ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΜΕΣΩ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΕ ΣΥΣΚΕΥΗ HELE-SHAW ΜΕ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΜΑΚΡΟΠΟΡΟΥΣ

Transcript

1 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΜΕΣΩ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΕ ΣΥΣΚΕΥΗ HELE-SHAW ΜΕ ΤΕΧΝΗΤΟΥΣ ΜΑΚΡΟΠΟΡΟΥΣ Χαράλαμπος Παρασκευάς, Δημήτριος Καρπούζος, Χρήστος Μπαμπατζιμόπουλος Τομέας Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής, Τμήμα Γεωπονίας, Α.Π.Θ., 54124, Θεσσαλονίκη. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μελετάται η επιλεκτική ροή του νερού σε έδαφος με τεχνητούς μακροπόρους μέσω προσομοίωσής της σε μια πειραματική συσκευή τύπου Hele-Shaw, η οποία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ειδικά για το σκοπό αυτό. Η εγκατάσταση των μακροπόρων έγινε σε συγκεκριμένα σημεία της συσκευής, στην οποία επίσης τοποθετήθηκαν και πέντε αισθητήρες μέτρησης της εδαφικής υγρασίας. Η χρήση της συσκευής αυτής δίνει τη δυνατότητα άμεσων οπτικών παρατηρήσεων της κίνησης του νερού σε έναν όγκο εδάφους. Η πειραματική διερεύνηση της κίνησης του υγρού μετώπου έγινε μέσω ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνας φωτογραφικών στιγμιότυπων που ελήφθησαν ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Η ανάλυση εικόνας και ο προσδιορισμός του εμβαδού του υγρού μετώπου σε κάθε χρονική στιγμή υλοποιήθηκε στο υπολογιστικό περιβάλλον MATLAB. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτό το συνδυασμό της πειραματικής διάταξης και της επεξεργασίας εικόνας ήταν πολύ ικανοποιητικά. Λέξεις-κλειδιά: επιλεκτική ροή, συσκευή Hele-Shaw, MATLAB, ανάλυση εικόνας, τεχνητοί μακροπόροι STUDY OF PREFERENTIAL FLOW BY IMAGE ANALYSIS IN A HELE-SHAW MODEL WITH ARTIFICIAL MACROPORES Charalampos Paraskevas, Dimitrios Karpouzos, Christos Babajimopoulos Department of Hydraulics, Soil Science and Agricultural Engineering, A.U.Th., 54124, Thessaloniki, Greece. paraskevasb@agro.auth.gr ABSTRACT The main objective of this paper was the study of preferential flow in a soil containing artificial macropores using a Hele-Shaw type model, which was constructed for this purpose. The macropores were installed at specific points inside the device. Inside the device also, five water content measuring sensors were installed. With this device the direct visual observation of the water movement in a soil volume was possible. The experimental investigation of the water front movement was made by image analysis at snapshots taken at regular intervals. The image analysis and the computation of the area of the wetting front at each time interval was accomplished using MATLAB software. The results of the experimentation were very satisfactory. Key-words: preferential flow, Hele-Shaw device, MATLAB, image analysis, artificial macropores

