Soil-water-solute process characterization : an integrated approach

Table of Contents Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Editors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Section I Integration of Soil Process Characterization Chapter 1 Multidisciplinary Approach for Assessing Subsurface Non-Point Source Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Dennis L. Corwin and Keith Loague 1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 Definition and Characteristics of NPS Pollution. . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 The NPS Pollution Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2.1 The Issue of Health. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2.2 Global Scope and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2.3 Common NPS Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.3 Justification for Assessing NPS Pollution in Soil . . . . . . . . . . . 9 1.2 Multidisciplinary Approach for Assessing Subsurface NPS Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Deterministic Modeling Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1.1 Model Conceptualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1.2 Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.1.3 Verification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1.4 Sensitivity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1.5 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.1.6 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.1.7 Simulation and Uncertainty Analysis. . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.2 Spatial Factors to Consider When Modeling NPS Pollutants in Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.2.1 Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.2.2 Spatial Variability and Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.3 Modeling NPS Pollutants in Soil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.3.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2.3.1.1 Measured Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2.3.1.2 Estimated Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.3.1.3 Existing Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.3.2 GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.3.3 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.3.3.1 GIS-Based Deterministic Models . . . . . . . 37 1.2.3.3.2 GIS-Based Stochastic Models . . . . . . . . . . 38 1.2.4 Role of Geostatistics and Fuzzy Set Theory. . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.3 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.3.1 San Joaquin Valley Groundwater Vulnerability Study . . . . . . 42 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chapter 2 Spatial and Temporal Variability of Soil Processes: Implications for Method Selection and Characterization Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Chris G. Campbell and Fernando Garrido 2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.1 Need for Field Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.2 Preliminary Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.1.2.1 Determinism in Soil Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.1.2.2 Stochasticity in Soil Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2 On Spatial Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3 On Temporal Variability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.4 Issues in Field Study Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.4.1 Issues of Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.4.2 Characterizing Scale of Study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.4.3 Irrigation, Solute Delivery, and Three-Dimensional Flow. . . 73 2.5 Summary and Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Appendix: Breakthrough Curve Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Moment Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Temporal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Chapter 3 Modeling as a Tool for the Characterization of Soil Water and Chemical Fate and Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Javier A ´ lvarez-Benedý´, Rafael Mun˜ oz-Carpena and Marnik Vanclooster 3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2 General Conceptualization of Soil Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.1 Instantaneous Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.2.2 Irreversible Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.2.3 Reversible kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.4 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3 Soil-Water Transport Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.1 Classical Description of Water Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.2 Characterization of Water Content–Pressure Head and Hydraulic Conductivity–Pressure Head Relationships . . . . . . 98 xx Table of Contents 3.3.3 Dual Porosity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4 Soil-Solute Transport Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.4.1 Classical Description of Solute Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.4.2 Nonequilibrium Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.4.3 Solute Dispersion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4.4 Sorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4.5 Volatilization and Gas Solubility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.4.6 Transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.5 Modeling Soil Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.5.1 Building Soil Processes Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.5.2 Inverse Characterization of Soil Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Section II Soil and Physical Processes: Energy and Water Chapter 4 Techniques for Characterizing Water and Energy Balance at the Soil-Plant-Atmosphere Interface . . . . . . . . . . . . . 