<p><font face="Helvetica"> <p align="left">The objectives of this study were:&nbsp / To review and understand flow and transport processes in unsaturated zones. In this study, particular emphasis is placed on understanding mechanisms that cause non-uniform (preferential) flow for two casestudies, namely the Cape Flats sandy environment and the Mpumalanga Highveld fractured rock environment.&nbsp / To evaluate the adequacy of models, in particular MACRO 5.0, in simulating flow and transport in the vadose zone, by making use of two case study sites (Cape Flats and Mpumalanga Highveld). Of particular importance is the evaluation of transfer coefficients to represent fluid and solute exchange between macropores and matrix.&nbsp / To run a sensitivity analysis with MACRO 5.0 in order determine which input model parameters are the most relevant in describing the effects of preferential flow in water and solute transport.</p> </font></p>

Chemical dynamics in the vadose zone are poorly understood due to the transient nature of chemical and hydrologic conditions, but are nonetheless critical to understanding contaminant fate and transport. This work explored the effects of soil structure (i.e. layers, lenses) on linked geochemical, hydrological, and microbiological processes under changing hydrologic conditions (e.g. rainfall, introduction of groundwater, and fluctuating water table heights). A homogenized medium-grained sand, homogenized organic-rich loam and a sand-over-loam layered column were constructed for the first series of experiments. The second series of experiments employed two soil columns with lenses that were packed identically with sterilized and untreated sediments. Each consisted of two lenses of organic-rich loam in a medium-grained sand matrix. Lenses were located at different vertical depths and were horizontally offset. In-situ collocated probes collected soil hydrologic and chemical data. In the layered column, enhanced biogeochemical cycling was observed over the texturally homogeneous soil columns. Enumerations of Fe(III) and SO42- reducing microorganisms also show 1-2 orders of magnitude greater community numbers in the layered column. The greatest concentrations of aqueous FeS clusters (FeSaq) were observed in close proximity to the soil interface. To our knowledge, this was the first documentation of FeSaq in partially saturated sediments. Mineral and soil aggregate composite layers were also most abundant near the soil layer interface; the presence of which, likely contributed to an order of magnitude decrease of hydraulic conductivity. In the live lens column, Fe-oxide bands formed at the fringes of the lenses that retarded water flow rates by an order of magnitude compared to the sterilized column. Microbial activity also produced insoluble gases and that led to the creation of a separate gas phase that reduced hydraulic conductivity. This limited the interaction between groundwater with soil-pore waters that led to the formation of geochemically distinct water masses in relatively close proximity to one another. No such changes were observed in the sterilized column. When compared to homogenous columns, the presence of soil heterogeneities altered biogeochemical and hydrologic processes considerably which highlights the need to consider soil heterogeneity in contaminant fate and transport models. These findings suggest that quantifying coupled hydrologic-biogeochemical processes occurring at small scale soil interfaces is critical to accurately describing and predicting chemical changes at the larger system scale.

<p><font face="Helvetica"> <p align="left">The objectives of this study were:&nbsp / To review and understand flow and transport processes in unsaturated zones. In this study, particular emphasis is placed on understanding mechanisms that cause non-uniform (preferential) flow for two casestudies, namely the Cape Flats sandy environment and the Mpumalanga Highveld fractured rock environment.&nbsp / To evaluate the adequacy of models, in particular MACRO 5.0, in simulating flow and transport in the vadose zone, by making use of two case study sites (Cape Flats and Mpumalanga Highveld). Of particular importance is the evaluation of transfer coefficients to represent fluid and solute exchange between macropores and matrix.&nbsp / To run a sensitivity analysis with MACRO 5.0 in order determine which input model parameters are the most relevant in describing the effects of preferential flow in water and solute transport.</p> </font></p>

Die Modellierung von komplexen Systemen, wie dem Untergrund, ist ein Hilfsmittel zur Beschreibung der in der Realität ablaufenden Prozesse. Die Durchführung von Experimenten an einem Modell, um qualitative Aussagen über ein reales System zu erhalten, wird als Simulation bezeichnet. Dabei können vielfältige Modelle, wie z.B. physikalische und mathematische, zum Einsatz kommen. Die ungesättigte Bodenzone (vadose Zone) bezeichnet den Bereich zwischen der Landoberfläche und dem Grundwasserspiegel, innerhalb dessen der Wassergehalt geringer als bei Vollsättigung, und der Druck geringer als der Atmosphärendruck ist. Dieser Bodenbereich hat für die Landwirtschaft, Geobiologie, aerobe Abbauprozesse und Grundwasserneubildung eine große Bedeutung. Für die Nachbildung von Strömungs- und Stofftransportprozessen der ungesättigten Bodenzone existieren numerische Simulationsprogramme. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfangreiche Validierung des Programms PCSiWaPro® (entwickelt an der TU-Dresden, Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten) für unterschiedliche Anwendungsfälle. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung der Anwendbarkeit des aktuellen Stands des Simulationsprogramms PCSiWaPro® auf unterschiedliche Praxisfälle bei Kombination der ungesättigten Bodenzone mit technischen Anlagen. Vier Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Zielen wurden dafür im Rahmen dieser Arbeit untersucht: die Simulation von dezentraler Abwasserversickerung (Kleinkläranlage - KKA) anhand entsprechender Säulen- und Feldversuche, die Berechnung der Grundwasserneubildung am Beispiel von Lysimetern, der Wasserhaushalt von Erddämmen und die Modellierung von Deponieabdeckungssystemen. Die Anwendungsfälle unterscheiden sich durch den Zweck der Simulation, die Geometrie, die Größe, die festgelegten Anfangs- und Randbedingungen, die Simulationszeit, die Materialien, das Koordinatensystem sowie die Ein- und Ausgabewerte. Die Simulationsergebnisse konnten eindeutig zeigen, dass das Programm PCSiWaPro® für alle im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Fälle, mit unterschiedlichen Strömungsregimen, Stofftransport-Parametern, Randbedingungen, Koordinatensystemen sowie Raum- und Zeitdiskretisierungen anwendbar ist. Die Simulationsergebnisse der Säulenversuche am Beispiel dezentraler Abwasserversickerung zeigten eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und mittels PCSiWa-Pro® berechneten Werten des Wasser- und Stoffhaushaltes (Druckhöhe, Abfluss und Stoff-konzentration) der untersuchten Bodentypen B3 (schwachschluffiger Sand), B4 (Grobsand) und B5 (mittelschluffiger Sand). Die Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers (RMSE) betrug für die Berechnung der Druckhöhe 1,84 cm bei B5, 3,61 cm bei B3 und 1,27 cm bei B4. Die relative Abweichung betrug für die Berechnung der Druckhöhe 2,19 % bei B5, 1,3 % bei B3 und ca. 5,3 % bei B4. Die Durchführung der Sensitivitätsanalyse der für die Modellierung relevanten Parameter zeigte eine sehr hohe Sensitivität der VAN GENUCHTEN-Parameter und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens. Darüber hinaus führten die Parameter nach DIN 4220 und die mithilfe von Pedotransferfunktionen aus Siebanalysen genommenen Parameter zu unterschiedlichen Ergebnissen. Im Rahmen des am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten durchgeführten Projektes EGSIM wurden die Programme SENSIT und ISSOP (in Zusammenarbeit mit DUALIS GmbH IT Solution) entwickelt und zur Parameteridentifikation/-kalibrierung benutzt. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse konnten nachweisen, unter welchen Bedingungen eine Nachklärung des vollbiologisch gereinigten Abwassers innerhalb der Bodenzone möglich ist, so dass am Ort der Beurteilung (Grundwasseroberfläche) kein unzulässiger Schadstoffeintrag erfolgt. In Bezug auf die KKA-Feldmodelle ist die Anwendung des rotationssymmetrischen Koordinatensystems als Voraussetzung der Realität besser zu entsprechen und nicht als Option zu betrachten. Darüber hinaus wurden anhand der Feldmodelle verschiedene Szenarien mit kontinuierlicher und diskontinuierlicher Versickerung sowie zwei unterschiedlich großen Einleitflächen durchgeführt. Das Programm PCSiWaPro® ist sowohl für ungesättigte als auch für variabel-gesättigte porösen Medien anwendbar. Dies wurde im Rahmen der Simulation des Wasserhaushaltes eines Erddamms nachgewiesen. Die durchschnittliche relative Abweichung zwischen gemessenen und mittels PCSiWaPro® berechneten Wasserständen des entsprechenden Beobachtungspunkts im untersuchten Dammkörper lag bei 0,08 % (entspricht 5,8 cm bei einer Müchtigkeit von ca. 70 m) und das Bestimmtheitsmaß (R2) betrug 0,987. Die Simulation des Wasserhaushaltes unterschiedlicher Deponieabdichtungssystemen mittels PCSiWaPro® zeigte im Allgemeinen ein funktionierendes Ableiten des auf Deponien anfallenden Regenwassers (auch bei Starkregenereignissen). Darüber hinaus haben die durchgeführten Bewuchs-Modelle nachweisen können, dass die Vegetation der Deponieoberflächen den Wassergehalt, durch Pflanzenwurzelentzug bzw. Evapotranspiration, reduzieren können. Die Simulationsergebnisse der durchgeführten Szenarien des Wasserhaushaltes von Lysimetern zur prognostischen Berechnung der Grundwasserneubildung mittels PCSiWaPro® konnten nachweisen, dass das Programm für die Berechnung der Grundwasserneubildungsrate für diesen Zweck anwendbar ist. Die relativen Abweichungen der be-rechneten von den gemessenen Grundwasserneubildungsraten sind auf die verwendeten Materialparameter sowie auf Vernachlässigung der möglicherweise in Lysimetern sich befin-denden Makroporen (duale Porosität) zurückzuführen. / The modelling of complex systems such as the underground is a means to describe the processes occurring in the reality. The conducting of experiments on a model to obtain qualitative evidence about a real system is referred to as a simulation. Thereby, various models (e.g. physical and mathematical models) can be used. The unsaturated zone (vadose zone) is the region between the land surface and the water table, in which the water content is less than full saturation, and the pressure is lower than the atmospheric pressure. The unsaturated zone is very significant for agriculture, geobiology, aerobic degradation processes and groundwater recharge. The processes of water flow and solute transport in the unsaturated zone can be described by means of numerical simulation programs. The aim of the present work is a comprehensive validation of the simulation program PCSiWaPro® (developed at the TU-Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment) for different applications. Another aim of this work is to investigate the applicability of the current version of PCSiWaPro® for different cases of a combination between the unsaturated zone and technical facilities. Four application cases with different objectives were investigated within the present work, which are: the simulation of decentralized wastewater infiltration with corresponding column and field experiments, the computation of groundwater recharge by means of lysimeters, the water balance of earth dams and the modelling of landfill covering systems. The application cases differ from each other by the objective of the simulation, the geometry, the size, the specified initial and boundary conditions, the simulation time, the applied materials, the coordinate system, the input and output data. The simulation results clearly showed that PCSiWaPro® is applicable for all investigated cases under consideration of different flow and solute transport regimes, parameters, boundary conditions, spatial and temporal discretization, and coordinate systems. The simulation results of the experimental soil columns for the decentralized