ABSTRACT
CONTENTS Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Characteristics of the Vadose Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Definitions and Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Multiple-Phase Components of the Vadose Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Solid Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Sedimentary Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Fractured Rock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Vadose Zone Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Gas/Vapor Phase in the Vadose Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Immiscible Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Vadose Zone Moisture and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Hydrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Capillarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Vadose Zone Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Vadose Zone Suction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Energy Potential in the Vadose Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Vadose Zone Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Vapors (Gases) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Relative Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Vadose Zone Monitoring Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Monitoring Storage Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Tensiometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Electrical Resistance Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Thermocouple Psychrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Gamma-Ray Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Nuclear Moisture Logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Monitoring Vadose Zone Transmission Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Field Measurements of Infiltration Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Determination of Water Flux Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Theoretical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Darcy’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Green-Ampt Wetting Front Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Internal Drainage Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Borehole Permeameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Measurement of Tracer Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Monitoring Water Quality in the Vadose Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Electrical Properties Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Soil Sampling and Water Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Pore Water Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Suction Lysimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Pan Lysimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Soil-Gas Monitoring Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Background on Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Sampling and Analytical Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Quality Assurance and Quality Control Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Halocarbon Solvents versus Petroleum Hydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Geologic Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Suitability of Compounds to Soil-Gas Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Interpretation of Soil-Gas Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
This chapter focuses on an aspect of hydrology that ultimately determines the quantity and quality of ground water available in any given area: the vadose (or unsaturated) zone. The vadose zone is a very important link between human-related influences (i.e., artificial recharge, septic systems, landfills, etc.), climate, and the ground-water system. The vadose zone generally exists between the land surface and the water table, whether the formations are composed of unconsolidated material or bedrock. Simply put, the vadose zone is a porous medium of incomplete saturation, and although water flux in this zone may still subscribe to Darcy’s law, the fluid physics are very different than that for the saturated zone. In this chapter, vadose zone definitions and hydraulic theory are presented briefly before a discussion of vadose zone monitoring techniques. The purposes of the chapter are to enlighten the reader about vadose zone hydrology and to present the possibilities for incorporating vadose zone monitoring as an integral part of ground-water investigations.
