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Bedeutung der unteren Randbedingung in Lysimeternfür die Sickerwassermessung
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Uwe Schindler, Gernot Verch, Maren Wolff und Lothar Müller
Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
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GliederungDefinition und Anwendungsbereiche von Lysimetern in der Agrar- und Umweltforschung
Fehlermöglichkeiten von Lysimetern
Zielstellung und Aufbau der Lysimeteranlage Dedelow
Ergebnisse zum Abflussverhalten und ProblemanalyseUnterdrucksteuerungBodenschichtung
Ursachenanalyse, konstruktive Umgestaltung und Ergebnis
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung in situ
Schlussfolgerungen
2
Definition und Anwendungsbereiche von Lysimeternin der Agrar- und Umweltforschung
Ein Lysimeter (von griech. lysis = Lösung, Auflösung und metron = Maß) ist ein Gerät mit definierten Randbedingungen zur Ermittlung vonBodenwasserhaushaltsgrößen (Versickerungsrate, Verdunstung) und zur Beprobung von Bodensickerwasser, um dessen Quantität und Qualität zu bestimmen.
In der Agrar- und Umweltforschung werden Lysimeter zur Erfassung und Aufklärung von Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Boden, Pflanze und Wasser unter Berücksichtigung vom Bewirtschaftungsmanagement verwendet.
Lysimeter sind ein wichtiges Hilfsmittel bei der Entwicklung und Validierung von Modellen (Wachstumsmodelle, Modelle zum Bodenwasser- und Stoffhaushalt) und Messmethoden.
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GliederungDefinition und Anwendungsbereiche von Lysimetern in der Agrar- und Umweltforschung
Fehlermöglichkeiten von Lysimetern
Zielstellung und Aufbau der Lysimeteranlage Dedelow
Ergebnisse zum Abflussverhalten und ProblemanalyseUnterdrucksteuerungBodenschichtung
Ursachenanalyse, konstruktive Umgestaltung und Ergebnis
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung in situ
Schlussfolgerungen
3
Fehlermöglichkeiten und Einschränkungen für einedirekte Übertragbarkeit von Lysimeterergebnissen- Oaseneffekt - Bewirtschaftungseffekte (Bearbeitung, Düngung, Ernte)
KonstruktionseinflüsseGrundwasserferne Lysimeter
* Randeffekte für Wasser und Stoffe*Unterer Rand- freier Auslauf,
Unterdruck- konstant, Steuerung, Materialien* Befüllung (Struktureffekte, präferenzielles Fließen)* Schichtung (Kapillarsperre)
Grundwassserlysimeter* Randeffekte für Wasser und Stoffe* Befüllung (Struktureffekte, präferenzielles Fließen)* Lysimeter- Flächen-Gebietsbeziehung für Wasser und Stoffe* stoffliche Mischeffekte im Grundwasserbereich
FeststellungAufgrund der Exposition, der Bewirtschaftung und der Konstruktion können Lysimeterergebnisse gegenüber natürlichen Bodenbedingungen fehlerbehaftet und eingeschränkt in ihrer Übertragbarkeit sein!
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GliederungDefinition und Anwendungsbereiche von Lysimetern in der Agrar- und Umweltforschung
Fehlermöglichkeiten von Lysimetern
Zielstellung und Aufbau der Lysimeteranlage Dedelow
Ergebnisse zum Abflussverhalten und ProblemanalyseUnterdrucksteuerungBodenschichtung
Ursachenanalyse, konstruktive Umgestaltung und Ergebnis
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung in situ
Schlussfolgerungen
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Zielstellung der Lysimeteranlage in Dedelow (1990-2008)
1992-1999Untersuchung des Einflusses von Wasser und Düngung auf den Ertrag und die Sickerwasserdynamik im Trockengebiet Nordostdeutschlands
ab 2000Weiterführung der Arbeiten zum Einfluss von Wasser und Düngung auf den Ertrag
Methodische Untersuchungen zur Validierung einer Feldmethode zur Abschätzung von Sickerwasser und Stoffaustrag.
