Esther Bloem

Forsker

(+47) 464 44 223
esther.bloem@nibio.no

Sted
Ås - Bygg O43

Besøksadresse
Oluf Thesens vei 43, 1433 Ås (Varelevering: Elizabeth Stephansens vei 23)

Sammendrag

The occurrence of freeze–thaw cycles modifies water infiltration processes and surface runoff generation. Related processes are complex and are not yet fully investigated at field scale. While local weather conditions and soil management practices are the most important factors in both runoff generation and surface erosion processes, local terrain heterogeneities may significantly influence soil erosion processes in catchments with undulating terrain. This paper presents a field-based investigation of spatial and temporal heterogeneities in subsurface soil moisture and soil temperature associated with freezing, thawing, and snowmelt infiltration. The field setup consists of a combination of traditional point measurements performed with frequency domain reflectometry (FDR) and electrical resistivity tomography (ERT). The transect was approximately 70 m long and spanned an entire depression with a north-facing slope (average slope of 11.5%) and a south-facing slope (average slope of 9.7%). The whole depression was entirely covered with stubble. Observed resistivity patterns correspond well to the measured soil moisture patterns. During the observation period, the north facing slope froze earlier and deeper compared with the south facing slope. Freeze–thaw cycles were less pronounced in the north-facing slope than in the south-facing slope. There were also differences in soil temperature and soil moisture patterns between lower and upper parts of the monitored depression. These indicate that initiation and development of runoff related processes, and consequently soil erosion, in regions with freeze–thaw cycles may differ significantly depending on local terrain characteristics. Consequently, it indicates that spatial terrain heterogeneities, especially slope aspects, may be important when studying soil erosion processes, water flow and nutrient leaching in lowlands where patchy snowpacks and dynamic freeze–thaw cycles are predominating.

Til dokument

Sammendrag

Denne rapporten vurderer bruk av georadar 3D GPR for å kartlegge jordsmonn i landbruksjord. Visualisering av data fra 3D GPR ble sammenlignet med data fra EM38 og med jordanalyser som beskriver jordas sammensetning. Bruk av flere metoder på samme areal tydet på at 3D GPR kan være et viktig verktøy for å avdekke jordvariasjon og eksisterende dreneringssystemer i jorda.

Sammendrag

På grunn av klimaendringer forventes en økning i ekstremværhendelser i fremtiden. Større nedbørsmengder og mer intense nedbørsepisoder fører til flom og vannmettet jord, med negativ innvirkning på avlings- og driftsforhold knyttet til jordarbeiding og kjøring på jorda. Norge har et mål om økt selvforsyningsgrad, og i et endret, våtere klima kan det være behov for en forbedret dreneringstilstand. Dette prosjektets hovedmål har vært å gi økt kunnskap om nye grøftemetoder på dyrket jord med lav vannledningsevne og tette lag. Derfor ble det på Østlandet anlagt et forsøksfelt på leirjord, med ett ugrøftet kontrollfelt og tre grøftede forsøksledd: 1) tradisjonelle grøfter og torpedogrøfter, 2) tradisjonelle grøfter og slissegrøfter og 3) kun tradisjonelle grøfter. Det ble tatt ut jordprøver i ploglaget og undergrunnsjorda. Prøvene ble analysert for mettet vannledningsevne (Ksat). Analysene viste stor variasjon i Ksat. Det ble funnet at jorda er anisotrop, med høyere horisontal enn vertikal Ksat. Ksat var høyere i ploglaget enn i undergrunnsjorda. Forsøksfeltet ble instrumentert for kontinuerlig registrering av grøfteavrenning, grunnvannsnivå og vannpotensiale. Dette var operativt i 2020 og 2021. Avrenningsmålingene viste en svak tendens til at torpedogrøfter totalt sett var noe mer effektive enn slissegrøfter og tradisjonelle grøfter mht. å få drenert ut størst vannmengde fra jorda. Det var til dels stor variasjon i vannmengde i de individuelle grøfterørene. Målinger av jordfuktighet med to forskjellige metoder, tensiometermålinger (vannpotensiale) og elektrisk resistivitetstomografi (ERT), har gitt innsikt i hvordan jordfuktigheten responderer på nedbør og grøfting, i både tid og rom. Målingene viste bedre opptørking på grøftet jord enn på ikke grøftet jord (kontrollfelt), mens det var vanskelig å se entydige effekter av de ulike grøftemetodene. Foreløpig konklusjon er at sekundærgrøfting (torpedogrøfter og slissegrøfter) synes å øke effektiviteten av grøftingen, men effektiviteten påvirkes av vær- og avrenningsforhold og hvor fuktig jorda er i utgangspunktet før nedbørsepisodene. Det anbefales at forsøket videreføres og utvides for å gi bedre grunnlag for å konkludere mht. effektivitet av de ulike grøftesystemene som her er studert.

