Präferenzieller Fluss in einem heterogenen aufgeforsteten Kippboden:
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|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Cottbus
Brandenburgische Techn. Univ. Cottbus
2003
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| Series: | Cottbuser Schriften zu Bodenschutz und Rekultivierung
19 |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XII, 186 S. Ill., graph. Darst. |
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| adam_text | Titel: Präferenzieller Fluss in einem heterogenen aufgeforsteten Kippboden
Autor: Hangen, Edzard
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung l
Summary 3
1. Einleitung 5
1.1 Problemstellung 5
1.2 Theoretischer Hintergrund 6
1.3 Zielsetzung 7
1.4 Vorgehensweise 8
2. Untersuchungsstandort „Bärenbrücker Höhe 9
3. Farbtracer-Experiment n
3.1 Stand der Forschung 11
3.2 Methoden 11
3.2.1 Auswahl des Farbtracers 11
3.2.2 Fließwegvisualisierung auf Laborskala 13
3.2.3 Fließwegvisualisierung auf Feldskala 16
3.2.4 Charakterisierung des Kippbodenausschnitts 19
3.3 Ergebnisse 21
3.3.1 Fließwegvisualisierung am Versuchsstandort 21
3.3.2 Mikrotopografie 26
3.3.3 Wasserretentionsvermögen der Streu 27
3.3.4 Wurzelbiomasse 28
3.3.5 Trockenrohdichte und volumetrischer Wassergehalt 30
3.3.6 Benetzungshemmung 30
3.3.7 Wasserinhaltstoffe 35
3.3.8 Kohlegehalt der Skelettfraktion 45
3.4 Diskussion 49
3.4.1 Größe und Geometrie visualisierter Fließwege 49
3.4.2 Anordnung visualisierter Fließwege 50
3.4.3 Wasserbewegung und Verteilung der Wasserinhaltstoffe 54
4. Multitracer-Experiment und Zellenlysimeter 57
4.1 Stand der Forschung 57
4.2 Methoden 60
4.2.1 Messanordnung 60
4.2.2 Multitracerversuch 66
4.2.3 Wasserbilanzierung 67
4.2.4 Wasserinhaltstoffe 70
4.2.5 Bromidgehalte im unterfangenen Bodenblock 71
4.3 Ergebnisse 72
4.3.1. Zeitverlauf der Bilanzgrößen des Wasserhaushalts 72
Inhaltsverzeichnis
4.3.2. Verteilung des Sickerverlaufs über die Breite des unterfangenen Bodenblocks 80
4.3.3. Bodenluftdruck 91
4.3.4 Räumliche Verteilung der gemessenen Wassereinträge
und -austräge im Bodenblock 92
4.3.5 Traceraustrag über das Sickerwasser 98
4.3.6 Bodenluft 123
4.3.7 Bromidgehalte im unterfangenen Bodenblock 125
4.4 Diskussion 128
4.4.1 Verteilung der Sickerwasserausträge 128
4.4.2 Tracertransport im Kippboden unter natürlichem Infiltrationsregime 131
4.4.3 Tiefen Verlagerung des Tracerpulses bei Pfropfenströmung 136
4.4.4 Vergleich von Wasserbilanzen am Versuchsstandort 138
5. Schlussfolgerungen 140
6. Literatur 145
7. Danksagung 157
Anhang 159
A) Jährlichkeit der Farbtracerberegnung 159
B) Bestimmung der i|/m/0-Beziehung (pF/WG-Kurve) für Kipp-Kohlelehmsand 160
C) Eingangsvariablen zur Berechnung der aktuellen Evapotranspiration nach
Penman-Monteith (Jansson Karlberg 2001) 164
D) Einsatz von Farbtracern und den Wassertracern Bromid, Terbuthylazin und
Deuterium in Felduntersuchungen 166
E) Experimentelle Bestimmung der Interzeption durch die Streuauflage 172
F) Im Rahmen des Farbtracerversuchs erhobene Bodenwerte 173
Abbildungsverzeichnis_____________________________III
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Lage der Außenhalde „Bärenbrücker Höhe mit Untersuchungsfläche 9
Abb. 2: Färbestrukturen der tracerbehandelten Stechzylinderproben in 10 mm Tiefe 13
