-
Technische Universität Braunschweig
Institut für Geoökologie
Vergleichende Lysimeterstudie - Bromidausträge aus
einem sandigen und einem schluffigen Boden
- Bericht -
Technische Universität BraunschweigInstitut für
Geoökologie
Abteilung für Bodenkunde und Bodenphysik
-
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis 2
Tabellenverzeichnis 3
1 Zusammenfassung der Lysimeterstudie 11.1 Durchführung . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2
Datenaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 2
2 Wassertransportsimulationen mit HYDRUS 1D 72.1
Simulationseinstellungen und Annahmen . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.1 Hydraulische Funktionen und allgemeine Einstellungen . .
72.1.2 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102.1.3 Wurzeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 122.1.4 Anfangsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 13
2.2 Ergebnisse Wassertransport . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 13
3 Stofftransportsimulationen mit STANMOD 163.1
Simulationseinstellungen und Annahmen . . . . . . . . . . . . . .
16
3.1.1 Gleichgewichtsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 163.1.2 Ungleichgewichtsansatz . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 16
3.2 Ergebnisse Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 173.2.1 Gleichgewichtsansatz . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 173.2.2 Ungleichgewichtsansatz . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 18
4 Abschließende Diskussion 20
Literatur 24
A Anhang 25
1
-
Abbildungsverzeichnis
1.1 Verlauf der Wetterdaten von Jan. 2003 bis Jun. 2005. . . . .
. . 31.2 Gemessene Bromidausträge aus Sand. . . . . . . . . . . .
. . . . 41.3 Gemessene Bromidausträge aus Schluff. . . . . . . . .
. . . . . . 51.4 Massenbilanz des Bromids in den verschiedenen
Lysimetern. . . . 62.1 Anhand der Textur bestimmte Retentions-
und
Leitfähigkeitskurven der einzelnen Horizonte. . . . . . . . . .
. . 82.2 Potentielle Evapotranspiration für den
Simulationszeitraum mit
prozentualen Anteilen der Evaporation und der Transpiration. . .
112.3 Stress-Response-Funktion nach Feddes et al. (1978). . . . . .
. . 122.4 Anfangsverteilung des Matrixpotentials für
Wassertransportsi-
mulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 132.5 Ergebnisse der HYDRUS 1D Simulationen. . . . . . . .
. . . . . 143.1 Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Sand und mit
Hilfe von
STANMOD simulierter Bromidaustrag. . . . . . . . . . . . . . .
173.2 Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Schluff und mit
Hilfe
von STANMOD simulierter Bromidaustrag. . . . . . . . . . . . .
183.3 Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Sand und mit Hilfe
von
STANMOD simulierter Bromidaustrag unter Verwendung
desTwo-Region-Modells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 19
4.1 Bromidausträge aus sandigem Boden aufgetragen gegen
eluiertePorenvolumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 22
4.2 Bromidausträge aus schluffigem Boden aufgetragen gegen
eluier-te Porenvolumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 23
2
-
Tabellenverzeichnis
1.1 Angaben zum Bewuchs der Lysimeter. . . . . . . . . . . . . .
. . 11.2 Bewässerungstermine. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 12.1 Parameter und allgemeine Simulationseinstellungen
für die in-
verse Parameterschätzung mit HYDRUS 1D. . . . . . . . . . . .
92.2 Zeitliche Entwicklung der geschätzten Bestandesparameter
für
eine Fruchtfolge von Phacelia und Winterraps. . . . . . . . . .
. 112.3 Invers bestimmte hydraulische Parameter des schluffigen und
des
sandigen Bodens und Massenbilanz der Simulationen. . . . . . .
153.1 Aus der STANMOD-Simulation geschätzte Modellparameter. . .
173.2 Mit STANMOD unter Verwendung des Two-Region-Modells
geschätzte Parameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 19A.1 Horizontabfolge, Textur und Bodenart für den Haplic
Arenosol
bei Münster-Handorf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 25A.2 Horizontabfolge, Textur und Bodenart für den Haplic
Luvisol bei
Münster-Mauritz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 25
3
-
1
1 Zusammenfassung der Lysimeterstudie
1.1 Durchführung
In einer vergleichenden Studie wurde das Austragsverhalten von
Bromid aus ei-nem sandigen und einem schluffigen Boden über einen
Zeitraum von 460 Tagenaufgenommen.In der Studie wurden Daten von 2
x 5 Lysimeter verwendet, die jeweils eineOberfläche von 1 m2
aufwiesen. Die Gesamttiefe der Lysimeter betrug 120 cm,wobei nur
110 cm mit ungestörten Bodenmonolithen ausgefüllt waren.Im
Oktober 2003 wurden fünf Monolithen an einem landwirtschaftlich
ge-nutzten Standort bei Münster-Handorf (HAN1) und fünf bei
Münster-Mauritz(LAE1) gestochen und zur Lysimeterstation der Firma
Covance transportiert.Dort wurden sie abschließend mit der
umgebenden Geländeoberfläche einge-baut. Die Klassifizierung der
Böden an den Entnahmestandorten erfolgte 2002bzw. 2003 nach
FAO-Standard (1998).Die Angaben zum Bewuchs der Lysimeter sind in
Tab. 1.1 gelistet. Eine Bonitie-rung wurde nicht durchgeführt,
ebenso fehlen Angaben zur Höhe der Kulturen,Wurzeltiefe oder
Blattbedeckung.
Tabelle 1.1: Angaben zum Bewuchs der Lysimeter.
Zeitraum Frucht
03.05. - 15.09.2004 Phacelia (Aussaat: 1.5 g /Lysimeter)16.09. -
01.05.2005 Winterraps (Aussaat: 0.4 g /Lysimeter)
Die Studie begann am 04.03.2004 mit der Applikation von 10.0 g
Kaliumbromidpro m2 (entspricht 6.715 g Bromid pro m2). Im Anschluss
wurden alle Lysimeterzu den in Tab. 1.2 gelisteten Terminen mit 5 l
Wasser pro Lysimeter bewässert.Ab dem 04.03.2004 wurden sowohl
Sickerwassermengen [l] als auch Bromidkon-zentrationen im
Sickerwasser [mg l−1] für jedes Lysimeter in 14tägiger
Auflösungbestimmt.
Tabelle 1.2: Bewässerungstermine.
Bewässerungstermin
28.05.200430.05.200407.06.200408.06.200409.06.200415.06.200430.06.200404.08.2004
Für den Zeitraum von Jan. 2003 bis Jun. 2005 wurden in
unmittelbarer Nähezur Lysimeteranlage Wetterdaten (Globalstrahlung
[W m−2], Temperatur [◦C],Niederschlag [mm] und Windgeschwindigkeit
[m s−1] ) in täglicher Auflösungaufgenommen.
