Shrinkage Characteristics of Boulder Marl as Sustainable Mineral Liner Material for Landfill Capping Systems

The soil shrinkage behavior of mineral substrates needs to be considered for engineering long-term durable mineral liners of landfill capping systems. For this purpose, a novel three-dimensional laser scanning device was coupled with (a) a mathematical-empirical model and (b) in-situ tensiometer measurements as a combined approach to simultaneously determine the shrinkage behavior of a boulder marl, installed as top and bottom liner material at the Rastorf landfill (Northern Germany). The shrinkage behavior, intensity, and geometry were determined during a drying experiment with undisturbed soil cores (100 cm 3 ) from two soil pits; the actual in-situ shrinkage was also determined in 0.2, 0.5, 0.8, and 1.0 m depth by pressure transducer tensiometer measurements during a four-year period. The volume shrinkage index was used to describe the pore size dependent shrinkage tendency and it was classified as low (4.9%) for the bottom liner. The in-situ matric potentials in the bottom liner ranged between −100 and −150 hPa, even during drier periods, thus, the previously highest observed drying range (pre-shrinkage stress) with values below −500 hPa and −1000 hPa was not exceeded. Therefore, the hydraulic stability of the bottom liner was given

Effekte des Ringschneidereinsatzes zur pfluglosen Boden-bearbeitung auf physikalische Eigenschaften sandiger Böden

Organic farming on sandy soils in Brandenburg is especially vulnerable to climate change impacts like drought and heavy rainfall. Reduced tillage is considered as one possible adaptation measure. For technical implementation the ring cutter allowing shallow non-inversion tillage with overall root-cutting is under investigation. Its effects on soil bulk density, soil organic matter content, root mass and soil water retention as well as the yield of winter rye were quantified. Results from the spring showed a significant accumulation of organic matter in the tilled top layer and both a significant increase of bulk density and a significant decrease of root mass in the non-tilled lower topsoil. Water retention in the non-tilled layer was reduced. The yield of winter rye was 27 % lower. Due to a compaction the non-tilled layer of the soil was less penetrable by roots. The showed results of only one date do not allow reasoning to a whole tillage system. In the present case it is recommended to loosen the compacted non-tilled layer with additional non-inversion tillage

Effectiveness of Grassland Vegetation on a Temporary Capped Landfill Site

We studied the effectiveness of grassland vegetation of a temporary capping system consisting of differently compacted boulder marl and its impact on the water balance components. This study presents the modelled water balances for the period between 2008 and 2015, performed with HELP 3.95 D (German edition). The model requires landfill design and weather data as well as soil physical and evapotranspiration parameters including the leaf area indices and evaporative zone depth with regard to the grassland vegetation. The modelled average annual actual evapotranspiration rates ranged between 277 and 390 mm year-1 or rather 33 and 66% of the annual precipitation (10-year average of 728 mm). The actual evapotranspiration rates are strongly influenced by the maximum leaf area indices that increased between 2008 and 2015 from 1.0 to 3.5 as well as the evaporative zone depth that also increased from 20 cm in 2008 to 50 cm in 2015. The empirical-mathematical–based HELP model is a useful option to successfully determine the water balance components of a landfill capping system under the given weather and site conditions including the development of the grassland vegetation

Neutronenradiographische Untersuchungen der kleinräumig heterogenen Wasserbewegung in kohlehaltigen Kippböden