Abb. 3: 2D-horizontale Verteilung der Eindringtiefe des Jodidtracers in den Bodenquader 14
Abb. 4: Tiefenverteilungen im Bodenquader: Angefärbter Flächenanteil und extrahiertes
Jodid; volumetrischer Wassergehalt und Lagerungsdichte 15
Abb. 5: Versuchsaufbau zur Farbtracerberegnung der Versuchsfläche 16
Abb. 6: Beprobungsschema der Farbtracer-Beregnungsfläche 17
Abb. 7: Färbestrukturen der einzelnen Schichten zwischen 0 cm und 150 cm Bodentiefe 22
Abb. 8: Kleinräumige Anordnung gefärbter Bodenbereiche in 120 cm Bodentiefe 23
Abb. 9: 2D-vertikale Verteilung der gefärbten Flächen angegeben
als Prozentanteil der Bodenblockbreite 25
Abb. 10: 2D-horizontale Verteilung der Eindringtiefe des Jodidtracers
in den beregneten Bodenblock 26
Abb. 11: Gegenüberstellung der Anordnung gefärbter Bereiche an Geländeoberkante
und der Mikrotopografie der Versuchsfläche 27
Abb. 12: Gegenüberstellung der Anordnung gefärbter Bereiche an Geländeoberkante
und Höhe des zurückgehaltenen Beregnungswassers 27
Abb. 13: Tiefenverteilungen der Wurzeldichte und des gefärbten Bodenanteils 29
Abb. 14: Tiefenverteilungen der Trockenrohdichte und des gefärbten Bodenanteils 31
Abb. 15: Tiefenverteilungen des volumetrischen Wassergehalts und des gefärbten Bodenanteils 32
Abb. 16: Häufigkeitsverteilung der Wassertropfeninfiltrationszeiten
unterteilt in 50 Sekunden-Klassen 33
Abb. 17: Tiefenverteilungen der medianen Tropfeninfiltrationszeit
und des gefärbten Bodenanteils 34
Abb. 18: Tiefenverteiiungen der Jodidkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 36
IV______________________________Abbildungsverzeichnis
Abb. 19: Tiefenverteilungen der Kaliumkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 38
Abb. 20: Tiefenverteilungen der Calciumkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 39
Abb. 21: Tiefenverteilungen der Magnesiurnkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 40
Abb. 22: Tiefenverteilungen der Aluminiumkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 42
Abb. 23: Tiefenverteilungen der Eisenkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 43
Abb. 24: Tiefenverteilungen der Sulfatkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 44
Abb. 25: Tiefenverteilungen der Nitratkonzentration und des gefärbten Bodenanteils 46
Abb. 26: Tiefenverteilungen der Ammoniumkonzentration und des
gefärbten Bodenanteils 47
Abb. 27: Tiefenverteilungen des gravimetrischen Kohleanteils der Skelettfraktion
und des gefärbten Bodenanteils 48
Abb. 28: Gefärbter Wurzelbereich in 70 cm Bodentiefe 53
Abb. 29: Messanordnung in instrumentierter Bodengrube 60
Abb. 30: Vorderansicht eines Lysimetersegments 62
Abb. 31: Bezeichnung der einzelnen Trichterzellen des Lysimeters
und der Messpositionen in x- und y-Richtung 62
Abb. 32: Messzeiträume der untersuchten Parameter 66
Abb. 33: Beprobungsschema des unterfangenen Bodenblocks 72
Abb. 34: Verlauf über den Beobachtungszeitraum 1.6.1999-21.9.2001.
a) Freilandniederschlag, b) Bestandesniederschlag,
c) Schneedeckenhöhe, d) Infiltration von Regenniederschlag
in die Streuauflage, e) Schmelzwasserinfiltration in die Streuauflage,
f) Infiltration in den Boden nach Brechtel Pavlov,
g) experimentell abgeleitete Infiltration in den Boden 76
Abb. 35: Verlauf der Bilanzglieder des Wasserhaushalts über den
Beobachtungszeitraum 1.6.1999-21.9.2001.
