Project Group Water and Matter Fluxes

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1 Project Group Water and Matter Fluxes Head: Prof. Dr. R. Meissner, Helmholtz Centre for Environmental Research Ltd. - UFZ, Dep. Soil Physics, Lysimeter Station Falkenberg and Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, Institute of Agricultura and Nutritional Sciences, Chair of Watershed Management, Germany Der Einsatz der Lysimetertechnik in der Umweltforschung Einführung Sickerwassermesstechnik Lysimetermesstechnik (Definition, Entnahmetechnik, Aufbau, Messgenauigkeit, Typen) Einsatzgebiete und Ergebnisse (Beispiele) Ausblick und Diskussion

2 Einführung Mission statement- core competences Laboratory/ Microcosm Lysimeter Field Small- Catchment River Catchment Determination of water and matter fluxes as well as matter turnover basis for process oriented modelling as well as sustainable strategies to use soils Core competences Quantifying and modelling of water and matter fluxes in soils with highly fluctuating groundwater level Elucidating and integrating methodologies of varying scales (microcosmlysimeter-catchment); water erosion and modelling Core competences Synergy Dep. Soil Science Dep. Hydr. Modelling Dep. Hydrogeology Dep. Soil Science Dep. River Ecology Dep. Nature Conservat. Dep. Hydrogeology Advanced lysimeter and measuring techniques to quantify amounts of diffuse pollutants Dep. Analytical Chemestry

3 Verfahren/Hilfsmittel Geräteaufwand Sickerwassermesstechnik Verfahren zur Ermittlung der Sickerwasserrate (LAWA, 2003) Erforderliche Eingangsparameter Mess- bzw. Berechnungsgröße Auflösung räum- zeitlich lich Literatur Lysimeter Direkte Messmethoden wägbar nicht wägbar Lys.-Behälter u. -waage: Klima station Klimastation Lys.-Behälter Niederschlag, Verdunstung, Landnutzung Sickerwassermenge Niederschlag, Verdunstung, Landnutzung Sickerwassermenge Messpunkt MMess -punkt sehr hoch sehr hoch DVWK (1980) DVWK (1980) Indirekte Messmethoden Tensiometer Time Domain Reflectometry (TDR) Radiometrie Tensiometer, tiefenabgestuft pf-kurve des Bodens Bodenporosität; Niederschlag; Grundwasserstand Saugspannung, bzw. Bodenfeuchte Wassergehalt (als Eingangsparameter für hydrodynamische Modelle, vgl. Kap ) MMessfläche Messrohr; Neutronensonde monatliche Bodenfeuchteprofile, Eichkurve bezogen auf Bodenporosität TDR-Sonden Eichbeziehung Messfläche Messfläche hoch sehr hoch gering RENGER et al. (1970, 1974, 1980) MALICKI et al. (1992) Tracermethoden; Chlorid, Borat, Tritium Langzeitmessreihen über Abflüsse und Konzentrationen Depositionssammler, Abflussmessung; Tracer, Laboranalyse Wasserhaushalt- Stoffhaushalt des Tracers Einzugsgebiet sehr gering ULRICH et al. (1979) HEITZ (1998)

4 Sickerwassermesstechnik Suction cup In situ soil water extraction techniques Suction plate Horizontal installation of a suction cup from a trench (a), installation of a shaftless suction cup (b), installation in 45 o angle (c), and vertical installation with collar (d).(e) installed collar, (f) refilled soil, and (g) undisturbed soil. Wick sampler Schematical scetch of a suction plate with porous body (a), frame (b), and tube connection (c) after Siemens and Kaupenjohann, 2003). Resin box Schematical scetch of a wick sampler with wick (a), sampling tube (b), and sampling bottle (c) (after Brandi-Dorhrn et al., 1996). (Figures from Weihermüller et al, 2007) Exemplary sectional drawing of a resin box. Pipe (a), filling of quartz sand or silt (b), mixture of quartz sand or silt and exchange resin (c), mesh (d).