-
2 1 ZUSAMMENFASSUNG DER LYSIMETERSTUDIE
1.2 Datenaufbereitung
Die Klassifizierung der Böden ergab für Münster-Handorf einen
Haplic Areno-sol und für Münster-Mauritz einen Haplic Luvisol.
Die Horizontabfolgen mitAngaben zur Textur und Bodenart sind Tab.
A.1 und Tab. A.2 zu entnehmen.Die Bewuchsdichte der Lysimeter
variierte trotz identischer Saatgutmengen auf-grund
unterschiedlicher Keimungsraten, wobei keine Abhängigkeit vom
Boden-typ festgestellt werden konnte. Weitere Angaben zur
Vegetationsentwicklunglagen nicht vor.In Abb. 1.1 sind die in der
Nähe der Lysimeterstation aufgenommenen Wetter-daten
visualisiert.In Abb. 1.2 ist der Verlauf der Bromidkonzentrationen
im Sickerwasser dermit dem sandigen Boden (HAN 1) befüllten
Lysimeter dargestellt. Der oberenGrafik ist die
Konzentrationsänderung mit der Zeit zu entnehmen und in derunteren
Grafik ist der Verlauf der Bromidkonzentration gegen die
kumulativeSickerwassermenge der jeweiligen Lysimeter aufgetragen.In
Abb. 1.3 ist der Verlauf der Bromidkonzentrationen im Sickerwasser
der mitdem schluffigen Boden (LAE 1) befüllten Lysimeter
dargestellt. Der oberenGrafik ist die Konzentrationsänderung mit
der Zeit zu entnehmen und in derunteren Grafik ist wieder der
Verlauf der Bromidkonzentration gegen die ku-mulative
Sickerwassermenge der jeweiligen Lysimeter aufgetragen.Zur
Darstellung der Messergebnisse wurden Sickerwassermengen < 1 mg
l−1
und Konzentrationswerte < 1 l auf 0.5 gesetzt und
N/A-Einträge wurden ganzaus den Ergebnissen gestrichen.Aus Abb.
1.2 ist zu erkennen, dass die Änderung der Bromidkonzentration
inden mit Sand befüllten Lysimetern sehr ähnlich verläuft. Ca.
10 Tage nach derBromidapplikation sind schon sehr geringe
Bromidkonzentrationen im Sicker-wasser nachweisbar. Nach ca. 120
bis 150 Tagen (100 bis 120 l Sickerwasser) istim Sickerwasser aller
Lysimeter ein deutlicher Konzentrationsanstieg (bis Tag180)
erkennbar, der in seiner Höhe allerdings stark variiert (22 - 40
mg l−1).Im Anschluss ist bei allen Lysimetern eine deutliche
Abnahme der Bromid-konzentration im Sickerwasser bis Tag 200
erkennbar. In vier Lysimetern wirdbei Tag 250 (240 l Sickerwasser)
der höchste Konzentrationspeak zwischen 35und 50 mg l−1 erreicht
und danach sinkt die Bromidkonzentration bis Tag 350(450 l
Sickerwasser) auf 0.5 mg l−1. Eine Ausnahme stellt Lysimeter POS
22dar. Hier nimmt die Bromidkonzentration nach Tag 200 zwar auch
wieder zu,erreicht aber den ursprünglichen Wert von ca. 22 mg l−1
nicht mehr und dieanschließende Konzentrationsabnahme erfolgt
langsamer als bei den übrigenLysimetern. POS 22 zeigt gleichzeitig
den frühsten Durchbruch.Aus Abb. 1.3 ist zu erkennen, dass die
Änderung der Bromidkonzentrationin den mit Schluff befüllten
Lysimetern unterschiedlich verläuft. Ca. 10 Tagenach der
Bromidapplikation sind schon sehr geringe Bromidkonzentrationen
imSickerwasser nachweisbar. Nach ca. 280 bis 300 Tagen (80 bis 100
l Sickerwas-ser) ist im Sickerwasser aller Lysimeter ein
Konzentrationsanstieg erkennbar,der bei Lysimeter POS 25 allerdings
minimal ausfällt und dessen Höhe für dieübrigen vier Lysimeter
sehr stark variiert (2 - 8.5 mg l−1). Ansatzweise lässtsich in der
oberen Grafik von Abb. 1.3 der höchste Konzentrationspeak für
alle
-
1.2 Datenaufbereitung 3
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
100
200
300
400
Sol
ar R
adia
tion
[W m
−2 ]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900−10
0
10
20
30
Tem
pera
ture
[°C
]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
1
2
3
4
Win
d S
peed
[m s
−1 ]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
Days since 01.Jan.03
Pre
cipi
tatio
n [m
m]
Abbildung 1.1: Verlauf der Wetterdaten von Jan. 2003 bis Jun.
2005. Zeitpunkt derBromidapplikation ist in rot dargestellt.
-
4 1 ZUSAMMENFASSUNG DER LYSIMETERSTUDIE
0 100 200 300 400 5000
10
20
30
40
50
60
Days after bromide application [d]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 11POS 12POS 14POS 15POS 22
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
60
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 11POS 12POS 14POS 15POS 22
Abbildung 1.2: Bromidausträge im Sand. oben: Im Ausfluss
gemessene Bromidkonzen-tration gegen die Zeit aufgetragen. unten:
Im Ausfluss gemessene Bromidkon-zentration gegen den kumulativen
Wasseraustrag aufgetragen.
Lysimeter zwischen Tag 350 und 370 erkennen. Während der
anschließendenKonzentrationsabnahme variieren die Kurvenverläufe
sehr stark. Bei LysimeterPOS 36 steigt die Bromidkonzentration im
Sickerwasser sogar erneut an. Beson-ders die untere Grafik von Abb.