123 M. J. Polo, J. V. Gira´ ldez, M. P. Gonza´ lez-Dugo and K. Vanderlinden 4.1 The Components of Water and Energy Balances: Description and Nature of Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.1.1 Description and Nature of Processes and Associated Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.1.2 Different Approaches and Spatiotemporal Scales . . . . . . . . . . . 127 4.1.3 Remote Sensing: Potential as a Global Data Source. . . . . . . . 128 4.2 Modeling of the Water and Energy Balance at the Soil-Plant-Atmosphere Interface and Scale Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2.1 The Use of Models for the Description of Soil-Plant-Atmosphere Exchange Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2.1.1 A Simple Water and Energy Balance Model: The Interaction between Land and Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2.1.2 The Force Restore Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.2.1.3 Dynamics of Soil Moisture Using a Simple Water Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.2.1.4 Exploration of Optimal Conditions for Vegetation through a Water Balance Model . . . . . . . 133 4.2.1.5 Strengths and Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.2.2 Interaction of Model Development and Temporal and Spatial Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.2.3 Hydrologic Data Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Table of Contents xxi 4.3 The Vegetation Components: Measurement Methods. . . . . . . . . . . . . . 140 4.3.1 Interception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.3.1.1 Methods of Estimation of Interception . . . . . . . . . . . . 141 4.3.1.2 Strengths and Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.3.2 Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.3.2.1 Conservation of Mass Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.3.2.2 Conservation-of-Energy Approach . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.3.2.3 Plant Physiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.3.2.4 ET Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.3.2.5 Strengths and Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.3.3 Recharge and Temporal Soil Water Content Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.4 The Remote Sensing Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.4.1 Relations between Spectral Measurements and Biophysical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.4.1.1 VIS-NIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.4.1.2 Thermal Infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.4.1.3 Microwave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.4.1.4 Strengths and Weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.5 Recommendations and Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Chapter 5 Field Methods for Monitoring Soil Water Status. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Rafael Mun˜ oz-Carpena, Axel Ritter and David Bosch 5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.2 Methods of Characterization: Trade-offs: Comparative Study . . . . . 170 5.2.1 Volumetric Field Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.2.1.1 Neutron Moderation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.2.1.2 Dielectric Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.2.1.2.1 Time Domain Reflectometry (TDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5.2.1.2.2 Frequency Domain (FD): Capacitance and FDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5.2.1.2.3 Amplitude Domain Reflectometry (ADR): Impedance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 5.2.1.2.4 Phase Transmission (Virrib) . . . . . . . . . . . . 178 5.2.1.2.5 Time Domain Transmission (TDT) . . . . . 179 5.2.1.3 Other Volumetric Field Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.2.2 Tensiometric Field Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.2.2.1 Tensiometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.2.2.2 Resistance Blocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2.2.2.1 Gypsum (Bouyoucos) Block . . . . . . . . . . . . 183 xxii Table of Contents 5.2.2.2.2 Granular Matrix Sensors (GMS) . . . . . . . 184 5.2.2.3 Heat Dissipation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5.2.2.4 Soil Psychrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.3 Recommendations and Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Chapter 6 Measurement and Characterization of Soil Hydraulic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 W. D. Reynolds and D. E. Elrick 6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 6.2 Principles of Soil Water Flow and Parameter Definitions . . . . . . . . . . 199 6.3 Field Methods for In Situ Measurement of Soil Hydraulic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 6.3.1 Ring Infiltrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.3.1.1 Ring Infiltration Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.3.1.1.1 Steady-State Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.3.1.1.2 Transient Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.3.1.2 Single-Ring and Double-Ring Infiltrometer Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 6.3.1.2.1 Traditional Steady Flow Analyses . . . . . . 207 6.3.1.2.2 Updated Steady Flow Analyses. . . . . . . . . 208 6.3.1.2.3 Traditional Transient Flow Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.3.1.2.4 Updated Transient Flow Analyses . . . . . . 212 6.3.1.3 Twin-Ring and Multiple-Ring Infiltrometer Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 6.3.1.4 Generalized Steady Flow Analysis for Ring Infiltrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 6.3.1.5 Calculation of Matric Flux Potential, Sorptivity, and Wetting Front Pressure Head. . . . . . 216 6.3.1.6 Strengths and Weaknesses of Ring Infiltrometer Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 6.3.2 Well or Borehole Permeameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 6.3.2.1 Well Permeameter Flow Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 6.3.2.2 Original Well Permeameter Analysis . . . . . . . . . . . . . . 