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το έδαφος πολύ συχνά περιέχει μακροπόρους οι οποίοι προέρχονται από τη συρρίκνωση και ρωγμάτωσή του (μετά τη διαβροχή και την ξήρανση αυτού), από τις ρίζες των φυτών (ζωσών και μη) και τους μικροοργανισμούς του εδάφους (Αντωνόπουλος 1999). Οι παραπάνω μακροπόροι προκαλούν διαδρομές ροής μέσα στο έδαφος μέσω των οποίων το νερό και οι διαλυμένες ουσίες, που περιέχει, προσπερνούν ένα μεγάλο κομμάτι του εδάφους (Beven and Germann 1982) σε μεγάλες ποσότητες. Η ανομοιόμορφη αυτή κίνηση του νερού και των διαλυμένων ουσιών λέγεται επιλεκτική ροή (preferential flow) (Hendricks and Flury 2001, Gerke 2006, Beven and Germann 2013) και περιλαμβάνει όλα τα φαινόμενα κατά τα οποία το νερό και οι διαλυμένες ουσίες κινούνται σε συγκεκριμένους διαδρομές ροής προσπερνώντας κάποιους όγκους του εδαφικού προφίλ. Αποτέλεσμα αυτής της ανομοιόμορφης ροής είναι η ταχύτερη κίνηση του νερού και η αυξημένη συγκέντρωση νερού σε συγκεκριμένα σημεία του εδάφους. Αποτέλεσμα του φαινομένου της επιλεκτικής ροής είναι η αύξηση του κινδύνου ρύπανσης των υπόγειων νερών, από τα επιφανειακά εφαρμοζόμενα αγροχημικά, καθώς με την ταχύτερη κίνησή τους παρακάμπτεται - το βιολογικά και χημικά ενεργό - επιφανειακό τμήμα του εδάφους, με αποτέλεσμα την εξουδετέρωση της ρυθμιστικής του ικανότητας. Με τον τρόπο αυτό, τα αγροχημικά μπορούν να βρεθούν σε βαθύτερα εδαφικά στρώματα στα οποία οι διεργασίες της αποδόμησης και προσρόφησης είναι λιγότερο αποτελεσματικές. Το γεγονός αυτό προκάλεσε την ραγδαία αύξηση της έρευνας σε πειραματικό και θεωρητικό επίπεδο των προβλημάτων επιλεκτικής ροής ιδιαίτερα τις τελευταίες δύο δεκαετίες (Gerke and van Genuchten 1993, Šimůnek et al. 2003, Gärdenäs et al. 2006, Jarvis 2007). Η θεωρητική περιγραφή του φαινομένου της επιλεκτικής ροής γίνεται πολύ συχνά με διδιάστατα μαθηματικά μοντέλα, τα οποία, ανάλογα με την ικανότητά τους να περιγράψουν αποτελεσματικά τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν στο έδαφος, είναι σε θέση να περιγράψουν και να προβλέψουν την επιλεκτική κίνηση του νερού στο έδαφος πολύ ικανοποιητικά. Το κύριο πρόβλημα όμως των μοντέλων αυτών είναι η ύπαρξη πειραματικών δεδομένων για τη ρύθμιση και επαλήθευσή τους. Η λήψη των αναγκαίων μετρήσεων στον αγρό είναι ιδιαίτερα επίπονη αλλά και επισφαλής. Για το λόγο αυτό, πολύ συχνά τα απαραίτητα δεδομένα λαμβάνονται εργαστηριακά. Η συσκευή Hele-Shaw (Hele-Shaw 1898) είναι μια εργαστηριακή συσκευή που επιτρέπει την οπτική παρατήρηση φαινομένων που θα ήταν πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν στον αγρό. Κατά κανόνα, αποτελούνται από δύο διαφανείς επιφάνειες, στο εσωτερικό των οποίων τοποθετείται ένας όγκος εδάφους, επιτρέποντας την παρατήρηση της κίνησης του νερού στο εσωτερικό του εδάφους. Η χρήση συσκευών Hele-Shaw για τη μελέτη προβλημάτων επιλεκτικής ροής είναι ευρέως διαδεδομένη (Czapar et al. 1992, Buttle and Leigh 1997, Parlange et al. 2002, Papafotiou et al. 2010; Hardie et al. 2013, Zhou et al. 2013). Παράλληλα με τη χρήση της συσκευής Hele-Shaw γίνεται συχνά χρήση χρωστικών ουσιών για τη μελέτη του φαινομένου της επιλεκτικής ροής (Öhrström et al. 2002). Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη πρακτική, νερό με χρωστικές ουσίες εφαρμόζεται στην επιφάνεια του εδάφους. Το νερό με τις χρωστικές ουσίες ακολουθεί τις διαδρομές ροής του νερού στο έδαφος χρωματίζοντάς τες, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στον ερευνητή μιας οπτικής επαφής των διαδρομών ροής και των κατανομών υγρασίας στο έδαφος. Τέλος, μέσω φωτογράφισης και ανάλυσης εικόνας γίνεται η περαιτέρω κατανομή και η διασπορά των χρωστικών ουσιών στο έδαφος. Η συγκεκριμένη πρακτική είναι εξαιρετικά δαπανηρή και δύσκολο να εφαρμοσθεί με επανάληψη στο πεδίο σε αντίθεση με τις συσκευές Hele-Shaw. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη, μέσω ανάλυσης εικόνας, της κίνησης του υγρού μετώπου σε έδαφος με τεχνητούς μακροπόρους με μία συσκευή Hele-Shaw, που κατασκευάστηκε ειδικά για

3 τη μελέτη αυτή. Ο συνδυασμός της συσκευής Hele-Shaw με την ανάλυση εικόνας στιγμιότυπων ροής δίνει πολύ καλά αποτελέσματα, δημιουργώντας ένα αναλυτικό set δεδομένων για τη μελλοντική προσομοίωση της επιλεκτικής ροής. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1 Περιγραφή συσκευής Hele-Shaw Η χρήση της συσκευής Hele-Shaw δίνει τη δυνατότητα άμεσων οπτικών παρατηρήσεων της κίνησης του εδαφικού νερού σε έναν όγκο εδάφους. Για τους σκοπούς της μελέτης του φαινόμενου της επιλεκτικής ροής, κατασκευάστηκε μια νέα συσκευή Hele-Shaw (Εικόνα 1), της οποίας οι διαστάσεις καθώς και οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. ΕΙΚΟΝΑ 1. Συσκευή Hele-Shaw με όργανο μέτρησης θερμοκρασίας και ατμοσφαιρικής υγρασίας. ΕΙΚΟΝΑ 2. Θέση τεχνητών μακροπόρων και αισθητήρων μέτρησης εδαφικής υγρασίας στη συσκευή Hele-Shaw (πίσω όψη)

4 H συσκευή αυτή σχεδιάστηκε εξ αρχής σύμφωνα με παρόμοιες συσκευές που παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία σε αντίστοιχες πειραματικές διατάξεις. Η συσκευή πληρώθηκε με χονδρόκοκκη άμμο και στο εσωτερικό της τοποθετήθηκαν δύο μεγάλου μήκους (20 και 40 cm) τεχνητοί μακροπόροι (διάτρητοι σωλήνες μικρής διατομής) και δύο μικρού μήκους (10 cm) σε συγκεκριμένες θέσεις (Εικόνα 2). Στο επάνω μέρος της συσκευής τοποθετήθηκε τριπλός αγωγός με πυκνούς σταλακτήρες. Ο αγωγός αυτός δημιουργεί σχεδόν άμεσα συνθήκες κατάκλυσης στο έδαφος της συσκευής Hele-Shaw, ενισχύοντας τη δημιουργία του φαινόμενου της επιλεκτικής ροής. Στη βάση της συσκευής υπάρχουν οπές στράγγισης μέσω των οποίων συλλέγεται σε ειδικά δοχεία το στραγγιστικό νερό που φτάνει στην κάτω βάση της συσκευής. Η χρήση χονδρόκοκκης άμμου έγινε για την ελαχιστοποίηση δημιουργίας ρωγμών και σχισμών στο έδαφος πέριξ των τεχνητών μακροπόρων. Η χρήση τεχνητών μακροπόρων είναι μια συνήθης πρακτική για την μελέτη του φαινομένου της επιλεκτικής ροής σε αμμώδη εδάφη (Czapar et al. 1992, Buttle and Leigh 1997, Castiglione et al. 2003, Lamy et al. 2009, Zhou et al. 2013). Για την ποσοτικοποίηση του φαινομένου, τοποθετήθηκαν εντός της συσκευής σε συγκεκριμένες θέσεις (Εικόνα 2) αισθητήρες μέτρησης εδαφικής υγρασίας EC5 της εταιρείας Decagon (Decagon 2012). Η τοποθέτηση τους έγινε παράλληλα με την εισαγωγή της άμμου στη συσκευή με στόχο την ελαχιστοποίηση της διατάραξης του εδάφους εντός αυτής. Πλησίον της συσκευής τοποθετήθηκε