1.3 deutet darauf hin, dass der Bromidaustragaus den mit Schluff
befüllten Lysimetern keineswegs dem typischen Austrags-verhalten
eines Tracers folgt. Die Asymmetrie in den gemessenen
Austragskur-ven, insbesondere der steile Abfall der Konzentrationen
ist so groß, dass dasTransportverhalten wahrscheinlich auch durch
Prozessmodelle mit Ungleichge-wichtsansätze nur schwer
nachvollzogen werden kann.In Abbildung 1.4 sind die kumulativen
Bromidausträge aus allen Lysimeternin % der aufgegebenen
Bromidmenge gegen die Zeit aufgetragen. Die Bromid-austräge aus
den mit Sand befüllten Lysimetern sind in rot, die aus den
mitSchluff befüllten Lysimetern in blau dargestellt. Aus dem Sand
wurden zwischen60 und 75 % des aufgegebenen Bromids mit dem
Sickerwasser aufgefangen. AusPOS 22 wurden nur 60 % der
aufgegebenen Bromidmenge aufgefangen und in
-
1.2 Datenaufbereitung 5
0 100 200 300 400 5000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Days after bromide application [d]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
0 100 200 3000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
Abbildung 1.3: Bromidausträge im Schluff. oben: Im Ausfluss
gemessene Bromidkon-zentration gegen die Zeit aufgetragen. unten:
Im Ausfluss gemessene Bromid-konzentration gegen den kumulativen
Wasseraustrag aufgetragen.
diesem Lysimeter folgte die Austragskurve aus Abb. 1.2 auch am
wenigsten demAussehen einer typischen Austragskurve eines Tracers.
Aus dem Schluff wurdennur zwischen 2 und 13 % der aufgegebenen
Bromidmenge mit dem Sickerwasseraufgefangen. Ein deutlicher Anstieg
der gemessene Bromidkonzentration ist imSickerwasser des Schluffs
fast 150 Tage später als im Sand erkennbar. In Abb. 1.2stiegen die
Bromidkonzentrationen im Sickerwasser für die Lysimeter POS 25und
POS 37 nicht über 2 mg l−1 und in diesen Lysimetern wurden auch
nurunter 5 % der aufgegebenen Bromidmenge mit dem Sickerwasser
aufgefangen.
-
6 1 ZUSAMMENFASSUNG DER LYSIMETERSTUDIE
0 100 200 300 400 5000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Days after bromide application [d]
Cum
. bro
mid
e di
scha
rge
[% o
f app
lied
mas
s]
POS 11POS 12POS 14POS 15POS 22POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
Abbildung 1.4: Massenbilanz des Bromids in den verschiedenen
Lysimetern.
-
7
2 Wassertransportsimulationen mit HYDRUS 1D
Um den in Abb. 1.2 und Abb. 1.3 dargestellten Verlauf der
Bromidausträgeaus den Lysimetern nachvollziehen zu können, wurden
im ersten Schritt Si-mulationen mit der Software HYDRUS 1D, Version
3.0 (Simunek et al., 2005)durchgeführt. Deren Ziel war es, den
Wassertransport in den verschiedenenLysimetern unter Verwendung der
Richards-Gleichung zu beschreiben und diebeteiligten Parameter
durch die numerische Lösung der Richards-Gleichunginvers zu
schätzen. Als Messpunkte wurden die über 5 Lysimeter
gemitteltenkumulativen Wasserausträge aus den mit Sand und den mit
Schluff befülltenLysimetern gegen die Zeit aufgetragen.Die
halbwegs korrekte Abbildung des Wassertransports in der Simulation
isteine notwendige Voraussetzung für eine richtige Simulation des
Stofftransportes.
2.1 Simulationseinstellungen und Annahmen
Im Folgenden werden die Einstellungen der Simulationen und die
Annahmen,die zur Vereinfachung getroffen werden mussten,
erläutert.
2.1.1 Hydraulische Funktionen und allgemeine Einstellungen
Zur Parametrisierung der hydraulischen Funktionen wurde das
klassische vanGenuchten-Mualem-Modell gewählt. Zunächst wurden
die dafür benötigtenhydraulischen Parameter der einzelnen
Horizonte aufgrund der in Tab. A.1und Tab. A.2 gelisteten Textur
anhand einer neuronalen Netzwerkvorhersagemit dem Programm ROSETTA
Lite, Version 1.0 (Schaap, 1999), welchesin der HYDRUS 1D-Software
implementiert ist, bestimmt. Die sich darausergebenden Retentions-
und Leitfähigkeitskurven sind in Abb. 2.1 dargestellt.Aufgrund
dieser Ergebnisse wurde das Profil für den sandigen Boden inzwei
Schichten unterteilt, wobei die blau gefärbten Kurven der oberen
unddie roten Kurven der unteren Schicht zugeordnet wurden. Für das
Profildes schluffigen Bodens wurde nur eine homogene Schicht
angenommen, derenhydraulische Eigenschaften mit den roten Kurven
aus den unteren Grafiken vonAbb. 2.1 beschrieben wurden. Die
hydraulischen Parameter der Schichten sindzusammen mit weiteren
Parametern und allgemeinen Simulationseinstellungenin Tab. 2.1
gelistet.
-
8 2 WASSERTRANSPORTSIMULATIONEN MIT HYDRUS 1D
0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Wat
er c
onte
nt [v
ol.−
%]
ApAlAl+BtBtMittel
0 1 2 30
50
100
150
200
250
300
hydr
. con
duct
ivity
[cm
d−
1 ]
ApAlAl+BtBtMittel
0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
pF−value
Wat
er c
onte
nt [v
ol.−
%]
ApBvSw ISw IIMittel
0 1 2 30
10
20
30
40
50
60
70
80
pF−value
hydr
. con
duct
ivity
[cm
d−
1 ]
ApBvSw ISw IIMittel
0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Wat
er c
onte
nt [v
ol.−
%]
ApAlAl+BtBtmean
0 1 2 30
50
100
150
200
250
300
hydr
. con
duct
ivity
[cm
d−
1 ]
ApAlAl+BtBtmean
0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
pF−value
Wat
er c
onte
nt [v
ol.−
%]
ApBvSw ISw IImean
0 1 2 30
10
20
30
40
50
60
70
80
pF−value
hydr
. con
duct
ivity
[cm
d−
1 ]
ApBvSw ISw IImean
Abbildung 2.1: Anhand der Textur bestimmte Retentions- und
Leitfähigkeitskurvender einzelnen Horizonte. oben: Horizonte des
sandigen Bodens, in rot ist dasMittel der unteren drei Horizonte
dargestellt. unten: Horizonte des schluffigenBodens, in rot ist das
Mittel aller Horizonte dargestellt.
-
2.1 Simulationseinstellungen und Annahmen 9
Tabelle 2.1: Parameter und allgemeine Simulationseinstellungen
für die inverse Para-meterschätzung mit HYDRUS 1D.