221 6.3.2.3 Updated Well Permeameter Analyses . . . . . . . . . . . . . 222 6.3.2.3.1 Improved Steady Flow Analyses. . . . . . . . 222 6.3.2.3.2 Transient Flow Analyses . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.3.2.4 Strengths and Weaknesses of Well Permeameter Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 6.3.3 Tension or Disc Infiltrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 6.3.3.1 Tension Infiltrometer Flow Theory. . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.3.3.2 Steady Flow — Multiple Head Tension Infiltrometer Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Table of Contents xxiii 6.3.3.3 Transient Flow — Single Head Tension Infiltrometer Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 6.3.3.4 Accounting for Contact Sand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.3.3.5 Strengths and Weaknesses of the Tension Infiltrometer Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 6.3.4 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.3.4.1 Instantaneous Profile Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.3.4.2 Strengths and Weaknesses of the Instantaneous Profile Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 6.4 Recommendations for Further Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 6.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Chapter 7 Unraveling Microscale Flow and Pore Geometry: NMRI and X-Ray Tomography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Markus Deurer and Brent E. Clothier 7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 7.2 Nuclear Magnetic Resonance Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 7.2.1 Measurement Principle: The Behavior of Spins in Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 7.2.2 Fourier Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 7.2.2.1 Pulse Sequence Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 7.2.2.2 Key Hardware Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 7.2.2.2.1 NMR Magnet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 7.2.2.2.2 NMR Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 7.2.2.2.3 Magnetic Field Gradient Coils . . . . . . . . . 267 7.2.2.2.4 NMR Imaging Spectrometer . . . . . . . . . . . 268 7.2.3 Applications of NMRI to Soil-Plant-Water Processes . . . . . . 268 7.2.4 Strengths and Weaknesses of NMR Imaging . . . . . . . . . . . . . . . 271 7.2.4.1 Strengths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 7.2.4.2 Weaknesses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 7.3 X-Ray Computed Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 7.3.1 Measurement Principle: Attenuation of X-Ray Photon Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 7.3.2 Measurement Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 7.3.3 Analysis of Measured Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 7.3.3.1 Interpretation of Attenuation Coefficients . . . . . . . . . 274 7.3.3.1.1 Homogeneous Object and Monochromatic X-Rays. . . . . . . . . . . . . . . . 274 7.3.3.1.2 Heterogeneous Object and Monochromatic X-Rays. . . . . . . . . . . . . . . . 276 7.3.1.1.3 Heterogeneous Object and Polychromatic X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 7.3.3.2 Image Reconstruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 xxiv Table of Contents 7.3.4 Applications of X-Ray Tomography to Soil-Plant-Water Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 7.3.5 Strengths and Weaknesses of X-Ray Tomography. . . . . . . . . . 281 7.3.5.1 Strengths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 7.3.5.2 Weaknesses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 7.4 Use of NMRI and X-Ray Tomography for Practical Engineering Purposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 7.5 Prospects and Future Research Imperatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.5.1 Microscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.5.2 Macroscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Chapter 8 Preferential Flow: Identification and Quantification . . . . . . . . 289 Adel Shirmohammadi, H. Montas, Lars Bergstro¨ m, Ali Sadeghi and David Bosch 8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 8.2 Background on Preferential Flow Processes and Identification. . . . . 291 8.3 Quantification of Preferential Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 8.3.1 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 8.3.2 Theoretical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 8.3.2.1 Mechanistic, Single-Domain, Derived Stochastically (Averaging) with Deterministic Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 8.3.2.2 Empirical Single-Domain, Deterministic. . . . . . . . . . . 297 8.3.2.3 Mechanistic, Bidomain and Multidomain, Deterministic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 8.3.2.4 Mechanistic, Single-Domain, Stochastic . . . . . . . . . . . 300 8.3.2.5 A New Three-Domain Infiltration Concept for Structured Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 8.4 Summary and Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Section III Soil and Solutes Processes Chapter 9 Field Methods for Monitoring Solute Transport . . . . . . . . . . . . 309 Markus Tuller and Mohammed R. Islam 9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 9.2 Direct Extraction of Soil Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 9.2.1 Field Methods for In Situ Extraction of Soil Solution . . . . . 310 9.2.1.1 Suction Cups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Table of Contents xxv 9.2.1.2 Combined Solution Sampling — Tensiometer Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 9.2.1.3 Suction Lysimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 9.2.1.4 Passive Capillary Samplers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 9.2.1.5 Capillary Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 9.2.2 Solution Extraction from Soil Samples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 9.3 Indirect Field Methods for Determining Solute Concentration . . . . . 