Wasserverbrauch, Ertrag und Effizienz der Wasserausnutzung von Energiepflanzen
Prüfung des Cultanverfahrens zur Düngerausbringung auf Bodenwasser- und Stoffhaushalt und Ertrag
Sickerwasserlysimeter- UnterdruckgesteuertZinn-Bronze Sintermetallplatten
Geschüttet – Lehm-ParabraunerdeGrundfläche 1*1 mTiefe 2 mStahlkonstruktionAnzahl 32 Lysimeter
Lysimeteranlage Dedelow
Hori-zont
KA Tiefe cm u. GOK
P mg/100g
K mg/100g
Mg mg/100g
Ct mg/100g
Nt mg/100g
pH S %
U %
T %
PV Vol.-%
TRD g*cm-3
Ap M Bt Cc C
Sl4 Sl3 Ls3 Su3 S
0-30 30-100 100-120 120-190 190-200
17,1 10,6 4,7 0,8
6,2 4,8 4,1 1,0
4,6 3,5 4,8 2,1
920 530 230 5
88 52 30 2
7,4 7,5 7,4 7,8
54,3 54,8 45,9 66,2 99,0
33,4 35,1 32
28,1 1,0
12,3 10,1 22,1 5,8 0
38,7 40,0 33,7 38,5 38,2
1,61 1,58 1,74 1,62 1,64
KA Körnungsart
Bodendaten der Lysimeter- Lehm-Parabraunerde
100
0
30
200
120
Ap Sl4
Ah Sl3
Bth Ls3
Cc Sl2
cm 100 cm
100
cm
Lysimeteraufbau
Metallsinter-p -p -pMittelsand
Kies gS mS fS U+T7 24 48 16 4
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DruckübertragungHydraulische Funktion (Wasserableitung)
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GliederungDefinition und Anwendungsbereiche von Lysimetern in der Agrar- und Umweltforschung
Fehlermöglichkeiten von Lysimetern
Zielstellung und Aufbau der Lysimeteranlage Dedelow
Ergebnisse zum Abflussverhalten und Problemanalyse
Ursachenanalyse, konstruktive Umgestaltung und Ergebnis
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung in situ
Schlussfolgerungen
6
Sickerwasserabflussdynamik Lysimeter 3Lehm-Parabraunerde, 1992-1999
13 mm a-1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Dez. 88 Dez. 91 Dez. 94 Dez. 97 Dez. 00
Zeit
Abf
luss
(mm
)
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0
100
200
300
400
500
600
700
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Jahr
Nie
ders
chla
g
Mittelwert 1992-2006: 468 mm
494 mm a-1 438 mm a-1
Sickerwasserdynamik
Mittlere Jahressickerwasserhöhe 1992-1999Jahresniederschlag
119.0119.0498.0498.0617.0617.08455.68455.6GesamtgebietGesamtgebiet
88.288.2513.0513.0601.2601.2169.6169.6PoetterbeckPoetterbeck
122.0122.0155.7155.7535.2535.2691.0691.0104.8104.8GolmerGolmer MMüühlbachhlbach
95.795.7509.1509.1604.8604.8739.5739.5ZarowZarow
63.163.177.677.6503.4503.4580.9580.9670.6670.6RandowRandow
111.5111.5117,2117,2492.6492.6609.8609.81454.71454.7PegelPegel PasewalkPasewalk
112,7112,7491.7491.7604.3604.31746.81746.8UckerUcker
