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Messmethoden und numerische Modelle zur Untersuchung der Heterogenität von Wasser- und Stofftransportvorgängen im Boden auf verschiedenen Skalenebenen

Land / Region: Norddeutschland

Projektanfang: 01.02.2009

Projektende: 31.12.2015

Projektstand: 31.12.2015

Der Wasser- und Stofftransport in der ungesättigten Bodenzone wird durch klimatische und nutzungsbedingte Einflussgrößen, vor allem aber durch die hydraulischen Materialfunktionen des Bodens gesteuert. Für eine erfolgreiche Vorhersage der Transportdynamik, z.B. mit Modellen, spielt die räumliche Variabilität der Materialfunktionen im Boden eine wichtige Rolle. Voraussetzung für die Modellierung ist daher eine Bestimmung der hydraulischen Materialeigenschaften z.B. der Wasserspannungskurve und der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Modellgebiet durch hoch auflösende Messungen und deren Beschreibung mit räumlich variablen Funktionen.

Die Erfassung der hydraulischen Materialeigenschaften mit den klassischen invasiven Messmethoden der Bodenphysik ist sehr zeit- und arbeitsintensiv. Das Projekt hat daher zum Ziel, den Infiltrationsvorgang von Wasser (bis zu einer Tiefe von einigen Metern) mit minimal invasiven ERT-Messungen (Electrical Resistivity Tomography) zu erfassen und die beobachtete Dynamik in Kombination mit ergänzenden bodenphysikalischen Messungen für eine Ableitung der räumlich verteilten Materialeigenschaften zu nutzen.

Abb. 1: Standort Holtensen a) Aufbau des Überstau-Experiments mit Infiltrationsring zwischen 6 Vertikalsonden, b) Aufbau Beregnungsanlage zwischen den ERT-ElektrodenAbb. 1: Standort Holtensen a) Aufbau des Überstau-Experiments mit Infiltrationsring zwischen 6 Vertikalsonden, b) Aufbau Beregnungsanlage zwischen den ERT-Elektroden Quelle: BGR

Die technischen Entwicklungen der ERT erlauben eine Messung der dreidimensionalen Verteilung der spezifischen Widerstände im Bodenprofilmaßstab in einer zeitlichen Auflösung, die in etwa der Dynamik von Infiltrationsvorgängen im Boden entspricht. Mehrdeutig ist die Interpretation des spezifischen Widerstands bzw. dessen Änderung in Bezug auf die Zielgröße (Wassergehalt – z.B. Umrechnung mit Hilfe der Archie-Funktion). Auch ist die räumliche Auflösung der gemessenen spezifischen Widerstände für die Erkennung präferentieller Fließwege möglicherweise zu gering, sodass deren Auftreten nur integral erfasst werden kann.

An ausgesuchten Standorten (sandige Böden (Podsol, Fuhrberger Feld) und Löss-Böden (Parabraunerde, Holtensen)) wurden Infiltrationsexperimente im ungesättigten (Beregnung-) und gesättigten Boden (Überstau) durchgeführt und die Verteilung des Wassers mit Hilfe von ERT im Boden verfolgt.

Abb. 2: Standort Holtensen a) Bodenprofil vor dem Überstauexperiment, b) Bodenprofil vor dem Beregnungsexperiment Abb. 2: Standort Holtensen a) Bodenprofil vor dem Überstauexperiment, b) Bodenprofil vor dem Beregnungsexperiment Quelle: BGR

Dabei wurde folgendes Vorgehen realisiert:

  1. In-situ Infiltration mit zwei verschiedenen oberen Randbedingungen
    (Überstau- und Beregnung, Infiltrationswasser gefärbt mit Brillant Blue als Farbtracer) kombiniert mit klassischen Messungen von Wassergehalt und Matrixpotential in verschiedenen Tiefen (TDR-Sonden und Tensiometer). Gleichzeitige Beobachtung des Infiltrationsprozesses mit 3D ERT. Diese Daten sind Grundlage der bodenhydraulischen und geoelektrischen dynamischen Simulation.
  2. Aufgrabung des untersuchten Volumens entlang von Profilschnitten, Probennahme und Untersuchung der bodenphysikalischen Parameter in situ und im Labor. Fotographische Aufnahme des Infiltrationsverlaufes anhand der durch den Tracer (Brillant Blue) bedingten Bodenverfärbung.
  3. Modellierung des Wasser- und Stofftransportes mit 3D-Transportmodellen auf Grundlage der gewonnenen bodenphysikalischen Parameter. Das simulierte zeitabhängige Fortschreiten der Infiltrationsfront durch den Boden wird mit den zeitabhängigen Ergebnissen der ERT verglichen. Durch die ERT werden die Änderungen des spezifischen Widerstands pro Zeitschritt und Tiefe abgebildet. Durch den Abgleich der Ergebnisse der beiden Methoden wird festgestellt, ob und an welcher Methode weitere Anpassungen durchgeführt werden müssen.