treated wastewater infiltration case showed a very good agreement between measured and computed values of water and solute balance (pressure head, flow and solute concentration) of the investigated soil types B3 (slightly silty sand), B4 (coarse sand / gravel) and B5 (medium silty sand). The root of the mean squared error (RMSE) for the computation of the pressure head was 1,84 cm at B5, 3,61 cm at B3 and 1,27 cm at B4. The relative deviation in case of pressure head computation was 2,19 % at B5, 1,3 % at B3 and 5,3 % at B4. The implementation of the sensitivity analysis of the relevant parameters for the modelling showed a very high sensitivity of the VAN GENUCHTEN parameters and the saturated hydraulic conductivity of the soil. Moreover, the parameters according to DIN 4220 led to different results than the estimated ones according to pedotransfer methods based on sieve analysis. Within the project EGSIM, which was carried out at the Institute for waste management and contaminated sites treatment in collaboration with DUALIS GmbH IT Solution, the programs SENSIT and ISSOP were developed and used for parameter identification/ calibration. The results obtained in this Work showed under which conditions is a secondary treatment of full biologically treated wastewater in the soil possible, so that no unallowable pollutants entry in the groundwater occurs. With regard to the field models of this application the implementation of the rotationally symmetric coordinate system should be considered as a condition and not as an option for a better corresponding to the reality. Furthermore, different scenarios of the field models were carried out with continuous and discontinuous infiltration, as well as under different initiation areas. PCSiWaPro® could be applied for both unsaturated and variably-saturated porous media. This could be proven by the simulation of the water balance in an earth dam. The average relative deviation between measured and simulated water levels of the corresponding observation point in the investigated dam embankment was 0,08 % (corresponding to 5,8 cm at 70 m thickness) and the coefficient of determination (R2) was 0,987. In general, the simulation of the water balance using PCSiWaPro® of different landfill covering systems showed a successful draining of the falling rainwater (even under heavy rainfall). In addition, the implemented vegetation models have proven that the vegetation of the landfill surface can reduce the water content in the landfill by evapotranspiration and water uptake by roots. The water balance simulation results of the scenarios for the computation of groundwater recharge by means of lysimeters showed that the program is applicable for this case. The relative deviation of the simulated from the measured groundwater recharge rates occur due to the implemented material parameters as well as to the neglect of macro pores effects (dual porosity).

>Magister Scientiae - MSc / Understanding fluid flow and solute transport within the vadose (unsaturated) zone is an essential prerequisite for protection of groundwater from contaminant sources occurring overland. Preferential flow paths in the vadose zone pose a significant problem because they are potential avenues for rapid transport of chemicals from contamination sources to the water table. The objectives of this study were: i) To review and understand flow and transport processes in unsaturated zones. In this study, particular emphasis is placed on understanding mechanisms that cause non-uniform (preferential) flow for two case studies, namely the Cape Flats sandy environment and the Mpumalanga Highveld fractured rock environment. ii) To evaluate the adequacy of models, in particular MACRO 5.0, in simulating flow and transport in the vadose zone, by making use of two case study sites (Cape Flats and Mpumalanga Highveld). Of particular importance is the evaluation of transfer coefficients to represent fluid and solute exchange between macropores and matrix. iii) To run a sensitivity analysis with MACRO 5.0 in order determine which input model parameters are the most relevant in describing the effects of preferential flow in water and solute transport. Two case studies were investigated, the first at a landfill site overlying sandy unconfined aquifer (Coastal Park, Cape Town), and the second at an industrial site overlying cracking clayey soil and fractured rocks (Mpumalanga Highveld - Secunda, Mpumalanga Province). For the Coastal Park site, simulations of soil water content and leaching of a generic mobile contaminant were compared to monitored soil water contents and chloride concentrations in groundwater. For the Mpumalanga Highveld site, simulations of soil water content and concentrations of boron and fluoride originating from effluent irrigation were compared to soil profile measurements. In both cases, the MACRO 5.0 model predictions agreed with measurements well, provided appropriate input calibration data were used. The sensitivity analysis indicated that soil water properties related to preferential flow (hydraulic conductivity at the boundary between macropores and matrix, soil water content and tension, and diffusion) have influence on simulation results. Similarly, the solute balance is mostly influenced by degradation rate coefficients (both in solid and liquid phases), sorption distribution coefficients and solute concentrations.

This thesis estimates the spatial extent of chlorinated solvent contamination of the soil at the Naval Air Station, Dallas, then estimates the fate and transport of these contaminants, over time, using the Soil Transport and Fate database and the Vadose-Zone Interactive Processes (VIP) modeling software. Geostatistical analysis identifies two areas with serious chlorinated solvent contamination. Fate and transport modeling estimates that this contamination will degrade and disperse from the soil phase to below regulatory limits within one year, although there is a risk of groundwater contamination. Contaminants are estimated to persist in the water and air phases of the soil. Further sampling is recommended to confirm the results of this study.