102,9102,9494.9494.9597.8597.82417.42417.4UckerUcker
108,8108,8506.0506.0614.8614.8971.1971.1Peene2Peene2
139.1139.1492.8492.8631.9631.91337.41337.4Peene1Peene1
157.7157.7149.8149.8510.3510.3660.1660.1993.9993.9TrebelTrebel
126.7126.7489.1489.1615.8615.81826.71826.7TollenseTollense
131.0131.0497.4497.4628.4628.45129.15129.1PeenePeene
mmmm aa--111961/90 mm1961/90 mm aa--11mmmm aa--11mmmm aa--11kmkm22TeileinzugsgebieteTeileinzugsgebiete
ABIMOABIMO MQMQ
RR
ETETaaPPAeAeEinzugsgebieteEinzugsgebiete
Ae: Fläche des Einzugsgebietes, P: mittlere Jahresniederschlagshöhe nach DWD fehlerbereinigt; ETa: mittlere Jahresverdunstungshöhe; R: mittlere Gesamtabflusshöhe nach ABIMO; MQ: mittlerer Durchfluss am Pegel
Abflussbildung aus Einzugsgebieten Nordostdeutschlands
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GliederungDefinition und Anwendungsbereiche von Lysimetern in der Agrar- und Umweltforschung
Fehlermöglichkeiten von Lysimetern
Zielstellung und Aufbau der Lysimeteranlage Dedelow
Ergebnisse zum Abflussverhalten und ProblemanalyseUnterdrucksteuerungBodenschichtung
Ursachenanalyse, konstruktive Umgestaltung und Ergebnis
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung in situ
Schlussfolgerungen
Neubefüllung
Sinterplatten
8
UrsachenanalyseUntersuchung der hydraulischen Eigenschaften und des Alterungsverhaltens der Zinn-Bronze-Sinterplatten
* Messung der Luftdurchlässigkeit der kolmatierten und der regenerierten SinterplatteRegenerierung: Mechanische Reinigung und Spülung der Poren mit 10%iger HCl
* Messung des kf Wertes der kolmatierten und der regenerierten Sinterplatte* Ermittlung der Druck-Abflusskurve
Bedeutung der Filterschicht für den Sickerwasserabfluss
Zinn-Bronze-Sintermetallplatten
Sand, Kalk und Wasser sind die Grundsubstanzen für
UnterseiteMörtel
10 %ige HCl
Oberseite
9
Kolmatierte Sinterplatte Regenerierte Sinterplattemechanisch gereinigt und mit HCl gespült
10 %ige HCl
Regeneration mit HCl 10 %ig
Messung der Wasserdurchlässigkeit
Luftdurchlässigkeit
10
1,0E-07
1,0E+01
2,0E+01
3,0E+01
4,0E+01
0 50 100 150 200 250
Druckhöhe (cm)
Hyd
raul
isch
e Le
itfäh
igke
it (m
md-
1 )
kolmatiert
regeneriert
Abhängigkeit der hydraulischen Leitfähigkeit von der Druckhöhe
Die Druckabhängigkeit des k Wertes zeigt, dass der Durchfluss im prälinearenBereich erfolgt. Der k Wert ist keine Konstante. Der Fluss erfolgt erst nachVorhandensein eines Intitialdruckes.
