Comparison of different soil water extraction systems for the prognoses of solute transport at the field scale using numerical simulations, field and lysimeter experiments

Abstract

Sampling of water and solutes in soils is of major importance to understand water movement and solute transport in soils and to validate mathematical models. Porous cups are widely used to extract soil water for monitoring solute transport. However, it is not yet clear how the suction cup influences the matrix potential in the surrounding soil and which part of the soil is sampled. This research was designed to numerically evaluate the activity domain, the extraction domain and sampling area of a suction cup under constant infiltration. A finite element model (HYDRUS-2D) was used to simulate the effect of various applied suctions at two infiltration rates on the water status in three soils (clay loam, sandy clay and sandy soil). Particle tracking was used to track the streamlines which define the sampling area and extraction domain of the suction cup. In general, the activity domain, the extraction domain and sampling area of the suction cup depend primarily on the soil hydraulic parameters and the upper boundary, and secondarily on the applied suction. The results showed that the activity domain, the extraction domain and the sampling area are largest for highest ambient hydraulic conductivities. The activity domain and the sampling area also decrease with increasing infiltration rates. Further, the extraction domain of the suction cup depends strongly on the duration of water extraction. Soil heterogeneity seems to play a minor role with respect to the activity domain and sampling area of the cup, but a major role in the amount of extracted water and solute breakthrough.<br /> In a second step, a lysimeter and field experiment equipped with porous ceramic plates, tensiometers, TDR-probes and suction cups was conducted over a 427 day period to evaluate differences in soil water sampling and solute transport for a conservative tracer and the test compounds Methabenzthiazuron (MBT) and Ethidimuron (ETD).<br /> In general, the two lysimeters at the lysimeter station at the Forschungszentrum Jülich showed comparable leaching behaviour over time, reflected by the tensiometer, TDR and drainage measurements. In comparison to the lysimeters the sampling pits at the test site Merzenhausen indicate lower water contents and amounts of extracted water over the whole sampling period. These differences can be traced back to variability in the climatic data (e.g. precipitation and evaporation) caused by microclimatic distinctions at the two locations.<br /> The results of the field and lysimeter experiments show that no complete tracer breakthrough could be determined at a depth of 120 cm for the sampling pits and the lysimeters as a consequence of the short sampling time and the dry summer in 2003. As a result of retardation the breakthrough of the test substances MBT and ETD is not complete even for the samplers at 40 cm depth. Therefore, bromide breakthrough at 120 cm depth and MBT/ETD breakthrough for 40 and 120 cm depth were just described in qualitative terms. <br /> The variability in bromide tracer breakthrough at 40 cm depth for the different samplers at the two locations is reflected in the variability of the mean pore water velocity, v, and dispersivity, ?. On the other hand, no transport parameters could be determined for the pesticide breakthrough at all locations. In general, larger ETD recoveries were measured compared to the MBT for all samplers, whereby high peak concentrations in the samplers can be traced back to single events.<br /> The differences in the amount of extracted water, bromide masses, and as a result variability in transport parameters, in the ceramic plates and the suction cups are closely related to the local heterogeneity in the hydraulic properties of the surrounding soil. The larger variability of the suction cups compared to the ceramic plates can be explained by the smaller surface area of the suction cups and, therefore, smaller integration over the sampling area and larger influence of local heterogeneity. The comparison of the breakthrough in the suction cups and the ceramic plates is not directly possible due to uncertainties in the normalization of the amount of extracted water and the lack of knowledge of the suction cup extraction domain and suction cup sampling area for transient conditions.<br /> As a main result it was identified that the installation of such few suction cups for laboratory or field-scale experiments is not suitable for the aim of transport description by solute breakth.

