Quantification of soil structural heterogeneity and its impact on flow and transport

Abstract

Fluss und Transport in natürlichen porösen Medien werden durch die Strukturheterogenität des Untergrunds bestimmt. Konnektivität ist ein wichtiger Aspekt jener Strukturheterogenität, der richtig erfasst werden muss, um Modelvorhersagen zu verschiedenen physikalischen Prozessen zu ermöglichen oder zu verbessern. Die vorliegende Arbeit präsentiert neue Erkenntnisse über die quantitative Beschreibbarkeit von Strukturkonnektivität und die komplexe Beziehung zwischen struktureller und funktionaler Konnektivität in Bezug auf die Hydrologie der ungesättigten Zone. Funktionale Konnektivität beschreibt dabei das effektive hydraulische Verhalten in Bezug auf stationären Fluss, Stofftransport und hydraulisches Ungleichgewicht. Numerische Simulationen zeigen, dass eine gute Reproduktion von Strukturkonnektivität auch zu einer guten Reproduktionen funktionaler Konnektivität führt. Strukturkonnektivität beeinflusst jedoch effektiven Fluss, Transport und hydraulisches Ungleichgewicht auf unterschiedliche Weise. Funktionale Konnektivität muss daher als ein prozess- und zustandsabhängiges Konzept aufgefasst werden.

Flow and transport in the subsurface are determined by the structural heterogeneity of natural porous media. Connectivity is known to be an important facet of structural heterogeneity that has to be captured adequately in order to facilitate or improve model predictions on diverse physical processes in porous formations. This thesis presents some novel insights into the approaches to quantify structural connectivity and the complex relationship between structural and functional connectivity in the realm of vadose zone hydrology. Functional connectivity is expressed as effective hydraulic behavior with respect to stationary flow, solute transport and hydraulic non-equilibrium during infiltration. Numerical simulations demonstrate that a good reproduction of structural connectivity also entails a good reproduction of functional connectivity metrics. However, structural connectivity affect upscaled flow, transport and hydraulic non-equilibrium behavior differently. Thus, functional connectivity has to be considered as a process and state-dependent concept.