Characterization, visualization and quantification of soil macropores and preferential flow using spect and x-ray cat scanning.

The presence of soil macropores provides an opportunity for water and associated chemicals to move preferentially through the vadose zone. Most studies on the characterization of macropore flow consider the soil system to be a "black-box". Thus, efforts to describe macropores in quantitative terms have not yet resulted in a comprehensive theoretical framework that allows for a complete representation of their geometry and their effect on preferential flow. Macropore networks in four large undisturbed soil columns (850 mm x 77 mm diameter), were quantified and visualized, both in 2-D and 3-D, using X-ray Computer Assisted Tomography (CAT). Macropore quantification included two-dimensional parameters (i.e., number of macropores, macropore size, hydraulic radius, rectangularity and circularity), and three-dimensional and topological parameters (i.e., macropore length, volume, 3-D hydraulic radius, tortuosity, numerical density, coordination number, and connectivity). Pores larger or equal to 1.0 mm in equivalent diameter were readily detected, visualized and quantified. It was found that the average macroporosity of four soil columns varied between 2.1 and 3.8 %. From the hydraulic radius distribution, it was inferred that about 20 % of macropore throats have a diameter of 1.6 mm. It was found that the majority of macro pore networks had a length of 40 mm, a volume of 60 mm3 and a wall area of 175 mm2 . Breakthrough of potassium iodide was monitored with X-ray CAT scanning. This approach allowed for real-time examination of flow mechanisms through the macropore and matrix flow domains at various depths along the soil column. Flow in the matrix domain suggested that part of the matrix contains small pores (mesopores) that were connected to macropore networks. It is suggested that the matrix domain should be subdivided into two regions: mesopores and micropores. In addition, the macropore domain should be defined both in terms of macropore geometry and its ability to convey the tracer preferentially. [...]La presence de macropores entraine une infiltration rapide, dite préférentielle, de composes chimiques, tels les pesticides, a travers la zone vadose du sol. La plupart des études vis ant a caractériser le phénomène d'écoulement préférentiel à travers les macropores considèrent le sol tel une "boite-noire". Ainsi, il n'a pas encore été possible de décrire de façon quantitative l'effet de la géométrie des macropores sur cet important phénomène hydrologique. Quatre colonnes de sol (850 mm x 77 mm de diamètre) ont été prélevées intactes pour visualiser et quantifier la structure des macropores a l'aide d'un CAT scanner. La quantification des macropores a permis de determiner leurs morphologies en deux dimensions (diamètre cylindrique equivalent, rayon hydraulique, rectangularité et circularité), ainsi que plusieurs paramètres tri-dimensionnels et topologiques (longueur, volume, rayon hydraulique en 3-D, tortuosité, densité numérique, coordination, et connectivité). Les pores ayant un diamètre cylindrique equivalent supérieur ou égal à 1.0 mm (c-à-d., les macropores) furent détectés et visualises sans problème. Nos résultats indiquent que la macroporosité moyenne des quatres colonnes de sol fluctue entre 2.1 et 3.8%. Après avoir étudié la distribution des rayons hydrauliques des macropores, il a été conclu qu'environ 20% des gorges des macropores avaient un diamètre de 1.6 mm. De plus, la majorité des reseaux de macropores avait une longueur de 40 mm, un volume de 60 mm3 et une surface de parois de 175 mm2. L'infiltration d'iodure de potassium a été suivie par CAT scanning. Cette approche a permis de caractériser en temps reel les mécanismes d'écoulement préférentiel a travers les macropores. L'infiltration à travers la matrice du sol suggère la presence de petits pores (mesopores) connectes aux réseaux de macropores. Pour modéliser l'écoulement dans la matrice du sol, il est recommande de diviser cette region en deux domaines: les mesopores et les micropores. [...