Jens Hagenau

Einfluss der applizierten Wassermenge und der Applikationsrate auf die Auswaschung von Stoffen aus porösen Medien

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor agriculturarum (Dr. agr.) vorgelegt an der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 11.12.2006

Abstract
Mit verschiedenen Versuchen wird gezeigt, dass bei der Auswaschung von Stoffen aus porösen Medien (PM) die Konzentration im Sickerwasser und die ausgewaschene Fracht nicht nur von der applizierten Wassermenge, sondern auch von der Applikationsrate abhängt. Mit einer gegebenen Wassermenge wird bei niedrigen Raten mehr Stoff ausgewaschen als bei hohen. Bei gleicher Rate nimmt die Fracht mit der applizierten Wassermenge degressiv zu, da die Stoffkonzentration im Sickerwasser sinkt.
Es wird weiterhin ein mathematisches Modell hergeleitet, mit dem der Einfluss der applizierten Wassermenge und der Applikationsrate auf die Stoffauswaschung modelliert werden kann. Damit können die o. g. Versuchsergebnisse erklärt sowie grundsätzliche Betrachtungen zum Stofftransport, z. B. zu effektiven Auswaschungsstrategien, angestellt werden.
Das Modell basiert auf der Berechnung der Wasserdurchflussrate durch eine Pore mit der Hagen-Poiseuille-Gleichung und deren Verknüpfung mit der Verteilung der Porengrößen in einem PM, die mit Hilfe der kapillaren Aufstiegsgleichung aus der Wasserspannungskurve für das PM abgeleitet werden kann.

It is shown with various experiments that when leaching solutes out of a porous medium (PM) their concentration in the leachate not only depends on the amount of water applied, but also on the rate of water application. With a given amount of water more solutes can be leached with a low application rate than with a high one. At the same application rate the solute load increases with the amount of water applied, but at a declining rate, because the solute concentration in the leachate decreases.
Furthermore, a mathematical model is derived, which can describe the influence of the amount of water applied and its application rate on solute leaching. It is able to explain the experimental results mentioned above and can be applied to address solute transport problems in general, e. g. to find the most effective leaching strategy for a particular situation.
The model is based on the calculation of water flow through a pore with the Hagen-Poiseuille-equation and its combination with the pore size distribution of the PM under study. With the help of the capillary rise equation the latter can be derived from the PMs moisture retention curve.

Keywords:
Stoffverlagerung, Auslaugung, Grundwasserkontamination, Hausmüll, Kompost, chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), Hydrophobie, Porengrößenverteilung, Ausgangskonzentration, Dispersivität

solute transport, leaching, groundwater contamination, household waste, compost, chemical oxygen demand (COD), hydrophobia, pore size distribution, initial concentration, dispersivity

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Zusammenfassung, Summary, Verzeichnis der Variablen (I-XIX)
I. Einleitung (1-13)
II. Einfluss der applizierten Wassermenge und Applikationsrate auf die Stoffauswaschung aus porösen Medien (14-29)
III. Mathematische Beschreibung der Stoffauswaschung aus porösen Medien in Abhängigkeit von der applizierten Wassermenge und der Applikationsrate (30-47)
IV. Simulation der Auswaschung von organischen Verbindungen, Chlorid und Zink aus Deponiekörpern in Abhängigkeit von der Niederschlagsrate (48-69)
V. Hydrophobie bei der Auswaschung von organischen Verbindungen aus simulierten Deponiekörpern (70-85)
VI. Ermittlung eines Dispersivitätsfaktors beim Chloridtransport - Abhängigkeit von Substrat, Länge der durchströmten Schicht und mittlerer Fließgeschwindigkeit (86-101)
VII. Eine verbesserte mathematische Beschreibung der Stoffauswaschung aus porösen Medien in Abhängigkeit von der applizierten Wassermenge und der Applikationsrate (102-122)
VIII. Test eines verbesserten Modells zur Beschreibung der Stoffauswaschung aus porösen Medien in Abhängigkeit von der applizierten Wassermenge und der Applikationsrate (123-149)
IX. Abschlussdiskussion (150-155)
X. Literaturverzeichnis (156-159)
Anhang (160-191)
Veröffentlichungen