The effect of stratification on sand dunes hydrology in arid zone environments: case of Oman

The effect of stratification on sand dunes hydrology in arid zone environments: case of Oman

Author

Al-Shukailiyah, Afrah Hamed Hamdan.

Publisher

Sultan Qaboos University

Gregorian

2018

Language

English

Subject

Sand dune management

Models

English abstract

Sand dunes occupy large areas of Ash Sharqiah Sands and Empty Quarter in Oman. Accumulation of aeolian sand dunes also takes place in some cities (e.g. Buwshar dunes in Muscat). In Oman, like other arid-zone countries, sand dunes receive sparse rainfall events. The infiltration and percolation of rainwater might be trapped within sand dunes and create zones of high water saturation inside. Heterogeneity of soil and layered (stratified) texture of the dune bodies reduces infiltration, evaporation and redistribution of soil moisture. In order to have a good understanding of sand dunes hydrology, it is important to investigate moisture and temperature fluxes in the desert sand dunes. In this thesis, the main objective was to study a combined effect of a nonflat topography (dune slope) and capillary barrier (created by topsoil textural structuring) on evaporation from a saturated zone beneath (e.g. a perched water table or retained wet spot in the dune interior). Buwshar's sand dunes (Oman) were selected to estimate evaporation from desert sand dunes. During field visits, microstratification (lamination) on outcropping cliffs, with layers' thickness of 1-2 mm and tilted at a slope of about 35 ° was described. Loose sand and consolidated rock samples were collected for laboratory experiments. Microscopic analysis was conducted to determine porosity and mineral composition. The evaporation rate and cumulative evaporation from vertical sand columns, 20-40 cm tall, capped by porous stratified "plugs", about 3 cm thick, were measured. Numerically, HYDRUS-2D software was used to simulate the column experiments by considering trapezoidal flow tubes with and without a tilted stratified "plug". Transient distributions of the pressure head, moisture content, and Darcian flux were obtained. Laboratory and microscopic analysis evidenced that the micro-stratified structures, common in sand dunes, have particle sizes about two times larger than loose sands from the same area. This validates the potential of a coarser cover of stratification to act as a capillary barrier against up-ward fluxes of evaporating water. The experiments and simulations showed that in the columns, which were plugged by a thin natural capillary barrier "plug", evaporation was impeded and reduced as compared with un-plugged columns of equivalent size (0.9 cm/day for un-plugged and 0.1 cm/day for plugged column, in one experiment). Hence, this "plugging" can preserve moisture in the dunes during drought periods. Further understanding of the role of micro-stratified structures of the dunes in motion of moisture is needed for more complex stratification patterns, boundary conditions in modeled flow domains, and transpiration by desert plant roots, and other factors linking models and real dunes. Keywords: Capillary barrier; Dune hydrology; Evaporation; HYDRUS-2D modeling; Soil column experiment; Micro-stratified structure.