La forte croissance démographique (~3%.an-1) observée au cours des dernières décennies en Afrique subsaharienne a engendré la conversion de grandes étendues de savane arborée en cultures pluviales ou irriguées et la diminution de la durée des jachères. Afin de déterminer l'impact de tels changements d'usage du sol sur la recharge des nappes phréatiques, la zone non saturée a été investiguée pendant trois ans (2009-2011) pour deux régions du Niger (sud-ouest et sud-est) aux conditions climatiques et géomorphologiques différentes.Une approche expérimentale in-situ a tout d'abord permis de caractériser qualitativement les propriétés de la zone non saturée et les flux hydriques associés (profondeur 0-10 m) pour les principaux usages du sol : savane naturelle ; jachère ; culture pluviale de mil ; et culture irriguée de poivron. Des profils granulométriques et de résistivité électrique apparente ont été réalisés et des suivis temporels de la teneur en eau et du potentiel matriciel du sol ont été mis en place. A partir des résultats et de la synthèse des données ainsi recueillies, deux analyses détaillées ont été proposées.Afin de quantifier le différentiel de recharge diffuse entre une jachère à Guiera senegalensis et une culture pluviale de mil (Pennisetum sp.) au sud-ouest Niger, une modélisation à base physique via le code Hydrus-1D a été appliquée. Dans un premier temps, une inversion basée sur la méthode GLUE a permis d'établir les densités de probabilité pour les paramètres hydrodynamiques de la zone non saturée ; dans un second temps, des simulations pluriannuelles (2 × 100 ans) du drainage profond (0-10 m) lors d'une transition jachère-mil ont été réalisées. Il a ainsi été montré que l'expansion des surfaces cultivées en mil pourrait se traduire par une augmentation du drainage profond, de 20 à 25 mm.an-1 après un délai de 35 à 60 ans.Afin d'étudier les conséquences des mises en culture pluviales et irriguées sur le potentiel de salinisation des sols et des eaux souterraines au sud-est Niger, les concentrations en ions majeurs dissous dans l'eau des pores de la zone non saturée ont été mesurées, puis comparées à la composition géochimique des apports d'eau associés (pluie, eau d'irrigation). Il a été ainsi mis en évidence que la mise en culture pluviale a un effet négligeable sur la qualité des eaux interstitielles et souterraines tandis que l'irrigation est associée à un enrichissement de l'eau de la zone non saturée en solutés qui pourrait induire, à terme, une salinisation de la nappe par lessivage des sols devenus salins/sodiques. / In semiarid sub-Saharan Africa, the rapid population growth (~3%.yr-1) during the past few decades has resulted in land clearing and large-scale conversion from savannah and fallow to rainfed or irrigation crop fields. The traditional duration of fallow has been also shortened. In order to estimate the impact of these land use changes on groundwater recharge, the vadose zone was investigated during three years (2009-2011) for two regions located in Niger (south-west and south-east).A qualitative analysis was first carried out for identifying vadose zone properties and for characterizing the corresponding water fluxes (0-10 m depth) for the main land use types: natural savannah; fallow; rainfed millet crop; and irrigated sweet pepper crop. Grain size and electrical resistivity profiles were established and soil water content and matric potential were monitored. Based on the results of this analysis, two more detailed investigations were performed.In southwestern Niger, in order to estimate changes in diffuse recharge from a fallow with Guiera senegalensis to a rainfed millet crop (Pennisetum sp.), a physically-based modeling with Hydrus-1D code was completed. Probability density functions were first built for the soil hydraulic parameters based on the GLUE approach; then, deep drainage (0-10 m depth) was simulated for a 2 × 100 year time-period including a fallow-millet conversion. It was shown that the increase in millet crop areas could result in an increase in deep drainage from 20 to 25 mm.yr-1 after a delay of 35 to 60 years.In southeastern Niger, in order to assess the impact of rainfed and irrigated cropping development on soil and groundwater salinization, major ion concentrations in pore water of the vadose zone were measured and compared with the geochemical composition of water inputs (rainfall, irrigation). It was shown that rainfed cropping does not affect soil water and groundwater quality whereas irrigation results in an increase of solutes concentrations in soil pore water, which could lead to a groundwater salinization at mid-term through soil leaching.