Böden, die sich aus Abraum des Braunkohletagebaus entwickeln, weisen u.a. durch Sedimentmischungen eine starke Heterogenität auf. Die Wasserbewegung in diesen Kippböden ist komplex; sie scheint vornehmlich entlang von präferentiellen Fließbahnen statt zu finden. Um diese Fließbahnen experimentell zu erfassen und zu quantifizieren wurden Fließexperimente an ungestört entnommen Bodenproben durchgeführt, und mit Hilfe der Neutronen-radiographie (PSI Villingen) visualisiert. Exemplarisch werden Infiltrationsvorgänge an vier 2D-Radiographiesequenzen bei zwei verschiedenen Wasserspannungen gezeigt. Des Weiteren wurde ein Multistep-In-Outflow-Experiment durchgeführt um 3D-Wasserverteilungen während der stationären Phasen zu visualisieren, installierte Tensiometer zeichneten den Verlauf der Wasserspannungen während der instationären Phasen auf. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den Versuchsbedingungen nahe Wassersätti-gung die Wasserbewegung vornehmlich in der Sand-Kohlestaub-Matrix stattfindet. Die porösen kohligen Fragmente werden dabei teilweise umflossen

3D-räumliche Beschreibung initialer Sedimentumverteilung in einem künstlichen Einzugsgebiet

Die räumliche Verteilung des Ausgangsmaterials stellt neben dessen Zusammensetzung eine zentrale Anfangsbedingung für die Entwicklung von Böden dar. In sich neu entwickelnden Systemen können allerdings Prozesse der Sedimentumlagerung innerhalb kurzer Zeiträume eine wesentliche Veränderung dieser Bedingungen bewirken. Erosion und Sedimentation führen so zur räumlichen Differenzierung einer (Boden-) Landschaft in Regionen verschiedener Ausgangsbedingungen und Entwicklungsalter. Grundlage für die Untersuchung von Boden-Landschaftsentwicklung ist es daher, die initiale Sedimentverteilung unter Beachtung erster Umverteilungsprozesse raumzeitlich zu quantifizieren. Ziel dieser Studie war es, in einem dreidimensionalen (3D) Modell den initialen Sedimentkörper eines künstlichen Wassereinzugsgebiets sowie seine ersten Entwicklungsphasen zu beschreiben und zu bilanzieren. Im Folgenden werden die dafür entwickelte Methodik sowie erste Ergebnisse vorgestellt

Bilanzierung der Sedimentmassen eines künstlichen Wassereinzugsgebiets mit einem 3D- Strukturmodell

Im SFB TR 38 wird ein ca. 6 ha großes künstliches Wassereinzugsgebiet untersucht, das der ungelenkten Sukzession überlassen ist. Um die Beziehungen zwischen Strukturen und Prozessen während der initialen Phasen der Ökosystementwicklung besser verstehen zu können, sollen 3D räumlich differenzierte Bilanzen der Sedimente als der Festphase des porösen Bodenkörpers erstellt werden. Ziel dieser Studie ist eine quantitative Bilanzierung der räumlich-zeitlichen Dynamik des Festkörpers als Folge von z.B. erosiven Massenbewegungen sowie eine Analyse der Wechselbeziehungen zwischen Verlagerungen und Sedimenteigenschaften. Die Basis der Untersuchung bildet die Auswertung digitaler Modelle der Oberflächenstrukturen im Initialzustand sowie in späteren Entwicklungsphasen des Ökosystems. Aus digitalen Geländemodellen der Oberfläche sowie der Untergrenze des Einzugsgebiets wurde in der 3D-GIS Software GOCAD ein 3D-Gittermodell der initialen räumlichen Strukturen des Wassereinzugsgebiets konstruiert. Bodenphysikalische und –chemische Parameter wurden auf das digitale Modell übertragen und räumlich interpoliert. Die aus photogrammetrischer Luftbildauswertung und Laserscanning fortlaufend gewonnenen Oberflächeninformationen werden genutzt, um Entwicklungszustände im 3D Modell darzustellen. Aus topographischer Information und Texturdaten werden Geländekennwerte und hydrologische Parameter ermittelt. Volumenänderungen werden in räumlicher und zeitlicher Auflösung erfasst, um durch die Kombination mit Sedimenteigenschaften die Veränderungen der festen Bodenphase quantitativ zu ermitteln. Korrelationen zwischen Sedimenteigenschaften, Geländeparametern und Prozessen der Massenverlagerung werden untersucht. Durch diese integrative Betrachtung der Strukturen und Prozesse im 3D-Modell können im Einzugsgebiet Prozessräume unterschiedlicher Dynamik im Hinblick auf Sedimentverlagerung und Pedogenese charakterisiert werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass zwischen westlichem und östlichem Teil des Einzugsgebiets sowohl bezüglich der Sedimenteigenschaften als auch hinsichtlich der Erosionsdynamik Unterschiede bestehen. Eine wechselseitige Abhängigkeit von Sedimentstrukturen und Prozessen der Oberflächenentwicklung kann daher angenommen werden

