Erweiterte Multistep-Ausfluss-Methode zur präzisen Bestimmung bodenhydraulischer Eigenschaften nahe Wassersättigung

Die Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit aus Multistep-Ausfluss-Experimenten ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Wir stellen ein neues experimentelles Design vor, welches eine gesättigte Perkolation mit einem ungesättigten Multistep-Ausfluss-Experiment kombiniert. Diese sogenannte erweiterte Multistep-Ausfluss-Methode (Extended Multistep Outflow, kurz XMSO) wird durch Studien an synthetischen und realen Messdaten auf ihre Eignung geprüft, die hydraulische Leitfähigkeit eines Bodens im gesättigten Zustand und nahe Wassersättigung präzise zu bestimmen. Die Ergebnisse der inversen Simulation mit der Methode der frei geformten hydraulischen Funktionen zeigen eindeutig, dass die XMSO-Methode bestens geeignet ist, die bodenhydraulischen Eigenschaften nahe Wassersättigung aus einem einzigen Experiment präzise und schnell zu bestimmen

Bestimmung hydraulischer Eigenschaften aus Multistep-Outflow und Evaporationsexperimenten – Methodenvergleich

Die Multistep-Outflow- und Evaporationsmethode dienen der schnellen und simultanen Bestimmung der bodenhydraulischen Eigenschaften im Labor. Die mit diesen beiden Methoden ermittelten Retentions- und Leitfähigkeitskurven wurden auf ihre Übereinstimmung hin überprüft. Dazu wurden Bodenproben unterschiedlicher Textur mit beiden Experimenten nacheinander untersucht. Wir fanden sehr gute Übereinstimmungen zwischen den aus den MSO Experimenten gefitteten hydraulischen Funktionen und den direkt aus den Evaporationsexperimenten berechneten Datenpunkten. Da die Methoden für die ungesättigte Leitfähigkeitsbeziehung verschiedene Druckbereiche mit hoher Sensitivität abdecken, lassen sie sich sehr gut ergänzen, um den validen Datenbereich beträchtlich zu vergrößern

INVEST - Inverse modeling of terrestrial systems: Inverse modeling of data from virtual reality simulations to identify effective one-dimensional flow processes and properties

Die Wasserdynamik im Boden wird durch die räumliche Heterogenität der bodenhydraulischen Eigenschaften bestimmt. Da diese im Feld nicht detailliert gemessen werden kann, wurden im Rahmen des Projektverbunds INVEST komplexe virtuelle Realitäten entworfen, in denen die ungesättigte Wasserdynamik unter verschiedenen Randbedingungen simuliert wird. Daraus gewonnene Messwerte von Wassergehalt und Wasserspannung wurden verwendet, um die Messvariabilität, die in einem heterogenen Boden auftreten kann, nachzubilden. In unserer Arbeit wollten wir prüfen, inwieweit die mittlere Wasserdynamik auf der Feldskala durch eine eindimensionale Simulation beschrieben werden kann, und wie stark die invers bestimmten bodenhydraulischen Eigenschaften variieren. Wir fanden eine große Variabilität der Messdaten, die an verschiedenen Punkten in der Horizontalen gemessen wurden. Daraus folgte eine hohe Variabilität der invers geschätzten hydraulischen Eigenschaften. Diese kann in der Realität zu einer stark von der Lage der Messpunkte abhängigen Einschätzung des Wasserhaushalts führen

Inverse Modellierung des Wasserflusses unter Berücksichtigung dynamischen Ungleichgewichts mit einem effektiven Dual-Kontinuum-Modell

