tools are useful in this context because they provide valuable information about the subsurface at appropriate spatial scales. We conducted 20 field experiments in which we deployed time‐lapse electrical resistivity tomography (ERT), variable intensity rainfall simulation, ground‐penetrating radar (GPR), and seismic refraction, on hillslope plots at five different ESs within the Upper Crow Creek Watershed in south‐east Wyoming. Surface runoff was measured using a precalibrated flume. Infiltration data from the rainfall simulations, coupled with site‐specific resistivity–water content relationships and ERT datasets, were used to spatially and temporally track the progression of the wetting front. First‐order constraints on subsurface structure were made at each ES using the geophysical methods. Sites ranged from infiltrating 100% of applied rainfall to infiltrating less than 60%. Analysis of covariance results indicated significant differences in the rate of wetting front progression, ranging from 0.346 m min−1/2 for sites with a subsurface dominated by saprolitic material to 0.156 m min−1/2 for sites with a well‐developed soil profile. There was broad agreement in subsurface structure between the geophysical methods with GPR typically providing the most detail. Joint interpretation of the geophysics showed that subsurface features such as soil layer thickness and the location of subsurface obstructions such as granite corestones and material boundaries had a large effect on the rate of infiltration and subsurface flow processes. These features identified through the geophysics varied significantly by ES. By linking surface hydrologic information from the rainfall simulations with subsurface information provided by the geophysics, we can characterize the ES‐specific hydrologic response. Both surface and subsurface flow processes differed among sites and are directly linked to measured characteristics.

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“…Por otro lado, también es relevante considerar la presencia de horizontes en el perfil del suelo que dificultan la infiltración de agua y la penetración de las raíces, como lo son horizontes argílicos y petrocálcicos (Mujica y Bea, 2020;Mujica et al, 2019aMujica et al, , 2019bPazos y Mestelan, 2002) o roca. La presencia de estos horizontes podrían dificultar el acceso de la forestación al acuífero freático o el flujo del agua hacia la rizósfera, limitando así la acumulación de sales en el sistema (Mujica et al, 2019a(Mujica et al, , 2019bDietrich et al, 2014;Jobbágy and Jackson, 2004a;Shreve and Mallery, 1933).…”

Section: Factores Ambientalesunclassified

“…En muchos ambientes de llanura alrededor del mundo, incluida la región pampeana, existe la presencia de horizontes petrocálcicos a diferentes profundidades, espesores, y grados de cementación (Figura 3-1 y Figura 3-2; Duniway, Herrick, & Monger, 2010;Pazos & Mestelan, 2002). En muchos casos, estos horizontes son considerados una barrera para el desarrollo de las raíces y el flujo de agua (Dietrich et al, 2014;Shreve y Mallery, 1933). Sin embargo, cómo impacta su presencia en la dinámica de los flujos de agua, y aquella almacenada disponible para consumo de las plantas (Plant Available Water, ), han sido poco estudiados (Duniway et al, 2007(Duniway et al, , 2010.…”

Section: Introductionunclassified

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Modelación numérica de los cambios hidrogeoquímicos en la zona no saturada del suelo sometida a distintos usos primarios en la región centro-sur bonaerense

Mujica¹

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El cambio en el uso del suelo es un fenómeno que ocurre en todo el mundo y que se ha intensificado drásticamente en los últimos años generando una serie de impactos ambientales. Esta tesis se enfoca específicamente en las consecuencias del reemplazo de ecosistemas naturalmente herbáceos por plantaciones forestales en ambientes de la llanura pampeana. Para evaluar este fenómeno se recabó información de campo de distintos ambientes a lo largo de toda la región. Con esto, sumado a los trabajos previos, se observó que existen una gran cantidad de factores ambientales que afectan el proceso, y por lo tanto que es de una gran complejidad. Se determinó que los principales elementos que desencadenan la salinización están relacionados con la posibilidad de la forestación de acceder a fuentes hídricas subterráneas. Para profundizar en estos aspectos, por un lado, se realizó un monitoreo intensivo de las variables hidrológicas en una parcela para evaluar los flujos hídricos a través del horizonte petrocálcico, característica común en la región. Con esta información se elaboró un modelo de flujo y transporte. Así, se determinó que la presencia de estos horizontes constituye una barrera al crecimiento de las raíces de la forestación y a los flujos hídricos, alterando la disponibilidad de agua para la vegetación. Los horizontes petrocálcicos son una característica del ambiente que disminuye el riesgo de salinización causado por la forestación, ya que reduce la posibilidad de que esta acceda al acuífero freático. Por otro lado, para identificar y caracterizar cuáles son los procesos hidroquímicos-biológicos que se desencadenan por la forestación de pastizales, se estudió un sitio con evidencias de salinización, característico de la Pampa Deprimida. En este caso, además de mediciones hidrológicas se contó con información hidroquímica del sitio. Se utilizó la herramienta de modelación de transporte reactivo para evaluar los mecanismos de intrusión, toma selectiva, exudación, reciclaje (cycling) y mayor tasa de respiración; que produjeron salinización, sodificación, acidificación, alcalinización en los distintos sectores de una forestación de eucaliptos. El modelo nos permitió desentrañar los mecanismos, las interacciones y la magnitud de todos estos procesos de la rizósfera. A partir de esto se determinó la gran importancia de considerar las características hidrogeoquímicas del sitio, a tal punto que pueden llevar a resultados muy diferentes partiendo de una situación aparentemente igual. Además, el impacto en el ambiente puede ser irreversible, inutilizando áreas de cultivo o ambientes naturales. La salinización de pastizales forestados es un fenómeno complejo que difícilmente pueda ser abordado sin la herramienta de la modelación. En la región Pampeana esta es una problemática que sólo afecta a algunos ambientes y con prácticas de manejo adecuadas, que tengan en cuenta las características hidrogeoquímicas del sitio, se puede llevar a cabo un plan de manejo que permita la producción forestal evitando la salinización.

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Infiltration and Drainage Analysis in a Heterogeneous Soil by Electrical Resistivity Tomography

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Estimation of Specific Yield and its Variability by Electrical Resistivity Tomography

Estimation of Specific Yield and its Variability by Electrical Resistivity Tomography

Characterizing hydrological processes in a semiarid rangeland watershed: A hydrogeophysical approach

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