Large zero-tension plate lysimeters for soil water and solute collection in undisturbed soils

Water collection from undisturbed unsaturated soils to estimate in situ water and solute fluxes in the field is a challenge, in particular if soils are heterogeneous. Large sampling devices are required if preferential flow paths are present. We present a modular plate system that allows installation of large zero-tension lysimeter plates under undisturbed soils in the field. To investigate the influence of the lysimeter on the water flow field in the soil, a numerical 2-D simulation study was conducted for homogeneous soils with uni- and bimodal pore-size distributions and stochastic Miller-Miller heterogeneity. The collection efficiency was found to be highly dependent on the hydraulic functions, infiltration rate, and lysimeter size, and was furthermore affected by the degree of heterogeneity. In homogeneous soils with high saturated conductivities the devices perform poorly and even large lysimeters (width 250 cm) can be bypassed by the soil water. Heterogeneities of soil hydraulic properties result into a network of flow channels that enhance the sampling efficiency of the lysimeter plates. Solute breakthrough into zero-tension lysimeter occurs slightly retarded as compared to the free soil, but concentrations in the collected water are similar to the mean flux concentration in the undisturbed soil. To validate the results from the numerical study, a dual tracer study with seven lysimeters of 1.25×1.25 m area was conducted in the field. Three lysimeters were installed underneath a 1.2 m filling of contaminated silty sand, the others deeper in the undisturbed soil. The lysimeters directly underneath the filled soil material collected water with a collection efficiency of 45%. The deeper lysimeters did not collect any water. The arrival of the tracers showed that almost all collected water came from preferential flow paths

Pedogenic processes are reflected in the effective hydraulic properties in Sphagnum bog profiles

delimited, and horizon-specific soil physical and chemical properties can be specified. This is different for Sphagnum bog peatlands, because Sphagnum mosses grow continually upward in the Acrotelm and leave behind dead plant remnants, which are increasingly decomposed with increasing depth. Thus, a continuous change of soil properties is characteristic for these profiles. To be able to quantify the change of soil hydraulic properties (SHP) with depth in Sphagnum bog profiles, we conducted transient evaporation experiments in the laboratory on a series of samples from the entire profile of the acrotelm. The identified effective pore size densities for Sphagnum are trimodal in the upper part of the acrotelm. We present size classes defining a unifying nomenclature to be used when describing the pore size classes in Sphagnum moss and peat. These size classes refer to the inter-plant pore space which is constituted of the voids between individual mosses, the intra-plant pore space representing the voids between branches and leaves, and the inner-plant pore space which is the space constituted by the water bearing hyaline cells

Comparison of 2D and 3D modeling for deriving effective hydraulic properties of stony soils

Stone, gravel or rock fragments that are embedded in a matrix of fine soil have a substantial effect on effective soil hydraulic and transport properties. Understanding the role of stones in soils is important not only for soil water transport processes such as infiltration, evaporation and redistribution, but also for related solute transport processes. A variety of models has been proposed in the past to predict the systematic effect of varying amounts of stones on effective saturated conductivity and water retention of a soil-stone mixture. Respective studies for unsaturated hydraulic conductivity are still missing. To test the accuracy and validity of such predictive models, and to expand them to unsaturated conductivity, the investigation of virtual porous media, which can be obtained by numerical forward modeling of water and solute transport in soil-stone mixtures is the method of choice. Furthermore, to test the postulate that effective homogeneous properties exist and can replace the heterogeneous system, the ability of a 1D model with assumed homogeneous soil properties to match “observed” state variables and fluxes of a higher-dimensional heterogeneous model under a variety of conditions is a necessary requirement. With few exceptions, such heterogeneous modeling studies have hitherto been performed only for simplified cases, i.e., either under fully saturated conditions, or with a reduced dimensionality, i.e., 2D simulations of soil/stone mixtures. In this work, we use the simulation tool HYDRUS-2D3D to investigate the systematic differences that occur when modeling partially unsaturated transient water in stony soils, based on the Richards equation. Specifically, we compare truly 3D with 2D simulations and discuss the implications for effective 1D hydraulic properties