Der übliche Richards-Ansatz zur Modellierung des Wassertransports in porösen Medien beruht auf der Annahme lokalen Gleichgewichts zwischen den Statusgrößen Wassergehalt und Wasserspannung innerhalb eines repräsentativen Elementarvolumens. In diesem Ansatz werden die Retentionskurve und die Leitfähigkeitskurve als statische konstitutive Beziehungen gemessen und verwendet, um Wasserflüsse auf größeren Skalen zu modellieren. Experimente unter dynamischen Randbedingungen haben jedoch gezeigt, dass die lokale Gleichgewichtsannahme selbst auf der Laborskala oft nicht zutrifft. Um die damit verbundene Phänomene zu beschreiben werden die Ausdrücke „dynamische Effekte“ oder „dynamisches Ungleichgewicht“ benutzt. In diesem Beitrag wird ein einfaches Ungleichgewichtsmodell vorgestellt, das den Boden als duales Kontinuum abbildet. In einem der Teilbereiche wird der Wasserfluss über die normale Richards-Gleichung abgebildet, in dem zweiten über eine erweiterte Richards-Gleichung, welche den Ungleichgewichts-Ansatz von Ross und Smettem verwendet. Das vorgeschlagene Modell wird über inverse Modellierung an Daten von Multistep-Ausfluss-Experimenten getestet. Hierbei wird eine flexible Parametrisierung der konstitutiven Beziehungen verwendet, sodass interferierende Fehler durch mangelnde Flexibilität der hydraulischen Eigenschaften ausgeschlossen werden können. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen, dass das neue Modell die Messungen sehr viel besser beschreiben kann, als dies mit dem Standard-Richards-Modell oder dem Ross-Smettem-Modell allein möglich ist

Local Solute Sinks and Sources Cause Erroneous Dispersion Fluxes in Transport Simulations with the Convection–Dispersion Equation

The convection–dispersion equation (CDE) is the most widely used model for simulating the transport of dissolved substances in porous media. The dispersion term in the CDE lumps molecular diffusion and hydromechanical dispersion into an effective diffusive solute flux. This is possible by describing hydrodynamic dispersion with Fick’s first law of diffusion. We critically analyzed this concept for specific water flow situations where the solute concentration is locally increased by processes like root water uptake or water evaporation. The local accumulation of solutes in these situations leads to high concentration gradients and a dispersive solute flux component opposite to the direction of the water flux. This is physically wrong because it assumes that molecules or ions are moving against the flow direction by dispersion. The aim of this study was to investigate the magnitude of the resulting error by means of numerical modeling. We simulated solute transport from a groundwater table to a bare soil surface during steadystate evaporation using the HYDRUS-1D code. The simulations showed that in the region where dissolved substances accumulate due to the transition from liquid water to vapor, the resulting incorrect dispersive flux against the mean transport direction can reach the same order of magnitude as the convective solute flux. Under such conditions, application of the CDE is questionable

Radionuklidfreisetzung aus Kraftwerksschutt – Simulation von Elutionsversuchen unter transienten Randbedingungen

Für die umweltverträgliche Entsorgung des beim Rückbau kerntechnischer Anlagen anfallenden Betonbruchs werden Prognsemodelle des Radionuklidaustrags benötigt. Im Labor wurden Perkolationversuche mit radioaktiv kontaminiertem Bauschutt durchgeführt und Messreihen der wichtigsten bodenhydraulischen Größen sowie wichtige Stofftransportparameter ermittelt. Erstes Teilzeil des laufenden Forschungsvorhabens AuRa war die gekoppelte Modellierung der hydraulischen Prozesse und des nichtreaktiven Stofftransports. Die Auswertung der resultierenden Daten und die Überprüfung der Korrektheit der Prozesskenntnisse erfolgte mit der Methode der inversen Modellierung. Der Wasserfluss konnte mit der Richardsgleichung unter Verwendung des van Genuchten-Mualem-Modells der hydraulischen Funktionen zufriedenstellend beschrieben werden. Das Durchbruchsverhalten eines konservativen Tracers zeigte eindeutig auf, dass präferenzielle Flüsse auftraten. Diese konnten mit dem Mobil-Immobil-Modell zutreffend modelliert werden

Prediction of the absolute hydraulic conductivity function from soil water retention data

For modeling flow and transport processes in the soil–plant–atmosphere system, knowledge of the unsaturated hydraulic properties in functional form is mandatory. While much data are available for the water retention function, the hydraulic conductivity function often needs to be predicted. The classical approach is to predict the relative conductivity from the retention function and scale it with the measured saturated conductivity, Ks. In this paper we highlight the shortcomings of this approach, namely, that measured Ks values are often highly uncertain and biased, resulting in poor predictions of the unsaturated conductivity function. We propose to reformulate the unsaturated hydraulic conductivity function by replacing the soil-specific Ks as a scaling factor with a generally applicable effective saturated tortuosity parameter τs and predicting total conductivity using only the water retention curve. Using four different unimodal expressions for the water retention curve, a soil-independent general value for τs was derived by fitting the new formulation to 12 data sets containing the relevant information. τs was found to be approximately 0.1. Testing of the new prediction scheme with independent data showed a mean error between the fully predicted conductivity functions and measured data of less than half an order of magnitude. The new scheme can be used when insufficient or no conductivity data are available. The model also helps to predict the saturated conductivity of the soil matrix alone and thus to distinguish between the macropore conductivity and the soil matrix conductivity.</p

