Analysis of flow patterns and flow mechanisms in soils

par Christina Bogner (Riffel)

Thèse de doctorat en Natural Sciences

Sous la direction de Bernd Huwe et de Yves Travi.

Soutenue le 06-07-2009

à Avignon en cotutelle avec l'Universität Bayreuth , en partenariat avec Department of Soil Physics (laboratoire) et de Laboratoire d'hydrogéologie (Avignon) (laboratoire) .

Le président du jury était Egbert Matzner.

Le jury était composé de Stefan Peiffer.

Les rapporteurs étaient Bernd Huwe, Isabelle Cousin.

  • Titre traduit

    Analyse des modèles d'écoulement et les mécanismes d'écoulement dans les sols


  • Résumé

    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


  • Résumé

    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


  • Résumé

    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


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