Evaluation of probabilistic flow in two unsaturated soils

Abstract.

A variably saturated flow model is coupled to a first-order reliability algorithm to simulate unsaturated flow in two soils. The unsaturated soil properties are considered as uncertain variables with means, standard deviations, and marginal probability distributions. Thus, each simulation constitutes an unsaturated probability flow event. Sensitivities of the uncertain variables are estimated for each event. The unsaturated hydraulic properties of a fine-textured soil and a coarse-textured soil are used. The properties are based on the van Genuchten model. The flow domain has a recharge surface, a seepage boundary along the bottom, and a no-flow boundary along the sides. The uncertain variables are saturated water content, residual water content, van Genuchten model parameters alpha (α) and n, and saturated hydraulic conductivity. The objective is to evaluate the significance of each uncertain variable to the probabilistic flow. Under wet conditions, saturated water content and residual water content are the most significant uncertain variables in the sand. For dry conditions in the sand, however, the van Genuchten model parameters α and n are the most significant. Model parameter n and saturated hydraulic conductivity are the most significant for the wet clay loam. Saturated water content is most significant for the dry clay loam.

Résumé.

Un modèle d'écoulement variable en milieu saturé est couplé à un algorithme d'exactitude de premier ordre pour simuler les écoulements en milieu non saturé dans deux sols. Les propriétés des sols non saturés sont considérés comme des variables incertaines avec des moyennes, des écarts-types et des distributions de probabilité marginale. Ainsi chaque simulation constitue un événement d'écoulement non saturé probable. La sensibilité des variables incertaines est estimée pour chaque événement. Les propriétés hydrauliques non saturées d'un sol à texture fine et d'un sol à texture grossière sont utilisées. Les propriétés sont basées sur le modèle de van Genuchten. Le domaine d'écoulement possède une surface de recharge, une limite de fuite à sa base et des limites sans écoulement sur les côtés. Les variables incertaines sont la teneur en eau à saturation, la teneur en eau résiduelle, les paramètres alpha (α) et n du modèle de van Genuchten et la conductivité hydraulique à saturation. L'objectif est d'évaluer la signification de chacune des variables incertaines dans l'écoulement probabiliste. Dans des conditions humides, la teneur en eau à saturation et la teneur en eau résiduelle sont les variables incertaines les plus significatives dans le sable. Toutefois, dans des conditions sèches dans le sable, les paramètres α et n du modèle de van Genuchten sont les plus significatifs. Le paramètre n du modèle et la conductivité hydraulique à saturation sont les plus significatifs pour un sol argileux humide. La teneur en eau à saturation est très significative pour le sol argileux sec.

Resumen.

Se ha acoplado un modelo de flujo de saturación variable con un algoritmo de fiabilidad de primer orden con el fin de simular el flujo no saturado en dos tipos de suelos. Se ha tratado las propiedades del suelo no saturado como variables inciertas, a las que se asigna las medias, desviaciones estándar y distribuciones de probabilidad marginal correspondientes. Así, cada simulación constituye un evento probabilístico de flujo no saturado y la sensibilidad de las variables inciertas es estimada para cada evento. Se ha utilizado las propiedades de la conductividad hidráulica no saturada de dos suelos con dos tipos de textura – fina y gruesa – mediante el modelo de van Genuchten. El dominio de flujo está delimitado por una superficie de recarga, base de goteo y contornos laterales de flujo nulo. Las variables inciertas son el contenido de agua residual, el de saturación, los parámetros del modelo de van Genuchten (α y n) y la conductividad hidráulica saturada. El objetivo era evaluar la contribución de cada variable incierta al flujo probabilístico. Para arenas, las variables inciertas más importantes, en condiciones de humedad, son el contenido de agua residual y el de saturación; en ausencia de humedad, lo son ambos parámetros del modelo de van Genuchten. Para margas arcillosas, las variables más significativas en condiciones húmedas son el parámetro n y la conductividad hidráulica saturada; en condiciones secas, el contenido de agua en saturación.