Influence of Stone Content on Soil Hydraulic Properties: Experimental Investigation and Test of Existing Model Concepts

Studying the role of gravel, stones, or rock fragments on effective soil hydraulic properties (SHPs) is crucial for understanding and predicting soil water processes such as evaporation, redistribution, and water and solute transport through soils containing significant amounts of coarse inclusions. We conducted a laboratory study in which we investigated the effect of stones on the water retention and unsaturated hydraulic conductivity curves of soil–stone mixtures. Stony soils were created by packing predefined masses of soil particles (sand and sandy loam) with diameters <2 mm and crushed basalt (2–5 and 7–15 mm). The resulting mixtures ranged from 0 to 40% (v/v) stone content. The SHPs were determined with the simplified evaporation method. The measurements yielded plausible water retention and hydraulic conductivity curves across a wide moisture range. Results qualitatively showed the expected dependencies of SHPs on volumetric stone content, characterized by a reduction of soil water content and hydraulic conductivity across the whole pressure head range. Measured data suggested that coarse inclusions in soil tend to widen the effective pore-size distribution. Prediction of SHPs of the stony soils, performed by fitting a flexible SHP model to the data of the background soil and scaling it with approaches from the literature, worked well for low stone contents. However, for volumetric stone contents of 25 and 40%, measured SHPs differed substantially from the properties predicted by simple scaling models

Inverse Modellierung des Wasserflusses mit Wurzelwasseraufnahme in Großlysimetern

Für die Simulation des Wasser- und Stofftransports in ungesättigten Böden ist die genaue Kenntnis der bodenhydraulischen Eigenschaften notwendig. In heterogenen Medien und unter atmosphärischen Randbedingungen erfolgt die Bestimmung effektiver hydraulischer Funktionen idealerweise durch inverse Simulation. Um hierfür möglichst genaue und vollständige Informationen über die Randbedingungen zu erhalten, eignen sich wägbare Lysimeter, insbesondere wenn sie zusätzlich mit leistungsfähigen Messgeräten ausgestattet sind. Unter Verwendung der natürlichen Randbedingungen wie sie am Gras-Referenz-Lysimeter auf der Lysimeterstation in Wagna (Österreich) gemessen wurden, wurden synthetische Messdaten generiert, um zu untersuchen, ob und bei welchem Informationsgehalt es möglich ist bodenhydraulische Eigenschaften und Wurzelwasseraufnahmeparameter durch inverse Simulation gleichzeitig zu bestimmen. Bei idealisierten, virtuellen Realitäten können unter atmosphärischen Randbedingungen für homogene Bodenprofile gleichzeitig bodenhydraulische Eigenschaften und ein Durchwurzelungsparameter korrekt bestimmt werden

Prediction of the absolute hydraulic conductivity function from soil water retention data

For modeling flow and transport processes in the soil-plant-atmosphere system, knowledge of the unsaturated hydraulic properties in functional form is mandatory. While much data are available for the water retention function, the hydraulic conductivity function often needs to be predicted. The classical approach is to predict the relative conductivity from the retention function and scale it with the measured saturated conductivity, Ks. In this paper we highlight the shortcomings of this approach, namely, that measured Ks values are often highly uncertain and biased, resulting in poor predictions of the unsaturated conductivity function. We propose to reformulate the unsaturated hydraulic conductivity function by replacing the soil-specific Ks as a scaling factor with a generally applicable effective saturated tortuosity parameter τs and predicting total conductivity using only the water retention curve. Using four different unimodal expressions for the water retention curve, a soil-independent general value for τs was derived by fitting the new formulation to 12 data sets containing the relevant information. τs was found to be approximately 0.1. Testing of the new prediction scheme with independent data showed a mean error between the fully predicted conductivity functions and measured data of less than half an order of magnitude. The new scheme can be used when insufficient or no conductivity data are available. The model also helps to predict the saturated conductivity of the soil matrix alone and thus to distinguish between the macropore conductivity and the soil matrix conductivity