Sammendrag

Oslo Logistikkpark Drøbak AS skal bygge «Oslo Logistikkpark Drøbak» på ca. 450 daa i Frogn Kommune. Deler av jordmassene skal flyttes til Holt gård for å bedre jordbruksarealene. Denne rapporten estimerer volum og teksturkvaliteter med tanke på jordflyttingen og prosessering av anleggsjord for salg. Vurderingene bygger på jordboringer og elektroresistivitetsmålinger (ERT). Utbyggingen er delt i 5 utbyggingstrinn. Avsetningstype på området er marine hav- og strandavsetninger, myr og torv, med noe bart fjell. Jordboringer er tatt systematisk i et grid på 25x25 m og tekstur er skjønnsmessig bestemt sjiktvis i 10 cm intervaller. ERT-linjene ble lagt ut på de partiene med dypere løsmasselag. Topografi ble inkludert i tolkningene. Noen av lokalitetene for ERT målinger ble kontrollgravd. Punkter på myr ble stukket med myrstang. Volumberegninger er gjort som rasteranalyse med differansen mellom Grindakers terrengmodell og Multiconsults bergmodell. Siden jordbor gir god fordeling av tekstur i de øvre lagene, ble det skilt mellom volum over og under 2 meter. Dette ble gjort ved rasterkalkulasjoner av løsmassevolumene. Kartleggingen av tekstur over 1,5 meter er systematisk, og gir et statistisk godt grunnlag for å ekstrapolere teksturfordeling. Fordelingsanslagene av de ulike teksturene er vurdert som gode. Kartleggingen av tekstur under 2 meter er sparsom, men avsetningshistorikken tilsier at de dypere lagene består av leirmasser med høyere leirinnhold enn 25 % (mellomleirer og stiv leire). Det ble registrert 140 punkter fjell i dagen, 327 jordboringer hvorav 119 stikk nådde til fjell. Jordtekstur ble inndelt i organisk jord/torv, sand, siltig sand, sandig silt, silt, sandig lettleire, siltig lettleire, lettleire, sandig mellomleire, siltig mellomleire, mellomleire og stiv leire. Løsmassene er nærmest steinfrie. Enkelte steder var det observert innslag av grus. Det er gitt en tolkning av avsetningshistorikken i området. Usikkerhet og risiko ved volumberegningene må vurderes i forhold til nøyaktighetsbehovet i hvert enkelt tilfelle. I dette tilfelle vurderes det tilstrekkelig til å gi et grovoverslag over prosesserbart jordvolum, og at volumet bør reduseres med 15-25 % som grunnlag for investeringskalkyler.

Sammendrag

Denne rapporten er en litteratursammenstilling over tap av suspendert stoff, fosfor og nitrogen fra arealer med hhv. jordbruk og skog/utmark. I tillegg er det gjort en vurdering av tilsvarende tap i perioden der nydyrking gjennomføres. I de norske studiene som er gjennomgått er gjennomsnittlige tap av nitrogen 17 ganger høyere fra jordbruk enn fra skog. Tilsvarende er fosfortap 56 ganger høyere og tap av suspendert stoff 106 ganger høyere fra jordbruk enn fra skog.

