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Band/volume 26: Stumpp C. (2008):

Quantification of heterogeneity in the unsaturated flow using environmental isotope

Für den Schutz des Grundwassers und dessen Gefährdungsabschätzung sind Kenntnisse über den Bodenwasserfluss und über Grundwasserneuerungsraten äußerst wichtig. Insbesondere ist der Einfluss präferentieller Fließwege in der ungesättigten Zone für den Schadstofftransport ein wichtiges Thema, da hierdurch der angrenzende Aquifer einer Gefahr ausgesetzt ist. Allerdings ist die Bestimmung präferentieller Flüsse in der Literatur noch immer ungelöst und es fehlen vor allem Quantifizierungsansätze. Deshalb wurde eine neue Methode entwickelt, die mathematische Modellierung mit hydrologischen Daten und Umweltisotopen kombiniert, um die Heterogenität der Transportprozesse in der ungesättigten Zone abzuschätzen.
Aus diesem Grund wurden Umweltisotope (18O, 2H) in unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten untersucht. Ein konzeptionelles Modell wurde angewendet, das präferentiellen Fluss und Matrixfluss trennt. Beide Fließkomponenten wurden quantifiziert und ihre Verweilzeitfunktionen bestimmt, um spezifische Gefährdungsdiagramme zu erstellen.
Der Wasserfluss und der Isotopentransport in der Bodenmatrix wurden mit zwei unterschiedlichen Ansätzen berechnet. Zum einen wurde ein instationärer Modellansatz verwendet, der numerische Lösungen der Richards-Gleichung und der Konvektions-Dispersions-Gleichung für uniporöse Medien beinhaltet. Zum anderen wurde ein Lumped Parameter-Ansatz mit dem Dispersionsmodell verwendet. Die präferentielle Fließkomponente wurde durch Piston-Flow beschrieben unter der Annahme, dass dieser innerhalb einer Woche stattfindet und nicht mit der Matrix interagiert.
Für die Quantifizierung wurde ein Zwei-Komponenten-Fließmodell auf die hydrologischen und Isotopendaten angewendet. Mit dem Lumped Parameter-Ansatz wurden die mittleren Verweilzeitverteilungen gewonnen und in spezifischen Gefährdungsdiagrammen dargestellt. Diese zeigen, wann das infiltrierende Wasser das Grundwasser erreicht. Diese Methode wurde bei unterschiedlichen Lysimeter-Experimenten angewendet, die unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wurden. Verschiedene Lyismeter, die meist mit sandigem Bodenmaterial gefüllt waren, wurden herangezogen, um den Einfluss der Bodeneigenschaften und der Vegetation auf die Transportheterogenität und die Menge an präferentiellem Fluss zu untersuchen.
Es wurde gezeigt, dass der Lumped Parameter-Ansatz gute Ergebnisse bei der Modellierung des Isotopentransports in Böden ohne Vegetation liefert. Bei der Anwendung in Böden mit Vegetation war eine Modifizierung der klassischen Input-Funktion notwendig, die Evapotranspiration berücksichtigte. Dadurch wurden die Infiltrationsereignisse, die zum tatsächlichen Abfluss beitrugen, gewichtet. Eine zusätzliche Aufteilung in die einzelnen Vegetationsperioden verbesserte hier die Modellierung zusätzlich.
Präferentieller Fluss wurde in allen Böden beobachtet und mit dem Zwei-Komponenten-Fließansatz quantifiziert. In den brachliegenden Böden mit sandigem bis kiesigem Material variierten die Anteile des mittleren präferentiellen Flusses zwischen 17 % und 30 %. Hier zeigte sich, dass die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit der entscheidende Parameter ist, der diese Anteile beeinflusst. In den bepflanzten Böden war der mittlere Anteil an präferentiellem Fluss von der Abflussrate abhängig und variierte entsprechend der Vegetation. In einem lehmigen Sand wurden mittlere Anteile von 3 % während der Zwischenfruchtphase und 18 % während der Vegetationsperioden mit Maismonokultur festgestellt. Im selben Bodenmaterial, das aber mit Fruchtfolge kultiviert wurde, ergaben sich mittlere Anteile von 14 % während Maisbewuchs, 4 % bei der Bepflanzung mit Winterweizen und 15 % während der Zwischenfruchtphase. In einem dritten Versuchsaufbau mit sandigem Bodenmaterial wurde ein mittlerer Anteil von 8 % gefunden.
Spezifische Gefährdungsdiagramme wurden erstellt, die die mittleren Verweilzeitverteilungen des präferentiellen und des Matrixflusses darstellen. Ihre Muster waren stark von den jeweiligen Bodeneigenschaften abhängig. Diese Diagramme können ein Hilfsmittel sein, um effizientere Strategien zum Grundwasserschutz zu entwickeln.
Es wurde gezeigt, dass die angegebene Methode es ermöglicht, unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen in brachliegenden und bepflanzten Lysimetern Transportheterogenitäten in der ungesättigten Zone abzuschätzen und präferentielle Flüsse mit Hilfe von Umweltisotopen zu quantifizieren. Solche Isotope sind adäquate Tracer, um die Transportprozesse in der ungesättigten Zone zu beschreiben. Es wurde deutlich gezeigt, dass Experimente mit kontinuierlicher und natürlicher Aufbringung, wie den hier gezeigten Umwelttracern, über einen langen Zeitraum notwenig sind, um eine weite Spanne an Fließvariabilitäten und Transportheterogenitäten zu erfassen.