a) Freilandniederschlag, b) Kronen- und Stamminterzeption,
c) Streuinterzeption, d) Transpiration, e) ungespannte Sickerung,
f) gespannte Sickerung, g) Änderung des Speicherinhalts im Bodenblock 78
Abbildungsverzeichnis
Abb. 36: Verlauf der potenziellen Evapotranspiration und des Verhältnisses zwischen
aktueller Transpiration und potenzieller Evapotranspiration über den
Beobachtungszeitraum 1.6.1999-21.9.2001 79
Abb. 37: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 1 während des Beobachrungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 81
Abb. 38: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 2 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 82
Abb. 39: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 3 währenddes Beobachrungszeitraums (7.11.2000—21.9.2001) 83
Abb. 40: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 4 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 84
Abb. 41: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags der
x-Messposition 5 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 85
Abb. 42: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 6 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000—21.9.2001) 86
Abb. 43: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 7 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000—21.9.2001) 87
Abb. 44: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 8 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 89
Abb. 45: Zeitverläufe a) der Bodeninfiltration, b) der Saugspannungen in 70 und 90 cm
Bodentiefe, c) des hydraulischen Gradienten und d) des Sickerwasseraustrags
der x-Messposition 9 während des Beobachtungszeitraums (7.11.2000-21.9.2001) 90
Abb. 46a: Zeitverläufe a) der Bodensaugspannungen, b) des Bodenluftdrucks und
c) der Bodentemperaturen an x-Messposition 2 91
Abb. 46b: Zeitverläufe a) der Bodensaugspannungen, b) des Bodenluftdrucks und
c) der Bodentemperaturen an x-Messposition 5 92
VI Abbildungsverzeichnis
Abb. 47: Horizontale Verteilung des kumulierten Bestandesniederschlags
auf der Versuchsfläche während des Sickerereignisses „Frühjahr
(4.1.2001-20.4.2001) 93
Abb. 48: Horizontale Verteilung der kumulierten Sickerung an der Bodenblockunterkante
während des Sickerereignisses „Frühjahr (4.1.2001-20.4.2001) 94
Abb. 49: Horizontale Verteilung des kumulierten Bestandesniederschlags auf der Versuchs-
fläche während des Sickerereignisses „Spätsommer (1.9.2001-21.9.2001) 95
Abb. 50: Horizontale Verteilung der kumulierten Sickerung an der Bodenblockunterkante
während des Sickerereignisses „Spätsommer (1.9.2001-21.9.2001) 95
Abb. 51: Kumulierter Wasseraustrag (aufsteigende Reihenfolge) in Abhängigkeit von der
wasserliefernden Durchtrittsfläche des Lysimeters; links: Sickerereignis „Frühjahr ;
rechts: Sickerereignis „Spätsommer 96
Abb. 52: Räumliche Austragsvariabilität des Sickerwassers für jeden Beprobungstermin 97
Abb. 53: Austragsvariabilität des Sickerwassers jeder Lysimeterzelle über die
Beprobungsperiode 97
Abb. 54: Über den Untersuchungszeitraum kumulierte Austragskurven des gespannten
Sickerwassers, der Bromidfracht des gespannten Sickerwassers, des ungespannten
Sickerwassers und der Bromidfracht des ungespannten Sickerwassers 98
Abb. 55: Bromidkonzentrationen über den Untersuchungszeitraum
a) des gespannten Sickerwassers, b) des ungespannten Sickerwassers 99