<strong>Vergleich unterschiedlicher Sickerwasserbeprobungssysteme zur Vorhersage einer sich verlagernden Stofffront im Feldmaßstab unter Verwendung numerischer Modelle und eines Feld- und Lysimeterexperimentes</strong><br /> Die ungesättigte Bodenzone beeinflusst entscheidend die Stoffdynamik und den Stoffhaushalt terrestrischer Ökosysteme. Da die meisten Reaktionen im Boden in der wässrigen Phase ablaufen, ist die in-situ Erfassung von Bodenlösung unentbehrlicher Bestandteil der Bearbeitung vieler Fragen der Ökologie, der Wasserwirtschaft, der Landwirtschaft, des Umweltschutzes und der Validierung mathematischer Modelle. Zur in-situ Erfassung der Bodenlösung sind poröse Saugkerzen ein weit verbreitetes Mittel, wobei ihr Einfluss auf das umgebende Matrixpotential im Boden und ihr Sammelvolumen bis heute nur ungenügend erforscht sind.<br /> Diese Arbeit wurde zur Untersuchung des Saugkerzeneinflussbereiches (engl. suction cup activity domain (SCAD)), des Saugkerzenbeprobungsvolumens (engl. suction cup extraction domain (SCED)) und der Saugkerzenbeprobungsfläche (engl. suction cup sampling area (SCSA)) konzipiert. Zur numerischen Modellierung des Einflusses unterschiedlicher angelegter Saugspannungen in der Saugkerze, variierender Infiltrationsraten an der Bodenoberfläche und veränderten bodenhydraulischen Eigenschaften auf den Saugkerzeneinflussbereich, des Saugkerzenbeprobungsvolumen und die Saugkerzenbeprobungsfläche wurde das finite Elemente Programm HYDRUS-2D verwendet. Um die Fließwege im Boden zu bestimmen, die das Saugkerzenbeprobungsvolumen und die Saugkerzenbeprobungsfläche definieren, wurde der Einsatz eines Partikel-Trackers gewählt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Saugkerzeneinflussbereich, das Saugkerzenbeprobungsvolumen und die Saugkerzenbebrobungsfläche primär von den hydraulischen Eigenschaften des umgebenden Bodens und der oberen Randbedingung (Infiltrationsrate), und nur sekundär von der angelegten Saugspannung in der Saugkerze abhängen. Die numerischen Befunde zeigen, dass der Saugkerzeneinflussbereich, das Saugkerzenbeprobungsvolumen und die Saugkerzenbebrobungsfläche bei höheren umgebenden Wasserleitfähigkeiten im Boden am größten ausfallen. Mit einer Zunahme der Infiltration verringern sich jedoch der Saugkerzeneinflussbereich und die Saugkerzenbebrobungsfläche. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass das Saugkerzenbeprobungsvolumen direkt von der Beprobungsdauer abhängt. Für die räumliche Ausbreitung des Saugkerzeneinlußbereiches und der Saugkerzenbeprobungsfläche spielt die Bodenheterogenität nur eine untergeordnete Rolle, wohingegen sie bei der Extraktionsmenge von Bodenlösung und des Stoffdurchbruches einen wesentlichen Einfluss hat.<br /> Um für verschiedene Beprobungssysteme Unterschiede in der Bodenwasserextraktion und des Stoffdurchbruches für einen konservativen Tracer und den Pestiziden Methabenzthiazuron (MBT) und Ethidimuron (ETD) zu ermitteln, wurde in einem zweiten Schritt ein Lysimeter- und Feldversuch durchgeführt. Dazu wurden keramische Saugplatten, Tensiometer, TDR-Sonden und Saugkerzen installiert und kontinuierlich über einen Zeitraum von 427 Tagen beprobt. Allgemein zeigten die Grosslysimeter in der Lysimeterstation des Forschungszentrums Jülich vergleichbare Drainageverhältnisse über die gesamte Beprobungszeit, die sich in den Messungen der Tensiometer, TDR-Sonden und Wasserspenden widerspiegeln. Im Gegensatz zu den Grosslysimetern konnten in den Beprobungsnestern auf dem Testfeld Merzenhausen niedrigere Wassergehalte über den gesamten Beprobungszeitraum ermittelt werden. Die Differenzen in den Wassergehalten können auf Unterschiede in den klimatischen Bedingungen (Niederschlag und Evaporation) zurückgeführt werden, die wiederum auf mikroklimatischen Bedingungen der beiden Lokalitäten basieren.<br /> Als Konsequenz der kurzen Breprobungsperiode und des trockenen Sommers im Jahre 2003 konnte kein kompletter Bromiddurchbruch in 120 cm Tiefe ermittelt werden. Für die Testsubstanzen ETD und MBT konnte dagegen auch in einer Tiefe von 40 cm kein kompletter Durchbruch gemessen werden, was auf eine Retardation der Substanzen zurückzuführen ist. Als Folge dessen wurden die Bromiddurchbrüche in 120 cm Tiefe und die MBT- und ETD- Durchbrüche für beide Tiefen nur qualitativ beschrieben.<br /> Die Variabilität der Bromiddurchbrüche für die unterschiedlichen Sammelsysteme in 40 cm Tiefe, sowohl auf dem Testfeld Merzenhausen als auch in den Grosslysimetern, spiegelt sich in den unterschieden der effektiven Transportparameter, mittlere Porenwassergeschwindigkeit (v) und Dispersivität (?) wider. Für die Pestiziddurchbrüche konnten dagegen für alle Sammelsysteme keine Transportparameter ermittelt werden. Im Allgemeinen wurden jedoch höhere Widerfindungen für das ETD nachgewiesen, wobei einzelne hohe Spitzenkonzentrationen für ETD und MBT auf einzelne Fließereignisse (präferentiellen Fluss) zurückzuführen sind.<br /> Neben den effektiven Transportparametern können auch Unterschiede in den ermittelten Massenwiderfindungen und Extraktionsmengen sowohl für die Saugkerzen, als auch für die keramischen Platten, durch die vorherrschenden Bodenheterogenitäten erklärt werden. Die größere Variabilität in den Saugkerzen - im Vergleich zu den keramischen Platten - kann auf ihre kleine Oberfläche zurückgeführt werden, wodurch eine geringere Flächenintegration, und damit Mittelung, erfolgt.<br /> Da unter nichtstationären Bedingungen die Bestimmung des Saugkerzenbeprobungsvolumens und somit der Saugkerzenbeprobungsfläche nicht möglich ist, ist ein direkter Vergleich der Durchbrüche in den Saugkerzen und den keramischen Platten nur bedingt möglich.<br /> Auf Grund der genannten Variabilitäten in den Saugkerzenergebnissen ist festzustellen, dass die Installation von wenigen Saugkerzen im Labor- und Feldversuch keine aussagekräftigen Ergebnisse für die Prognose und Beschreibung des Stofftransportes bieten.