Geometrie
Säulenlänge L 110 cmSchichten (Sand) M1 0 - 31 cm
M2 31 - 110 cmSchichten (Schluff) M1 0 - 110 cmKnotenanzahl
101
Zeitdiskretisierung
Anfangszeit 0 dEndzeit (Sand) 446 dEndzeit (Schluff) 460
dAnfangszeitschritt 10−2 dKleinste Zeitschrittweite 10−5 dGrößte
Zeitschrittweite 10−2 d
Iterationskriterien Wassertransport
Maximale Anzahl an Iterationen 20 -Absolute
Wassergehaltstoleranz 10−4 -Absolute Druckhöhentoleranz 0.1 cm
Zeitschrittkontrolle
Unteres optimales Iterationsintervall 3 -Oberes optimales
Iterationsintervall 7 -Unterer Zeitschritt-Multiplikationsfaktor
1.3 -Oberer Zeitschritt-Multiplikationsfaktor 0.7 -
Hydraulische Parameter (Sand M1)
van Genuchten Parameter ∗ α 0.0439 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 1.6394 -Restwassergehalt ∗ θr 0.036
-Sättigungswassergehalt θs 0.3893 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 91.05 cm d
−1
Hydraulische Parameter (Sand M2)
van Genuchten Parameter ∗ α 0.041 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 2.0795 -Restwassergehalt ∗ θr 0.04
-Sättigungswassergehalt θs 0.3855 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 178.61 cm d
−1
Hydraulische Parameter (Schluff M1)
van Genuchten Parameter∗ α 0.0043 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 1.7097 -Restwassergehalt ∗ θr 0.0509
-Sättigungswassergehalt θs 0.4311 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 37.77 cm d
−1
∗ Parameter wurde während Simulation variiert
-
10 2 WASSERTRANSPORTSIMULATIONEN MIT HYDRUS 1D
2.1.2 Randbedingungen
Für die Simulation des Wassertransport wurde die untere
Randbedingung aufSeepage Face gesetzt. Diese Randbedingung wird in
der Regel bei der Betrach-tung des Wasserflusses aus Lysimetern
angewendet und ermöglicht einen Wech-sel zwischen einer Potential-
und einer Flussrandbedingung. Solange das Ma-trixpotential am
unteren Rand < 0 cm ist, wird eine Flussrandbedingung mitq = 0
cm angenommen. Sobald am unteren Rand ein Matrixpotential von 0
cmerreicht ist, wird auf eine Potentialrandbedingung mit h = 0 cm
umgeschaltet.Als obere Randbedingung wurde eine zeitlich variable,
atmosphärische Rand-bedingung mit Oberflächenabfluss gewählt.Das
minimal am oberen Rand erlaubte Matrixpotential hCritA wurde in
allenSimulationen auf 500 cm eingestellt.Die Infiltrationsrate [cm
d−1] ergab sich aus der Summe der täglichen Nieder-schlagswerte
und der Bewässerungen aus Tab. 1.2.Aus der von Monteith (1975)
entwickelten Penman-Monteith-Gleichung
ETp =1
L·
s · (Rn − G) + ρ · cp ·(
es−e
ra
)
· t
s + γ ·(
1 + rsra
) (1)
mit:
L Latente Verdunstungswärme, [MJ kg−1]s Steigung der
Sättigungsdampfdruckkurve, [kPa ◦C−1]Rn Nettostrahlung, [MJ m
−2 d−1]G Bodenwärmestrom, [MJ m−2 d−1]ρ Dichte der Luft, [kg
m−3]cp spez. Wärmekapazität der Luft, [MJ kg−1 ◦C−1]es
Sättigungsdampfdruck, [kPa]e aktueller Dampfdruck, [kPa]γ
Psychrometerkonstante, [kPa ◦C−1]es Sättigungsdampfdruck, [kPa]rs
Oberflächenwiderstand der Bodenbedeckung, [s m
−1]ra aerodynamischer Widerstand, [s m
−1]t Sekunden pro Zeitschritt, [s]
errechnete sich die potentielle Evapotranspiration [mm d−1] für
den Simulati-onszeitraum (Abb. 2.2). Dabei wurde für die zur
Berechnung der NettostrahlungRn benötigte Albedo ein Wert von 0.23
(Albedo für Rasen) angenommen. Derin die Berechnung des
Oberflächenwiderstandes der Bodenbedeckung rs einge-hende
Oberflächenwiderstand von unbewachsenem Boden wurde auf 150 s
m−1
gesetzt.Da für den Bewuchs der Lysimeter weder die zeitliche
Entwicklung des Blatt-flächenindex noch die der Wurzeltiefe
bestimmt wurde, mussten diese zusammenmit dem Stomatawiderstand der
Vegetation rsc sinnvoll abgeschätzt werden(siehe Tab 2.2).Die
prozentuale Aufteilung der potentiellen Evapotranspiration auf
Evaporation
-
2.1 Simulationseinstellungen und Annahmen 11
Tabelle 2.2: Zeitliche Entwicklung der geschätzten
Bestandesparameter für eine Frucht-folge von Phacelia und
Winterraps.
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Winterraps Phacelia Winterraps
LAI 2.5 3 4 5 0.25 1 2.5 3.5 4 0.5 1 1rsc 80 80 70 60 40 45 45
45 50 60 80 80WH 0.4 0.45 0.6 0.9 0.1 0.15 0.4 0.6 0.7 0.15 0.15
0.15
LAI: Blattflächenindex, WH: effektive Wurzeltiefe
0 100 200 300 4000
2
4
6
8
10
Pot
. eva
potr
ansp
iratio
n [m
m d
−1 ]
sowing & harvest
0 100 200 300 4000
20
40
60
80
100
Fra
ctio
n of
ET p
ot [%
]
Transpiration .
0 100 200 300 400Days after bromide application [d]
n. s. Phacelia Winter Rape n. s.
Abbildung 2.2: Potentielle Evapotranspiration für den
Simulationszeitraum mit pro-zentualen Anteilen der Evaporation und
der Transpiration.
und Transpiration ist in der mittleren Grafik von Abb. 2.2 für
den Simulations-zeitraum dargestellt.Da zu Simulationsbeginn keine
Angaben zum Bewuchs der Lysimeter vorlagen,wurde die potentielle
Evapotranspiration zu Beginn zu gleichen Teilen auf Eva-poration
und Transpiration aufgeteilt. Anfang Mai (Tag 61 nach
Applikation)wurde Phacelia auf den Lysimetern ausgesät und der
prozentuale Anteil derTranspiration an der Evapotranspiration
steigt kontinuierlich mit der Pflanzen-entwicklung bis er
schließlich ab August 100 % erreicht. Mitte September wurdedie
Phacelia geerntet und Winterraps ausgesät. Der
Transpirationsanteil an derEvaporation fällt auf 0 % und steigt
wieder kontinuierlich mit der Pflanzen-
-
12 2 WASSERTRANSPORTSIMULATIONEN MIT HYDRUS 1D
entwicklung an. Um eine ausgeglichene Massenbilanz in den
Simulationen zuerreichen, war es notwendig die tägliche
potentielle Transpiration für die mitSchluff befüllten Lysimeter
mit dem Faktor 1.17 und die mit Sand befülltenLysimeter mit dem
Faktor 0.55 zu multiplizieren. Diese unterschiedlichen
Tran-spirationsraten könnten durch eine unterschiedliche
Vegetationsdichte auf denLysimetern hervorgerufen werden.