Des écoulements matriciels et des flux préférentiels peuvent se produire concurremment dans le même sol. Ces deux régimes d’écoulements se manifestent par des empreintes de flux caractéristiques qu’on peut visualiser par des essais de traçage. Afin d’extraire l’information quantitative des essais de traçage un grand nombre de méthodes existe. On peut, entre autre, décrire les empreintes de traceur par ce qu’on appelle la fonction de couverture, c’est à dire le pourcentage de région teintée par un traceur coloré en fonction de la profondeur du sol. En utilisant la statistique des valeurs extrêmes cette fonction peut être réinterprétée comme une fonction exprimant la probabilité de trouver le traceur à une profondeur donnée. Ainsi, la fonction de probabilité à deux paramètres 1 – H, H étant la distribution de Pareto généralisée, peut être ajustée. Le paramètre de forme de cette fonction est utilisé comme indice de risque de propagation verticale des solutés. Nous avons effectué des essais de traçage au Bleu Brillant FCF sur trois sites différents : dans une forêt d’épicéa dans le sud-est de l’Allemagne, dans une forêt tropicale humide montagnarde en Équateur et sur un champ agricole au sud de la France. Nous avons examiné la capacité de l’indice de risque à rassembler l’information principale des essais de traçage et à caractériser les empreintes de flux dans des sols différents, sous conditions aux limites diverses. Nos résultats indiquent que l’indice de risque est, dans une certaine mesure insensible aux changements des conditions aux limites (comme l’intensité d’irrigation). Par contre, l’humidité initiale du sol semble influencer cet indice de façon importante. L’ajustement des paramètres de la fonction Pareto généralisée s’avère difficile si la fonction de couverture fluctue ou ne décroît pas de manière monotone. Ceci peut être dû à la tortuosité des chemins d’écoulement, à la variation des mécanismes de flux ou aux changements de propriétés physiques du sol (stratification). Ainsi, dans des sols stratifiés nous avons restreint l’analyse à la partie inférieure du profil de sol. En effet, étant donné que la théorie de l’indice de risque est basée sur les valeurs extrêmes de propagation verticale de solutés c’est la partie inférieure qui est la plus intéressante. Nous proposons de combiner les deux paramètres de la fonction Pareto généralisée et d’utiliser la distribution 1 – H complète afin d’estimer le risque de propagation verticale des solutés dans le sol. Bien que l’indice de risque montre une certaine invariance vis-à-vis du changement des conditions aux limites il n’est pas un paramètre intrinsèque de sol. Comme le régime d’écoulement dans un même sol peut être dominé soit par le flux matriciel soit par le flux préférentiel le risque de propagation verticale des solutés change. Ceci est une réalité physique et non un défaut dans la théorie de l’indice de risque. Les paramètres de la fonction de Pareto généralisée capturent le régime d’écoulement dominant représenté par les empreintes du traceur. En prenant en compte les conditions aux limites de l’essai de traçage comme l’intensité d’irrigation, le traceur utilisé, l’humidité initiale du sol ou la nature de la végétation (pérenne ou saisonnière, type d’enracinement) il est ainsi possible de comparer des sites différents ou des résultats obtenus sur le même site sous conditions aux limites différentes et d’estimer le risque de propagation verticale de solutés. L’analyse d’image d’empreintes de flux basée sur le risque de propagation verticale de solutés a révélé l’existence d’écoulements préférentiels sur le site allemand. Afin de comprendre les mécanismes de flux ainsi que les impacts éventuels des flux préférentiels sur la chimie du sol nous avons analysé la texture du sol, la densité racinaire, la densité du sol, la concentration des cations échangeables, le pH, et les teneurs en C et N total dans les chemins préférentiels et la matrice du sol. Les résultats de la modélisation indiquent que sur ce site les racines constituent les chemins préférentiels et créent les écoulements le long des macropores, surtout dans la partie supérieure du sol. Dans la partie inférieure la densité racinaire diminue et l’infiltration hétérogène à partir des chemins préférentiels dans la matrice provoque un écoulement non-uniforme. Nous n’avons constaté aucune différence significative de texture, mais des différences de densité du sol dans les chemins préférentiels par rapport à celle de la matrice. Ceci est probablement dû à la quantité de matière organique plus élevée dans les chemins préférentiels. Nous avons également trouvé des pH plus acides, plus de Ca, plus de Mg, et plus de C et de N dans les chemins préférentiels. Comparé à la matrice, des quantités plus importantes d’Al et de Fe (mais de petites quantités absolues) ont été trouvés dans la partie inférieure du sol où l’écoulement préférentiel le long des macropores créés par les racines diminue et le flux matriciel hétérogène domine. Ces propriétés chimiques distinctes peuvent s’expliquer par l’activité racinaire et la translocation de solutés et du carbone organique dissous (COD) le long des chemins préférentiels. Le temps de contact entre le COD et le sol étant réduit il est transporté plus bas dans le profil où il peut potentiellement créer des complexes organo-minéraux. Ainsi, l’écoulement préférentiel est un mécanisme qui peut promouvoir la séquestration de C en sous-sol et n’influence pas uniquement son environnent immédiat, mais aussi les horizons sous-jacents. Un des acquis majeurs de cette thèse est le nombre important d’images d’empreintes de flux issues des sols différents. Dans les études qui suivront les méthodes récentes de réduction de dimensionnalité peuvent être employées afin de trouver d’éventuelles structures de basse dimensionnalité dans ces images / Matrix flow and preferential flow can occur concurrently in the same soil. Both flow regimes produce typical flow patterns that can be visualised in dye tracer experiments. To extract quantitative information from dye tracer studies a vast variability of approaches exists. One of them is to describe dye patterns by the so called dye coverage function, i.e. the percentage of stained area per soil depth. Based on extreme value statistics the dye coverage function can be reinterpreted as a probability function to find the tracer in a certain depth. Therefore, the two-parametric probability distribution 1 – H, H being the generalised Pareto distribution, can be fitted to the dye coverage function. The form parameter of this distribution serves as a risk index for vertical solute propagation. We did tracer experiments with Brilliant Blue FCF at three different study sites: in a Norway spruce forest in southeast Germany, in a tropical mountain rainforest in southern Ecuador and on an agricultural field in southern