Methods to Determine Preferential Flow in Water Repellent Urban Soils

Methoden um die präferenziellen Fließwege von Benetzungsgehemmten Böden zu beschreiben

  • In literature, a wide range of approaches is described to characterize soil water repellency phenomena. The aim of this study is to detect preferential flow paths for two water repellent soils in an urban environment using various methods. The first experimental site is in “Berlin Buch”, a former wastewater disposal field, today’s covered dominantly by couch grass. The second site is in the “Tiergarten” park in the centre of Berlin. This site is covered by a short grass vegetation, which is cut In literature, a wide range of approaches is described to characterize soil water repellency phenomena. The aim of this study is to detect preferential flow paths for two water repellent soils in an urban environment using various methods. The first experimental site is in “Berlin Buch”, a former wastewater disposal field, today’s covered dominantly by couch grass. The second site is in the “Tiergarten” park in the centre of Berlin. This site is covered by a short grass vegetation, which is cut regularly. In this thesis, three methods were used and tested to analyze preferential flow paths due to water repellency. • First, a tracer experiment with Brilliant Blue (well described in Flury and Flühler 1995) was applied to color the pathways of water infiltration. The soil was irrigated with 30 mm on the Tiergarten site and 50 mm water on the Buch site with a Brilliant Blue concentration of 1g/L. The water was distributed using a sprinkler system or a pesticide hand sprayer. After 24 hours, horizontal and vertical sections of the soil were excavated. A digital photo camera installed on a tripod was used to document the coloration of the soil. From the photos and water drop penetration tests the flow paths were detected. • Second, a numerical model (DELPHIN) was used to analyze the influence of water repellency on surface temperature. The variation of initial water content, for example between dry and wet zones, can create different soil heat fluxes and consequently influence the surface temperature. The vegetation cover and the depths of the dry and wet areas influence the surface temperature. Thus, we analyzed only simplified heat and energy transport processes without any interaction of water and salt transport. The sensibility of the predictions was studied by varying the initial water content and depths of wet and dry areas of the soils. The spatial geometry of the model is a vertical sandy soil profile of one meter length and one meter depth without vegetation cover. In the first model concept, the wettable area is 4 cm wide and 40 cm depth. Two classes of sandy soil having the same physical properties but different water contents were used. In the second model the wet areas were larger (40 cm wide and 40 cm deep). The simulations ran for eight days. A standard data set offered by DELPHIN was used for the climatic conditions. The initial soil temperature was set to 15 °C. • As a third method, a thermal camera was used for detecting soil surface temperature gradients induced by water repellent pattern. Experiment was done in the Tiergarten park during three sunny days in summer. In a water repellent soil, dry soil can exist next to zones of wet soil and the variation of initial water content between dry and wet zones can create a temperature gradient and can consequently influence the surface temperature. This kind of soil design is found within the upper part of the soil profile. Several studies connected the heat balance at the soil surface to the physiological processes evapotranspiration and photosynthesis (Wiegand et al. 1983; Moran et al. 1994; Yuan et al. 2004). The advantages of the thermal infrared detection are fast and undisturbed measurements with high spatial resolution. The Brilliant Blue experiment shows preferential flow paths. In the topsoil, it is possible to determine the spatial water repellency distribution from the Brilliant Blue images. Wettable areas are colored with Brilliant Blue, water repellent areas are