Mehrdimensionale Visualisierung preferentieller Fließwege mittels Neutronen- und Röntgenstrahlung

The occurrence of preferential flow of water in soils is rather the rule than the exception particularly in heterogeneous structured soils. The quantitative prediction is difficult because of the spatial as well as temporal variability. One aim of the dissertation was to visualize the soil structure and flow patterns in mine soils using a combination of neutron radiography, neutron tomography and x-ray computed tomography experiments. Both radiation techniques were used to describe preferential pathways as a soil structure with CT and the process of preferential flow of water with NT. For the first time neutron radiation was applied on undisturbed soil cores to visualize water distributions in natural soils on three examples for heterogeneities of different origin. In a first investigation we used neutron radiography to analyze the moisture distribution in undisturbed slab-type and cylindrical samples of mine soils containing lignitic fragments and inclined soil layers. 2D radiography sequences indicated that flow pathways are highly dependent on the shape, distribution, and internal structure of the lignitic fragments. For 3D experiments, the quantitative analysis of water contents failed due to a pronounced beam hardening effect. The tensiometer data indicated the existence of local non-equilibrium in pressure heads between fragments and matric pore regions. The objective of the second study was to analyze and visualize the effects of initial soil structure formation at the surface of bare soils in an artificial hydrological catchment that has been left to undirected ecological succession for three years. The three-dimensional (3D) micro-morphology was described using the X-ray computed tomography (CT); two-dimensional (2D) infiltration patterns were obtained from drip infiltration experiments using time-resolved neutron radiography (NT). The analyses of CT data indicate the existence of (i) structural crusts on soil consisting of sandy to loamy sediments and (ii) depositional crusts on sandy sediments. The results of combined observations using CT and NT suggest that the initial soil surface structure alterations of young sandy sediment modify moisture patterns of infiltrating water only slightly. The aim of the 3rd experiment was to study effect of two ‘ecological engineers’, moss vegetation and beetle larvae on pore structure and infiltration. The soil pore structure was characterized by micro-computed tomography analyses of bare soil, sparse and dense moss-vegetated samples containing a single burrow. Flow patterns of infiltration experiments were visualized using the neutron radiography technique. The results of this study suggest that moss vegetation and burrowing activity of ground beetles strongly control the initial soil development by modification of pore structure and surface water infiltration.Das Auftreten präferentieller Fließwege in Böden stellt eher die Regel als die Ausnahme dar, insbesondere in heterogenen strukturierten Böden. Eine Quantifizierung ist durch die räumliche und zeitliche Variabilität des Phänomens schwierig. Das Ziel der Dissertation war die Visualisierung der Bodenstruktur und Fließwege mit Hilfe einer Kombination aus Neutronenradiografie (NR) und -tomografie (NT) sowie Röntgencomputertomografie (CT). Letzteres diente zur Beschreibung der Bodenstruktur, die Experimente mit Neutronenstrahlung stellten hingegen die Fließwege des Wassers im Boden dar. Erstmalig wurde Neutronenstrahlung zur Visualisierung der Wasserverteilung in ungestörten Proben dreier natürlicher Böden verwendet. In einem Infiltrationsversuch wurde die Wasserverteilung in mit Kippenboden gefüllten scheibenförmigen und zylindrischen Proben mittels NR und NT untersucht. Die ungestörten Proben enthielten kohlige Fragmente sowie schräg gestellte Kipprippen. Zwei-dimensionale (2D) NT-Zeitreihen der Infiltrationsexperimente deuten darauf hin, dass sich Fließwege in Abhängigkeit von Form, Lage und Struktur der Fragmente ausbildeten. Drei-dimensionale (3D) Visualisierungen der zylindrischen Proben scheiterten an ausgeprägter Strahlaufhärtung. Daten von eingebauten Tensiometern zeigen jedoch ungleichgewichtiges Fließen zwischen Fragmenten und der sandigen Matrix. Das Ziel des zweiten Experimentes war die Beschreibung von Effekten initialer Bodenentwicklung in Form von Bodenkrusten auf die Infiltration. Die Struktur der Bodenkrusten wurde mit Hilfe der Computertomografie 3D dargestellt. Wiederum wurden NR-Zeitreihen von Infiltrationsexperimenten erstellt, die die Wasserverteilung in der Bodenprobe darstellten und quantifizierten. Die Analyse der CT-Aufnahmen zeigten verschiedenartige Krustentypen von strukturellen Krusten lehmiger Sedimente, bis hin zu Ablagerungskrusten in sandigem Substrat. Die Krusten zeigten jedoch einen allenfalls minimalen Effekt auf die Wasserverteilung. Das dritte Experiment sollte den Einfluss der Biota, in diesem Falle der Moosvegetation und grabender Laufkäferlarven, auf die Bodenstruktur und Infiltration herausstellen. Auch hier wurden die Bodenstruktur mittels CT, und die zeitabhängige Wasserverteilung mit Hilfe der NR, visualisiert. Die Ergebnisse beider Untersuchungen zeigen, dass die Vegetation und die Aktivitäten der Larven einen starken Einfluss auf die untersuchten Parameter hatten