Druck-Abflussbeziehung
0123456789
10
0 20 40 60 80 100
Druckhöhe (cm)
Abf
luss
(ld-
1 )
kolmatiertregeneriert
Abfluss bei Druckdifferenz von 50 cm ; Kolmatiert 0,5 mm d-1Regeneriert 10 mm d-1
Zinn-Bronze Sintermetallplatten
11
Kolmation und Regeneration von Kolmation und Regeneration von SiCSiC 40 Saugsonden40 Saugsonden
3600 cm2
Lysimeterbasis
SiC 40 Kerzen von UMS
Druck-Abflussbeziehung
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100
Druckhöhe
Abf
luss
(l d
-1)
Kolmation
Ausgangszustand
DARCY
12
Regeneration SiC40Regeneration SiC40Regeneration mit HCl (10%ig und 400 ml Essig 25%ig auf 2 Liter
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100
Druckhöhe
Abf
luss
(l d
-1)
HCl 10 %ig
1. Essig 25 %ig
3 .Essig 25 %ig 2. Essig 25 %ig
Umgestaltung zu Gravitationslysimetern
Dränrohr
13
0
50
100
150
200
250
300
Dez. 88 Dez. 91 Dez. 94 Dez. 97 Dez. 00 Dez. 03 Dez. 06
Zeit
Abf
luss
(mm
)
Abflussdynamik einer Lehm-Parabraunerde vor und nach der Rekonstruktion
Rekonstruktion
0
100
200
300
400
500
600
700
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Jahr
Nie
ders
chla
g
Mittelwert 1992-2006: 468 mm
494 mm a-1 438 mm a-1
Jahresniederschlag
Niederschlag 494 mm a-1 438 mm a-1 (-56 mm)
Abfluss 13 mm a-1 44 mm a-1 (+31 mm)
Kapillarsperre
14
A-Horizont
Kapillarschicht (feinkörnig)
Kapillarblocker- grobkörnig Kies, Schotter
Prinzipdarstellung einer Deponieabdichtung mit Kapillarsperre
GW kritisch
K2
15
Alternative Möglichkeiten zur Sickerwasserabschätzung aufgrundwasserfernen Standorten in situ
Bodenhydrologische Messplätze
0
3
6
9
12
15
18
Aug.01
Feb.02
Aug.02
Feb.03
Aug.03
Feb.04
Aug.04
Feb.05
Aug.05
Feb.06
Time
Dis
char
ge ra
te (m
m d
-1)
0
200
400
600
800
Tota
l dis
char
ge (m
m)
Calculation
Measurement
Calculation
Measurement
( ) ( )22 /1 ∑∑ −+−−−= mimiii OOOPPOdWillmott‘s Index of agreement
d=0,97
Poster
Bodenhydrologische Messungen als
Vergleich von gemessenem Lysimeterabfluss mit aus bodenhydrologischen Messungen berechnetem Abfluss
Bodenhydrologischer Messplatz
Bodenhydrologischer MessplatzBodenhydrologischer Messplatz
0
1
2
3
4
Jan. 95 Jan. 97 Jan. 99 Jan. 01 Jan. 03 Jan. 05
Time
Seep
age
rate
(mm
d-1)
0
400
800
1200
1600
2000
Seep
age
(mm
)
0
1
2
3
4
5
Jun. 93 Jun. 95 Jun. 97 Jun. 99 Jun. 01 Jun. 03 Jun. 05Time
Seep
age
rate
(mm
d-1)
0
500
1000
1500
2000
2500
Seep
age
(mm
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Dez. 95 Dez. 97 Dez. 99 Dez. 01 Dez. 03 Dez. 05
Time
Seep
age
rate
(mm
d-1
)
0
40
80
120
160
200
Seep
age
(mm
)
Arable land Grassland
Pine forest
Sickerwasserdynamik unter Acker, Gras und WaldStandort Muencheberg
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Folgende Dinge sind wichtig für die Funktion von Unterdrucklysimetern
1. Die Unterdruckelemente müssen bei einem Druckgefälle bis etwa 40 hPaeinen Abfluss von > 50 mm d-1 gewährleisten.
2. Sie müssen alterungsbeständig sein. Ggf. sollte eine Funktionsprüfung und Rekonstruktion möglich sein.
3. Der Boden an der Lysimeterbasis muss eine Druckübertragung gewährleisten.Grobe Bodenmaterialien (Kies, Grobsand, Schotter) sind ungeeignet.
4. Es sollten Messsysteme (Tensiometer und ggf. Bodenfeuchtesensoren) fürKontrollzwecke installiert sein.
Auch für Gravitationslysimeter ist eine grobe Filterschicht an der Basis zu vermeiden. Es muss gewährleistet werden, dass es bei Schichtübergängen nicht zu künstlich hervorgerufenen kapillaren Staueffekten kommen kann (außerdie natürlichen Verhältnisse sind so aufgebaut- Grobschotterunterlagerung).
Aufgrund umfangreicher Fehlermöglichkeiten von Lysimetern, sollten wir zukünftig verstärkt auch über alternative Möglichkeiten nachdenken.
Schlussfolgerungen
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit