English Title: Investigating the hydraulic properties of a soil with GPR: Analysis of the capillary fringe reflection by numerical simulations

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Abstract

Die Kapillarsaumreflexion von einem Wassergehaltsprofil im hydraulischen Gleichgewicht und während eines Pumpvorgangs wird durch numerische Simulationen einer on-ground GPR-Messung untersucht. Diskutiert wird die Abhängigkeit des reflektierten Wavelets von den hydraulischen Parametern und dem Parametrisierungsmodell, wobei die Modelle von Brooks-Corey, van Genuchten und dessen vereinfachte Form mit m=1-1/n verwendet werden. Durch Benutzung von Informationen aus dem Zeitbereich und dem Frequenzbereich sind die Auswirkungen der Parameter unterscheidbar, die verschiedenen Parametrisierungsmodelle zeigen signifikant unterschiedliche Reflexionen. Zwei Pumpexperimente am ASSESS-GPR Testfeld werden diskutiert, bei denen zeitabhängige Messungen mit einer stationär platzierten GPR-Antenne durchgeführt wurden. Im ersten Experiment wird eine durch Verdichtung entstandene Schicht nachgewiesen. Die resultierende Änderung der hydraulischen Parameter relativ zum nicht verdichteten Sand werden diskutiert. Die Radargramme des zweiten Experiments erlauben die Identifikation des Kapillarsaums und seiner Bewegung durch den Boden. Die erwartete Dynamik der Wasserverteilung kann durch die Radargramme nachvollzogen werden. Ein Vergleich der beobachteten Kapillarsaumreflexion mit numerischen Simulationen erlaubt die Auswahl eines passenden Parametrisierungsmodells aus den genannten Modellen. Die gemessenen Radargramme werden mit manuell angepassten Parametern durch numerische Simulationen semi-quantitativ reproduziert. Insgesamt rechtfertigen die Ergebnisse die Möglichkeit einer Inversion der GPR-Daten zur Schätzung der hydraulischen Parameter. Ein Vorschlag für eine Inversion wird gegeben.

Translation of abstract (English)

The reflection of the capillary fringe from a profile in hydraulic equilibrium and during pumping is investigated by numerical simulations of an on-ground GPR measurement. The dependency of the reflecting wavelet on the hydraulic parameters and different parameterisation models, namely Brooks-Corey, van Genuchten and its simplified form with m=1-1/n is discussed. Information in the time-domain and the frequency-domain allows to distinguish the effects of different parameters and shows significant differences between the parameterisation models. Two experiments on the ASSESS-GPR testbed are discussed. A stationary placed GPR-antenna records traces over time while pumping. With the first experiment a compaction layer can be detected. The change in the hydraulic parameters due to the compaction is discussed. The radargrams recorded in the second experiment allow an identification of the capillary fringe and its movement through the soil. The expected dynamics of the water content can be recovered. A comparison of the capillary fringe reflection to numerical simulations allows to identify the appropriate hydraulic parameterization model. The recorded radargrams are reproduced semi-quantitatively by adjusting the parameters by hand. The entire results justify a possible parameter estimation by inverting the GPR data. A suggestion for an inversion is given.