France. We tested the ability of the risk index to summarise main information obtained in dye tracer studies and characterise flow patterns in different soils under varying boundary conditions. Our results suggest that the risk index is to some degree invariant to changing experimental conditions (such as irrigation rate). The initial soil moisture, however, seems to have a large influence on the risk index. It is difficult to adjust the parameters of the generalised Pareto distribution when the dye coverage function fluctuates or does not decrease monotonically. This might be due to tortuosity of paths, varying flow mechanism or changing soil physical properties (stratification). Thus, in stratified soil, we restricted the analysis to the lowest part of the profile. Since the theory of the risk index is based on extreme values of vertical solute propagation it is the lowest part of the profile that is the most interesting. We propose to combine the two parameters of the generalized Pareto distribution and to use the complete distribution 1 - H to estimate the risk of vertical solute propagation in soils. Despite a certain resistance to changes of experimental conditions, the risk index is not an intrinsic soil parameter. Since the flow regime in the same soil can be dominated either by preferential flow or by uniform matrix flow, the risk of vertical solute propagation will change. It is a physical reality and not a default in the risk index theory. The adjusted parameters of the generalised Pareto distribution will capture the dominant flow regime as reflected by tracer flow patterns. Bearing in mind the boundary conditions of the tracer experiment like irrigation rate, the tracer employed, soil initial moisture or type of vegetation (permanent or seasonal, deep rooted or shallow rooted) it is possible to compare different study sites or to consider the same site at different boundary conditions and to access the risk of vertical solute propagation. Pattern analysis based on the risk index for vertical solute propagation revealed the occurrence of preferential flow at the German study site. To gain insight in flow mechanisms and possible impacts of preferential flow on soil chemistry we analysed soil texture, fine root density, soil bulk density, exchangeable cations, pH and total C and N contents in preferential flow paths and soil matrix. Results from linear mixed-effects models suggested that at this study site roots constituted main preferential flow paths and induced macropore flow, especially in the topsoil. In the subsoil root density decreased and inhomogeneous infiltration from preferential flow paths into the soil matrix caused non-uniform flow. There were no textural differences between the flow domains, but smaller bulk densities in preferential flow paths. This is probably due to a higher soil organic matter content in preferential flow paths. We found smaller pH values, more Ca, more Mg, more C and more N in preferential flow paths. Compared to the adjacent soil matrix, more Al and more Fe (but small absolute amounts) were found in the subsoil where macropore flow along root channels decreases and heterogeneous matrix flow dominates. These distinct chemical properties can be explained by root activity and translocation of solutes and DOC (dissolved organic carbon) via preferential flow paths. During transport along preferential flow paths contact time between DOC and soil is reduced so that DOC is transported to greater depth where it potentially forms organo-mineral associations. If this holds true, preferential flow is a mechanism that promotes C sequestration in subsoil and does not only influence its immediate environment around paths, but also underlying subsoil horizons. A major outcome of this thesis is the large number of images of flow patterns from different soils. Further studies could employ recent dimensionality reduction techniques to investigate whether there is a low dimensional structure underlying these images / Matrixfluss und präferentieller Fluss können in ein und demselben Boden gleichzeitig auftreten. Beide Fließregime erzeugen charakteristische Fließmuster, die in Versuchen mit Farbtracern sichtbar gemacht werden können. Es existiert eine Reihe von Methoden, um Tracerversuche quantitativ auszuwerten. Eine davon ist die Beschreibung der Fließmuster durch die so genannte Deckungsgradfunktion, den Anteil der gefärbten Fläche pro Tiefe. Die Methoden der Extremwertstatistik erlauben eine Neuinterpretation der Deckungsgradfunktion als eine Wahrscheinlichkeitsfunktion, den Tracer in einer bestimmten Tiefe anzutreffen. Demzufolge kann die zweiparametrige Wahrscheinlichkeitsfunktion 1 – H (H: verallgemeinerte Paretoverteilung) an die Deckungsgradfunktion angepasst werden. Der Formparameter dieser Verteilung dient als Risikoindex für vertikale Ausbreitung von gelösten Substanzen. Tracerversuche mit Brilliant Blue FCF wurden an drei unterschiedlichen Standorten durchgeführt: in einem Fichtenwald in Südostdeutschland, einem Bergregenwald in Südostecuador und an einem landwirtschaftlichen Standort in Südfrankreich. Es wurde überprüft, ob die wichtigsten Ergebnisse aus Tracerversuchen auf unterschiedlichen Böden und bei verschiedenen Randbedingungen mithilfe des Risikoindex beschrieben werden können. Die Ergebnisse zeigen eine gewisse Unabhängigkeit des Risikoindex von experimentellen Randbedingungen (wie z. B. Beregnungsintensität). Dagegen scheint die Bodenfeuchte eine zentrale Rolle zu spielen. Schwierigkeiten bei der Anpassung der Parameter der verallgemeinerten Paretoverteilung ergeben sich, wenn die Deckungsfunktion fluktuiert oder nicht monoton fallend ist. Dies kann möglicherweise auf die Tortuosität von Fließpfaden, variierenden Fließmechanismen oder sich verändernden bodenphysikalischen Eigenschaften (Stratifikation) zurückgeführt werden. Daher wurde die Musteranalyse in stratifizierten Böden auf den Unterboden begrenzt. Da die dem Risikoindex zugrunde liegende Theorie auf den Extremwerten der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen basiert, gilt das Hauptinteresse dem untersten Teil des Bodenprofils. Wir schlagen vor, die beiden Parameter der verallgemeinerten Wahrscheinlichkeitsverteilung zu nutzen, um das Risiko der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen in Böden abzuschätzen. Obwohl der Risikoindex eine gewisse Toleranz gegenüber sich ändernden Randbedingungen zeigt, ist er kein intrinsischer Bodenparameter. Da das Fließgeschehen in ein und demselben Boden sowohl vom Matrix- als auch vom präferentiellen Fluss dominiert werden kann, ändert sich das Risiko der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen. Dies ist physikalische Realität und kein Fehler in der Theorie des Risikoindex. Die angepassten Parameter der verallgemeinerten Paretoverteilung erfassen das durch den Tracer sichtbar gemachte