συσκευή μέτρησης υγρασίας της ατμόσφαιρας και της θερμοκρασίας του αέρα (δεξιά στην Εικόνα 1). Για τη βελτίωση των αποτελεσμάτων των εικόνων των υγρών προφίλ επιλέχθηκε η χρήση χρωστικής ουσίας για να δημιουργηθεί η κατάλληλη χρωματική αντίθεση. Κατόπιν βιβλιογραφικής έρευνας επιλέχθηκε η χρήση της χρωστικής ουσίας Εριογλαυσίνη Α (Brilliant Blue). Η συγκεκριμένη χρωστική χρησιμοποιείται ευρέως σε ανάλογες πειραματικές εργασίες (Flury and Fliihler 1994, Ketelsen and Meyer-Windel 1999, Vryzas et al. 2012, Wang et al. 2013). 2.2 Ανάλυση εικόνας υγρού μετώπου Η μελέτη της κίνησης του υγρού μετώπου έγινε με λήψη φωτογραφιών και επεξεργασία τους στο MATLAB. Στην πρώτη φάση επεξεργασίας έγινε η μετατροπή της εικόνας από έγχρωμη σε εικόνα με αποχρώσεις του γκρι χρώματος. Στη συνέχεια η εικόνα μετατράπηκε σε ασπρόμαυρη. Σύμφωνα με αυτή τη μετατροπή, η προς επεξεργασία εικόνα μετατρέπεται σε δυαδική μορφή (δηλαδή το κάθε εικονοστοιχείο (pixel) αυτής ισούται με 0 για το μαύρο χρώμα και 1 για το λευκό). Στο τελευταίο στάδιο της επεξεργασίας εφαρμόζεται ένα διδιάστατο φίλτρο wiener (Lim 1990) για την απομάκρυνση του θορύβου (που προέκυψε από τις παραπάνω μετατροπές) της εικόνας. Η μαθηματική περιγραφή ενός τέτοιου φίλτρου δίνεται από τη σχέση: 2 2 σ ν final(n,n ) μ initial(n,n ) μ (1) σ όπου final(n1,n2) είναι η έξοδος του σήματος - εικόνας μετά την επεξεργασία, μ και σ η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση του σήματος της εικόνας αντίστοιχα, ν η τυπική απόκλιση του θορύβου και initial(n1,n2) η είσοδος του σήματος - εικόνας προς επεξεργασία. Οι τιμές του final(n1,n2) και του initial(n1,n2) στην Εξίσωση (1) αφορούν το κάθε pixel της εικόνας μετά και πριν την επεξεργασία αντίστοιχα. Το σύνολο των σημάτων final και initial συνθέτουν την τελική και αρχική εικόνα αντίστοιχα. Η λήψη των φωτογραφιών έγινε με χρονικό βήμα 20 δευτερολέπτων για τις πρώτες τρεις ώρες μετά το συμβάν της προσθήκης νερού στο έδαφος της συσκευής. Ακολούθως, και για διάστημα δύο ημερών, λαμβάνονταν φωτογραφίες ανά 30 λεπτά. Ο λόγος που αυξήθηκε το χρονικό βήμα ήταν γιατί μετά το πέρας των τριών πρώτων ωρών πολύ μικρές διαφορές δημιουργούνταν στην κίνηση του εδαφικού νερού. Τα παραπάνω χρονικά βήματα για το συγκεκριμένο εδαφικό τύπο (ελαφρύ)

5 κρίνονται αρκούντως ικανοποιητικά για την περιγραφή του φαινομένου και παράλληλα δεν δημιουργούν ένα μεγάλο μη διαχειρίσιμο όγκο φωτογραφιών. 2.3 Συνθήκες εκτέλεσης της πειραματικής διερεύνησης Οι συνθήκες σύμφωνα με τις οποίες εκτελέστηκε η πειραματική διερεύνηση είναι οι ακόλουθες: Η εδαφική υγρασία πριν την άρδευση κυμαίνονταν μεταξύ 13-23% κατ όγκο για τους πέντε αισθητήρες μέτρησης της εδαφικής υγρασίας. Το χρονικό βήμα καταγραφής των εδαφικών υγρασιών και για τους πέντε αισθητήρες λήφθηκε ίσο με ένα λεπτό. Η θερμοκρασία σε όλη τη διάρκεια του πειραματικού κυμαινόταν μεταξύ 19 και 25 o C και η υγρασία της ατμόσφαιρας μεταξύ 63-75%. Ο όγκος νερού που προστέθηκε στην πειραματική εκτέλεση ήταν 2 L στα οποία προστέθηκαν 6 g Εριογλαυσίνης Α για το χρωματισμό του. Τέλος, σε όλη τη διάρκεια του πειραματικού δεν παρατηρήθηκε στράγγιση από το κάτω όριο της συσκευής. