Influence of soil structure and root water uptake on flow in the unsaturated zone

Abstract

The unsaturated zone is the part of the soil between the aquifer and the atmosphere. Unsaturated flow processes are highly dynamic and control e.g. the growth of plants or groundwater recharge. Environmental problems such as the agricultural use of arid regions and groundwater contamination call for sustainable solutions, which can only be achieved with model predictions. To improve the quality of models, a sound understanding of unsaturated flow processes and the used model approaches is necessary. The present work is intended to contribute to the understanding of modeling unsaturated flow with focus on the influence of water extraction by plant roots (root water uptake) and soil structure.

The model for root water uptake, in the following called standard or basic approach, is determined by the atmospheric demand, the distribution of roots in the soil and the soil water status. Soil properties are described by autocorrelated random fields with layered structure (1D) and multi-Gaussian or non multi-Gaussian distribution (2D). For steady state flow in layered media, a semi-analytical first-order second-moment solution for mean and variance of pressure head is presented. Flow in 2D heterogeneous media is analyzed using numerical simulations where steady state and dynamic scenarios with one or several drying-rewetting phases are carried out.

The results show that only under very wet conditions, the mean pressure head in the differently structured fields is well predicted by the analytical solutions while variances of pressure head are overestimated if the variance of the loghydraulic conductivity is large. Under drier conditions, root water uptake and soil structure have combined effects on unsaturated flow, which are not observed if one of these two factors is neglected, and which cannot be predicted by first-order second-moment effective models. In particular, distinct regions with pressure head values at the wilting point, where root water uptake is zero (local wilting), occur in lenses of coarse material. Furthermore, root water uptake affects the variance of pressure head and saturation during drying and rewetting phases in comparison to an equally dry state where root water uptake is not accounted for. Other effects introduced by root water uptake arise from a decreasing local net infiltration rate with depth, caused by the continuous extraction of water by roots within the root-zone. With decreasing local net infiltration rate, which leads to drier states, the impact of soil structure increases. For water flow, this leads e.g. to a depth dependency of the width of the infiltration front during rewetting. For solute transport, earlier arrival, smaller tailing and less impact of the considered structures of soil properties are observed due to root water uptake, when scenarios with and without root water uptake, which have the same groundwater recharge rate, are compared.

To test modeling approaches for root water uptake, alternative uptake strategies that allow for compensation of stressed (uptake-reduced) locations by enhanced uptake at other, more favorable locations are considered. These strategies affect the distribution of pressure head and saturation, leading to smaller variances in the root-zone and attenuated local wilting, but do not prevent local wilting.

The difficulty to evaluate the effect of local wilting as realistic physical phenomenon or unrealistic model artifact, the fact that the trend of the impact of root water uptake on the variability of flow depends on the uptake strategy and the lack of knowledge of how roots really extract water in heterogeneous soils emphasize the need for a deeper understanding of root functioning at smaller scales before macroscopic models for root water uptake can be used for reliable predictions of flow in heterogeneous media.

Die ungesättigte Zone ist der Bereich des Bodens zwischen Grundwasserleiter und Atmosphäre. Strömungsprozesse in der ungesättigten Zone spielen u.a. eine tragende Rolle für das Wachstum von Pflanzen, die Grundwasserneubildung oder den Eintrag von Wasser in die Atmosphäre. Nachhaltige Lösungsstrategien für umweltpolitische Fragestellungen wie z.B. die agrikulturelle Nutzung von ariden Gebieten oder die Verschmutzung von Grundwasserressourcen werden mit Hilfe von Modellvorhersagen entwickelt. Um die Genauigkeit der Vorhersagen zu verbessern, ist ein fundiertes Verständnis von Strömungsprozessen in der ungesättigten Zone und der verwendeten Modelle notwendig. Die vorliegende Arbeit soll zur Verbesserung dieses Verständnisses beitragen. Im folgenden wird die Modellierung von Strömungs- und Transportprozessen in der ungesättigten Zone behandelt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Zusammenwirken des Einflusses der Wasseraufnahme von Wurzeln und der Bodenstruktur.

