Charakterisierung hydrologischer Material-Eigenschaften mittels Multi Step Outflow (MSO) Experimenten

Abstract

Die Kenntnis hydrologischer Eigenschaften ist essentiell für das Grundwassermanagement. Im Rahmen eines Projektes zur Verknüpfung mit elektrischen Eigenschaften, welche nicht-invasiv bestimmbar sind (Spektrale Induzierte Polarisation, SIP), wurden am IBG-3 (Agrosphäre; vormals ICG-IV) des Forschungszentrums Jülich hydrologische Material-Eigenschaften bestimmt mittels Multi-Step-Outflow-Experimenten (MSO). Dazu wurde ein Probenhalter entwickelt zur gemeinsamen Messung der hydraulischen und elektrischen Eigenschaften. In der MSO-Anlage wird das gesättigte Medium mittels Druckluft bzw. Saugspannung schrittweise entwässert. Unter der Probe verhindert eine poröse Keramik-Platte mit Lufteintrittswert oberhalb des angelegten Druckes die Durchströmung der Probe durch die Druckluft (was die Entsättigung beenden würde). Aus der Ausflusskurve können mittels inverser Modellierung hydrologische Kenngrößen bestimmt werden (Mualem-van-Genuchten-Ansatz, HYDRUS-Programm).

HYDRUS verwendet folgende Parameter: residualer und gesättigter Wassergehalt, Porenverbindungsparameter, inverser Lufteintrittswert α, Porengrößenverteilungsindex n, van-Genuchten-Parameter m, gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Ks. Dabei werden α und n bestimmt mittels inverser Modellierung aus Wasserhaltekurven (Wassergehalt in Abh. von angelegtem Luftdruck im Drucktopf, RetC-Programm). Ks wird bestimmt mittels falling head permeameter Experimenten (Durchfluss in Abh. vom Wasserdruck). Die ermittelten Ks-Werte in Abh. von der Korngröße folgen der Hazen-Formel.

Die MSO-Daten werden ins HYDRUS-Format konvertiert (z. B. Ausfluss durch Probenhalterquerschnitt normiert, Druck [bar] oberhalb zu Saugspannung [cm] unterhalb der Säule) und mittels SHRINK-Programm systematisch reduziert.

Der inverse Lufteintrittswert α aus der inversen Modellierung zeigt eine generelle Zunahme mit der Korngröße, wie wegen der inversen Beziehung beider Größen mit dem Lufteintrittswert erwartet. Mit zunehmender Korngröße wird auch zunehmender Porengrößenverteilungsindex n beobachtet.

Mit α, n, m und Ks wird die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Wassergehalt θ bzw. Sättigung 0≤S≤1 oder Druckhöhe h berechnet, ebenso Wasserhaltekurven (θ abh. von Matrixpotential oder h), effektive Poren- und daraus Korn-Größenverteilungen, welche zu den Korngrößen passen, wie sie durch Siebung eingegrenzt wurden.

Der nächste Schritt ist die Korrelation der Sättigungs-abhängigen hydraulischen Leitfähigkeiten mit den Ergebnissen der elektrischen Messungen.