2.1.3 Wurzeln
Die Wasseraufnahme durch Pflanzenwurzeln wurde nach dem in
HYDRUS 1Denthaltenen, von Feddes et al. (1978) entwickelten Modell
bestimmt. Demnachergibt sich die aktuelle Wasseraufnahme durch
Pflanzen in der Wurzelzone ausder Multiplikation der potentiellen
Wasseraufnahme Sp [mm] mit einer Stress-Response-Funktion α(h).
S(h) = α(h) · Sp (2)
Da keine genauen Angaben zur Wasseraufnahmefähigkeit der
Vegetationvorlagen, wurden die Parameter der
Stress-Response-Funktion α(h) für Kornaus der in HYDRUS 1D
enthaltenen Vegetationsdatenbank übernommen. Dieresultierende
Stress-Response-Funktion ist in Abb. 2.3 visualisiert.
0 1 2 3 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
pF−value
α [−
]
P0PoptP2P3
Abbildung 2.3: Stress-Response-Funktion nach Feddes et al.
(1978). AngenommeneFunktionsparameter: P0 = −10 cm, Popt = −25 cm,
P2H = −500 cm, P2L =−500 cm, P3 = −8000 cm, r2H = 0.5 cmd−1 und r2H
= 0.1 cmd−1.
Die Software HYDRUS 1D ermöglicht die Berücksichtung von
Wurzelwachs-tum nur für eine Vegetationsform pro Simulation. Da
der Bewuchs auf denLysimetern wechselte, konnte das Wurzelwachstum
nicht in die Simulationeneinfließen. Statt dessen wurde sowohl für
den sandigen, als auch für denschluffigen Boden eine konstante
Wurzeldichte bis in eine konstanten Tiefe von31 cm während der
gesamten Simulationszeit angenommen.
-
2.2 Ergebnisse Wassertransport 13
2.1.4 Anfangsbedingungen
Die Anfangsbedingung für den Wassertransport wurde in beiden
Simulationenüber die Matrixpotentialverteilung zu
Simulationsbeginn festgelegt. Diesewurde für die mit Sand und
Schluff befüllten Lysimeter in einer Vorsimu-lation mit den
Wetterdaten aus dem Jahr 2003 grob abgeschätzt und
alsAnfangsbedingung für die Hauptsimulationen verwendet. Vor der
inversenParameterschätzung wurde die Anfangsverteilung justiert
bis die Massenbilanzder Hauptsimulationen aufging. In Abb. 2.4 sind
die korrigierten Anfangsbe-dingungen, die in den Hauptsimulationen
verwendet wurden, dargestellt. ZuBeginn der Hauptsimulation
herrschte im schluffigen Boden eine hydrostatischeVerteilung des
Matrixpotentials.
−110 −90 −70 −50 −30 −10
−100
−80
−60
−40
−20
0
Matric potential [cm]
Lysi
met
er d
epth
[cm
]
−110 −90 −70 −50 −30 −10
−100
−80
−60
−40
−20
0
Matric potential [cm]
Abbildung 2.4: Anfangsverteilung des Matrixpotentials für
Wassertransportsimulation.links: sandiger Boden, rechts:
schluffiger Boden.
2.2 Ergebnisse Wassertransport
In den durchgeführten Simulationen wurden die hydraulischen
Parameter dessandigen und des schluffigen Bodens anhand der
kumulativen Wasserausträgeinvers bestimmt. In Tab. 2.3 sind die
Ergebnisse der Simulationen gelistet undin Abb. 2.5 graphisch
dargestellt.Der kumulative Wasseraustrag konnte sowohl im Sand, als
auch im Schluffnachvollzogen werden.
-
14 2 WASSERTRANSPORTSIMULATIONEN MIT HYDRUS 1D
0 100 200 300 400−60
−50
−40
−30
−20
−10
0
Days after bromide application [d]
cum
. lea
kage
wat
er [c
m]
0 100 200 300 400−30
−25
−20
−15
−10
−5
0
Days after bromide application [d]
measurementfit
0 100 200 300 400
−1000
−500
0
500
1000
Days after bromide application [d]
cum
. lea
kage
wat
er [c
m]
0 100 200 300 400
−1000
−500
0
500
1000
Days after bromide application [d]
outflowtranspirationpreciptationevaporation
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
−100
−80
−60
−40
−20
0
Water content [%]
lysi
met
er d
epth
[cm
]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
−100
−80
−60
−40
−20
0
Water content [%]
SimulationsbeginnEnde
0 100 200 300 400−60
−50
−40
−30
−20
−10
0
Days after bromide application [d]
cum
. lea
kage
wat
er [c
m]
0 100 200 300 400−30
−25
−20
−15
−10
−5
0
Days after bromide application [d]
measurementfit
0 100 200 300 400
−1000
−500
0
500
1000
Days after bromide application [d]
cum
. lea
kage
wat
er [c
m]
0 100 200 300 400
−1000
−500
0
500
1000
Days after bromide application [d]
outflowtranspirationpreciptationevaporation
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
−100
−80
−60
−40
−20
0
Water content [%]
lysi
met
er d
epth
[cm
]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
−100
−80
−60
−40
−20
0
Water content [%]
simulation beginend
Abbildung 2.5: Ergebnisse der HYDRUS 1D Simulationen. oben
rechts: Simulations-ergebnisse Sand, oben links:
Simulationsergebnisse Schluff, mitte rechts: kumu-lative Flüsse im
Sand, mitte links: kumulative Flüsse im Schluff, unten
rechts:Wassergehaltsverteilungen im Sand, unten links:
Wassergehaltsverteilungen imSchluff.
-
2.2 Ergebnisse Wassertransport 15
Tabelle 2.3: Invers bestimmte hydraulische Parameter des
schluffigen und des sandigenBodens und Massenbilanz der
Simulationen.