Member of

Theses and Dissertations

Resource URL

https://hdl.handle.net/20.500.12408/568

Arabic abstract

تحتل الكثبان الرملية مساحات واسعة في سلطنة عمان مثل رمال الشرقية وصحراء الربع الخالي. حيث تتراكم الكثبان الرملية نتيجة الرسوبيات الريحية في بعض المناطق الأخرى مثل في بعض المدن (مثل رمال بوشر في محافظة مسقط). عمان ، مثلها مثل غيرها من البلدان الجافة، تهطل الأمطار بشكل نادر وفي فترات زمنية متفاوتة، وفي بعض الأحيان تكون أمطارا شديدة الغزارة. وفي مثل هذه الحالات، قد يتم احتجاز مياه الأمطار التي نفذت من خلال سطح التربة إلى طبقات الكثبان الرملية وتكون مناطق ذات تشبع عالي من الرطوبة. إن عدم تجانس التربة والقوام (الطبقية) لتركيب الكثبان الرملية يعيق ترشيح المياه إلى الطبقات السفلية للتربة وتبخرها وإعادة توزيعها. ولذلك، من أجل الفهم الجيد لطبيعة هيدرولوجيا الكثبان الرملية، من المهم تحديد كيفية توزيع الرطوبة بالوسط المسامي لطبقات التربة، والأهم هو مقدار فقدان الرطوبة من الكثبان الرملية نتيجة عملية التبخر. في هذه الأطروحة ، كان الهدف الرئيسي هو دراسة التأثير المشترك للتضاريس الغير المسطحة (المنحدرات) والحاجز الشعري الذي أنشأه التركيب الطبقي الصفيحي للتربة السطحية) في معدل التبخر بالمنطقة المشبعة بالرطوبة داخل الكثبان الرملية، على سبيل المثال ، منسوب المياه الجوفية أو المناطق الرطبة المحتجزه بین طبقات الكثبان الرملية. تم اختيار الكثبان الرملية في بوشر (عمان) كمنطقة لدراسة وتقدير كميات التبخر من الكثبان الرملية الصحراوية. حيث تم توصيف الطبقات الصفيحية الدقيقة المتواجدة على المنحدرات من خلال الزيارات الميدانية لرمال بوشر. ولقد كانت سماكة الطبقات تتراوح بين 1-2 ملم وتميل مع منحدر يبلغ تقريبا 35 درجة. كما تم جمع عينات من الرمل و عينات صلبة من الطبقات الصفيحية الإستخدامها في التجارب المخبرية. تم إجراء التحاليل المجهرية لتحديد المسامية وأهم التركيبات المعدنية. أيضا تم قياس معدل التبخر والتبخر التراكمي من تجارب أعمدة الرمل العمودية التي يبلغ ارتفاعها بين 20-40 سم ، بوجود "الأغطية" الطبقية المسامية التي تم إحضارها من رمال بوشر, والتي يبلغ سمكها حوالي 3 سم. بينما عددیا، تم استخدام برنامج HYDRUS- 2D المحاكاة تجارب أعمدة التربة من خلال النظر في أنابيب التدفق مع وبدون "الغطاء" المسامي المائل. وقد تم الحصول على توزيعات مختلفة للضغط، ومحتوى الرطوبة ، وتدفق Darcian. أظهرت التحليل المخبرية والمجهرية أن الطبقات الصفيحية الدقيقة ، الشائعة في الكثبان الرملية ، لديها أحجام جسيمات أكبر بنحو مرتين من الرمال التي في نفس المنطقة. هذا يؤكد بأن وجود غطاء مسامي خشن من التقسيم الطبقي يكون بمثابة الحاجز الشعري الذي يساهم في تقليل تدفقات تبخر الرطوبة من طبقات الكثبان الرملية السفلية. كما أظهرت التجارب والنمذجة العددية للأعمدة الرملية، التي تم توصيلها بواسطة "غطاء" الحاجز الشعري الطبيعي، أنه تمت إعاقة عملية التبخر وتقليلها بالمقارنة مع الأعمدة المتجانسة ذات الحجم المكافئ (0. 9 سم / يوم بدون "الغطاء"، و 0. 1 سم / يوم للعمود "بالغطاء"). وبالتالي، فإن هذا "الغطاء" يحافظ على الرطوبة في الكثبان الرملية خلال فترات الجفاف. إن هناك حاجة إلى مزيد من التعمق في فهم دور التراكيب الطبقية الدقيقة للكثبان الرملية في حركة الرطوبة لأنماط التقسيم الطبقي الأكثر تعقيدا ، وإستخدام قيم مختلفة للضغط في النمذجة العددية، والأخذ في الإعتبار عملية النتح عن طريق جذور النباتات الصحراوية، وأيضا عوامل أخرى تربط بين النماذج المخبرية والعددية والكثبان الرملية.
الكلمات الرئيسية: الحاجز الشعري - هیدرولوجية الكثبان الرملية - التبخر. النمذجة بإستخدام -HYDRUS 2D- تجربة عمود التربة - الطبقات الصفيحية الدقيقة.