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

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

Soil seal development under simulated rainfall: structural, physical and hydrological dynamics

This study delivers new insights into rainfall-induced seal formation through a novel approach in the use of X-ray Computed Tomography (CT). Up to now seal and crust thickness have been directly quantified mainly through visual examination of sealed/crusted surfaces, and there has been no quantitative method to estimate this important property. X-ray CT images were quantitatively analysed to derive formal measures of seal and crust thickness. A factorial experiment was established in the laboratory using open-topped microcosms packed with soil. The factors investigated were soil type (three soils: silty clay loam - ZCL, sandy silt loam - SZL, sandy loam - SL) and rainfall duration (2-14 minutes). Surface seal formation was induced by applying artificial rainfall events, characterised by variable duration, but constant kinetic energy, intensity, and raindrop size distribution. Soil porosities derived from CT scans were used to quantify the thickness of the rainfall-induced surface seals and reveal temporal seal micro-morphological variations with increasing rainfall duration. In addition, the water repellency and infiltration dynamics of the developing seals were investigated by measuring water drop penetration time (WDPT) and unsaturated hydraulic conductivity (Kun). The range of seal thicknesses detected varied from 0.6 - 5.4 mm. Soil textural characteristics and OM content played a central role in the development of rainfall-induced seals, with coarser soil particles and lower OM content resulting in thicker seals. Two different trends in soil porosity vs. depth were identified: i) for SL soil porosity was lowest at the immediate soil surface, it then increased constantly with depth till the median porosity of undisturbed soil was equalled; ii) for ZCL and SL the highest reduction in porosity, as compared to the median porosity of undisturbed soil, was observed in a well-defined zone of maximum porosity reduction c. 0.24 - 0.48 mm below the soil surface. This contrasting behaviour was related to different dynamics and processes of seal formation which depended on the soil properties. The impact of rainfall-induced surface sealing on the hydrological behaviour of soil (as represented by WDTP and Kun) was rapid and substantial: an average 60% reduction in Kun occurred for all soils between 2 and 9 minutes rainfall, and water repellent surfaces were identified for SZL and ZCL. This highlights that the condition of the immediate surface of agricultural soils involving rainfall-induced structural seals has a strong impact in the overall ability of soil to function as water reservoir