Til dokument

Sammendrag

To improve risk assessment, control and treatment strategies of contaminated sites, we require accurate methods for monitoring solute transport and infiltration in the unsaturated zone. Highly spatio‐temporal heterogeneous infiltration during snowmelt increases the risk of contaminating the groundwater in areas where de‐icing chemicals are required for winter maintenance of roads and runways. The objective of this study is to quantify how the different processes occurring during snowmelt infiltration of contaminated meltwater affect bulk electrical resistivity. Field experiments conducted at Moreppen experimental lysimeter trench are combined with heterogeneous unsaturated soil modelling. The experimental site is located next to Oslo airport, Gardermoen, Norway, where large amounts of de‐icing chemicals are used to remove snow and ice every winter. Bromide, an inactive tracer, and the de‐icing chemical propylene glycol were applied to the snow cover prior to the onset of snowmelt, and their percolation through the unsaturated zone was monitored with water sampling from 37 suction cups. At the same time, cross‐borehole time‐lapse electrical resistivity measurements were recorded along with measurements of soil water tension and temperature. Images of two‐dimensional (2D) bulk resistivity profiles were determined and were temperature corrected, to compensate for the change in soil temperature throughout the melting period. By using fitted parameters of petrophysical relations for the Moreppen soil, the tensiometer data gave insight into the contribution of water saturation on the changes in bulk resistivity, while water samples provided the contribution to the bulk resistivity from salt concentrations. The experimental data were compared with numerical simulation of the same experimental conditions in a heterogeneous unsaturated soil and used to quantify the uncertainty caused by the non‐consistent resolutions of the different methods, and to increase our understanding of the resistivity signal measured with time‐lapse electrical resistivity tomography. The work clearly illustrates the importance of ground truthing in multiple locations to obtain an accurate description of the contaminant transport.

Til dokument

Sammendrag

Assessing redox conditions in soil and groundwater is challenging because redox reactions are oxygen sensitive, hence, destructive sampling methods may provide contact with air and influence the redox state. Furthermore, commonly used redox potential sensors provide only point measurements and are prone to error. This paper assesses whether combining electrical resistivity (ER) and self-potential (SP) measurements can allow the mapping of zones affected by anaerobic degradation. We use ER imaging because anaerobic degradation can release iron and manganese ions, which decreases pore water resistivity, and produces gas, which increases resistivity. Also, electrochemical differences between anaerobic and aerobic zones may create an electron flow, forming a self-potential anomaly. In this laboratory study, with four sand tanks with constant water table heights, time-lapse ER and SP mapped changes in electrical/electron flow properties due to organic contaminant (propylene glycol) degradation. Sampled pore water mapped degradation and water chemistry. When iron and manganese oxides were available, degradation reduced resistivity, because of cation release in pore water. When iron and manganese oxides were unavailable, resistivity increased, plausibly from methane production, which reduced water saturation. To bypass the reactions producing methane and release of metallic cations, a metal pipe was installed in the sand tanks between anaerobic and aerobic zones. The degradation creates an electron surplus at the anaerobic degradation site. The metal pipe allowed electron flow from the anaerobic degradation site to the oxygen-rich near surface. The electrical current sent through the metal pipe formed an SP anomaly observable on the surface of the sand tank. Time-lapse ER demonstrates potential for mapping degradation zones under anaerobic conditions. When an electrical conductor bridges the anaerobic zone with the near surface, the electron flow causes an SP anomaly on the surface. However, electrochemical differences between anaerobic and aerobic zones alone produced no SP signal. Despite their limitations, ER and SP are promising tools for monitoring redox sensitive conditions in unsaturated sandy soils but should not be used in isolation.