Für die Modellierung der Wasseraufnahme von Wurzeln werden vereinfachte, makroskalige Modelle verwendet. Die Wasseraufnamerate ist, im hier als Standard-Modell' bezeichneten Ansatz, vom atmosphärischen Bedarf, der Verteilung von Wurzeln und dem vorhandenen Wasser im Boden bestimmt. Die Bodenparameter werden durch autokorrelierte Zufallsfelder mit geschichteter Struktur (1D-Felder) und multi-Gaußschen oder nicht-multi-Gaußschen 2D-Feldern beschrieben. Für die Strömung in geschichteten Medien werden semi-analytische (first-order second-moment) Lösungen vorgestellt. Die Strömung in 2D heterogenen Strukturen wird mittels numerischer Simulationen untersucht, wobei sowohl stationäre Randbedingungen als auch zeitlich veränderliche Randbedingungen mit einem oder mehreren Trocknungs-Bewässerungszyklen angelegt werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Mittelwert des Drucks in den unterschiedlichen Strukturen, mit den gewählten Parametern, nur unter sehr nassen Bedingungen gut von den analytischen Lösungen wiedergegeben wird. Die Varianz des Drucks wird hingegen überschätzt, sobald die Varianz der logarithmischen hydraulischen Leitfähigkeit zu groß wird. Unter trockeneren Bedingungen nehmen Wasseraufnahme von Wurzeln und Bodenstruktur gemeinsam Einfluss auf Strömungsprozesse in der ungesättigten Zone, was zu Effekten führt, die unter Vernachlässigung einer der beiden Faktoren nicht beobachtet werden und die von effektiven Modellen, welche auf first-order second-moment Lösungen beruhen, nicht vorhergesagt werden. Ein Beispiel dafür ist das Auftreten von extrem trockenen Stellen in aus grobem Material bestehenden Linsen, an denen der Wasserdruck Werte am Welkpunkt erreicht und die Wasseraufnahme von Wurzeln null ist (lokales Welken). Desweiteren beeinflusst die Wasseraufname von Wurzeln, im Vergleich zu gleich trockenen Zuständen bei denen Wurzelaufnahme nicht berücksichtigt wird, die Varianz von Druck und Sättigung während Trocknungs- und Bewässerungsphasen. Weitere Effekte, die unter Miteinbeziehung der Wasseraufnahme von Wurzeln beobachtet werden, entstehen hauptsächlich aufgrund der kontinuierlichen Entnahme von Bodenwasser durch Wurzeln, was zu einer abnehmenden lokalen Netto-Infiltrationsrate mit steigender Tiefe führt, wodurch die Struktur mit steigender Tiefe an Einfluss gewinnt. Dies bewirkt eine Tiefenabhängigkeit der Breite der Infiltrationsfront während der Bewässerung und beeinflusst den Transport von Schadstoff. Unter Berücksichtigung von Wasserwurzelaufnahme werden, im Vergleich zu Szenarien bei denen die Wasseraufnahme von Wurzeln vernachlässigt wird und die die gleiche Grundwasserneubildungsrate aufweisen, frühere Ankunftszeiten des Schadstoffes, weniger ausgeprägtes Tailing und eine geringere Beeinflussung durch die berücksichtigten Bodenstrukturen beobachtet.

Um verschiedene Modellansätze für Wasserwurzelaufnahme zu testen, werden alternative Modelle betrachtet, die eine reduzierte Aufnahme an gestressten Stellen durch erhöhte Aufnahme an günstigeren Stellen kompensieren können. Diese Strategien führen zu einer geringeren Varianz der Druck- und Sättigungsverteilung innerhalb der Wurzelzone. Das Auftreten der trockenen Stellen wird, im Vergleich zum Standard-Modell, mit diesen Strategien abgeschwächt, jedoch nicht grundsätzlich verhindert.

Die Schwierigkeit, das Auftreten lokal verwelkter Stellen als realistisch oder unrealistisch einordnen zu können, die Tatsache dass der Einfluss von Wurzeln auf die Variabilität von Druck und Sättigung von der Aufnahmestrategie abhängt und die vorherrschende Wissenslücke, tatsächliche Entwicklungs- und Aufnahmemechanismen von Wurzeln in heterogenen Böden betreffend, verdeutlichen die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses für die Funktionsweise von Wurzeln auf kleinen Skalen bevor makroskalige Modelle für die Wasseraufnahme von Wurzeln für verlässliche Vorhersagen von Strömungsprozessen in heterogenen Böden verwendet werden können.