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Band/volume 26: Stumpp C. (2008): Quantification of heterogeneity in the unsaturated flow using environmental isotope

Knowledge about soil water transport and groundwater renewal rates is crucial for groundwater research and risk assessment. Particularly the impact of preferential flow paths in the unsaturated zone on pollutant transport is an important topic, as it affects the vulnerability of the adjacent aquifer. However, in literature the determination of preferential flow is only partly solved and especially quantification attempts have been rare. Therefore, a new method combining mathematical modelling with hydrological and environmental isotope data was developed to estimate the heterogeneity of the unsaturated transport processes.
For this purpose, environmental isotope transport (18O, 2H) was investigated in several lysimeter experiments. A conceptual model was applied, which separates preferential and matrix flow. Both flow components are quantified and their transit time distribution functions are determined to construct specific vulnerability diagrams.
Water flow and transport of environmental isotopes through the soil matrix was calculated using both a transient modelling approach solving numerically Richards and Convection-Dispersion-Equation for single porous medium and a lumped parameter approach using the Dispersion Model. The preferential flow component is assumed by piston flow occurring within one week and having no interaction with the soil matrix.
For quantification a two component flow approach was applied to the isotope and hydrological data. The mean transit time distribution functions were obtained from the lumped parameter approach and visualized in specific vulnerability diagrams, showing when infiltrating water reaches the groundwater. This method was applied to different lysimeter experiments that were conducted under natural atmospheric conditions. Different lysimeters, filled mostly with sandy soil material, were under investigation to study the impact of soil properties and vegetation on the transport heterogeneity and amount of preferential flow.
It was shown that the lumped parameter approach yielded good results modelling the isotope transport in the soils with bare surface. An application to the soils with vegetation required a modification of the classical input function including evapotranspiration and thus considering the infiltration events contributing to the discharge. Additional separation into the single vegetation periods improved the modelling.
Preferential flow was observed in all soils and quantified with the two component flow approach. In bare sandy and gravel soils the mean fractions of preferential flow varied between 17 and 30 %. Here, the crucial parameter influencing these fractions was found to be the saturated hydraulic conductivity. In the cropped soils the mean fractions of preferential were dependent on the discharge rate and varied according to the vegetation. Mean fractions of 3 % and 18 % were observed in a loamy sand during intercrop period and cultivation of maize monoculture, respectively. The same soil material but cultivated with crop rotation yielded mean fractions of 14 % during maize, 4 % during winter barley and 15 % during the intercrop vegetation period. In a third experimental setup with sandy soil a mean fraction of 8 % was found.
Specific vulnerability diagrams were constructed showing the mean transit time distribution functions of both, preferential and matrix flow. Their patterns were closely related to soil parameters. They can be used as a helpful tool to develop groundwater protection strategies more efficiently.
It was shown that the presented method enabled the estimation of transport heterogeneity and the quantification of preferential flow under natural atmospheric conditions in bare and cropped lysimeters using environmental isotope data. Such isotopes are adequate tracer to study the transport processes in the unsaturated zone. It was revealed that experiments with continuous natural application like environmental tracers over long time periods were necessary to cover a broad range of flux variability and to determine transport heterogeneity.

Deutsche Zusammenfassung: 

Für den Schutz des Grundwassers und dessen Gefährdungsabschätzung sind Kenntnisse über den Bodenwasserfluss und über Grundwasserneuerungsraten äußerst wichtig. Insbesondere ist der Einfluss präferentieller Fließwege in der ungesättigten Zone für den Schadstofftransport ein wichtiges Thema, da hierdurch der angrenzende Aquifer einer Gefahr ausgesetzt ist. Allerdings ist die Bestimmung präferentieller Flüsse in der Literatur noch immer ungelöst und es fehlen vor allem Quantifizierungsansätze. Deshalb wurde eine neue Methode entwickelt, die mathematische Modellierung mit hydrologischen Daten und Umweltisotopen kombiniert, um die Heterogenität der Transportprozesse in der ungesättigten Zone abzuschätzen.
Aus diesem Grund wurden Umweltisotope (18O, 2H) in unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten untersucht. Ein konzeptionelles Modell wurde angewendet, das präferentiellen Fluss und Matrixfluss trennt. Beide Fließkomponenten wurden quantifiziert und ihre Verweilzeitfunktionen bestimmt, um spezifische Gefährdungsdiagramme zu erstellen.
Der Wasserfluss und der Isotopentransport in der Bodenmatrix wurden mit zwei unterschiedlichen Ansätzen berechnet. Zum einen wurde ein instationärer Modellansatz verwendet, der numerische Lösungen der Richards-Gleichung und der Konvektions-Dispersions-Gleichung für uniporöse Medien beinhaltet. Zum anderen wurde ein Lumped Parameter-Ansatz mit dem Dispersionsmodell verwendet. Die präferentielle Fließkomponente wurde durch Piston-Flow beschrieben unter der Annahme, dass dieser innerhalb einer Woche stattfindet und nicht mit der Matrix interagiert.
Für die Quantifizierung wurde ein Zwei-Komponenten-Fließmodell auf die hydrologischen und Isotopendaten angewendet. Mit dem Lumped Parameter-Ansatz wurden die mittleren Verweilzeitverteilungen gewonnen und in spezifischen Gefährdungsdiagrammen dargestellt. Diese zeigen, wann das infiltrierende Wasser das Grundwasser erreicht. Diese Methode wurde bei unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten angewendet, die unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wurden. Verschiedene Lyismeter, die meist mit sandigem Bodenmaterial gefüllt waren, wurden herangezogen, um den Einfluss der Bodeneigenschaften und der Vegetation auf die Transportheterogenität und die Menge an präferentiellem Fluss zu untersuchen.
Es wurde gezeigt, dass der Lumped Parameter-Ansatz gute Ergebnisse bei der Modellierung des Isotopentransports in Böden ohne Vegetation liefert. Bei der Anwendung in Böden mit Vegetation war eine Modifizierung der klassischen Input-Funktion notwendig, die Evapotranspiration berücksichtigte. Dadurch wurden die Infiltrationsereignisse, die zum tatsächlichen Abfluss beitrugen, gewichtet. Eine zusätzliche Aufteilung in die einzelnen Vegetationsperioden verbesserte hier die Modellierung zusätzlich.
Präferentieller Fluss wurde in allen Böden beobachtet und mit dem Zwei-Komponenten-Fließansatz quantifiziert. In den brachliegenden Böden mit sandigem bis kiesigem Material variierten die Anteile des mittleren präferentiellen Flusses zwischen 17 % und 30 %. Hier zeigte sich, dass die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit der entscheidende Parameter ist, der diese Anteile beeinflusst. In den bepflanzten Böden war der mittlere Anteil an präferentiellem Fluss von der Abflussrate abhängig und variierte entsprechend der Vegetation. In einem lehmigen Sand wurden mittlere Anteile von 3 % während der Zwischenfruchtphase und 18 % während der Vegetationsperioden mit Maismonokultur festgestellt. Im selben Bodenmaterial, das aber mit Fruchtfolge kultiviert wurde, ergaben sich mittlere Anteile von 14 % während Maisbewuchs, 4 % bei der Bepflanzung mit Winterweizen und 15 % während der Zwischenfruchtphase. In einem dritten Versuchsaufbau mit sandigem Bodenmaterial wurde ein mittlerer Anteil von 8 % gefunden.
Spezifische Gefährdungsdiagramme wurden erstellt, die die mittleren Verweilzeitverteilungen des präferentiellen und des Matrixflusses darstellen. Ihre Muster waren stark von den jeweiligen Bodeneigenschaften abhängig. Diese Diagramme können ein Hilfsmittel sein, um effizientere Strategien zum Grundwasserschutz zu entwickeln.
Es wurde gezeigt, dass die angegebene Methode es ermöglicht, unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen in brachliegenden und bepflanzten Lysimetern Transportheterogenitäten in der ungesättigten Zone abzuschätzen und präferentielle Flüsse mit Hilfe von Umweltisotopen zu quantifizieren. Solche Isotope sind adäquate Tracer, um die Transportprozesse in der ungesättigten Zone zu beschreiben. Es wurde deutlich gezeigt, dass Experimente mit kontinuierlicher und natürlicher Aufbringung, wie den hier gezeigten Umwelttracern, über einen langen Zeitraum notwenig sind, um eine weite Spanne an Fließvariabilitäten und Transportheterogenitäten zu erfassen.