Til dokument

Sammendrag

Degradation of organic chemicals in natural soils depends on oxidation-reduction conditions. To protect our groundwater resources we need to understand the degradation processes under anaerobic conditions. Available iron and manganese oxides are used as electron acceptors for anaerobic degradation and are reduced to the dissolved form of metallic cations in pore water. To monitor this process is a challenge, because anaerobic conditions are difficult to sample directly without introducing oxygen. A few studies have shown an impact of iron reduction on spectral induced polarisation (SIP) signature, often associated with bacterial growth. Our objective is to study the impact of iron and manganese oxide dissolution, caused by degradation of an organic compound, with spectral induced polarisation signatures. Twenty-six vertical columns (30 cm high, inner diameter 4.6 cm) were filled with a sand rich in oxides (manganese and iron) with a static water table in the middle. In half of the columns, a 2 cm high contaminated layer was installed just above the water table. As the contaminant degrades, the initial oxygen is consumed and anaerobic conditions form Every three days over a period of one month, spectral induced polarisation (twenty frequencies between 5mHz and 10 kHz) data were collected on six columns: three contaminated replicates and three control replicates. Chemical analysis was done on twenty columns assigned for destructive water sampling, ten contaminated columns and ten control. The results show an increase of the real conductivity associated with the degradation processes, independent of frequency. Compared with the pore water electrical conductivity in the saturated zone, the real conductivity measurement revealed the formation of surface conductivity before iron was released in the pore water. In parallel, we also observed an evolution of the imaginary conductivity in both saturated and unsaturated zones at frequencies below 1 Hz. Overall, the anaerobic reduction of iron and manganese oxide during the organic degradation increased both the conductive and polarisation component of the complex conductivity.

Sammendrag

SUMMARY: Tracers should be used to monitor emissions of leachate from landfills, in order to evaluate environmental pollution. We investigated a selection of parameters commonly found in leachate, in addition to isotopic and radioactive tracers, and their efficiency in tracing leachate in the environment, with emphasis on groundwater. A study at 6 landfills focused on the occurrence of the isotopes 13C and 3H in leachate, surface and groundwater, in relation to the water balance at the sites. The content of heavy carbon (δ13C) in leachate varied between 5.5 to 25.5, in groundwater it reached 4.7 when polluted, and varied between -11.8 to -24.2 when unpolluted, and in surface water from -13.1 to -19.7. Measurements of tritium did not show any systematic trend in the leachate and groundwater samples. Also the elements Fe, B and Cr, and to a minor degree Mn and Zn, showed higher contrasts in leachate/groundwater concentrations. A comparison of the concentrations of tracer compounds with detailed estimation of the water balance at 3 landfills showed that 13C seems to be the most reliable tracer and the factor correlating best with estimates of diffuse losses of leachate to groundwater.

Til dokument

Sammendrag

For subsurface solute transport, flux concentrations are key, while usually resident concentrations are measured. Flux concentrations are frequently estimated from resident concentrations by temporal moment analysis. We tested this approach by simulating transport of an injected tracer during steady flow in an aquifer with a heterogeneous saturated hydraulic conductivity. We constructed grid-cell scale breakthrough curves (BTCs) from flux concentrations and approximate BTCs from resident concentrations and estimated flux concentrations. We assembled these BTCs into spatio-temporal leaching surfaces at various aquifer cross-sections for subsequent analysis. Resident concentrations were unsuitable to assess solute movement in the aquifer. Temporal moment analysis worked well when the entire aquifer cross-section was considered, but performed poorer at the grid-cell scale because it approximates the local velocity by the trajectory average. The leaching surfaces served as valuable tools to demonstrate and quantify the limitations of temporal moment analysis.

Sammendrag

I et stort datamateriale er det påvist at kulturlag i Nedre Langgate 43 i Tønsberg er bra bevart fra ca 1 meter dybde fra overflaten og ned til 4 meter. Dårlige bevaringsforhold er spesielt avdekket i den sørøstlige og nord-vestlige delen av tomten. Kulturlagene i 1,5 m dybde eller lavere ligger godt beskyttet mot nedbrytning, og sterkt reduserende miljøforhold tyder på at oksygen ikke når disse lagene. De beste bevaringsforhold ble funnet i kulturlag under den tidligere kjelleren. Undersøkelsen har vist at jordkjemisk data fra flere borehull vil kunne gi overveiende forståelse over ei tomts innhold av organisk materiale og redokssensitive parametre som påvirker beskyttelse av kulturlag. Geofysisk kartlegging viste nye fordeler ved at målinger utføres uten fysisk inngrep i grunnen og uten å påvirke kulturlagene. Metoden ga opplysninger om tette lag med høyt vanninnhold i kulturlag øst og nord-øst for den tidligere kjelleren og et større område med tørrere, porøse masser i den sør-østlige delen av tomten. Kartleggingen bekrefter resultatene fra jordkjemisk analyse og modellering.