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3.1 Αποτελέσματα ανάλυσης εικόνας υγρού μετώπου Σύμφωνα με τη διαδικασία που περιεγράφηκε στην Παράγραφο 2.2 έγινε μετατροπή όλων των στιγμιότυπων του υγρού μετώπου σε πίνακες δυαδικής μορφής (άσπρο - μαύρο). Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται ένα τυπικό στιγμιότυπο, που προέκυψε από αυτή τη διαδικασία. Ακολούθως, αθροίζοντας το σύνολο των μαύρων εικονοστοιχείων (τα οποία αντιπροσωπεύουν το υγρό μέρος του εδάφους) και διαιρώντας τα με το πλήθος των εικονοστοιχείων της εικόνας λαμβάνεται το ποσοστό διαβροχής του εδάφους για τη δεδομένη χρονική στιγμή. ΕΙΚΟΝΑ 3. Στιγμιότυπο υγρού μετώπου (φωτογραφία RGB) (αριστερά) και το αντίστοιχο επεξεργασμένο προφίλ με MATLAB (δεξιά) Για την περαιτέρω ανάλυση της εικόνας, το κάθε στιγμιότυπο χωρίσθηκε σε τρία ίσα μέρη (τριτημόρια) καταλαμβάνοντας το 33% της κάθε εικόνας το οποίο αντιστοιχεί σε 22 cm εδάφους, κατά πλάτος, της συσκευής. Για λόγους καλύτερης απεικόνισης των αποτελεσμάτων, επιλέχθηκε η αφαίρεση 4 cm εικόνας (2 cm από κάθε κατακόρυφη πλευρά) (Εικόνα 4). Στην ίδια εικόνα παρουσιάζεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα της επεξεργασίας εικόνας του τελευταίου στιγμιότυπου του πειραματικού.

6 Τριτημόριο 1 (αριστερό) 2 μακροπόροι (μήκους 10 cm έκαστος) 22 cm πλάτος 60 cm ύψος Τριτημόριο 2 (κεντρικό) 1 μακροπόρος (μήκους 20 cm) 22 cm πλάτος 60 cm ύψος Τριτημόριο3 (δεξιό) 1 μακροπόρος (μήκους 40 cm) 22 πλάτος 60 cm ύψος ΕΙΚΟΝΑ 4. Σχηματική απεικόνιση τελικής εικόνας (επάνω τμήμα πριν την επεξεργασία από τη MATLAB και κάτω τμήμα μετά την επεξεργασία) Στην Εικόνα 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της συνολικής επεξεργασίας όλων των φωτογραφιών σε τρία τριτημόρια, στην οποία και φαίνεται η εξέλιξη της κίνησης του υγρού μετώπου ως ποσοστού διαβροχής. Για λόγους οπτικής αποσυμφόρησής της, δεν εμφανίζονται όλα τα σημεία (στιγμιότυπα). Είναι σαφές ότι η μορφή του υγρού μετώπου εξαρτάται από την ύπαρξη μακροπόρων. Όπως φαίνεται ξεκάθαρα το δεξιό τριτημόριο (στον οποίο υπάρχει ο μεγαλύτερος μακροπόρος των 40 cm) υπερέχει ως προς το ποσοστό διαβροχής σε σχέση με τα υπόλοιπα δύο. Συγκεκριμένα το ποσοστό διαβροχής στο τριτημόριο αυτό φτάνει στο 65.02%. Στα άλλα δύο τριτημόρια (αριστερό και κεντρικό) δεν παρατηρούνται μεγάλες διαφορές. Στο αριστερό τριτημόριο (με δύο μικρούς μακροπόρους των 10 cm) το ποσοστό διαβροχής φτάνει στο 22.68% και στο κεντρικό (με ένα μακροπόρο των 20 cm) το ποσοστό διαβροχής φτάνει στο 26.64%. Παρόλο που η τελική τιμή του ποσοστού διαβροχής του αριστερού τριτημορίου είναι μικρότερή από αυτήν του κεντρικού τριτημορίου, στην αρχή του φαινομένου, όπως φαίνεται και στη μεγέθυνση στην Εικόνα 5, το αριστερό τριτημόριο υπερτερεί σε ποσοστά διαβροχής έναντι του κεντρικού, γεγονός που οφείλεται στην ύπαρξη περισσοτέρων μακροπόρων. Τέλος, στην Εικόνα 5 παρουσιάζεται και η συνολική (αφορά και τα τρία τριτημόρια) διακύμανση του ποσοστού διαβροχής, η τελική τιμή της οποίας είναι 37.71%.

