Horst H. Gerke

Evaluation of the arya-paris model for estimating water retention characteristics of lignitic mine soils

Mine soil materials may be viewed as man-made systems that consist of spatially disordered soil and sediment components, which are in an initial stage of soil development. A question is whether methods and approaches developed for natural soils may also be used for such artificially created soil materials. The applicability of the Arya and Paris pedotransfer function to obtain hydraulic properties from the particle size distribution and bulk density was tested for lignitic mine soil material of the Lusatian Lignite Mining District in eastern Germany. The scaling factor α in this model was evaluated by (i) fitting of the water retention curves estimated with the Arya-Paris model (APM) to measured water retention data and (ii) interpretation of α as a fractal dimension of the pore channels and derivation of this fractal dimension from the fractal dimension of the particle size distribution. The two tested fractal approaches resulted in relatively inaccurate predictions of the water content. The use of a single fitted α value for each depth yielded α values between 1.05 and 1.47. Because of the inability of the APM to account for residual water contents in this sandy soil material, a correction was applied. The cumulative mass fraction fractal method did not improve the estimation in comparison with the retention curves calculated with a constant α value of 1.38. The closest fits with the data were obtained by using a variable α value that depended on the particle size. The accuracy of the predictions of the APM in the higher suction range could be improved (lower mean deviations and root mean square deviations of water content) by using a linear water content-dependent correction factor. Better estimates of water retention in the relatively dry range may be significant for simulation of water budgets of mine spoil sites in the Lusatian Mining District.

3D-Wurzelverteilung Sechzehnjähriger Schwarzkiefern in einem Kippenboden im Vergleich mit markierten Fließwegen

Preferential flow may possibly affect the water and solute budgets of afforested mine soils ecosystems. Root channels of trees can form preferential flow paths. The 3D-spatial distribution of root biomass of a Pinus nigra stand was investigated and compared with the distribution of preferential flow paths, visualized by staining patterns of a dye tracer. The experiment was carried out on a lignitic reclaimed spoil in the Lusatian mining district afforested with a 16-years old stand of Pinus nigra. An area of 250 × 125 cm was sampled at a 25 × 25 cm grid in 10 cm depth increments down to 150 cm soil depth using a 636 cm3 steel cylinder. All the roots, irrespective of vitality, were separated from the soil and subdivided into five diameter classes. The 1D vertical distribution of the dry total root biomass of the soil block showed a maximum of about 1200 g/m3 in the upper 40 cm, which corresponds to the depth of the flue-ash amelioration horizon. Only at isolated spots, roots could be found down to 80 cm soil depth. Highest root biomass was generally in the diameter class > 1 mm. The small-scale heterogeneity of root biomass did not directly correspond with the tree stem locations. For this experiment, a correlation between the distribution of root biomass and the location of flow paths could not be found by visual inspection. The location and formation of preferential flow paths may additionally be affected by other parameters, such as soil water repellency or coal fragments.

Beschreibung von Transport- und Umwandlungsvorgängen in der wasserungesättigten Zone heterogener Braunkohletagebau-Abraumkippen der Lausitz (Teilprojekt 15)

In diesem Projekt sollte untersucht werden, wie sich die Wasserbewegung und die Verlagerung geloster Stoffe sowie Umwandlungsvorgange in heterogenen Kippenmassiven des Lausitzer Reviers modellhaft beschreiben lassen. Mit numerischen 2D-Simulationen wurde die Abhangigkeit der raumlichen Verteilung der Fliesbahnen und Konzentrationen geloster Stoffe von derjenigen der hydraulischen und geochemischen Eigenschaften typischer Forderbruckenkippen bei stationaren Flussraten analysiert. Raumliche Verteilungen physikalischer Eigenschaften wurden unter Berucksichtigung der Geologie an der Abbauseite, des Verkippungsvorgangs und der Schuttstrukturen generiert. Verdichtungen im Aufprallbereich des Sedimentstromes und Entmischungsvorgange an den Flanken wurden in Abhangigkeit der Fallhohe und des Ungleichformigkeitsgrades beschrieben. Die hydraulischen Parameter wurden mittels Pedotransferfunktionen geschatzt. Georadarmessungen von der Kippe Schlabendorf-Nord liesen Verteilungsmuster erkennen, die im Vergleich zu diesem geo-technologisch generierten 2D-Querschnitt Kipprippen mit vergleichbaren Abstanden aber unterschiedlichem Einfallswinkel andeuteten. Beim simulierten Transport eines konservativen Tracers im heterogenen Kippenmassiv zeigten sich mehrmodale Durchbruchskurven mit z. T. schnellerer Verlagerung im Unterschied zu einem geostatistisch generierten und einem homogenen 2D-Querschnitt. Bei der Modellierung des reaktiven Multikomponenten-Stofftransports wurden die Verteilungen hydraulischer und geochemischer Parameter allein geostatistisch generiert und die Kinetik der oxidativen Pyritverwitterung mit dem „shrinking-core“ Ansatz beschrieben. Die raumliche Variabilitat geochemischer Eigenschaften im heterogenen Fliesfeld fuhrte zu einer Spreizung der Konzentrationsfronten mit fruherem und langerem Austrag, wobei langfristig die Mineralverteilung uber die Losungs- und Fallungsreaktionen den zeitlichen Verlauf der Auswaschung geloster Stoffe beeinflusst.