Ein 3D Modell zur Darstellung der Initialstruktur eines künstlichen Einzugsgebietes

Die Internstrukturen eines künstlich geschaffenen Einzugsgebiets werden in einem digitalen 3D Modell dargestellt mit dem Ziel der Analyse von Strukturen und Quantifizierung von Massen. Es werden weitere Ansätze vorgestellt, wie die wesentlichen internen Bauelemente des Einzugsgebiets digital rekonstruiert werden können

Simulated preferential water flow and solute transport in shrinking soils

We present follow-up work to previous work extending the classical rigid (RGD) approach formerly proposed by Gerke and van Genuchten, to account for shrinking effects (SHR) in modeling water flow and solute transport in dualpermeability porous media. In this study we considered three SHR scenarios, assuming that aggregate shrinkage may change either: (i) the hydraulic properties of the two pore domains, (ii) their relative fractions, or (iii) both hydraulic properties and fractions of the two domains. The objective was to compare simulation results obtained under the RGD and the SHR assumptions to illustrate the impact of matrix volume changes on water storage, water fluxes, and solute concentrations during an infiltration process bringing an initially dry soil to saturation and a drainage process starting from an initially saturated soil. For an infiltration process, the simulated wetting front and the solute concentration propagation velocity, as well as the water fluxes and water and solute exchange rates, for the three SHR scenarios significantly deviated from the RGD. By contrast, relatively similar water content profiles evolved under all scenarios during drying. Overall, compared to the RGD approach, the effect of changing the hydraulic properties and the weight of the two domains according to the shrinkage behavior of the soil aggregates induced a much more rapid response in terms of water fluxes and solute travel times, as well as a larger and deeper water and solute transfer from the fractures to the matrix during wetting processes

Analyse von Wechselwirkungen zwischen Infiltration und Abfluss in Abhängigkeit von Oberflächenstrukturen mit einem komplexen Beregnungsexperiment

Unser Forschungsprojekt zielt auf die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Iniltration und Oberflächenabfluss vor allem unter dem Aspekt der Strukturdynamik während der initialen Boden- und Ökosystementwicklung. Es wurde ein komplexes Beregnungsexperiment realisiert, mit dem sich sowohl Infiltration als auch Flüusse im und auf dem Boden sowie die Entwicklung von Strukturen im Feldversuch gleichzeitig beobachten und quantifzieren lassen. Ein Regensimulator mit zentraler FullJet-Düse erzeugt eine Niederschlagsintensität von ca. 120mm/h. Die Tropfenspektren und Fallgeschwindigkeiten entsprechen denen natürlicher Starkregen. Ein Laser-Distrometer erfasst das Tropfenspektrum; eine Digitalkamera zeichnet das Regenereignis auf; Tensiometer registrieren den Potentialverlauf im Boden und die Abflussmengen und Sedimentfrachten werden im Zeitverlauf erfasst. Oberflächenstrukturen und Bodenproben werden vor und nach dem Ereignis vermessen bzw. entnommen. Im Feldexperiment mit sandigem quartärem geschüttetem Sediment konnten alle Komponenten im zeitlichen Ablauf erfasst werden. Die Änderung der Fließpfade an der Oberfläche korrespondierte direkt mit einer Änderung in der Abussrate