7 ΕΙΚΟΝΑ 5. Διακύμανση του ποσοστού διαβροχής για τα τρία τριτημόρια του κάθε στιγμιότυπου (αριστερό, κεντρικό και δεξιό) Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, παράλληλα με τη λήψη φωτογραφιών γινόταν και καταγραφή της διακύμανσης της υγρασίας στο εσωτερικό της συσκευής Hele-Shaw. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται η διακύμανση της υγρασίας του εδάφους, που μετρήθηκε με τους πέντε αισθητήρες EC5. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2, οι αισθητήρες 1 και 5 τοποθετήθηκαν στα 30 cm από την επιφάνεια του εδάφους Hele-Shaw, οι αισθητήρες 2 και 4 στα 10 cm και τέλος ο αισθητήρας 3 στο βαθύτερο σημείο και συγκεκριμένα στα 45 cm. Οι μετρήσεις των αισθητήρων φαίνεται να ανταποκρίνονται στην προσθήκη νερού και παρουσιάζουν και την επιθυμητή χρονική διαφορά, που δικαιολογείται από τα διαφορετικά βάθη στα οποία είναι αυτοί εγκατεστημένοι. ΕΙΚΟΝΑ 6. Διακύμανση εδαφικής υγρασίας των 5 αισθητήρων EC5 της συσκευής Hele-Shaw

8 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η επιλεκτική ροή του νερού και των ουσιών στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους είναι μια σύνθετη διαδικασία, η οποία χαρακτηρίζεται από ραγδαιότητα στην κίνηση του νερού και των ουσιών καθώς και από μεγάλη ανομοιομορφία στο σχηματισμό των υγρών μετώπων. Η κατάλληλα σχεδιασμένη συσκευή Hele-Shaw φαίνεται ότι αποτελεί ένα πολύ καλό εργαλείο για τη μελέτη αντίστοιχων φαινομένων επιτρέποντας την επαναληψιμότητα και την εύκολη παρατήρηση διαδικασιών, οι οποίες δεν θα μπορούσαν να μελετηθούν σε συνθήκες αγρού. Η τοποθέτηση τεχνητών μακροπόρων στο εσωτερικό της συσκευής Hele-Shaw βοηθάει στην κατανόηση της συμπεριφοράς των αντίστοιχων φυσικών μακροπόρων. Τέλος, η λήψη φωτογραφιών και η επεξεργασία τους στο περιβάλλον της MATLAB δίνουν μια ακόμη καλύτερη περιγραφή του φαινομένου της επιλεκτικής ροής μέσω της ποσοτικοποίησης του ποσοστού διαβροχής των ακανόνιστων υγρών μετώπων. Τα παραπάνω αποτελούν τα απαραίτητα αλλά και δυσεύρετα δεδομένα στην κατεύθυνση μιας ολοκληρωμένης μοντελοποίησης του φαινομένου της επιλεκτικής ροής. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η πειραματική διάταξη της εργασίας αυτής δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του έργου Πειραματική αξιολόγηση του φαινομένου της επιλεκτικής ροής σε διάφορα είδη εδαφών με συσκευή Hele-Shaw (Κωδικός έργου: 89326), Δράση Γ: Ενίσχυση Ερευνητικής Δραστηριότητας Βασικής Έρευνας στο Α.Π.Θ. μέσω της Επιτροπής Ερευνών Επιστημονικά υπεύθυνος: Καρπούζος Δημήτριος, Επίκουρος Καθηγητής Α.Π.Θ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Beven K., Germann P. (1982). Macropores and water flow in soils. Water Resources Research, 18, Beven K., Germann P. (2013). Macropores and water flow in soils revisited. Water Resources Research, 49, Buttle J., Leigh D. (1997). The influence of artificial macropores on water and solute transport in laboratory soil columns. Journal of Hydrology, 191, Castiglione P., Mohanty B., Shouse P., Simunek J., van Genuchten M., Santini A. (2003). Lateral water diffusion in an artificial macroporous system. Vadose Zone Journal, 2, Czapar G., Horton R., Fawcett R. (1992). Herbicide and tracer movement in soil columns containing an artificial macropore. Journal of Environmental Quality, 21, Decagon. (2012). EC-5 Soil Moisture Sensor User s manual (version 