Hydraulische Parameter (Sand M1)
van Genuchten Parameter ∗ α 0.0501 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 1.795 -Restwassergehalt ∗ θr 0.049
-Sättigungswassergehalt θs 0.3893 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 49.18 cm d
−1
Hydraulische Parameter (Sand M2)
van Genuchten Parameter ∗ α 0.0237 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 1.740 -Restwassergehalt ∗ θr 0.001
-Sättigungswassergehalt θs 0.3855 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 268.00 cm d
−1
Hydraulische Parameter (Schluff)
van Genuchten Parameter∗ α 0.0085 cm−1
van Genuchten Parameter ∗ n 1.594 -Restwassergehalt ∗ θr 0.0039
-Sättigungswassergehalt θs 0.4311 -Gesättigte hydraulische
Leitfähigkeit ∗ Ks 9.006 cm d
−1
Massenbilanz (Sand)
kum. Niederschlag 990 mmkum. Evaporation 212 mmkum.
Transpiration 228 mmkum. Wasseraustrag 556 mm
Massenbilanz (Schluff)
kum. Niederschlag 1050 mmkum. Evaporation 282 mmkum.
Transpiration 503 mmkum. Wasseraustrag 268 mm
Abschätzung Porenvolumen (Sand)
mittlerer Wassergehalt θ̄ 0.26 -1 PV entspricht 286 mm
Abschätzung Porenvolumen (Schluff)
mittlerer Wassergehalt θ̄ 0.386 -1 PV entspricht 424.6 mm∗
Parameter wurde während Simulation invers geschätzt
-
16 3 STOFFTRANSPORTSIMULATIONEN MIT STANMOD
3 Stofftransportsimulationen mit STANMOD
Um den in Abb. 1.2 und Abb. 1.3 dargestellten Verlauf der
Bromidausträgeaus den Lysimetern nachvollziehen zu können, wurde
im nächsten Schrittdas Auswertungs- und Modellierungstool CXTFIT
in der SoftwareumgebungSTANMOD, Version 2.0 (Simunek et al., 1999)
genutzt.
3.1 Simulationseinstellungen und Annahmen
3.1.1 Gleichgewichtsansatz
In CXTFIT wird der Stofftransport unter stationären Bedingungen
mit Hil-fe der analytischen Lösung der
Konvektions-Dispersions-Gleichung beschriebenund die
Modellparameter Dispersionskoeffizient D und
Abstandsgeschwindig-keit v können durch Minimierung der Summe der
Abstandsquadrate zwischenModell und Messdaten bestimmt werden.Als
Messdaten wurden jeweils die mittleren gemessenen
Bromidkonzentratio-nen für Sand und Schluff gegen den mittleren
kumulativen Wasseraustrag ausden Lysimetern verwendet, wobei
Sickerwassermengen und Konzentrationswer-te < 1 auf 0.5 gesetzt
und N/A-Einträge ganz gestrichen wurden.Die zu schätzenden
Parameter waren der Dispersionskoeffizient D, die
Ab-standsgeschwindigkeit v und die aufgegebene Stoffmenge. Im
Anschluss an dieSimulationen erfolgte eine Umrechnung des
Dispersionskoeffizienten D und derAbstandsgeschwindigkeit v auf die
üblicherweise verwendeten Einheiten (sie-he Tab. 3.1). Zu Beginn
war kein Bromid im System enthalten und ein DiracImpluse mit 6715
mg wurde als obere Randbedingung gewählt.
3.1.2 Ungleichgewichtsansatz
Nach dem Two-Region-Modell wird das Porensystem in zwei Regionen
unter-teilt, wobei nur ein Teil an dem Transport der gelösten
Stoffe beteiligt ist. Dasimmobile oder stagnierende Wasser in dem
nicht beteiligten Porenanteil kannüber Diffusionsprozesse mit dem
transportierten Wasser ausgetauscht werden.In weiteren Simulationen
mit STANMOD wurde mit Hilfe dieses Ungleichge-wichtsansatzes
versucht, zum einen das Austragsverhalten von Bromid im Sandund im
Schluff nachzuvollziehen und zum anderen eine Erklärung für die
be-sonders beim Schluff extrem unausgeglichene Massenbilanz (siehe
Abb. 1.4) zufinden.Die zu schätzenden Parameter waren der
Dispersionskoeffizient D, die Ab-standsgeschwindigkeit v, der
Parameter β, der das Porensystem in einen mobilenund einen
immobilen Anteil aufteilt und der Ratenparameter ω, der den
Aus-tausch zwischen diesen Regionen bestimmt. Die aufgegebene
Stoffmenge wurdekonstant auf 6715 mg festgehalten.
-
3.2 Ergebnisse Stofftransport 17
3.2 Ergebnisse Stofftransport
3.2.1 Gleichgewichtsansatz
Die geschätzten Modellparameter D und v und die sich daraus
ergebende Di-spersionslänge λ sind in Tab. 3.1 aufgeführt.
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
gemessene KonzentrationFit
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
measured concentrationfit
Abbildung 3.1: Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Sand und
mit STANMODsimulierter Bromidaustrag.
Tabelle 3.1: Aus der STANMOD-Simulation geschätzte
Modellparameter.
Szenario geschätzte ParameterMasse [mg] v [cmd−1] D [cm2 d−1] λ
[cm] θ̄ [%]
Sand 3761 0.56 1.40 2.50 22.5Schluff 419 0.29 0.76 2.62 20.0
Schluff (reduziert) 1600 0.14 3.01 21.5 41.4
In Abbildung 3.1 ist die Modellanpassung an den mittleren
gemessenen Bromid-austrag aus Sand dargestellt. Aus der Abbildung
ist ersichtlich, dass das Trans-portverhalten von Bromid im Sand
näherungsweise mit Hilfe der Konvektions-Dispersions-Gleichung
beschrieben werden kann. Tabelle 3.1 zeigt, dass ein mitt-lerer
Wassergehalt θ̄ von 22.5 % bestimmt wurde. Somit enspricht 1 PV
einerWassermenge von 247.5 mm. Auffällig ist, dass die aufgegebene
Bromidmassenur auf 3.76 g geschätzt wurde, was ca. 56 % der
tatsächlich applizierten Bro-midmasse entspricht.In Abb. 3.2 ist
die Modellanpassung an den mittleren gemessenen Bromidaus-trag aus
Schluff dargestellt. Die obere Grafik zeigt den
Konzentrationsverlaufunter Berücksichtigung aller Messpunkte. Hier
wird noch einmal deutlich, dassdas experimentell bestimmte
Transportverhalten des Bromids absolut untypischfür einen Tracer
ist. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang die sehr stei-le
Abnahme der gemessenen Konzentrationen am Ende zu beachten.