not. Nevertheless, below 50 cm, where there is no presence of water repellent samples, the Brilliant Blue experiment showed preferential flow due to the gravitational flow of water. This preferential flow did not have any effect on the water content changes. These preferential flow paths, in their turn, manage the "hydraulic cycle" of the soil. Because water is the main transport medium of solutes, the preferential flow due to the water repellency in the topsoil also influences the solute transport in the soil. The numerical scenarios with Delphin 2D showed that the size of the wettable area as well as the initial water content difference between wet and dry soils influenced the soil surface temperature, but not to a great extent. The covering depth of the wet or water repellent area has a higher influence on soil surface temperature differences than the thermal properties of the soil layer itself. It reduces the maximum between the differences in surface temperature of above the wet and dry spots in the soil. If the wet and dry spots were covered with more than 10 cm soil, the influence of the soil surface temperature was almost negligible. However, in natural soils, the vegetation cover has to be taken into account as well. In a field experiment in Tiergarten park using the thermal camera, the surface temperatures during the day were up to 65°C with a very high spatial varaibility. Soil surface temperature structures were different during the day and during the night. The comparison between these structures and the spatial soil water content distribution did not give a good correspondence. It was not possible to detected wetter and dryer parts of the soil from the surface temperature. Nevertheless, water content and surface temperature were stasitically correlated at night. This can be explained by the higher importance of the soil heat flux during night.show moreshow less
  • In der Literatur sind viele unterschiedliche Ansätze zur Beschreibung von hydrophoben Bodeneigenschaften bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, präferenzielle Fließwege zu beschreiben. Dies erfolgte mit unterschiedlichen Methoden auf zwei urbanen Standorten mit benetzungsgehemmten Böden. Der eine Standort ist ein ehemaliges Rieselfeld in Berlin Buch, der heute überwiegend mit Quecke bewachsen ist. Der andere ist eine Parkfläche mit Rasenbewuchs und liegt im Großen Tiergarten von BerliIn der Literatur sind viele unterschiedliche Ansätze zur Beschreibung von hydrophoben Bodeneigenschaften bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, präferenzielle Fließwege zu beschreiben. Dies erfolgte mit unterschiedlichen Methoden auf zwei urbanen Standorten mit benetzungsgehemmten Böden. Der eine Standort ist ein ehemaliges Rieselfeld in Berlin Buch, der heute überwiegend mit Quecke bewachsen ist. Der andere ist eine Parkfläche mit Rasenbewuchs und liegt im Großen Tiergarten von Berlin. In dieser Arbeit werden drei Methoden getestet um die präferenziellen Fließwege aufgrund von Benetzungshemmung zu beschreiben. • Der erste Ansatz ist ein Tracer Experiment mit dem Farbstoff Brillant blue (s. Flury and Flühler, 1995). Dazu wurden die Versuchsflächen mit gefärbten Wasser beregnet; 30 mm wurden im Tiergarten und 50 mm in Buch aufgebracht; die Konzentration betrugt 1 mg/l. Nach 24 Stunden wurden die Flächen aufgegraben und an einer Profilwand horizontal und vertikal beprobt. Mit einer Digitalkamera wurde die Färbung des Bodens aufgenommen. Anhand der Photos in Verbindung mit Messungen der Benetzungshemmung (WDPT= water drop penetration time test) wurden die Fließwege im Boden bestimmt. • Als zweite Methode wurde ein numerisches Simulationsmodell (DELPHIN) benutzt, um die Oberflächentemperatur in Abhängigkeit der Benetzungshemmung des Bodens zu analysieren. Die Unterschiede der Bodenwassergehalte zwischen feuchten und trockenen Bereichen führen zu unterschiedlichen Bodenwärmeströmen und beeinflussen somit die Oberflächentemperatur als Bestimmungsgröße.Ein Problen dabei ist, dass auch die Pflanzendecke und die Tiefe der feuchten und trockenen Bereiche im Boden die Oberflächentemperatur beeinflussen. Mit dem Simulationsmodell wurden vereinfachte Szenarien ohne Salztransport und Wasserfluss berechnet. Die Sensibilität der Berechnungen wurde durch Variation der Wassergehalte sowie durch unterschiedliche Tiefen der Trocken- und Feuchtezonen getestet. Das Modell zeichnete ein vertikales Sandprofil von 1m Länge und 1m Tiefe ohne Pflanzenbewuchs nach. In einem ersten Modellszenario waren die feuchten, benetzbaren Bereiche 4 cm breit und 40 cm tief; in einem zweiten Szenario wurde die Breite auf 40 cm erhöht. Die Simulationszeit umfasste einen Zeitraum von acht Tagen. Als klimatische Randbedingungen wurde ein Datensatz von DELPHIN verwendet; die Anfangstemperatur des Bodens betrug 15 °C. • Als dritte Methode wurde eine Thermalkamera zur Dedektion von benetzungsbehemmten Bereichen (aus der Oberflächentemperatur) benutzt. Die Experimente wurden an drei austauscharmen Strahlungstagen im Sommer im Tiergarten durchgeführt. In einem bentzungsgehemmten Boden können zeitgleich nebeneinader trockene und feuchte Bereiche existieren, die unterschiedliche Temperaturgradienten erzeugen und die Oberflächentemperatur beeinflussen. Viele Studien verbinden die Energiebilanz an der Bodenoberfläche mit den pflanzenphysiolgischen Prozessen der Transpiration und Photosyntese (Wiegand et al, 1983, Moran et al., 1994, Yuan et al. 2004). Der Vorteil der Thermalbildkamera ist eine schnelle Messung mit hoher räumlicher Auflösung. Das Brillant blue Experiment bildet die unterschiedlichen Fließwege deutlich ab. Im Oberboden konnte eine enge Beziehung zwischen der räumlichen Verteilungen von Brillant blue und der Benetzungshemmung festgestellt werden. Benetzbare Bereiche waren gefärbt, benetzungsgehemmte dagegen nicht. Unterhalb von 50 cm Bodentiefe, wo keine Benetzungshemmung mehr auftrat, zeigte das Tracerexperiment ebenfalls präferenzielles Fließen, was nicht direkt durch Benetzungshemmung erklärt werden kann. Dieser präferenzielle Fluss führte allerdings nicht mehr zu messbaren Wassergehaltsänderungen im Untergrund. Von dem präferenziellen Wasserfluss aufgrund der Benetzungshemmung sind natürlich auch alle Stofftransportvorgänge (gelöster Stoffe) betroffen. Die numerischen Berechnungen mit DELPHIN 2D zeigen, dass die Größe der benetzbaren Bereiche wie auch die Wassergehaltsunterschiede zwischen feuchten und trockenen Böden einen Einfluss auf die Oberflächentemperatur ausüben. Dieser ist allerdinsg deutlich geringer als der Einfluss der Bodentiefe, in der die trockenen bzw. feuchten Bereiche beginnen. Je tiefer sich diese Bereiche befinden, desto geringer fallen die Unterschiede der Temperatur an der Bodenoberfläche aus. Liegen diese Bereiche tiefer als 10 cm im Boden, werden diese Unterschiede nahezu gänzlich verwischt.Unter natürlichen bedingungen muss zusätzlich der Effekt einer Pflanzendecke berücksichtigt werden. Die Aufnahmen der Thermalbildkamera zeigen, dass während der sommerlichen Messperiode tagsüber Bodenoberflächentemperaturen von mehr 60 °C auftreten können, die einer großen kleinräumlichen Variabilität unterliegen. Die resultierenden Temperaturstrukturen sind tagsüber völlig anderer Art als während der Nacht. Ein Vergleich der beiden Temperaturstrukturen mit den Strukturen der Wassergehaltsverteilung ergab allerdings keinen plausiblen Zusammenhang, d.h. es war nicht ohne weiteres möglich, anhand der Oberflächentemperaturverteilung des Bodens auf die Bodenfeuchteverteilung zu schließen. Immerhin konnte für den Nachtzyklus ein signifikanter Einfluss der Wassergehalte im Boden auf die Oberflächentemperatur aufgezeigt werden. Dieser Befund wird mit dem während der Nacht aufwärts gerichteten Bodenwärmestrom erklärt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Al Hassane Diallo
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-32297
Advisor:Prof. Dr. Gerd Wessolek
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/10/26
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2011/03/23
Release Date:2011/10/26
Tag:Benetzungshemmung; Böden; Methoden; präferenzielle Fließwege
Methods; Preferential Flow; Soil; Water Repellent
Institutes:Institut für Ökologie
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)