Simplified Multistep Outflow Method to Estimate Unsaturated Hydraulic Functions for Coarse-Textured Soils

Although the multistep outfl ow (MSO) method is well suited for the estimation of soil hydraulic properties by inverse solution techniques, this method has not been widely adopted because it requires advanced instrumentation and is time consuming. Th e objective of this study was to develop a modifi ed version of the multistep outfl ow technique that largely simplifi es laboratory procedures and reduces costs and time. Th e numerical inversion procedures require applying user-friendly HYDRUS soft ware to estimate fi tting parameters for soil water retention and unsaturated hydraulic conductivity curves. Whereas values of saturated water content and saturated hydraulic conductivity must be measured independently, the remaining functional parameters are estimated using an inverse solution of a transient drainage experiment using multiple suction steps and a hanging water column, with drainage outfl ows measured during drainage. A comparison test showed that the simplifi ed experiment without tensiometric measurements provided suffi cient information in the parameter identifi cation compared with a traditional pressure outfl ow experiment with tensiometric measurements for an Oso Flaco sand and a loamy sand fi eld soil in the suction range of 0 to 17 kPa

Distribution and Excretion of TEGDMA in Guinea Pigs and Mice

The monomer triethyleneglycoldimethacrylate (TEGDMA) is used as a diluent in many resin-based dental materials. It was previously shown in vitro that TEGDMA was released into the adjacent biophase from such materials during the first days after placement. In this study, the uptake, distribution, and excretion of 14C-TEGDMA applied via gastric, intradermal, and intravenous administration at dose levels well above those encountered in dental care were examined in vivo in guinea pigs and mice as a test of the hypothesis that TEGDMA reaches cytotoxic levels in mammalian tissues. 14C-TEGDMA was taken up rapidly from the stomach and small intestine after gastric administration in both species and was widely distributed in the body following administration by each route. Most 14C was excreted within one day as 14 CO2. The peak equivalent TEGDMA levels in all mouse and guinea pig tissues examined were at least 1000-fold less than known toxic levels. The study therefore did not support the hypothesis

In-situ-Vergleichstest für Sensoren zur Matrixpotentialmessung

Wassergehalt und Matrixpotenzial sind zentrale bodenhydrologische Zustandsvariablen. Zur in-situ Messung dieser Größen im Freiland bietet der Markt eine zunehmende Vielzahl von konkurrierenden Systemen und Technologien an. Zur Messung des Matrixpotentials existiert allerdings bis heute kein Sensorsystem, das mit Zuverlässigkeit und Genauigkeit das Matrixpotential über den gesamten Feuchtebereich messen kann. Zur Prüfung der Messcharakteristik von Bodenfeuchtesensoren hat ein Konsortium von 10 Institutionen im Jahr 2016 über mehrere Monate eine Vergleichsstudie auf einer homogenisierten Testfläche durchgeführt. Die Fläche war ca. 60 m2 groß, natürlichen meteorologischen Bedingungen ausgesetzt und wurde von Vegetation freigehalten. In einem Raster von 0,5 m Weite wurden 15 verschiedene Systeme zur Messung der Bodenfeuchte und 13 verschiedene Systeme zur Messung des Matrixpotenzials in jeweils vierfacher Wiederholung in 0,2 m Tiefe installiert. In diesem Beitrag sollen spezifisch die Ergebnisse der Matrixpotentialmessungen diskutiert werden, deren Technologie auf direkter Druckmessung (Tensiometer T4, T5, T8 der Fa. UMS), Messungen der dielektrischen Eigenschaften (MPS-1, MPS-2 und MPS-6 der Fa. Decagon Devices) bzw. Messungen der Wärmedissipation (pF-Meter, TensioMark der Fa. EcoTech) beruhen. Wir diskutieren die Ergebnisse hinsichtlich der absoluten Lage und Variabilität der Signale, der Reaktionszeiten auf schnelle Feuchteänderungen und auf Temperaturschwankungen. Die Studie zeigte ferner, wie komplex die Probleme einer Vergleichsstudie im Feld generell sind. Trotz großer Sorgfalt bei der Versuchsanlage konnte z.B. die Homogenitätsannahme nur für eine initiale Periode von wenigen Wochen aufrecht gehalten werden. Ein Starkregenereignis mit Infiltrationsüberschuss führte zur Bildung von Bodenkrusten und oberflächlichen Umverteilungsnetzwerken, und damit zu kleinskaliger Heterogenität der oberen Randbedingung. Generell wirft dies Fragen auf in Hinblick auf die Aussagekraft einzelner Sensorenwerte in Freilandstudien

