Quantitative characterization of solute transport processes in an undisturbed unsaturated soil by means of electrical resistivity tomography (ERT)

Abstract

Improved understanding of water flow and solute transport through the unsaturated zone is important for the sustainable management of soils. As soils are complex and heterogeneous systems, quantification of the transport processes is difficult. More knowledge on the relationship between solute transport process, soil structure, hydrologic initial and boundary conditions, and observation scale is needed here. Therefore, non-invasive quantitative 3-D spatio-temporal imaging of solute displacement is necessary. Such imaging may be provided by hydro-geophysical methods, for example electrical resistivity tomography (ERT). Recent studies have shown that ERT is able to visualize solute transport through the subsurface with 3-D resolution, but quantitative interpretations of the ERT-image data are difficult. This thesis explores the potential of ERT to quantitatively characterize vadose zone solute displacement with 3-D spatio-temporal resolution. Four inert solute transport experiments in a large undisturbed unsaturated soil column were imaged using 3-D ERT. Two experiments were conducted with an irrigation rate of 1.5 cm/d, the remaining two with an irrigation rate of 6.5 cm/d. An improved ERT-data-error estimation approach was introduced. Time-domain reflectometry (TDR) was applied to quantitatively ground-truth the ERT-image data. The experimental setup allowed translating the ERT-derived bulk electrical conductivity to solute concentration without neglecting the 3-D structure of the petrophysical properties of the soil. Using these innovations, ERT recovered the mass of the applied tracer with an error of approximately 5% for all four displacement experiments. The solute transport was characterized by means of ERT-derived apparent convection-dispersion equation (CDE) parameters. The apparent velocities were barely affected by the choice of the error level used in the ERT inversion but the apparent dispersivities were. The apparent velocities were less impaired by temporal smearing than the apparent dispersivities. The mean apparent velocity appeared to be not biased by ERT-sensitivity in contrast the velocity variability. The apparent dispersivities were barely correlated with decreasing ERT sensitivity. In an additional displacement experiment, the food dye Brilliant Blue was directly imaged using ERT. Here, advantage was taken of the negative ionic charge of Brilliant Blue molecule under weakly acid and basic conditions. A comparison of photographically obtained Brilliant Blue staining patterns with respective ERT-derived solute electrical conductivity patterns showed that both patterns coincided as long as the staining features were not cut off from the electrodes. The ERT-derived 3-D solute concentration images were useful to quantitatively investigate and compare the solute transport of the four inert solute displacement experiments. It was found that the main velocity patterns remained invariable for all four experiments despite a considerable increase in water content between the low and the high flux experiments. Another outcome was that all transport velocity patterns were aligned to a structural feature in the topsoil which, in turn, was aligned to the plowing direction and, therefore, identified as a man-made structure. The mixing regime of all displacement experiments was found to be convective-dispersive despite considerable lateral variations in the local transport velocity. The voxel-scale ERT-derived apparent dispersivity was successfully laterally up-scaled to the column scale using a newly introduced up-scaling approach. Furthermore, the up-scaling approach was useful to investigating the relationship between lateral observation scale and apparent dispersivity.

<strong>Quantitative Charakterisierung von Stofftransportprozessen in einem natürlich gelagerten ungesättigten Boden mittels elektrischer Widerstandstomographie (EWT)</strong><br /> Für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Böden ist es wichtig Wasserfluss- und Stofftransportprozesse durch die ungesättigte Zone besser zu verstehen. Da Böden komplex und heterogen sind, ist es schwierig, diese Transportprozesse zu quantifizieren. Mehr Wissen über die Beziehung zwischen Stofftransport, Bodenstruktur, hydrologische Anfangs- und Randbedingungen und Beobachtungsskala ist erforderlich. Dazu wird 3-D räumlich-zeitlich aufgelöste Bildgebung von Stofftransportprozessen benötigt. Eine solche Bildgebung kann von hydro-geophysikalischen Methoden bereitgestellt werden, zum Beispiel der elektrische Widerstandstomographie (EWT). Während der letzten Jahre haben Studien gezeigt, dass ERT in der Lage ist, Stofftransport durch den Untergrund in 3-D Auflösung zu visualisieren. Allerdings ist die quantitative Auswertung der EWT Bilddaten schwierig. Diese Doktorarbeit untersucht das Potential von EWT, Stofftransportprozesse in der vadosen Zone quantitativ in 3-D räumlich-zeitlicher Auflösung zu charakterisieren. Während der Doktorarbeit wurden vier inerte Stofftransportexperimente in einer großen ungestörten Bodensäule mittels EWT visualisiert. Zwei Experimente wurden bei einer konstanten Beregnung von 1,5 cm/d durchgeführt, zwei bei einer Beregnung von etwa 6,5 cm/d. Ein verbesserter Ansatz zur EWT Fehlerabschätzung wurde eingeführt. Time-Domain Reflectometry (TDR) wurde benutzt um die EWT Bilddaten quantitativ zu validieren. Der Versuchsaufbau ermöglichte es, die mit EWT visualisierten elektrischen Leitfähigkeiten ohne Vernachlässigung der 3-D Struktur der petrophysikalischen Bodeneigenschaften in Stoffkonzentration zu übersetzen. Durch diese Innovationen konnte EWT die applizierte Tracermasse mit einem Massenbilanzfehler in der Größenordnung von 5% für alle vier Transportexperimente wiederfinden. Der Stofftransport wurde mit Hilfe von aus den EWT Bilddaten abgeleiteten scheinbaren Konvektions-Dispersions Gleichungsparameter charakterisiert. Im Unterschied zu den scheinbaren Geschwindigkeiten war die scheinbare Dispersivität stark abhängig von dem in der EWT Inversion gewählten Fehlerniveau sowie von zeitlichem Verschmieren. Der Mittelwert der scheinbaren Geschwindigkeiten war kaum von der sich änderenden EWT Sensitivität beeinflusst, die Variabilität der scheinbaren Geschwindigkeiten war es. In einem zusätzlichen Experiment wurde der Lebensmittelfarbstoff Brilliant Blue direkt mit EWT visualisiert. Ein Vergleich zwischen photographisch bestimmten Brilliant Blue Färbemustern und entsprechenden bulk elektrischen Leitfähigkeiten der EWT Bilder zeigte, dass beide Muster übereinstimmen solange Bildregionen mit Färbekontrast nicht von den Elektroden abgeschnitten waren. Die EWT Bilddaten zeigen, dass die Transportgeschwindigkeitsmuster während aller vier inerten Transportexperimente trotz eines deutlichen Anstiegs des Bodenwassergehaltes zwischen der niedrigen und der hohen Beregnungsrate weitgehend unverändert blieben. Ein weiteres Ergebnis ist, dass alle Transportmuster an einer Struktur im Oberboden ausgerichtet waren, welches wiederum in Pflugrichtung orientiert war. Die Transportregime aller vier Experimente erwiesen sich als konvektiv-dispersiv, obwohl in der lateralen Richtung deutliche Variationen in den lokalen Transportgeschwindigkeiten erkennbar waren. Die aus EWT abgeleitete scheinbare Dispersivität wurde erfolgreich von der lateralen Skala der EWT Bildvoxel auf die Skala der Bodensäule hochskaliert, wobei ein neu eingeführter Ansatz benutzt wurde. Dieser Ansatz war auch nützlich, den Zusammenhang zwischen scheinbarer Dispersivität und lateraler Beobachtungsskala zu untersuchen.