2). Pullman, Washington. Flury M., Fliihler H. (1994). Brilliant blue FCF as a dye tracer for solute transport studies - a toxicological overview. Journal of Environmental Quality, 23, Gärdenäs A., Šimůnek J., Jarvis N., van Genuchten M. (2006). Two-dimensional modelling of preferential water flow and pesticide transport from a tile-drained field. Journal of Hydrology 329, Gerke H. (2006). Preferential flow descriptions for structured soils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 169, Gerke H., van Genuchten M. (1993). A dual-porosity model for simulating the preferential movement of water and solutes in structured porous media. Water Resources Research, 29, Hardie M., Lisson S., Doyle R., Cotching W. (2013). Determining the frequency, depth and velocity of preferential flow by high frequency soil moisture monitoring. Journal of Contaminant Hydrology, 144, Hele-Shaw H.S. (1898). Flow of Water. Nature, 58,

9 Hendrickx J., Flury M. (2001). Uniform and preferential flow mechanisms in the vadose zone. p In Hsieh, P. (ed.), Conceptual models of flow and transport in the fractured vadose zone. National Academy Press, Washington, D.C. Jarvis N. (2007). A review of non equilibrium water flow and solute transport in soil macropores: Principles, controlling factors and consequences for water quality. European Journal of Soil Science, 58, Ketelsen H., Meyer-Windel S. (1999). Adsorption of brilliant blue FCF by soils. Geoderma, 90, Lamy E., Lassabatere L., Bechet B., Andrieu H. (2009). Modeling the influence of an artificial macropore in sandy columns on flow and solute transfer. Journal of Hydrology, 376, Lim J.S. (1990). Two-Dimensional Signal and Image Processing. Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall. Öhrström P., Persson M., Albergel J., Zante P., Nasri S., Berndtsson R., Olsson J. (2002). Field-scale variation of preferential flow as indicated from dye coverage. Journal of Hydrology, 257, Papafotiou A., Schütz C., Lehmann P., Vontobel P. (2010). Measurement of preferential flow during infiltration and evaporation in porous media. p In International Congress of the Geological Society of Greece Planet Earth: Geological processes and Sustainable development (2010 May 19-22). Patras, Greece. Parlange J., Steenhuis T., Li L. (2002). Column flow in stratified soils and fingers in Hele-Shaw cells: a review. Geophysical Monograph, 129, Šimůnek J., Jarvis N., van Genuchten M., Gärdenäs A. (2003). Review and comparison of models for describing non-equilibrium and preferential flow and transport in the vadose zone. Journal of Hydrology, 272, Vryzas Z., Papadakis E., Papadopoulou-Mourkidou E. (2012). Leaching of Br-, metolachlor, alachlor, atrazine, deethylatrazine and deisopropylatrazine in clayey vadoze zone: a field scale experiment in north-east Greece. Water Research, 46, Wang K., Zhang R., Sheng F. (2013). Characterizing Heterogeneous Processes of Water Flow and Solute Transport in Soils Using Multiple Tracer Experiments. Vadose Zone Journal., DOI /vzj Zhou B., Li Y., Wang Q., Jiang Y., Li S. (2013). Preferential water and solute transport through sandy soil containing artificial macropores. Environmental Earth Sciences, 70, Αντωνόπουλος Β. (1999). Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του εδάφους. Υπηρ. Δημοσιευμάτων, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη.