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Charakteristik der Benetzungshemmung quartärer und tertiärer Substrate – Räumliche und zeitliche Variabilität, Schlüsselfaktoren für die Ausbildung und Eingang in die hydrologische Modellierung

Characteristics of soil water repellency of quaternary and tertiary sandy substrates - Spatial and temporal variations, key factors and implementation into hydrological modeling

  • Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung quartärer und tertiärer sandiger Substrate im rekultivierten Bereich des Tagebaus Welzow-Süd im Lausitzer Braunkohlerevier über einen Zeitraum von 28 Monaten. Die Substrate und Substratmischungen wurden auf ihre Benetzungseigenschaften sowohl im Hinblick auf die räumliche Heterogenität und zeitliche Variabilität als auch in Abhängigkeit von Art und Gehalt an organischer Substanz untersucht. Die Bewertung der Benetzungseigenschaften erfolgte mittels Kontaktwinkelmessungen und WDPT-Test in Freiland und Laborstudien. Während die quartären Substrate im gesamten Untersuchungszeitraum durchgehend gut benetzbar waren und als hydrophil eingestuft wurden, wiesen die untersuchten tertiären Sande im feldfeuchten Zustand zum Teil extreme Benetzungshemmung auf. Wie die vorliegende Untersuchung bestätigt, wurde nachgewiesen, dass trotz kleiner gemessener Kontaktwinkel eine ausgeprägte Benetzungshemmung vorliegen kann. Die untersuchten tertiären Substrate sind durch eine hohe horizontale undIm Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung quartärer und tertiärer sandiger Substrate im rekultivierten Bereich des Tagebaus Welzow-Süd im Lausitzer Braunkohlerevier über einen Zeitraum von 28 Monaten. Die Substrate und Substratmischungen wurden auf ihre Benetzungseigenschaften sowohl im Hinblick auf die räumliche Heterogenität und zeitliche Variabilität als auch in Abhängigkeit von Art und Gehalt an organischer Substanz untersucht. Die Bewertung der Benetzungseigenschaften erfolgte mittels Kontaktwinkelmessungen und WDPT-Test in Freiland und Laborstudien. Während die quartären Substrate im gesamten Untersuchungszeitraum durchgehend gut benetzbar waren und als hydrophil eingestuft wurden, wiesen die untersuchten tertiären Sande im feldfeuchten Zustand zum Teil extreme Benetzungshemmung auf. Wie die vorliegende Untersuchung bestätigt, wurde nachgewiesen, dass trotz kleiner gemessener Kontaktwinkel eine ausgeprägte Benetzungshemmung vorliegen kann. Die untersuchten tertiären Substrate sind durch eine hohe horizontale und vertikale räumliche Heterogenität der Benetzungseigenschaften gekennzeichnet. Am oberen Hangbereich und auf den Kuppenbereichen lag überwiegend starke Benetzungshemmung vor. Durch den daraus resultierenden Oberflächenabfluss verbunden mit Substratverlagerung wurden zum Teil erhebliche Reliefänderungen, resultierend in einer ausgeprägten Kuppen- und Rinnenstruktur, beobachtet. Zudem wiesen die tertiären Substrate ein zeitlich stark differenziertes Benetzungsverhalten auf. Während im Winter und im Frühjahr überwiegend eine gute Benetzbarkeit des Substrats bestand, lag im Sommer und im Herbst zum Teil erheblich ausgeprägte Benetzungshemmung vor. Die zeitliche Variabilität der Benetzungseigenschaften des tertiären Substrats wird maßgeblich durch die Luft- und Bodentemperaturen sowie einen kritischen Bodenwassergehalt von 2 Masse-% beeinflusst. Des Weiteren konnten Abhängigkeiten zwischen schwach oder mäßig ausgeprägter Benetzungshemmung und der Niederschlagsmenge nachgewiesen werden. Je höher die Niederschlagsmenge, desto schwächer war die Benetzungshemmung ausgeprägt. Bei vorliegender starker Benetzungshemmung des tertiären Substrats erfolgten Änderungen im Benetzungsverhalten hingegen vor allem durch langanhaltende Niederschlagsereignisse oder Niederschlagsereignisse hoher Intensität. Die Zugabe organischer Substanz verschiedener Art und Herkunft führte in allen Fällen zur Induzierung von Benetzungshemmung. Sowohl in den Freiland- als auch in den Laborversuchen wurde mit steigendem Gehalt an organischem Kohlenstoff eine stärker ausgeprägte Benetzungshemmung nachgewiesen. Für die untersuchten Substrate konnte ein kritischer Wert von 0,25 % organischen Kohlenstoffs ermittelt werden, unterhalb dessen vorwiegend Benetzbarkeit der Substrate vorlag. Als Haupteinflussparameter für die Ausbildung der Benetzungseigenschaften des tertiären Substrats wurden die Parameter Globalstrahlung und Lufttemperatur sowie der Bodenwassergehalt mittels multivariater statistischer Methoden identifiziert. Ein konzeptioneller Ansatz zur Implementierung des Parameters Benetzungshemmung in die hydrologische Modellierung ermöglicht mittels meteorologischer und bodenphysikalischer Parameter die exemplarische Zuordnung von tertiären Substratproben in Gruppen mit hydrophilen, mäßig benetzungsgehemmten und sehr stark benetzungsgehemmten Eigenschaften ohne direkte Messung der Benetzungshemmung. Der integrierte Versuchsansatz zur in situ Charakterisierung der Benetzungseigenschaften verschiedener Substrate und Substratmischungen im Freiland und ergänzender Laborstudien ermöglicht eine verbesserte Analyse der pedologischen und hydrologischen Prozesse der „critical zone“. Erstmalig wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation anhand meteorologischer Parameter und dem Bodenwassergehalt eine Zuordnung von Benetzungseigenschaften durchgeführt. Die im Rahmen der vorliegenden Datenanalyse gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der die Benetzungshemmung beeinflussenden Parameter bieten einen konzeptionellen Ansatz zur qualitativen Weiterentwicklung mathematischer Prozessmodelle der Abflussbildung. Die vorliegende Studie ermöglicht eine Abschätzung der vorliegenden Benetzungseigenschaften anhand meteorologischer Parameter sowie kritischer Werte für den Bodenwassergehalt und den Gehalt an organischem Kohlenstoff. Durch die Einbindung in hydrologische und Erosionsmodelle wird damit im Weiteren die Möglichkeit gegeben, Oberflächenabflüsse und Bodenabträge von benetzungsgehemmten Flächen zu prognostizieren. Vor dem Hintergrund veränderter Niederschlagsmuster mit einer Häufung meteorologischer Extremereignisse ist eine Einstufung der Bodensubstrate in Gefährdungsklassen zweckmäßig, da die Ausbildung von Benetzungshemmung vor allem unter trockenen und warmen Bedingungen begünstigt wird. Somit kann ein Instrument geschaffen werden, um Bodendegradierung als Folge von Benetzungshemmung wirksam vorzubeugen.show moreshow less
  • Water repellency of quaternary and tertiary sandy substrates was investigated in the present study over a period of 28 months. Spatial heterogeneity and seasonal variability of the soil water repellency as well as their dependence on their content and kind of soil organic matter were investigated at the study area “Neuer Lugteich” situated in the recultivation area of the open pit lignite mine Welzow-Süd. Quaternary substrates remained wettable during the whole study period while extreme water repellency was partially shown by the tertiary substrates in field moist state. As presented here extreme water repellency can be found in soils in spite of small contact angles measured. The WDPT tests showed a differing result but were strongly correlated to the contact angle measurements. Thus, in order to prevent underestimation failures in assessing soil water repellency it is recommended to apply several methods for the assessment of soil water repellency. The tertiary substrate exhibited a differing soil water repellency depending onWater repellency of quaternary and tertiary sandy substrates was investigated in the present study over a period of 28 months. Spatial heterogeneity and seasonal variability of the soil water repellency as well as their dependence on their content and kind of soil organic matter were investigated at the study area “Neuer Lugteich” situated in the recultivation area of the open pit lignite mine Welzow-Süd. Quaternary substrates remained wettable during the whole study period while extreme water repellency was partially shown by the tertiary substrates in field moist state. As presented here extreme water repellency can be found in soils in spite of small contact angles measured. The WDPT tests showed a differing result but were strongly correlated to the contact angle measurements. Thus, in order to prevent underestimation failures in assessing soil water repellency it is recommended to apply several methods for the assessment of soil water repellency. The tertiary substrate exhibited a differing soil water repellency depending on the season. Wettable conditions were predominating during winter and spring season, whereas prevailing repellency was present during summer and autumn, distinctly controlled by soil and air temperatures as well as a critical soil water content. Temporal changes in soil water repellency are ascribed to antecedent rainfall. Furthermore, the tertiary substrate was characterized by high horizontal and vertical spatial variability of soil water repellency. At the top areas and top of the hillslope strong soil water repellency was prevailing. In addition, the resulting increased surface runoff generation and related soil erosion led to the formation of a complex drainage network by erosion rills. No or weak correlation was detected between soil water repellency and soil organic carbon content. The application of organic matter of different origin induced soil water repellency in all cases. Increasing soil water repellency was connected with increasing organic carbon content in the field as well as in the laboratory studies. A critical content of 0.25 % organic carbon was determined for the studied substrates, corresponding with the critical soil water content. Global radiation, air temperature and soil water content were identified as main contributing factors on the development of soil water repellency by multivariate statistical analysis. The allocation of samples of the tertiary substrate into groups of different grades of repellency (hydrophilic, moderate and extreme water repellency) was possible by means of meteorological and soil physical parameters due to statistical data analysis. Thus, soil water repellency can be implemented into hydrological modeling without direct measuring the water repellency. The integrated experiment on in situ characterization of water repellency of different substrates in field and laboratory studies allows for an enhanced process analysis. Based on the findings of the present study, the actual status of soil water repellency has been qualitatively assessed by critical contents of soil water and soil organic carbon as well as meteorological parameters for the first time. With regard to changing precipitation patterns combined with an increase in meteorological extremes contributing to soil water repellency this study provides the feasibility to assess indirectly actual water repellency of substrates and soils. Moreover, it allows the assessment of soil surface runoff and soil losses enhanced by soil water repellency due to implementing soil water repellency into hydrological and erosion models. Therefore, a classification in risk classes referring to soil water repellency is possible.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christine Lemmnitz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34602
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dr. h.c. Reinhard F. Hüttl, Prof. Dr. Thomas Raab
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/11/21
Release Date:2015/04/24
Tag:Benetzungshemmung; Erosion; Hydrophobie; Oberflächenabfluss; Rekultivierung
Erosion; Hydrophobicity; Reclaimed mining area; Soil water repellency; Surface runoff generation
GND Keyword:Hydrophobie; Wiedervernässung; Erosion
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Bodenschutz und Rekultivierung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Bodenschutz und Rekultivierung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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