5 Sickerwassermesstechnik Bodenhydrologische Messstation Automated field measurement station

6 Sickerwassermesstechnik Prinzipskizze einer bodenhydrologischen Messstation (indirekte Messung) GWOP Data- Logger Tensiometer & Suction Cups GW Hn SW Groundwater Level Temperature Soil moisture Matrix Potential Redox Potential Arrangement of automated field measurement stations

7 Sickerwassermesstechnik Berechnungsbeispiel Bodenhydrologische Messstation Soil depth [cm] Tensiometer TDR-probes Ψ m Ψ grad Flux Θ t1 Θ t2 Evapotranspiration Amount of seepage [hpa] [Vol.%] [Vol.%] [mm] [mm] Ψ grad = (ΔΨ m / ΔZ) + 1 Σ Estimation of evapotranspiration and seepage water amount based on datas from an automated field measurement station

8 Sickerwassermesstechnik Einsatzbereiche für f r verschiedene Messverfahren The data target determines the observation period, level of information, time and effort, and selects the optimal sampling device (Weihermüller et al., 2007).

9 Lysimetermesstechnik Definition des Begriffes Lysimeter The German Industrial Standard DIN (1994) defines a lysimeter as a device to collect seepage water for mass and solute balances in relation to soil, parent rock, vegetation, local climate and other site condition. It consists of a square or round vessel filled with soil and a device to collect and quantify the lechate. If the lysimeter is weighable, actual evapotranspiration can be calculated from its weight (mass) change. Main differences between the used lysimeter types: - soil filling procedure (disturbed undisturbed) - weighability (weighable or non weighable) - lysimeter size (depends on scientific question and scale of observation) - lower boundary conditions (free drainage or suction controlled drainage)

10 Lysimetermesstechnik Konventionelle Anlage Conventional lysimeter facility at Falkenberg, Germany

11 Lysimetermesstechnik Innenansicht Messschacht View into the conventional lysimeter shaft (steel-concrete)

12 Lysimetermesstechnik Lysimeteraufbau Surface area = 1 m 2 Depth = 2 m Container unit Probes Soil column (2 m 3 ) Access hatch Datalogger Filter layer Shear stress cell Pedestal Δ Tipping bucket & water collection tank Prinzipskizze eines wägbaren Gravitationslysimeters

13 Lysimetermesstechnik Bodenentnahmetechnik Historische Entnahme eines Bodenmonolithen zur Füllung F eines Lysimeters

14 Lysimetermesstechnik Vertikale monolithische Bodenentnahme Lysimetergefäß Oberfläche 1,0 m²... 2,0 m² Länge 1,0 m 3,0 m Material: Rostfreier Stahl (PE-HD Optional: Innenauskleidung: PE-HD; Epoxydharz Gewicht Monolith: kg Technologischer Verfahrensschritt: ¾ Ausschneiden des Bodenmonolithen Ungestörte Entnahme eines Bodenmonolithen Entnahmevorrichtung

15 Lysimetermesstechnik Vertikale monolithische Bodenentnahme Technologischer Verfahrensschritt: ¾ Abschneiden des Bodenmonolithen Gewinnung des Bodenmonolithen - Abschneidvorrichtung

16 Lysimetermesstechnik Containerlysimeterstation Wahlweise 1-, 2- oder 4-fach Lysimeter-Containerstationen Dimensionen: Höhe: Länge: Breite: 1,5 m 4,0 m 2,5 m 3,5 m 2,5 m 3,5 m Material: PE-HD Gewicht der ContainerStation: 500 kg 1500 kg Technologischer Verfahrensschritt: ¾ Ausheben der Grube zum Einbau der Lysimeter-Containerstation Vorbereitungen zum Einbau der PE-HD LysimeterContainerstation