Quantifizierung von kapillarem Fluss, Filmfluss und Dampffluss durch inverse Simulation transienter Verdunstungsexperimente

Die Evaporation aus dem unbewachsenen Boden ist eine wichtige Komponente im Wasserhaushalt und der Energiebilanz der Erdoberfläche, insbesondere in ariden und semiariden Gebieten mit geringer Vegetationsdichte. Die Modellierung des Wasserflusses in trockenen Böden und die Vorhersage von realer Evaporation und Grundwasserneubildung stellen eine ständige Herausforderung für die Bodenhydrologie dar und erfordern angemessene Modellkonzepte und Parametrisierungen der bodenhydraulischen Funktionen. Während die Berücksichtigung des Wasserdampftransports in trockenen porösen Medien inzwischen häufig erfolgt, steckt die Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion im mittleren Wasserspannungsbereich noch immer in den Kinderschuhen und basiert in den meisten Fällen weiterhin auf der Anwendung von Kapillarbündelmodellen und wenigen Datensätzen aus der Literatur mit teilweise eingeschränkter Qualität. Prozesse wie Film- und Eckenfluss wurden zwar an Hand einiger weniger Datensätze untersucht, werden jedoch in der Modellierung von Wasser- und Energieflüssen kaum berücksichtigt. In diesem Beitrag zeigen wir Daten aus transienten Verdunstungsversuchen an großen gepackten Bodensäulen mit erweiterter Instrumentierung in den trockenen Bereich, die mit der Methode der inversen Modellierung prozessbasiert ausgewertet wurden. Es wird untersucht, welche Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeit zu einer korrekten Beschreibung der Zeitreihen der Wasserspannung führt. Die Analyse wird durch gekoppelte Simulationen des Wasser-, Dampf- und Wärmetransports erweitert. Die Ergebnisse zeigen eindeutig das Scheitern klassischer Parametrisierungen der bodenhydraulischen Funktionen im mittleren und trockenen Bereich. Eine korrekte Beschreibung der Messdaten war nur durch Hinzunahme einer weiteren Komponente in der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion möglich, deren physikalische Ursache wahrscheinlich der Film- und Eckenfluss ist

Die integrale Suspensions-Druck-Methode (ISP) -- ein neues Verfahren zur präzisen und automatisierten Schlämmkornanalyse