Abb. 56: Bromidkonzentrationen als Funktion des kumulierten Austrags
gespannten Sickerwassers 100
Abb. 57a: Über Untersuchungszeitraum kumulierter Austrag des gespannten Sickerwassers
und der korrespondierende Bromidaustrag der Trichterzellen 11 bis 17 101
Abb. 57b: Über Untersuchungszeitraum kumulierter Austrag des gespannten Sickerwassers
und der korrespondierende Bromidaustrag der Trichterzellen 18 bis 33 102
Abb. 57c: Über Untersuchungszeitraum kumulierter Austrag des gespannten Sickerwassers
und der korrespondierende Bromidaustrag der Trichterzellen 34 bis 53 103
Abb. 57d: Über Untersuchungszeitraum kumulierter Austrag des gespannten Sickerwassers
und der korrespondierende Bromidaustrag der Trichterzellen 54 und 55 104
Abb. 58a: Zeitverläufe der Bromidkonzentration der Trichterzellen 12 bis 27 105
Abbildungsverzeichnis VII
Abb. 58b: Zeitverläufe der Bromidkonzentration der Trichterzellen 29 bis 44 106
Abb. 58c: Zeitverläufe der Bromidkonzentration der Trichterzellen 45 bis 55 107
Abb. 59: Räumliche Verteilung des Wasser- und Bromidaustrags während der
Sickerperiode „Frühjahr 108
Abb. 60: Räumliche Verteilung des Wasser- und Bromidaustrags während der
Sickerperiode „Spätsommer 109
Abb. 61: Bromidaustrag von 5 ausgewählten Lysimeterzellen als Funktion
des kumulierten Wasseraustrags 110
Abb. 62: Räumliche Verteilung des Wasser- und Terbuthylazinaustrags
während der Sickerperiode „Frühjahr 112
Abb. 63: Räumliche Verteilung des Wasser- und Terbuthylazinaustrags
während der Sickerperiode „Spätsommer 113
Abb. 64: Zeitverläufe des ausgetragenen Deuteriumgehalts 114
Abb. 65: Räumliche Verteilung des Wasser- und Deuteriumaustrags
während der Sickerperiode „Frühjahr 115
Abb. 66a: Zeitverläufe der relativen Konzentrationen der Tracer Bromid,
Terbuthylazin und Deuterium der Trichterzelle 14 116
Abb. 66b: Zeitverläufe der relativen Konzentrationen der Tracer Bromid,
Terbuthylazin und Deuterium der Trichterzellen 22, 25, 32 und 35 117
Abb. 66c: Zeirverläufe der relativen Konzentrationen der Tracer Bromid,
Terbuthylazin und Deuterium der Trichterzellen 42 und 45 118
Abb. 67: Räumliche Verteilung des Wasser-, Bromid- und Terbuthylazinaustrags
am 2.4.2001 (Sickerperiode „Frühjahr ) 120
Abb. 68: Räumliche Verteilung des Wasser- und Deuteriumaustrags am 2.4.2001
(Sickerperiode „Frühjahr ) 121
Abb. 69: Räumliche Verteilung des Wasser-, Bromid- und Terbuthylazinaustrags
am 11.9.2001 (Sickerperiode „Spätsommer ) 122
Abb. 70: Tiefenverteilung des mittleren Sauerstoffgehalts und des
mittleren Kohlendioxidgehalts der Bodenluft am westlichen
und östlichen Profilrand 123
VIII____________________ Abbildungsverzeichnis
Abb. 71a: Zeitverläufe a) der Bodensaugspannungen, b) des Sauerstoffgehalts
der Bodenluft, c) des Kohlendioxidgehalts der Bodenluft und
d) der Bodentemperaturen an der x-Messposition 1 124
Abb. 71b: Zeitverläufe a) der Bodensaugspannungen, b) des Sauerstoffgehalts
der Bodenluft, c) des Kohlendioxidgehalts der Bodenluft und
d) der Bodentemperaturen an der x-Messposition 9 125
Abb. 72: Horizontale Verteilung der Bromidmengen in den 5 untersuchten
Bodentiefenstufen und die horizontale Verteilung der über das
Sickerwasser ausgetragenen Bromidmenge 127
Abb. 73: Tiefenverteilung der Bromidkonzentrationen im Bodenmonolithen 128
Abb. 74: Schräg verlaufende Kipprippenstrukturen im beprobten Bodenblock 129
Abb. 75: Tiefenverteilung der Grobwurzeldichte oberhalb