17 Lysimetermesstechnik Containerlysimeterstation 2-fach LysimeterContainerstation Oberfläche: 2,0 m2 x 2,5 m2 Tiefe: 1,5 m 3,5 m Material: PE-HD Gewicht der Container-Station: ca.1000 kg Technologischer Verfahrensschritt: ¾ Installation der Lysimetergefäße Einbau der Lysimeter in die Containerstation

18 Lysimetermesstechnik Bodenentnahme Computer tomography view from an undisturbed soil monolith

19 Lysimetermesstechnik Berechnung tatsächliche Evapotranspiration und Stofffracht The actual evapotranspiration can easily be derived using the following equation: Eta = P - D ± ΔS (1) ETa P D ΔS actual evapotranspiration (mm) precipitation (mm) amount of seepage water (mm) change in the amount of water stored (mm, based on measuring the mass change of the soil column over time; 1 kg 1 l/m² = 1 mm) If the water balance is calculated correctly, the solute balance can be determined with sufficient accuracy using the following equation: L = Cs D (2) L Cs D solute load of (mg/m²) solute concentration in the seepage water (mg/l) amount of seepage water (l/m² = mm).

20 Lysimetermesstechnik Messgenauigkeit 3556,0 No Precipitation 5.5 mm Precipitation (= 5.5 kg) 2,5 3554,0 Average Evapotranspiration 0.17 mm/h Max. Evapotranspiration 0.59 mm/h 2,0 3552,0 3550,0 3548,0 1,5 1,0 3546,0 0,5 3544,0 0,0 Weight (kg) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Precipitation (mm) Max. Dew Formation 0.04 mm/h Precipitation Weight Date Example of the diurnal change of the weight of a gravitation lysimeter planted with grass.

21 Lysimetermesstechnik Messgenauigkeit Mass Precipitation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Weight Mass in [kg] Precipitation [mm] Precipitation in mm Date and Time 0.0 Mass change of a gravitation lysimeter planted with maize over a 6 d period in August The rainfall depths shown were obtained with a Hellmann rain gauge.

22 Lysimetermesstechnik Messgenauigkeit - Taumessung Mass [kg] Mass Over the 24 h period the following amounts where measured: evapotranspiration: 2.73 mm dew: 0.4 mm (14.6% of evapotranspiration) 4086 a) o C] 25 Air temperature and dew point temperature [ Saturation and ambient vapor pressure [Pa] :00 13:00 15:00 Saturation vapor pressure Ambient vapor pressure Relative humidity 17:00 19:00 21:00 23:00 01:00 Time [h] Air temperature at 2 m Dew point temperature 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 b) Relative humidity [%] c) max. evapotranspiration sunset dew point max. dew formation start evapotranspiration Time course of a) mass change of a gravitation lysimeter planted with maize, b) air and dew-point temperature, and c) saturation and ambient vapor pressure and relative humidity between 11:00 a.m. on August 22 and 11:00 a.m. on August 23, 2004.

23 Lysimetermesstechnik Wägbares Grundwasserlysimeter Socket for Ponding Depth (cm below GL) Probes (Tensiometer, TDR, Thermometer, Suction Cups) Surface Area = 1 m 2 Soil Monolith (2 m 3 ) Data Communication Hatch Datalogger Container Unit Filter Layer Load Cell Pedestal Tipping Bucket with Collecting Tank Groundwater Level Balancing Tank with Water Level Sensor Storage Tank with Pump Valves Groundwater Probe Measuring of Groundwater Level at the Floodplain Site Weighable groundwater lysimeter station

24 Lysimetermesstechnik Modifizierte Wasserbilanzgleichung für f r ein wägbares Grundwasserlysimeter Modified water balance for groundwater-influenced sites P + Pond = Eta + (Rout + Rin) ± S P = precipitation Pond= surface floodwater Eta = actual evapotranspiration Ruot = groundwater outflow Rin = groundwater inflow S = change of storage capacity

