Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1641
Main Title: Analyzing soil water repellency phenomena
Translated Title: Untersuchung der Benetzungshemmung im Boden
Author(s): Täumer, Karsten
Advisor(s): Wessolek, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - (Zusammenschluss der ehemaligen Fakultäten "Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften sowie "Architektur Umwelt Gesellschaft"
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Benetzungsgehemmte Böden können weltweit gefunden werden. Benetzungshemmung in Böden verursacht eine räumliche Variabilität der Bodenfeuchte und einen höheren Oberflächenabfluss. Sie hat einen Einfluss auf die Formierung von präferenziellen Fließwegen und damit auf den Stofftransport und die Grundwasserneubildung aber auch auf das Pflanzenwachstum. Das Ziel der Arbeit war es, das Auftreten und die Auswirkungen der Benetzungshemmung in Böden besser verstehen zu können. Der Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte auf den Grad der Benetzungshemmung wurde an feldfrischen Proben untersucht. Aber die vorherrschende Bodenfeuchte und somit die Benetzungshemmung verändern sich mit der Zeit. Dafür ist es notwendig diesen dynamischen Prozess der Bildung und des Verschwindens der Benetzungshemmung in sandigen Böden zu beschreiben und den veränderlichen Anteil von benetzungsgehemmten und benetzbaren Bereichen im Boden zu quantifizieren. Zwei benetzungsgehemmte, sandige Standorte wurden über drei Jahre untersucht: eine Wiese im Tiergarten und eine Grünlandfläche auf den ehemaligen Rieselfeldern Berlin-Buch. Es wurden Bodenproben mit hoher räumlicher Auflösung in regelmäßigen Abständen genommen und auf ihren Wassergehalt, den Gehalt an organischer Substanz und auf ihre aktuelle und potenzielle Benetzungshemmung (mit dem WDPT Test) untersucht. An beiden Standorten wurden mit automatischen Messstellen Wassergehalte gemessen und klimatische Faktoren wie Lufttemperatur, relative Luftfeuchte und Niederschlag aufgenommen. Benetzungsgehemmte Proben mit hohen Benetzungszeiten treten bei niedrigen Wassergehalten auf. Bei hohen Wassergehalten waren die Proben benetzbar (Benetzungszeit <5s). Dazwischen befindet sich ein Übergangsbereich, die transition zone, in dem für einen Wassergehalt sowohl benetzbare als auch benetzungsgehemmte Proben auftreten. Die Benetzbarkeit der Proben kann hier nicht aus dem Wassergehalt gefolgert werden. Diese unscharfe Trennung kann nur schwer in numerische Modelle eingearbeitet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Unterscheidung von benetzbaren und benetzungsgehemmten Proben anhand des Wassergehaltes deutlich verbessert werden kann, wenn neben dem Wassergehalt auch der Gehalt an organischer Substanz der Proben berücksichtigt wird. Mit einer linearen Funktion war es möglich, einen kritischen Wassergehalt crit in Abhängigkeit des Gehaltes an organischer Substanz zu ermitteln und somit klarere Aussagen über die Benetzbarkeit der Proben zu treffen. Die Ergebnisse von 32 Beprobungen über 3 Jahre sowie die stündlichen Wassergehaltsmessungen einer automatischen TDR-Anlage mit 63 Sonden weisen auf eine jahreszeitliche Änderung des Anteils der benetzungsgehemmten Bereiche hin. Um die Heterogenität und somit den Grad des präferenziellen Flusses zu quantifizieren, wurde ein Parameter eingeführt: die effective cross section (ECS). Der Parameter wurde durch Anpassung der Beta-funktion an die kummulativen Wassergehaltsänderungen in einer Tiefe von 25cm bei Niederschlagsereignissen gewonnen. Sowohl die ermittelten Werte für die ECS als auch die Ergebnisse der Beprobungen zeigen den gleichen jahreszeitlichen Trend. Im Sommer ist die Neigung zum präferenziellen Fluss mit ECS-Werten um 0,4 besonders ausgeprägt, während im Frühjahr mit ECS-Werten um 0,9 fast die gesamte Bodenmatrix am Fließgeschehen teilnimmt. Der Vergleich der ermittelten ECS-Werte mit Klimadaten zeigt eine Abhängigkeit der ECS von der Ausgangsfeuchte im Boden (in 10 cm Tiefe), der Niederschlagsdauer und –intensität und der potentiellen Evapotranspirationsrate. Die TDR-Messungen zeigen auch eine Verschiebung der Fließwege bzw. der benetzungsgehemmten Bereiche im Boden. Der Einfluss der jahreszeitlichen Änderung der Benetzungshemmung auf den Wasser- und Stofftransport wurde in einem Doppeltracerexperiment untersucht, bei dem zwei konservative Tracer zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf einem Transekt ausgebracht wurden. Ein Br-Tracer wurde im April 2002 und ein Cl-Tracer im Oktober 2002 ausgebracht und die Verteilung der Konzentrationen im Profil bei der Beprobung im Januar 2003 untersucht. Es zeigte sich, dass während der Versuchsdauer unterschiedliche Fließregime bestimmend waren. Es konnte eine Einteilung in ganzjährig benetzbare Hauptfließwege, in zeitweise genutzte Nebenfließwege und ganzjährig benetzungsgehemmte Bereiche ohne Wasserfluss vorgenommen werden. Die Ergebnisse dieses Experiments untermauern das Konzept der Effective Cross Section.