der Lysimeterzelle 35 131
Abb. 76: Kumulierter Wasser- und Bromidaustrag als Funktion des kumulierten
Austragsquerschnitts (absteigende Reihenfolge);
links: Sickerperiode „Frühjahr ; rechts: Sickerperiode „Spätsommer 132
Abb. 77: Beziehung zwischen einzelnen Sickerwasserausträgen (absteigende Reihenfolge)
und korrespondierender Bromidkonzentration getrennt für die Sickerperioden
a) „Frühjahr und b) „Spätsommer 133
Abb. 78: Beziehung zwischen einzelnen Sickerwasserausträgen (absteigende Reihenfolge)
und korrespondierender Terbuthylazinkonzentration der gespannten Sickerwässer
der Sickerperiode „Frühjahr 135
Abb. 79: Verteilung der berechneten Tiefenverlagerung des Bodenwassers auf Grundlage
der Sickerausträge der einzelnen Lysimeterzellen 137
Abb. B1: Schema der Stechzylinderbeprobung zur Ermittlung der pF/WG-Kurven 160
Abb. B2a: pF/WG-Kurven des Kippsubstrats der „Bärenbrücker Höhe 161
Abb. B2b: pF/WG-Kurven des Kippsubstrats der „Bärenbrücker Höhe 162
Abb. El: Durchtropfende Wasserhöhe in Abhängigkeit von der aufgegebenen Wasserhöhe
für eine stammnahe Streuauflage und eine Streuauflage im Zwischenstammbereich 172
Tabellenverzeichnis IX
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Feldbodenkundliche Profilansprache nach Henkele et al. (1999) 10
Tab. 2: Beschreibende Parameter der Färbeflächen in den einzelnen Tiefenstufen 24
Tab. 3: Lysimeterexperimente zum Wasser- und Stofftransport 58
Tab. 4: Erfasste Parameter des Messprogramms 65
Tab. 5: Schneedichte und mittlere Schneehöhen Verteilung an 42 Messpunkten
auf der Versuchsfläche 73
Tab. 6: Wasserhöhen der Komponenten des Wasserhaushalts unterteilt in die
3 Teilabschnitte des Untersuchungszeitraums 80
Tab. 7: Gegenüberstellung von Infiltrationsereignis und Saugspannung
in 90 cm Bodentiefe an x-Messposition 3 83
Tab. 8: Gegenüberstellung von Infiltrationsereignis und Saugspannungen
an x-Messposition 7 87
Tab. 9: Mittelwerte der Wasserhaushaltskomponenten des Zeitraums 1996—1999
(Scherzer 2001) und der gemessenen Wasserhaushaltskomponenten
des Zeitraums 1999-2001 138
Tab. Bl: Mittlere Wassergehalte (Standardabweichung in Klammern),
Unterdruckstufen und Messintervalle der pF/WG-Kurven 163
Tab. Dl: Farbtracerexperimente unter Feldbedingungen 166
Tab. D2: Tracerexperimente mit Bromid, Terbuthylazin und Deuterium
unter Feldbedingungen 169
Tab. Fl: Wurzeldichte [mg/100 cm3] 173
Tab. F2: Trockenrohdichte [g/cm3] 174
Tab. F3: Volumetrischer Wassergehalt [Vol.%] 175
Tab. F4: Mediän der Tropfeninfiltrationszeit [Sek.] 176
Tab. F5: Jodidkonzentration [mg/kg TS] 177
Tab. F6: Kaliumkonzentration [mg/kg TS] 178
Tabellenverzeichnis
Tab. F7: Calciumkonzentration [mg/kg TS] 179
Tab. F8: Magnesiumkonzentration [mg/kg TS] 180
Tab. F9: Aluminiumkonzentration [mg/kg TS] 181
Tab. F10: Eisenkonzentration [mg/kg TS] 182
Tab. F11: Sulfatkonzentration [mg/kg TS] 183
Tab. F12: Nitratkonzentration [mg/kg TS] 184
Tab. F13: Ammoniumkonzentration [mg/kg TS] 185
Tab. F14: Gravimetrischer Kohleanteil der Skelettfraktion [Gew.%] 186
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| author | Hangen, Edzard |
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| discipline | Geowissenschaften Biologie Umwelt |
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| series | Cottbuser Schriften zu Bodenschutz und Rekultivierung |
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