Abb. 3: Konzept für eine Kopplung zwischen Bodenphysik und GeophysikAbb. 3: Konzept für eine Kopplung zwischen Bodenphysik und Geophysik Quelle: BGR

Abb. 4: Rastermessungen von Wassergehalten mit TDR (links) und von Matrixpotentialen mit Minitensiometern (rechts) am Bodenprofil von HoltensenAbb. 4: Rastermessungen von Wassergehalten mit TDR (links) und von Matrixpotentialen mit Minitensiometern (rechts) am Bodenprofil von Holtensen Quelle: BGR

Die Projektergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Ergebnisse im Sand:

Beim Überstau-Experiment zeigte sich eine unerwartet konische Form des Infiltrationsplumes, gemessen durch ERT und später überprüft in den Profilaufgrabungen durch die Verfärbungen (Brillant Blue Tracer). Nur durch die Annahme einer Hysterese der Wasserretentionsfunktion kann diese „Plumeform“ realistisch modelliert werden. Die durch ERT Inversion ermittelten Infiltrationsgeschwindigkeiten waren in guter Übereinstimmung mit den TDR- und Tensiometermessungen in den verschiedenen Tiefen und illustrierten die Genauigkeit der minimal invasiven Infiltrationsbeobachtung mittels ERT.
Beim Beregnungsexperiment zeigte sich eine schnelle Infiltration mit lateral scharf begrenzter Infiltrationszone (8h Beregnungsdauer, 25mm/h). Die scharfe Begrenzung des Plumes könnte auf die im Profil gemessene Hydrophobizität des Bodens zurückzuführen sein.

Ergebnisse im Lössboden:

Beim Überstau-Experiment wurde Makroporenfluss, z.B. durch Regenwurmgänge, erkennbar bei gleichzeitigem Fluss durch die Bodenmatrix. Der Tracerfarbstoff Brillant Blue zieht sich hierbei ebenfalls 1-2 cm um die Makropore herum. Anhand der gefärbten Bereiche ist ebenso eine Zweiteilung in zwei Transportzonen im unteren Bereich des Profils zu sehen, die deutlich präferentielles Fließen erkennen lässt.
Bei der zweitägigen Beregnung fand der Transport durch die Bodenmatrix statt. Nach dem Aufgraben konnte dies aus der sich mit der Tiefe verjüngenden Infiltrationsfront geschlossen werden. Bei der infiltrierten Menge von 80 L Tracerlösung ist der blaugefärbte Bereich bis zu einer Tiefe von 35-40 cm identifizierbar. Die Tracerlösung nimmt dabei eine größere laterale Ausdehnung im Oberboden an als die beregnete Fläche. Am Loess Standort konnte die Kopplung der geophysikalischen und bodenphysikalischen Messungen umgesetzt werden, was somit auch die Basis für die letztendlich entscheidende Interkalibration von petrophysikalischen Parametern liefert, die gleichermaßen für Bodenphysik und Geophysik verwendet werden können.

Abb. 5: SIP-Messung am Bodenprofil (links) und Tensiometermessung (rechts) in der Mitte des Beregnungsprofils in HoltensenAbb. 5: SIP-Messung am Bodenprofil (links) und Tensiometermessung (rechts) in der Mitte des Beregnungsprofils in Holtensen Quelle: BGR

Literatur:

Ganz, C., Bachmann, J., Noell, U., Duijnisveld, W.H.M. and Lamparter, A. 2014. Hydraulic Modeling and in situ Electrical Resistivity Tomography to Analyse Ponded Infiltration into a Water Repellent Sand, Vadose Zone J. 13(1), doi:10.2136/vjz2013.04.0074.

Ganz, C., Bachmann, J., Lamparter, A., Woche, S.K., Duijnisveld, W.H.M. and Göbel, M.-O. 2013. Specific processes during in situ infiltration into a soil with low water repellency. J. Hydrol. doi:10.1016/j.hydrol.2013.01.009

Ganz, C. 2013, Relevance of pore surface and pore structure properties for soil hydraulic functions: implications from field tracer infiltration experiments, Hann. Univ. Diss., ISBN 978-3-86247-405-9, Schriftenreihe Horizonte; 31, Der Andere Verlag, Uelvesbüll.

Noell, U., Guenther, T., Ganz, C. and Lamparter, A. 2011. Quantitative assessment of infiltration processes using ERT; more questions than answers. Berichte der Geologischen Bundesanstalt, Vol. 93, pp. 240-246, Geologische Bundesanstalt, Vienna, Austria.

Noell, U., Wießner, C., Ganz, C. and Westhoff, M. 2011. Direct observation of surface water-groundwater interaction using electrical resistivity tomography, IAHS-AISH Publication, Vol. 345, pp. 42-47.

Noell, U., Lamparter, A., Schildknecht, F. and Ganz, C. 2012. Monitoring of infiltration processes by time lapse electrical resistivity tomography (ERT); a tentative guideline, Proceedings- International Association of Hydrogeologists Congress, Vol 39, pp.34

Kontakt 1:

    
Dr. Ursula Noell
Tel.: +49-(0)511-643-3489
Fax: +49-(0)511-643-3662

Kontakt 2:

    
Dr. Axel Lamparter
Tel.: +49-(0)511-643-2355

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