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Vadose zone water and contaminant transport

Reck, Arne

FG Ökohydrologie & Landschaftsbewertung

The vadose zone links atmosphere and hydrosphere within Earth’s Critical Zone. Soils form the upper vadose zone thus crucially influencing mass exchange between the two spheres, in particular the exchange of water and the contaminants it contains. To advance the understanding of water and related contaminant fluxes in the vadose zone requires an integrated consideration of biological, physical, and hydrological soil processes whose influence on temporal and spatial scales varies relative to each other. This dissertation aims to improve the hydrological exploration of soils in order to advance the understanding of the transport processes of soil water and contaminants. For this purpose, I will introduce innovative measurement techniques, field experiments, and modelling experiments applied within two study areas of contrasting usage as well as very different soil textural and hydrological properties. The new methodologies presented in this thesis focused on two specific points: (i) To develop a method coordinating soil water extraction with predefined soil moisture states to restrict soil water sampling to drainage periods thus enabling a reliable analysis of diffusive contaminant transport. (ii) To find a method to easily and reliably binarise huge stacks of infiltration profile images derived from dye-tracer experiments using Brilliant Blue to assess the potential of preferential contaminant transport. The first method employs suction cups with soil water sampling automatically triggered when the soil moisture registered exceeds field capacity. The second method employs an algorithm, widely used in image processing for background subtraction, to classify images of dye profiles into stained and unstained pixels. During their application, both methods demonstrated a robust and reliable performance. The field experiments include: (i) seepage water quality analysis covering a 20-month period accompanied by geostatistical analysis of spatial solid phase contamination patterns; and (ii) the analysis of plot-scale irrigation to investigate spatiotemporal patterns in preferential flow and to deduce the potential risk of a preferential contaminant transport. In terms of the urban site soils, I found that field-effluent metal concentrations were mainly affected by antecedent moisture and temperature whereas rainfall characteristics hardly influenced metals’ concentrations in the investigated soils at all. Infiltration profiles of the natural soil sites were best characterised using two relatively simply image metrics. The subsequent clustering revealed five distinct groups of infiltration profiles with differing manifestations of preferential flow in terms of flow path, macropore-matrix interaction, and advective flow strength. The modelling experiments clearly supplement the field experiments in terms of: (i) unravelling the water balance to calculate contaminant migration loads for the urban soil sites as well as (ii) shedding light on the temporal evolution and degree of macropore flow during specific boundary conditions for the natural soil sites. In summary, the results of this thesis demonstrate that hydropedological investigations must inevitably take biological, chemical, and physical soil characteristics into account in order to advance our understanding of soil water and contaminant transport processes. Altogether, this thesis provides a step forward to better integrate these complex hydropedological interrelations in field investigations. It concludes with suggestions of how to improve the presented investigation tools as well as with an outline of open questions requiring further investigations.
Die vadose Zone verbindet Atmos- und Hydrosphäre unserer Erde. Böden grenzen sie zur Erdoberfläche ab und beeinflussen damit maßgeblich den Massenaustausch zwischen beiden Sphären, insbesondere den Austausch von Wasser und darin enthaltenen Verunreinigungen. Ein verbessertes Verständnis von Wasser- und Schadstofftransportprozessen in dieser vadosen Zone erfordert jedoch die gleichzeitige Berücksichtigung chemischer, biologischer und physikalischer Bodenprozesse, die jeweils auf unterschiedlichen raumzeitlichen Skalen von Relevanz sind. Diese Dissertation will dazu beitragen, die hydrologische Erforschung des Bodens zu verbessern, um Transportprozesse von Bodenwasser und Schadstoffen effektiver zu verstehen. Dazu stelle ich innovative Messmethoden, Feldversuche und Modellierungsexperimente vor, die in zwei Forschungsgebieten mit gegensätzlicher Nutzung sowie unterschiedlicher Bodentextur und hydrologischen Gegebenheiten durchgeführt wurden. Die methodischen Weiterentwicklungen in dieser Promotionsschrift behandeln zwei Schwerpunkte: (i) wird eine Methode aufgezeigt, die das Sammeln von Bodenwasser mit definierten Bodenwasserzuständen abstimmt, um eine Probengewinnung ausschließlich auf Zeiträume mit Grundwasserneubildung zu beschränken. (ii) wird eine Methode präsentiert, um einfach und zuverlässig große Mengen an Bildern von Infiltrationsprofilen, als Resultat von Tracerexperimenten mit dem Lebensmittelfarbstoff Brillantblau, zu binarisieren. Für die erste Methode benutze ich Saugkerzen, wobei die Bodenwasserextraktion automatisch ausgelöst wird, sobald die gemessene Bodenfeuchte die Feldkapazität überschreitet. Für die zweite Methode verwende ich einen Algorithmus, der häufig in der Bildverarbeitung für Hintergrundsubtraktionen eingesetzt wird, um die Tracerprofile in gefärbte und ungefärbte Pixel zu klassifizieren. Beide Methoden erwiesen sich bei ihrer Anwendung als robust und zuverlässig. Die Feldversuche bestehen (i) aus einer zwanzigmonatigen Messreihe von Sickerwasserqualitäten, begleitet von geostatischen Untersuchungen der räumlichen Belastungsmuster, und (ii) der Analyse von Infiltrationsprofilen aus Bewässerungsversuchen mit Brillantblau. Bezüglich der Schadstoffverlagerung in Böden im urbanen Kontext erwiesen sich Temperatur und Vorfeuchte als Haupteinflussgrößen bezüglich der Sickerwasserkonzentration von Spurenmetallen im Bodensystem, während Niederschlagscharakteristika nahezu keinen Einfluss auf deren Konzentrationen in den untersuchten Böden zeigten. Zur Charakterisierung der Infiltrationsprofile in Böden im ruralen Kontext eigneten sich zwei relativ einfache Metriken. Die anschließende Clusterbildung ergab fünf unterschiedliche Gruppen von Infiltrationsprofilen mit differierender Ausprägung des präferenziellen Wasserflusses in Bezug auf die Fließwege, der Makroporen-Matrix-Interaktion und der Stärke des präferenziellen Fließens. Die Modellexperimente ergänzen die Feldmessung (i) hinsichtlich der Bilanzierung des Bodenwasserhaushalts zur Berechnung von Schadstofffrachten in den urbanen Böden sowie (ii) um die zeitliche Entwicklung und Ausgeprägtheit des Makroporenflusses unter bestimmten Randbedingungen für die Standorte mit natürlichen Böden. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass eine hydropedologische Untersuchung zwangsläufig biologische, chemische und hydrologische Bodencharakteristika berücksichtigen muss, um unser Verständnis von Bodenwasser- und Schadstofftransport in der vadosen Zone zu verbessern. Die Dissertation liefert wichtige Ansätze, wie diese komplexen, hydropedologischen Zusammenhänge besser in Felduntersuchungen berücksichtigt werden können, ehe sie sich am Ende mit Optimierungsvorschlägen der dargelegten Untersuchungsmethoden sowie offenen Fragen zur weiteren Untersuchung auseinandersetzt.