Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.

Effects of grassland renovation on carbon concentrations and aggregate distribution in temperate grassland soils

The effects of continuous tillage on the distribution of soil organic matter (SOM) and aggregates have been well studied for arable soils. However, less is known about the effects of sporadic tillage on SOM and aggregate dynamics in grassland soils. The objectives of the present thesis were (I) to study the longer-term effects of sporadic tillage of grassland on organic carbon (Corg) stocks and the distribution of aggregates and SOM, (II) to investigate the combined effects of sporadic tillage and fertilization on carbon and nitrogen dynamics in grassland soils, and (III) to study the temporal dynamics of Corg stocks, aggregate distribution and microbial biomass in grassland soils. Soil samples were taken in three soil depths (0 – 10 cm; 10 – 25 cm; 25 – 40 cm) from a field trial with loamy sandy soils (Cambisols, Eutric Luvisols, Stagnosols, Anthrosols) north of Kiel, Germany. For Objective I we have sampled soil two and five years after one or two tillage operation(s). Treatments consisted of (i) permanent grassland, (ii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland and (iii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland with one season of winter wheat in between. The tillage in grassland led to a reduction in Corg stocks, large macroaggregates (>2000 µm) and SOM in the top 10 cm soil depth. These findings were still significant two years after tillage; however, five years after tillage no longer present. Regarding the soil profile (0 – 40 cm) no significant differences in the mentioned parameters between the tilled plots and the permanent grassland existed. A second tillage event and the insertion of one season of winter wheat did not lead to any further effects on Corg stocks as well as aggregate and SOM concentrations in comparison with a single tillage event in these grassland soils. Treatments adapted for Objective II included (i) long-term grassland and (ii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland with one season of winter wheat in between. The plots were split and received either 240 kg N ha-1 year-1 in the form of cattle slurry or no cattle slurry application. The application of slurry within a period of four years had no effects on the Corg and total nitrogen stocks or the aggregate distribution, but led to a reduction of free and not physically protected SOM. However, the application of cattle slurry and the grassland renovation seems to change the plant species composition and therefore generalizations on the direct effects are not yet possible. For studying Objective III a further field trial was initiated in September 2010. Soil samples were taken six times within one year (from October 2010 to October 2011) (i) after the conversion from arable land into grassland, (ii) after the tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland and (iii) in a permanent grassland. We found an increase in the microbial and fungal biomass after the conversion of arable land into grassland, but no effect on aggregate distribution and Corg stocks. A one-time tillage operation in grassland led to a reduction in large macroaggregates and Corg stocks in the top 10 cm soil depth with no effect on the sampled soil profile. However, we found large variations in the fungal biomass and aggregate distribution within one year in the permanent grassland, presumably caused by environmental factors. Overall, our results suggest that a single tillage operation in grassland soils markedly decreased the concentrations of Corg, larger aggregates and SOM. However, this does not result in long-lasting effects on the above mentioned parameters. The application of slurry cannot compensate the negative effects of a tillage event on aggregate concentrations or Corg stocks. However, while the Corg concentration is not subject to fluctuations within a year, there are large variations of the aggregate distribution even in a permanent grassland soil. Therefore conclusions of results from a single sampling time should be handled with care.