Water repellent soils were reported all over the world. Water repellency in soils creates a spatial variability in soil moisture and a higher surface runoff. It has an impact on the formation of preferential flow paths, influences the solute transport and ground water recharge and is effecting the plant growth. The aim of this study was to get a better understanding of occurrence and consequences of water repellency. The influence of actual soil moisture on the degree of water repellency was observed for field-moist samples. But the ambient moisture and thus the wettablility in soils is changing by time. Therefore, it was necessary to describe the dynamics of forming and vanishing of water repellent spots in sandy soils and to quantify the varying area share of water repellent and wettable soil regions. Two sandy sites – a meadow in the Tiergarten park and a plot of grassland on the former sewage fields Berlin Buch - were observed over three years. Soil samples were taken with high spatial and temporal resolution in regular intervals and were analyzed for water content, organic matter content and the degree of actual and potential water repellency (using the Water-Drop-Penetration-Time test. On both sites automated measurement arrays recorded water content and the climatic conditions air temperature relative humidity and rainfall. Water repellent samples can be found at lower water contents with high penetration times and the wettable samples at higher water contents and penetration times < 5 s. The transition zone is the water content range where some samples repel while other samples are wettable – the wettability behaviour of samples in the transition zone is not clear. This fuzzy behaviour is hardly applicable to numerical models. It was shown that the distinction between wettable and repellent samples can be improved by taking the soil organic matter content, SOM, into account for the calculation of a critical water content. A linear function made it possible to distinguish between wettable or water repellent behaviour by using an easily measurable parameter the water content. The results of the 32 sampling campaigns at different times over a 3-year period and the hourly water content measurements on a TDR-array with 63 probes indicate a seasonal variation in the area share of water repellent soil regions. To quantify the heterogeneity (i.e. the degree of preferential flow) we introduced a parameter - the effective cross section, ECS, for water flow. This parameter was calculated by fitting the beta function to the cumulative values of the water content change over a horizontal cross section at a depth of 25 cm. Sampling and TDR measurements showed similar seasonal dynamics of preferential flow, with the highest occurrence in summer and early autumn with a ECS of 0.4 and a maximum accessible soil volume in the spring with an ECS of 0.9. Comparing the ECS-values with climatic data it was possible to calculate the effective cross section using a linear relationship with the initial soil moisture at 10 cm depth, the duration and amount of precipitation, and the potential evapotranspiration rate. The TDR-measurements also show that preferential flow paths do not remain at their positions. A shifting of flow channels e.g. of dry and water repellent spots was observed. The influence of the seasonal dynamics of water repellency on the solute transport was observed in a time delayed tracer experiment. Two conservative tracers Br- and Cl- were applied on one plot at different times, one in spring and one in autumn 2002. The varying distribution of the bromide and chloride tracer in the soil profile at the sampling in January 2003 makes it clear that different flow regimes predominated at the time of the tracer transport. The soil profile ranges were segmented in always wettable main flow paths, in sparse and moderate flow paths which become temporarily water repellent and in no flux regions which were water repellent over the whole period. The results confirm the concept of the ECS.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16051
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1938
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1641
Exam Date: 26-Mar-2007
Issue Date: 17-Jul-2007
Date Available: 17-Jul-2007
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Benetzungshemmung
Fließwege
Heterogenität
Kritischer Wassergehalt
Organische Bodensubstanz
Critical water content
Heterogeneity
Preferential flow
Soil organic matter
Water repellency
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