Daherwurden die zwei letzten Konzentrationsmessungen in einer
weiteren Simulationnicht berücksichtigt. Das zugehörige
Simulationsergebnis in der unteren Grafik
-
18 3 STOFFTRANSPORTSIMULATIONEN MIT STANMOD
0 100 200 300 4000
1
2
3
4
5
6
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
0 100 200 300 4000
1
2
3
4
5
6
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
0 100 200 300 4000
1
2
3
4
5
6
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
measured concentrationfit
0 100 200 300 4000
1
2
3
4
5
6
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
measured concentrationfit
Abbildung 3.2: Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Schluff
und mit STANMODsimulierter Bromidaustrag. oben: alle Messungen
berücksichtigt. unten: die letz-ten 2 Messungen wurden
ignoriert.
von Abb. 3.2 zeigt, dass dadurch der Hauptpeak des
Bromidaustrags deutlichverschoben wird.In Tab. 3.1 sind die
Ergebnisse der Simulationen zusammengefasst. Wurden
alleKonzentrationsmessungen berücksichtigt, ergab sich ein
mittlerer Wassergehaltθ̄ von 20.0 %. 1 PV entspricht in diesem Fall
einer Wassermenge von 220 mm.Bei Entfernung der letzten zwei
Messpunkte lag θ̄ bei 41.4 % und 1 PV ent-spricht 462 mm. Die
applizierte Bromidmasse wurde auf 6.24 % bzw. 23.8 %der
tatsächlich aufgegebenen Masse geschätzt.
3.2.2 Ungleichgewichtsansatz
Die geschätzten Modellparameter sind für den Sand in Tab. 3.2
gelistet undder simulierte Bromidaustrag unter
Ungleichgewichtsbedingungen ist zusam-men mit dem experimentell
bestimmten in Abb. 3.3 dargestellt.Für den Schluff konnten mit dem
Two-Region-Ansatz bei einer konstanten
-
3.2 Ergebnisse Stofftransport 19
Tabelle 3.2: Mit STANMOD unter Verwendung des Two-Region-Modells
geschätzteParameter.
Szenario geschätzte Parameterv [cmd−1] D [cm2 d−1] λ [cm] β [%]
ω
Sand 0.073 0.1 1.36 14.4 0.007
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
gemessene KonzentrationFit
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
cum. leakage water [l]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
measured concentrationfit
Abbildung 3.3: Mittlerer gemessener Bromidaustrag aus Sand und
mit STANMODsimulierter Bromidaustrag unter Verwendung des
Two-Region-Modells.
Applikationsmenge von 6715 mg keine plausiblen Bromidausträge
bestimmtwerden. Zudem kann besonders für den Schluff nur schwer
begründet werden,warum bis zu 90 % der aufgegebenen Bromidmenge
nahezu irreversibel in denimmobilen Teil des Porensystems
diffundieren und im System zurückgehaltenwerden sollten. Somit
wurde auf eine Darstellung der Simulationsergebnisse fürSchluff
verzichtet.
-
20 4 ABSCHLIEßENDE DISKUSSION
4 Abschließende Diskussion
Wird ein idealer Tracer, wie Bromid, auf den oberen Rand eines
Systems ap-pliziert, welches den Tracer zu Beginn nicht enthielt,
sollte der Hauptpeak desTracers nach dem
Konvektions-Dispersions-Ansatz unter Gleichgewichtsbedin-gungen
nach der Elution von 1 Porenvolumen am unteren Rand ankommen.Aus
den Simulationen mit HYDRUS 1D und STANMOD wurde jeweils
dieWassermenge, die 1 PV entspricht, abgeschätzt und die
Bromidausträge gegendie Anzahl der eluierten Porenvolumen in Abb.
4.1 und Abb. 4.2 aufgetragen.Aus der Abb. 4.1 ist zu erkennen, dass
die Abschätzungen der beiden Simula-tionen für den Sand sehr
ähnlich sind und die Annahmen, die zur Beschreibungdes
Wassertransports getroffen wurden, mit der Simulation des
Stofftransportskompatibel sind und die Realität gut
widerspiegeln.Der Hauptpeak des Bromids wird, wie erwartet, nach
der Elution von ca. 1 PVaufgefangen. Die leicht verfrühte Ankunft
des Peaks könnte durch Anionenaus-schluss hervorgerufen
werden.Eine weitere Ursache für eine verfrühte Ankunft könnte
präferentieller Flusssein. In weiteren Simulationen mit STANMOD
wurde mit Hilfe des Ungleichge-wichtsansatzes versucht, zum einen
das Austragsverhalten von Bromid im Sandund im Schluff
nachzuvollziehen und zum anderen eine Erklärung für die
be-sonders beim Schluff extrem unausgeglichene Massenbilanz zu
finden. Für Sandkonnte der Bromidaustrag mit Hilfe dieses Ansatzes
nachvollzogen werden. Fürden Schluff war es nicht möglich, das
Austragsverhalten nachzuvollziehen (Si-mulationsergebnisse nicht
dargestellt). Zudem kann besonders für den Schluffnur schwer
begründet werden, warum bis zu 90 % der aufgegebenen Bromid-menge
nahezu irreversible in den immoliblen Teil des Porensystems
diffundierenund im System zurückgehalten werden sollten.Somit
konnte die Frage nach der unausgeglichenen Massenbilanz nicht
geklärtwerden. Eine Erklärung könnte die aktive Aufnahme von
Bromid durch diePflanzenwurzeln sein. Owens et al. (1985)
untersuchten die Bromidaufnhameder Vegetation von Weideland und
fanden bei einer Applikation von 168 kg ha−1
bis zu 32 % des aufgegebenenen Bromids in der Vegetation wieder.
Mais nimmtim Freiland bei einer Applikation von 100 kg ha−1 bis zu
40 % der applizier-ten Bromidmenge auf (Jemison und Fox, 1991).
Schnabel et al. (1995) un-tersuchten die Aufnahme von Bromid durch
die Vegetation von Weideland inAbhängigkeit der Böden. Die
Bromidaufnahme durch die Pflanzen bei gut drai-nenden Böden (38 %
bei einer applizierten Menge von 42 kg ha−1) lag etwashöher als
die bei weniger gut drainenden Böden (27 % bei einer
appliziertenMenge von 42 kg ha−1). Die Ergebnisse aller Studien
zeigen deutlich, dass dieMassenverluste des Bromids im Sand durch
eine Bromidaufnahme durch diePflanzenwurzeln erklärt werden kann.
Allerdings wurden in keiner Studie Wer-te erreicht, die den
Massenverlust von bis zu 90 % im Schluffboden erklärenkönnten.Die
Bromidausträge aus dem Schluff in Abb. 4.2 unterscheiden sich
deutlich.Die Abschätzung des Wassertransports mit HYDRUS 1D ergab
unter den in2.1 aufgeführten Annahmen, dass erst 0.5 PV aus dem
System eluiert wurden.Dies lässt vermuten, dass der Hauptpeak des
Bromids im Schluff noch gar nicht
-
21
durchgebrochen ist. Zu dieser Vermutung passen die untypischen
Austragskur-ven aus Abb. 1.3. Im Lysimeter POS 26 z.B. wurde nach
dem vermeintlichenHauptpeak ein Konzentrationsanstieg festgestellt.
