Solute mass transfer through the macropore-matrix interface during preferential flow in structured soils: model development
Final Report Abstract
Bei Starkregenereignissen kommt es in gut strukturierten Böden zur schnellen Infiltration und Verlagerung von Wasser und gelösten Stoffen zunächst in größeren Poren des Bodens (Bioporen und Schrumpfrisse). Die Geschwindigkeit, mit der das infiltrierende Wasser danach aus den Makroporen in die umgebende poröse Bodenmatrix gelangt, entscheidet letztlich darüber, ob das Infiltrations- zu einem präferenziellen Fluss-Ereignis wird. Bei präferenziellem Fluss können sich Wasser und die darin gelösten und mitgeführten Stoffe unter Umgehung eines größeren Teils des Bodenvolumens in größere Bodentiefen verlagern und eventuell in das Grundwasser oder den Vorfluter gelangen. Aufgrund der Komplexität dieser an die Strukturen gekoppelten Prozesse sind Vorhersagen stark eingeschränkt. Die Kenntnis über den Austausch von Wasser und Stoffen durch die Grenzfläche zwischen Makroporen und Matrix (M-M) trägt daher zum Verständnis des präferenziellen Flusses in strukturierten Böden bei. Dieser M-M Massentransfer ist zunächst einmal abhängig von der Größe und Beschaffenheit der Oberflächen von Bioporen und Schrumpfrissen, welche die M-M Grenzflächen bilden. In Zwei-Regionenmodellen werden diese Eigenschaften als Parameter verwendet. Allerdings müssten aus den lokal stark heterogenen Eigenschaften und Verteilungen von Makroporenoberflächen nur die für Austauschprozesse wesentlichen „effektiven“ abgeleitet werden. Das Ziel des Projekts bestand in der Entwicklung eines vereinfachten Transferterms für gelöste Stoffe, in dem die Auswirkungen lokal verteilten Eigenschaften an der Grenzfläche berücksichtigt werden können. Bei der Entwicklung des Terms konzentrierten wir uns auf Wandungen von Wurmgängen und Ton-Humus Kutane von Rissen aus Unterböden (B-Horizonte) von drei Standorten, die sich hinsichtlich des bodenbildenden Ausgangsmaterials (i.e., Geschiebemergel, Löss, Festgestein) und der Landnutzung (i.e., Ackerland, Wald) unterscheiden. Experimente und numerische Simulationen wurden gemeinsam mit Kooperationspartnern von der Tschechischen Technischen Universität (Prag) und der Universität Kassel (Witzenhausen) durchgeführt. In diesem Projekt wurden Größen und Eigenschaften von Gefügeoberflächen aus Röntgen-CT Aufnahmen abgeleitet und für drei Typen von Makroporen (Wurmgänge, Wurzelkanäle, Risse) in B- Horizonten jeweils spezifische Austausch- und Sorptionseigenschaften zugeordnet. Farbtracer-Verlagerungsexperimente mit jeweils zwei unterschiedlichen Tracern geben Auskunft über die relative Abnahme des M-M Austausches durch Sorption an Makroporenwänden. Methodische Untersuchungen erfolgten zur Quantifizierung der Sorptionseigenschaften und Lagerungsdichten von Makroporenoberflächen. Zur direkten Messung des M-M Austauschflusses in intakte Matrix- Bodenblöcke (ca. 5 cm kantenlänge) wurde ein fluoreszenz-basiertes Verfahren entwickelt. Mit dieser Methodik konnten zeitliche Infiltrationsverläufe sowie kleinräumig-verteilte Konzentrationen der applizierten Tracer in fester und flüssiger Phase bestimmt werden. Die Ergebnisse werden für die Modellentwicklung verwendet, z.B. durch Vergleiche mit 2D lokalen Simulationen der Wasser- und Stoffverlagerung in die Matrix aus umgebenden Makroporen. Für die etwas größere Skala von intakten Bodensäulen wurden 2 Tracer in Perkolationsversuchen mit periodischer Unterbrechung verglichen. Am Ende des Projekts stehen alle wesentlichen Daten die modellbasierte Analyse zur Verfügung. Während die experimentellen Arbeiten erfolgreich getestet und angewandt wurden, konnten die meisten geplanten Modellierungsarbeiten im Projektzeitraum nicht realisiert werden.
Publications
- (2019). Representation of plot scale soil heterogeneity in dualdomain effective flow and transport models with mass exchange. Vadose Zone Journal 18, 1, Article 180174
Filipovic, V., Coquet, Y., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.2136/vzj2018.09.0174) - (2020) Macropore-matrix mass transfer of reactive solutes quantified by fluorescence imaging. Vadose Zone Journal 19, 1, e20078
Haas, C., Leue, M., Ellerbrock, R.H., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1002/vzj2.20078) - (2020). Brilliant Blue sorption characteristics of clay-organic aggregate coatings from Bt horizons. Soil & Tillage Research 201, Article 104635
Beck-Broichsitter, S., Gerriets, M.R., Gerke, H.H., Sobotkova, M., Dusek, J., Dohrmann, R., Horn, R.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104635) - (2020). Fluorescence imaging for mm-scale observation of macropore-matrix mass transfer: calibration experiments. Geoderma 360, Article 114002
Haas, C., Horn, R., Ellerbrock, R.H., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114002) - (2020). Laser-based 3D microscopic gauging of soil aggregate coating thickness and volume. Soil & Tillage Research 204, Article 104715
Beck-Broichsitter, S., Gerriets, M.R., Puppe, D., Leue, M., Sobotkova, M., Dusek, J., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104715) - 2020. Volume-related quantification of organic carbon content and cation exchange capacity of macropore surfaces in Bt-horizons. Vadose Zone J.
Leue, M., Uteau, D., Peth. S., Beck-Broichsitter, S., Gerke, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1002/vzj2.20069)