321 9.3.1 Time Domain Reflectometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 9.3.2 Electrical Resistivity Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 9.3.3 Electromagnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 9.3.4 Porous Matrix Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 9.3.5 Fiber Optic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 9.4 Comparison of Direct and Indirect Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 9.5 Case Studies and Recommendations for Future Research . . . . . . . . . 337 9.5.1 Detailed Characterization of Solute Transport in a Heterogeneous Field Soil with Fiber Optic Mini Probes and Time Domain Reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 9.5.2 Monitoring Snowmelt-Induced Unsaturated Flow and Transport Using Electrical Resistivity Tomography and Suction Samplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 9.5.3 Recommendations for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Chapter 10 Time Domain Reflectometry as an Alternative in Solute Transport Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Iris Vogeler, Steve Green and Brent E. Clothier 10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 10.2 TDR System for Monitoring Water and Solute Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 10.2.1 The Measurement System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 10.2.2 TDR Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 10.2.3 Experimental Setup for Laboratory Experiments . . . . . . . . . 361 10.2.4 Probe Design and Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 10.2.5 TDR Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 10.2.5.1 Soil Moisture Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 10.2.5.2 Solute Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 10.2.6 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 10.2.6.1 Direct Calibration Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 10.2.6.2 Indirect Calibration Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . 372 10.2.6.2.1 Pulse Application. . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 10.2.6.2.2 Continuous Solute Application . . . . 373 10.2.7 Transport Models Linked to TDR Measurements. . . . . . . . 374 xxvi Table of Contents 10.2.8 Strength and Weakness of TDR for Solute Transport Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 10.3 Application of TDR for Solute Transport Studies . . . . . . . . . . . . . . . . 377 10.3.1 Steady-State Water Flow and Inert Solutes . . . . . . . . . . . . . . 377 10.3.2 Transient Flow and Inert Solutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 10.3.3 Reactive Solutes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 10.4 Recommendations and Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Chapter 11 Characterization of Solute Transport Through Miscible Displacement Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 J. A ´ lvarez-Benedý´, C. M. Regalado, A. Ritter and S. Bolado 11.1 Characterization of Solute Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 11.2 Breakthrough Curve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 11.2.1 The Miscible Displacement Experiment and Its Mathematical Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 11.2.1.1 Flux, Resident, and Time-Averaged Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 11.2.1.1.1 Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . 397 11.2.1.1.2 Flux, Averaged, and Time Resident Concentrations . . . . . . . . . . . 398 11.2.1.2 Boundary Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 11.2.1.2.1 Inlet Boundary Conditions. . . . . . . . . 400 11.2.1.2.2 Outlet Boundary Conditions . . . . . . . 402 11.2.1.3 Tracers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 11.2.2 Analysis of the Breakthrough Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 11.2.2.1 Effect of Transport Mechanisms on the BTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 11.2.2.2 Moment Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 11.2.2.3 Characterizing Transport Mechanisms through Inverse Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 11.2.2.4 Application for Sorbed Solutes: Estimation of the Retardation Factor. . . . . . . . . . 410 11.2.3 Beyond BTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 11.3 Techniques for Characterizing Nonequilibrium during Solute Transport in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 11.3.1 Techniques Based on Breakthrough Curves . . . . . . . . . . . . . . 414 11.3.1.1 Effect of Variation of the Pore Water Velocity. 416 11.3.1.2 Single and Multiple Tracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 11.3.1.3 Flow-Interruption Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 11.3.2 Estimation of Nonequilibrium Parameters From Simple Experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 11.3.2.1 Single Tracer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 11.3.2.2 Sequential Tracer Technique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Table of Contents xxvii 11.4 Recommendations and Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Chapter 12 Methods to Determine Sorption of Pesticides and Other Organic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Juan Cornejo, Ma Carmen Hermosý´n, Rafael Celis and Lucý´a Cox 12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 12.2 Sorption and Other Soil Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 12.2.1 Sorption–Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 12.2.2 Sorption–Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 12.3 Characterizing Sorption–Desorption Processes . . . . . .