Zusätzlich wird die Vermu-tung noch durch die Ergebnisse der
zweiten STANMOD Simulation bestärkt, inder die letzten zwei
Konzentrationsmessungen ignoriert wurden. Die Ergebnissedieser
Simulation passen zu dem mit HYDRUS 1D geschätzten Parametern
fürden Wassertransport (gute Übereinstimmung der oberen und
unteren Grafikvon Abb. 4.2).Unter der gegebenen Datenlage ist es
nur schwer möglich, das Austragsverhaltendes Bromids aus dem
Sandboden mit Hilfe numerischer Simulationen
korrektnachzuvollziehen. Genauere Angaben zur zeitlichen
Entwicklung der Vegetati-on würden zu einer sichereren
Abschätzung der oberen Randbedingung für denWassertransport
führen. Zusätzlich wären Wassergehaltsmessungen von Vorteil,um
den Wassertransport in den Lysimetern genauer abschätzen zu
können. Zu-dem wäre eine Quantifizierung der Bromidaufnahme durch
die Vegetation un-erlässlich, um eine ausgeglichene Massenbilanz
zu erreichen.Für den Schluffboden scheint eine korrekte Simulation
des Bromidtranspor-tes unmöglich. Auch die oben beschriebenen
Maßnahmen könnten die extremunausgeglichenen Massenbilanz nicht
erklären. Eine längere Beprobung derSchlufflysimeter hätte
Aufschluss darüber gegeben, ob der Hauptpeak der
Bro-midkonzentration tatsächlich schon gemessen wurde. Im Moment
scheint dienaheliegendste Erklärung für die unausgeglichene
Massenbilanz zu sein, dassder Hauptpeak des Bromids im Schluff noch
nicht erreicht wurde.Unter diesen Umständen sind
Stofftransportsimulationen mit HYDRUS 1D undPEARL 3.3.3 nicht
zielführend.
-
22 4 ABSCHLIEßENDE DISKUSSION
0 0.5 1 1.5 20
10
20
30
40
50
60
elute pore volume [−]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 11POS 12POS 14POS 15POS 22
0 0.5 1 1.5 20
10
20
30
40
50
60
elute pore volume [−]
Bro
mid
e co
ncen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 11POS 12POS 14POS 15POS 22
Abbildung 4.1: Bromidausträge aus sandigem Boden aufgetragen
gegen eluierte Poren-volumen. oben: PV aus HYDRUS Simulation
geschätzt. unten: PV aus STAN-MOD Simulation geschätzt.
-
23
0 0.5 1 1.5 20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Bro
mid
konz
entr
atio
n [m
g l−
1 ]
POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
0 0.5 1 1.5 20
1
2
3
4
5
6
7
8
9B
rom
idko
nzen
trat
ion
[mg
l−1 ]
POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
0 0.5 1 1.5 20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
eluierte Porenvolumen [−]
Bro
mid
konz
entr
atio
n [m
g l−
1 ]
POS 25POS 34POS 35POS 36POS 37
Abbildung 4.2: Bromidausträge aus schluffigem Boden aufgetragen
gegen eluierte Po-renvolumen. oben: PV aus HYDRUS Simulation
geschätzt. mitte: PV aus STAN-MOD Simulation geschätzt (alle
Messpunkte berücksichtigt). unten: PV ausSTANMOD Simulation
geschätzt (letzten zwei Messpunkte ignoriert).
-
24 Literature
Literatur
Feddes, R. A.; J., Kowalik P. und H., Zaradny. 1978. Simulation
of Field WaterUse and Crop Yield. John Willey and Sons, New
York.
Jemison, J. M. und Fox, R. H. 1991. Corn uptake of bromide under
greenhouseand field conditions. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 23,
283–297.
Monteith, J. L. 1975. Vegetation and atmosphere, Vol. 1
Principles. AcademicPress, London.
Owens, L. B.; van Keuren, R. W. und Edwards, W. M. 1985.
Groundwaterquality changes resulting from a surface bromide
application to a pasture. J.Environ. Qual. 14, 543–548.
Schaap, M. 1999. Rosetta Lite, Version 1.0. Riverside,
California:. U.S. SalinityLaboratory, USDA ARS.
Schnabel, R. R.; Stout, W. L. und Shaffer, J. A. 1995. Uptake of
a Hydrolo-gic Tracer (Bromide) by Reygrass from well and
poorly-drained Soils. J.Envirnon. Qual., 888–892.
Simunek, L.; van Genuchten, M. Th.; Sejna, M.; Toride, N. und
Leij, F. J.1999. STANMOD. Studio of Analytical Models for solving
the Convection-Dispersion Equation. Version 2.0.
Simunek, L.; Huang, K.; Sejna, M. und van Genuchten, M. Th.
2005. TheHYDRUS-1D Software Package for Simulating the
One-Dimensional Move-ment of Water, Heat and Multiple Solutes in
Variably-Saturated Media, Ver-sion 3.0.
-
A Anhang
.
Tabelle A.1: Horizontabfolge, Textur und Bodenart für den
Haplic Arenosol beiMünster-Handorf.
Symbol Tiefe [cm] Textur1 [%] Bodenart (nach USDA)T U S
Ap 0 - 31 4.1 17.6 78.3 loamy sandBv - 46 3.3 12.0 84.7 sand
Sw I - 75 3.3 14.3 82.4 sandSw II - 108 3.3 7.9 88.8 sand
Sw II Sd - 125 4.4 10.5 85.1 sandII Sd 126+ 12.1 30.5 57.4 sandy
loam
1T: < 2 µm, U: 2 − 63 µm, S: 0.063 − 2 mm
Tabelle A.2: Horizontabfolge, Textur und Bodenart für den
Haplic Luvisol bei Münster-Mauritz.
Symbol Tiefe [cm] Textur1 [%] Bodenart (nach USDA)T U S
Ap 0 - 40 9.5 63.2 27.3 silt loamAl - 78 7.1 64.8 28.1 silt
loam
Al + Bt - 101 8.6 66.5 24.9 silt loamBt - 136 15.1 60.9 24.0
silt loam
IICv 136+ 8.6 49.2 42.2 sandy loam1
T: < 2 µm, U: 2 − 63 µm, S: 0.063 − 2 mm