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

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. Key words: unsaturated flow, soil-water characteristic curve, hysteresis, climate conditions, numerical modelling, infiltration, surface run-off, moisture movement. Le present article decrit les resultats d'une modelisation numerique permettant d'etudier l'effet de l'hysteresis de la courbe caracteristique sol-eau (CCSE) sur les mecanismes d'infiltration d'eau dans des sols soumis aux quatre climats differents (tres sec a humide) qui caracterisent la province canadienne de l'Alberta. Des series de donnees recueillies sur plusieurs annees dans quatre regions et sous-regions naturelles de l'Alberta ont ete rassemblees et classees et ont servi de conditions limites dans le cadre de modelisations unidimensionnelles d'ecoulement non sature par elements finis realisees a l'aide du logiciel Hydrus-1D. On a effectue des simulations a l'echelle de plusieurs annees en prenant compte ou non l'hysteresis de la CCSE. On a analyse les resultats de ces simulations en examinant l'equilibre hydrique ainsi que la distribution temporelle de l'eau et les reserves en eau dans le sol. On a montre que l'hysteresis de la CCSE pouvait beaucoup influer sur la prediction de l'ecoulement et de la redistribution de l'eau et des reserves en eau dans la zone non saturee. On a constate que, dans le cas des sols dont la CCSE est hysteretique, lorsque l'on prend en compte de l'hysteresis lors de la modelisation de l'ecoulement insature, on predit une infiltration et des mouvements d'eau dans le sol moins importants. On a egalement remarque que, lorsqu'on utilisait les parametres de mouillage, on predisait une infiltration et des deplacements d'eau plus importants que ceux predits a l'aide des parametres de sechage. On en a conclu que, dans le cas de sols caracterises par une CCSE fortement hysteretique, il etait important de calculer precisement a la fois la portion de la CCSE correspondant au sechage et celle associee au mouillage et que, pour simuler avec precision l'hysteresis, il etait necessaire de disposer de series de donnees climatiques de resolution appropriee. Les resultats presentes dans cet article montrent qu'il est important de prendre en compte l'hysteresis de la CCSE dans le cadre de nombreux problemes geotechniques, tels que la conception de sols de couverture, la prediction de la recharge des nappes phreatiques, le transport des contaminants dans les sols non satures, l'erosion du sol, la stabilite des terrains en pente et le gonflement ou la contraction des sols gonflants. [Traduit par la Redaction]. Mots-cles : ecoulement non sature, courbe caracteristique sol-eau, hysteresis, conditions climatiques, modelisation numerique, infiltration, ecoulement de surface, deplacement d'humidite.
Introduction Problems involving groundwater flow through unsaturated soils are often analyzed using numerical models. These models require reliable input data for the soil's hydraulic functions for accurate analysis of such [...]