Die Schlämmkornanalyse ist ein Verfahren, um die Partikelgrößenverteilung von Böden in der Schluff- und Tonfraktion zu bestimmen. Hierbei wird auf Grundlage des Stokes'schen Gesetzes die Partikelgröße aus der Absetzgeschwindigkeit in einer wässrigen Suspension abgeleitet. Bisher gab es zwei etablierte Methoden zur Schlämmkornanalyse: das Pipettverfahren und das Aräometerverfahren. Beide Verfahren beruhen darauf, die zeitliche Änderung der Partikelkonzentration oder Dichte der Suspension in einer bestimmten Tiefe innerhalb der Suspension zu messen. Wir haben eine neuen Methode entwickelt, die auf einer Druckmessung in der Suspension in einer ausgewählten Tiefe basiert. Dieser Druck ist ein integrales Maß für alle Partikel in Suspension oberhalb der Meßtiefe. Wir simulieren die Druckabnahme aufgrund des Absetzens von Partikeln als Funktion der Partikelgrößenverteilung und versuchen durch Variation der Verteilungsparameter eine bestmögliche Anpassung an die Messdaten zu erreichen (inverse Simulation mit globaler Optimierung). Die neue Methode liefert die Partikelgrößenverteilung in sehr hoher Auflösung. Die experimentelle Realisierung vermeidet im Gegensatz zu Pipett- und Aräometermethode jegliche Störung durch den Messvorgang. Eine Sensitivitätsanalyse für verschiedenen Materialien zeigt, dass das Verfahren die Schlufffraktionen präzise bestimmt. Bei Vorgabe von Sandfraktionen aus der Siebung ist entsprechend auch die Schätzung der Tonfraktion sehr genau

Prediction of absolute unsaturated hydraulic conductivity – comparison of four different capillary bundle models

To model water, solute, and energy transport in porous media, it is essential to have accurate information about the soil hydraulic properties (SHPs), i.e., the water retention curve (WRC) and the soil hydraulic conductivity curve (HCC). It is important to have reliable data to parameterize these models, but equally critical is the selection of appropriate SHP models. While various expressions for the WRC are frequently compared, the capillary conductivity model proposed by Mualem (1976a) is widely used but rarely compared to alternatives. The objective of this study was to compare four different capillary bundle models in terms of their ability to accurately predict the HCC without scaling the conductivity function by a measured conductivity value. The four capillary bundle models include two simple models proposed by Burdine (1953) and Alexander and Skaggs (1986), which assume a bundle of parallel capillaries with tortuous flow paths, and two more sophisticated models based on statistical cut-and-random-rejoin approaches, namely those proposed by Childs and Collis-George (1950) and the aforementioned model of Mualem (1976a). To examine how the choice of the WRC parameterization affects the adequacy of different capillary bundle models, we utilized four different capillary saturation models in combination with each of the conductivity prediction models, resulting in 16 SHP model schemes. All schemes were calibrated using 12 carefully selected data sets that provided water retention and hydraulic conductivity data over a wide saturation range. Subsequently, the calibrated models were tested and rated by their ability to predict the hydraulic conductivity of 23 independent data sets of soils with varying textures. The statistical cut-and-random-rejoin models, particularly the Mualem (1976a) model, outperformed the simpler capillary bundle models in terms of predictive accuracy. This was independent of the specific WRC model used. Our findings suggest that the widespread use of the Mualem model is justified.</p

Prüfung von Perkolations- und Elutionsversuchen zur Schadstofffreisetzung aus mineralischen Ersatzbaustoffen

In einem groß angelegten Ringversuch wurden die DIN-Normen DIN 19528 und DIN 19529 verifiziert. In dieser Arbeit haben wir die darin vorgesehenen Experimente durchgeführt, das Versuchsprogramm erweitert und die Ergebnisse mittels verschiedener mathematischer Verfahren ausgewertet. Schüttelversuche, wie in DIN 19529 vorgesehen, haben wir durch Ansätze mit weiteren Wasser-/Feststoffverhältnissen erweitert. Diese Ergebnisse wurden zur Ermittlung der das Verteilungsverhalten bestimmenden Parameter mittels MuBaX (Iden und Durner, 2007) ausgewertet. Die Säulenversuche nach DIN 19528 wurden ebenfalls in ihrer zeitlichen Dauer erweitert und durch Fließunterbrechungen ergänzt. Für die Abschätzung der kurz- bis mittelfristigen Freisetzungen wurden reproduzierbare und zwischen den unterschiedlichen Methoden vergleichbare Ergebnisse erzielt