1

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

4

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

5

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

16

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