dominante Fließregime. Unter der Berücksichtigung der Randbedingungen des Tracerexperiments wie Beregnungsintensität, des verwendeten Tracers, Bodenfeuchte oder Art der Vegetation (einjährig, mehrjährig oder perennierend, tiefwurzelnd oder flachwurzelnd) ist es möglich, unterschiedliche Standorte zu vergleichen oder denselben Standort unter verschiedenen Randbedingungen zu betrachten und das Risiko der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen abzuschätzen. Extremwertstatistikgestützte Musteranalyse zeigte das Auftreten von präferentiellem Fluss auf dem Standort in Südostdeutschland. Um die Fließmechanismen und mögliche Auswirkungen des präferentiellen Flusses auf die Bodenchemie aufzudecken, wurden Textur, Feinwurzeldichte, Trockenraumdichte, austauschbare Kationen, pH, Gehalt an totalem C und N in präferentiellen Fließwegen und Bodenmatrix analysiert. Ergebnisse aus gemischten Modellen zeigen, dass auf diesem Standort präferentielle Fließwege durch Wurzeln gebildet werden, und zwar hauptsächlich im Oberboden. Im Unterboden nimmt die Durchwurzelung ab, und heterogene Infiltration aus den präferentiellen Fließpfaden in die Bodenmatrix führt zu ungleichmäßigem Matrixfluss. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Textur gefunden. Allerdings ist die Trockenraumdichte in den präferentiellen Fließwegen geringer als in der Bodenmatrix, wahrscheinlich bedingt durch den erhöhten Gehalt an organischer Materie. Weiterhin wurden in den präferentiellen Fließwegen niedrigere pH-Werte, höherer Gehalt an Ca, Mg, C und N gemessen. Im Vergleich zur umgebenden Bodenmatrix wurde im weniger durchwurzelten und von heterogenem Matrixfluss dominierten Unterboden höherer Gehalt an Al und Fe (allerdings kleine absolute Mengen) festgestellt. Diese klar unterschiedlichen chemischen Eigenschaften lassen sich durch Wurzelaktivitäten und den Transport von gelösten Substanzen (darunter auch DOC: gelöster organischer Kohlenstoff) durch präferentielle Fließwege erklären. Während des Transports ist die Kontaktzeit zwischen dem DOC und dem Boden verkürzt, so dass der Kohlenstoff in tiefere Bodenhorizonte transportiert wird, in denen er eventuell organo-mineralische Komplexe bilden kann. Dies würde bedeuten, dass präferentieller Fluss unter Umständen die Kohlenstoff-Sequestration im Unterboden begünstigen könnte, und nicht nur seine unmittelbare Umgebung, sondern auch die tiefer liegenden Bodenhorizonte beeinflusst. Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen ist die große Anzahl an Bildern der Fließmuster in verschiedenen Böden. In nachfolgenden Arbeiten könnte mit den neuesten Methoden der Reduktion der Dimension untersucht werden, ob diesen Bildern eine niedrigdimensionale Struktur zugrunde liegt

Exotic pine plantations are a major landuse within the coastal lowlands of southeast Queensland, extending from close to the shoreline to the hinterland ranges. These plantations are within a sub-tropical climatic zone, and in most years, the summers are appreciably wetter than the winters. This terrain, in general, has been highly weathered and the soils are poor in nutrients. Environmental factors such as the climate, topography and weathering profile (including soil) are found to be important controls on vadose zone hydrology, which, in turn, has a great impact on tree growth and consequently on the design of management practices. This research project takes a holistic approach to investigate the influence of these environmental factors at different scales, and is designed to fulfil the following objectives: (1) To build a spatial model of forest productivity for the entire Tuan Toolara State Forest (TTSF), southeast Queensland, by analysing the spatial patterns of many environmental variables that may have controls on soil water distribution. (2) To determine how some of these environmental factors are responsible for the development of water-logging and soil salinisation by examining in detail an area of low site index that is severely affected by these two processes. (3) To develop a model to assess the risks of water-logging spatially and temporally. A multiple regression model was constructed to predict the forest productivity (measured by the value of site index, the average dominant tree height at 25 years of age). The independent variables were derived from a digital elevation model (elevation, slope, curvature, hillshade, flow accumulation and distance to streams), γ-ray spectrometry (potassium, thorium and uranium), and interpolated rainfall. The model explained up to 60% of the variance in the site indices and produced predictive maps of site index for two species: P. elliottii Engelm. and Queensland hybrid, a P. elliottii × P. caribaea Morelet hybrid. The model also identified the lowest site index area at the northern Tuan State Forest (NTSF), likely due to a greater risk of water-logging and salinisation. The NTSF area is of low relief and, therefore, the focus has been on the vertical controls of deep weathering profile. The methodology included setting up a network of groundwater bores screened at different depths within the weathering profile, characterising the profile (mineralogy, EC, and pH) and the groundwaters within it (water levels, physico-chemical parameters, major and minor ions). It is found that water-logging is caused by perched groundwater formed on top of the ferricrete or mottled saprolite after prolonged rainfall. Localised salinisation is related to the discharge of brackish groundwater occurring within the mottled saprolite. The deep aquifer within the coarse saprolite is fresh and not responsible for salinisation, a situation that differs from many other settings in Australia. The ability of using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) computer model to simulate soil water balance and to assess the risks of water-logging was tested in a selected catchment in the TTSF. The model successfully simulated stream flow at 2 weirs for a period of 6 years; the achieved R2 were 0.752 and 0.858, respectively. Long-term simulation for a 30-year period showed that there are pronounced seasonal patterns in rainfall and evapotranspiration as well as in soil water. For mature plantation with slopes of 3-15%, the mean annual duration of water-logging ranged from 161 days in the humus podzols, to 110 days in the gleyed podzolic, and to 90 days in the yellow podzolics. The outcomes of this research suggest that forest management can be strongly supported by understanding the impacts of these environmental factors (e.g. climate, topography and weathering profile) on vadose zone hydrological processes; the selection of optimum approach will depend on the research objective or purpose. The models and analytical tools that were developed or tested here have the potential to be successfully applied elsewhere if the input data are available.

Les aménagements hydrauliques du Rhin ont fortement modifié le fonctionnement hydrologique des zones alluviales et provoqué la déconnexion de la plupart des bras du Rhin et des forêts alluviales. Des opérations de ré-inondation des secteurs déconnectés du fleuve ont été menées dans un objectif à la fois de rétention de crue et de submersion écologique qui devraient permettre à ces zones de retrouver tout ou partie de leur fonctionnalité. Le polder d’Erstein est un secteur forestier expérimental pour le suivi de l’impact des ré-inondations des zones alluviales. Les inondations du polder par les eaux de Rhin sont susceptibles d’en modifier le fonctionnement hydrologique (écoulements de surface, échanges nappe-rivière, recharge de la nappe …). L’objectif général de ces recherches est l’analyse et la quantification des transferts hydriques dans un aquifère poreux dans un contexte de ré-inondation. Pour ce faire nous avons réalisé des simulations numériques de l’écoulement à l’aide du code de calcul Feflow (Finite element subsurface flow system), qui ont été validées par les données hydrogéologiques mesurées in situ. Ce travail est organisé en cinq volets. Le point de départ est un état de l’art du fonctionnement, de la structure des zones alluviales et des mécanismes du transfert hydrique dans ces zones. La deuxième partie, fournit une présentation détaillée du site expérimental sur lequel une mission de suivi scientifique a débuté en 2003 et ainsi fourni une importante base de données hydrologiques (eaux de surface et eaux souterraines). Ces données ont servi à caractériser les écoulements d’eau en zone non saturée. La troisième partie est consacrée à la construction du modèle hydrodynamique. Compte tenu de l’importance du réseau des anciens bras du Rhin alimentées par la nappe existant à l’intérieur du polder, la question des échanges cours d’eau-nappe a été abordée. Hormis la recharge de la nappe par les cours d’eau, une part importante de l’infiltration d’eau depuis la surface du sol lors des inondations contribue à la recharge. Pour quantifier cette part, nous avons développé une approche pédologique originale afin de caractériser les hétérogénéités des sols par des paramètres hydrodynamiques. Ces hétérogénéités qui varient spatialement sur le polder ont une influence significative sur les flux verticaux et les temps de résidence de l’eau dans la zone non saturée. Les résultats obtenus en 1D ont ensuite été appliqués à toute la superficie du polder d’Erstein avec l’objectif de quantifier l’ensemble des écoulements à cette échelle. Différents scénarios d’hétérogénéité proposés se fondent sur une complexification de la structure de l’aquifère poreux, afin d’évaluer l’impact des hétérogénéités du sol sur le transfert hydrique dans le polder d’Erstein. / The hydraulic management of the Rhine has drastically modified the hydrological functioning of alluvial zones and caused the disconnection of most side-channels of the Rhine and alluvial forests. The re-flooding restoration works of the disconnected sectors are planned with objective of both the retention of flood and of ecological flooding which should allow these zones to recover all or part of their functionality.The Erstein polder is a forested experimental area for monitoring the impact of the alluvial zones re-flooding. The flooding of the Rhine plain may modify its hydrological functioning in terms of runoff, groundwater-river exchanges and groundwater recharge. Our general objective is to analyze and quantify water flux in an unsaturated porous aquifer. Therefore, based on the given hydraulic and hydrogeological conditions of the study site, we performed numerical flow simulations using the finite element model Feflow 5.3.This work is structured in five chapters. The starting point is a state of the art about the functioning and the structure of alluvial zones and the mechanisms of water flux in these areas. The second chapter presents the experimental site. A scientific monitoring mission has been implemented on the polder site and an extensive data base of hydrological measurements (surface and groundwater) was created. This data base was used to characterize the water flux in the unsaturated zone. The third chapter is devoted to the construction of the hydrodynamic model. Given the importance of the side channels network supplied by the existing groundwater inside the polder, the water exchange between surface water and groundwater was discussed. Apart from the groundwater recharge by streams, a significant infiltration of water from the soil surface during flooding contributes to groundwater recharge. To quantify this part, we developed an original approach in order to characterize the heterogeneities of soils using hydrodynamic model parameters. These heterogeneities that vary spatially on the polder have a significant influence on the vertical flow and the residence time of water from the ground surface to the groundwater. The results obtained in 1D were then used to model the influence of soil heterogeneities of the entire area of the study site on water infiltration during inundation event and groundwater recharge. Different scenarios of heterogeneity were used to render the structure of the porous aquifer progressively more complex in order to evaluate the impact of the heterogeneities on water flux in the vadose zone of the Erstein polder.