25 0 Lysimetermesstechnik Steuerungsgenauigkeit eines Grundwasserlysimeters 20 Water level [cm below surface] x Target water level Water level in balancing tank of lysimeter 206 Groundwater level at floodplain site Schönberg Deich (estimated) Groundwater level in February 2003 comparison of Schönberg Deich floodplan site with lysimeter 206

26 Lysimetermesstechnik Ergebnisdarstellung - Grundwasserlysimeter 10 0 Water balance [mm] Precipitation summ. Evapotranspiration summ. -30 Adjustments to maintain internal water level summ. Adjustments to track external water level summ. Change of storage P + Pond = Eta + (Rout Rin) ± S 15mm + 0mm = 9mm + (7mm + 34mm - 0mm) - 35mm Water balance parameters (commulative) in February 2003 based on measurements with the weighable groundwater lysimeter

27 Lysimetermesstechnik Horizontale monolithische Bodenentnahme Lysimeter vessel with cutting tools Lysimeter vessel in starting pit Horizontal soil monolith extraction technology developed for wetland soils

28 Horizontal cutting tool Surface area: 4.0 m² m Length: 4.0 m Width: : 1.0 m Depth: : 1.5 m Material: Stainless steel Lysimetermesstechnik Horizontale monolithische Bodenentnahme Technological operation: Cutting out the soil monolith under wet site conditions (e.g. moor lands, fen soils) Soil monolith collection horizontal extraction technology

29 Lysimetermesstechnik Vorrichtung zur horizontalen Bodenmonolithentnahme Schematic of the horizontal soil monolith extraction technology

30 Lysimetermesstechnik Moorlysimeter Hollow chamber Reference probe - Redox Water level sensor Lysimeter vessel Steel frame Load cell Manometer Storage bin with pump Lateral flow lysimeter in operation, station Falkenberg, Germany

31 Einsatzgebiete und Ergebnisse (Beispiele) Kennziffern über die Sickerwasserbildung, die Sickerwasserbeschaffenheit sowie den Relativvertrag bei b unterschiedlichen landwirtschaftlichen Nutzungssystemen mit differenzierten Bewirtschaftungsintensitäten ten (Ergebnisse aus langjährigen Lysimeterversuchen)

32 Einsatzgebiete und Ergebnisse Wasser- und Stoffhaushalt von Waldgebieten Freilandniederschlag (P) = 653 mm E T = 642 mm = 98 % von P Gesamtverdunstung (E T ) (E T = E I +E a +T a ) E T = 484 mm = 74 % von P Kiefer E I = 261 mm = 40 % von P E a = 59 mm = 9 % von P T a = 322 mm = 49 % von P R U = 11 mm = 2 % von P Interzeptionsverdunstung (E I ) Verdunstung am Waldboden (E a ) Transpiration (T a ) Sickerwassermenge (R U ) GRUNDWASSER R U = P - E T (ΔW=0) E I = 115 mm = 18 % von P E a = 40 mm = 6 % von P T a = 329 mm = 50 % von P R U = 169 mm = 26 % von P Buche Wasserhaushalt eines Kiefern- und eines Buchenjungbestandes auf Sandboden bei Eberswalde (mittlere Jahresbilanz nach Müller et al., 2000, verändert)

33 Ausblick und Diskussion Scaling of lysimeter results to field and catchment (the WAGNA-concept) suction controlled drainage at the lysimeter bottom

34 Ausblick und Diskussion Scaling of lysimeter results to field and catchment (the WAGNA-concept concept) Detailed view on the mechanized cultivated, weighable monolithic field lysimeter SHMP: soil hydrologic measurement profile MONO: monolithic lysimeter 200 cm deep, surface area 1 m 2 removeable ring soil sensors rods for fine tuning precision load cells cables, suction cups, drainage

