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.<\/p>\n\n\n\n
Deutsche Zusammenfassung: <\/p>\n\n\n\n
F\u00fcr den Schutz des Grundwassers und dessen Gef\u00e4hrdungsabsch\u00e4tzung sind Kenntnisse \u00fcber den Bodenwasserfluss und \u00fcber Grundwasserneuerungsraten \u00e4u\u00dferst wichtig. Insbesondere ist der Einfluss pr\u00e4ferentieller Flie\u00dfwege in der unges\u00e4ttigten Zone f\u00fcr den Schadstofftransport ein wichtiges Thema, da hierdurch der angrenzende Aquifer einer Gefahr ausgesetzt ist. Allerdings ist die Bestimmung pr\u00e4ferentieller Fl\u00fcsse in der Literatur noch immer ungel\u00f6st und es fehlen vor allem Quantifizierungsans\u00e4tze. Deshalb wurde eine neue Methode entwickelt, die mathematische Modellierung mit hydrologischen Daten und Umweltisotopen kombiniert, um die Heterogenit\u00e4t der Transportprozesse in der unges\u00e4ttigten Zone abzusch\u00e4tzen.
Aus diesem Grund wurden Umweltisotope (18O, 2H) in unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten untersucht. Ein konzeptionelles Modell wurde angewendet, das pr\u00e4ferentiellen Fluss und Matrixfluss trennt. Beide Flie\u00dfkomponenten wurden quantifiziert und ihre Verweilzeitfunktionen bestimmt, um spezifische Gef\u00e4hrdungsdiagramme zu erstellen.
Der Wasserfluss und der Isotopentransport in der Bodenmatrix wurden mit zwei unterschiedlichen Ans\u00e4tzen berechnet. Zum einen wurde ein instation\u00e4rer Modellansatz verwendet, der numerische L\u00f6sungen der Richards-Gleichung und der Konvektions-Dispersions-Gleichung f\u00fcr unipor\u00f6se Medien beinhaltet. Zum anderen wurde ein Lumped Parameter-Ansatz mit dem Dispersionsmodell verwendet. Die pr\u00e4ferentielle Flie\u00dfkomponente wurde durch Piston-Flow beschrieben unter der Annahme, dass dieser innerhalb einer Woche stattfindet und nicht mit der Matrix interagiert.
F\u00fcr die Quantifizierung wurde ein Zwei-Komponenten-Flie\u00dfmodell auf die hydrologischen und Isotopendaten angewendet. Mit dem Lumped Parameter-Ansatz wurden die mittleren Verweilzeitverteilungen gewonnen und in spezifischen Gef\u00e4hrdungsdiagrammen dargestellt. Diese zeigen, wann das infiltrierende Wasser das Grundwasser erreicht. Diese Methode wurde bei unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten angewendet, die unter nat\u00fcrlichen atmosph\u00e4rischen Bedingungen durchgef\u00fchrt wurden. Verschiedene Lyismeter, die meist mit sandigem Bodenmaterial gef\u00fcllt waren, wurden herangezogen, um den Einfluss der Bodeneigenschaften und der Vegetation auf die Transportheterogenit\u00e4t und die Menge an pr\u00e4ferentiellem Fluss zu untersuchen.
Es wurde gezeigt, dass der Lumped Parameter-Ansatz gute Ergebnisse bei der Modellierung des Isotopentransports in B\u00f6den ohne Vegetation liefert. Bei der Anwendung in B\u00f6den mit Vegetation war eine Modifizierung der klassischen Input-Funktion notwendig, die Evapotranspiration ber\u00fccksichtigte. Dadurch wurden die Infiltrationsereignisse, die zum tats\u00e4chlichen Abfluss beitrugen, gewichtet. Eine zus\u00e4tzliche Aufteilung in die einzelnen Vegetationsperioden verbesserte hier die Modellierung zus\u00e4tzlich.
Pr\u00e4ferentieller Fluss wurde in allen B\u00f6den beobachtet und mit dem Zwei-Komponenten-Flie\u00dfansatz quantifiziert. In den brachliegenden B\u00f6den mit sandigem bis kiesigem Material variierten die Anteile des mittleren pr\u00e4ferentiellen Flusses zwischen 17 % und 30 %. Hier zeigte sich, dass die ges\u00e4ttigte hydraulische Leitf\u00e4higkeit der entscheidende Parameter ist, der diese Anteile beeinflusst. In den bepflanzten B\u00f6den war der mittlere Anteil an pr\u00e4ferentiellem Fluss von der Abflussrate abh\u00e4ngig und variierte entsprechend der Vegetation. In einem lehmigen Sand wurden mittlere Anteile von 3 % w\u00e4hrend der Zwischenfruchtphase und 18 % w\u00e4hrend der Vegetationsperioden mit Maismonokultur festgestellt. Im selben Bodenmaterial, das aber mit Fruchtfolge kultiviert wurde, ergaben sich mittlere Anteile von 14 % w\u00e4hrend Maisbewuchs, 4 % bei der Bepflanzung mit Winterweizen und 15 % w\u00e4hrend der Zwischenfruchtphase. In einem dritten Versuchsaufbau mit sandigem Bodenmaterial wurde ein mittlerer Anteil von 8 % gefunden.
Spezifische Gef\u00e4hrdungsdiagramme wurden erstellt, die die mittleren Verweilzeitverteilungen des pr\u00e4ferentiellen und des Matrixflusses darstellen. Ihre Muster waren stark von den jeweiligen Bodeneigenschaften abh\u00e4ngig. Diese Diagramme k\u00f6nnen ein Hilfsmittel sein, um effizientere Strategien zum Grundwasserschutz zu entwickeln.
Es wurde gezeigt, dass die angegebene Methode es erm\u00f6glicht, unter nat\u00fcrlichen atmosph\u00e4rischen Bedingungen in brachliegenden und bepflanzten Lysimetern Transportheterogenit\u00e4ten in der unges\u00e4ttigten Zone abzusch\u00e4tzen und pr\u00e4ferentielle Fl\u00fcsse mit Hilfe von Umweltisotopen zu quantifizieren. Solche Isotope sind ad\u00e4quate Tracer, um die Transportprozesse in der unges\u00e4ttigten Zone zu beschreiben. Es wurde deutlich gezeigt, dass Experimente mit kontinuierlicher und nat\u00fcrlicher Aufbringung, wie den hier gezeigten Umwelttracern, \u00fcber einen langen Zeitraum notwenig sind, um eine weite Spanne an Flie\u00dfvariabilit\u00e4ten und Transportheterogenit\u00e4ten zu erfassen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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