35 Ausblick und Diskussion Ausblick und Diskussion Scaling of lysimeter results to field and catchment (the WAGNA-concept) Lysimeter preparation for mechanical cultivation Dismounting of the removable ring for ploughing Remounting of the upper lysimeter ring after cultivation

36 Ausblick und Diskussion Scaling of lysimeter results to field and catchment (the WAGNA-concept concept) Measuring concept HYDROLYS

37 Ausblick und Diskussion Nicht invasive Untersuchungstechniken für f Lysimeter Non-invasive measurement techniques to charaterize water and solute fluxes in lysimeter vessels (ERT- electrical resistivity tomography) J. Köstel, A. Kemna, H. Vereecken & T. Pütz multiplexer unit plastic lysimeter vessel with ERTtransmitter and receiver, TDR and tensiometer probes, lysimeter scale and tipping bucket ERT- measuring unit

38 Ausblick und Diskussion Nicht invasive Untersuchungstechniken für Lysimeter Non-invasive measurement techniques to charaterize water and solute fluxes in lysimeter vessels (ERT) Cl - (mg/l) Results from the experiment with steady state irrigation of 15 mm/d (Koestel et al. 2008)

39 Ausblick und Diskussion Nicht invasive Untersuchungstechniken für f r Lysimeter Non-invasive measurement techniques to charaterize water and solute fluxes in lysimeter vessels θ (cm³/cm³) GPR (ground penetrating radar) derived water content (Topp Equation), (Koestel et al. 2008)

40 Ausblick und Diskussion Schichtweise Entnahme von Lysimeterfüllböden Retrieval technology for the dissection of the lysimeter soil column into slices (LSR-technique) Schematicviewon thelsr Proto type of LSR Design of the LSR Test phase of LSR Application range: lysimeter sizes from 0.5 to 2 m 2 and up to 2 m deep; soil scilces from a few centimetres up to 1m

41 Ausblick und Diskussion Technologie zur schichtweisen Entnahme von Lysimeterfüllböden Function principle of the retrieving process (LSR-technique)

42 Ausblick und Diskussion Lysimeteranlagen in Deutschland Achim Uelzen 3 Cloppenburg Falkenberg Eberswalde Sehlde Reinhausen Jühnde Kassel Buttelstedt Rötha 27 Jülich Wielenbach Distribution of lysimeter facilities in Germany Legende 1. Anlage Kiel seit Anlage Groß Lüsewitz seit Anlage Dedelow seit Anlage LUFA Oldenburg seit Anlage Eberswalde seit Anlage Falkenberg seit Anlage TU Berlin-Dahlem seit Anlage Paulinenaue seit Anlage Hannover-Herrenhausen seit Anlage Colbitzer-Letzlinger Heide seit Anlage Colbitz seit Anlage Braunschweig-Völkenrode seit Anlage St.Arnold seit Anlage Bielefeld-Sennestadt seit Anlage Udem seit Anlage Göttingen-Drakenberg seit Anlage Halle/S. seit Anlage Leipzig-Möckern seit Anlage Niedernendig/Eifel seit Anlage Brandis seit Anlage Kassel seit Anlage Mönchen-Gladbach-Rheindahlen seit Anlage Schmallenberg seit Anlage Großobringen seit Anlage Monheim seit Anlage Sindorf seit Anlage Jülich seit 1983 und Anlage Rauischholzhausen seit Anlage Koblenz-Niederwerth seit Anlage Geisenheim seit Anlage Veitshöchheim seit Anlage Rinkenberger Hof seit Anlage Limburgerhof seit Anlage Heidelberg seit Anlage Büchig seit Anlage Karlsruhe seit Anlage Offenburg seit Anlage Ulm seit Anlage Freising seit Anlage Riedlingen seit Anlage Ravensburg seit Anlage Waldshut seit...

43 Ausblick und Diskussion Danke für die Aufmerksamkeit! weitere Rückfragen an: Hompage of the Austrian Lysimeter Study Group