Modellierung der initialen Strukturentwicklung von Boden und Sediment am Beispiel eines künstlich angelegten Wassereinzugsgebiets

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Maurer
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254461424

Die initiale Verteilung von Sedimenten im Wassereinzugsgebiet bildet den Ausgangszustand für die Ökosystementwicklung. Analysen öko-hydrologischer Selbstorganisation erfordern quantitative Beschreibungen der Strukturen und der räumlichen Heterogenitäten im Sediment sowie im Boden. Während der initialen Entwicklungsphase werden die ursprünglichen Sedimentstrukturen vor allem von Umlagerungsprozessen verändert, wodurch das initiale System in strukturelle Kompartimente zerteilt wird. Unklar ist, in wie weit die zukünftige Entwicklung des Ökosystems und Wassereinzugsgebiets von der initialen räumlichen Konfiguration und den neuen Strukturen und Kompartimenten abhängen. Zur Modellierung der initialen 3D-Verteilungen der Sedimente wurde zunächst ein prozess-basierter Strukturgenerator entwickelt. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines geo-pedologischen Modellierungsansatzes zur Generierung der räumlich-strukturellen Heterogenität in Wassereinzugsgebieten unter Berücksichtigung von Entstehungsprozessen und 3D Massenbilanzen der Festphase. Dazu soll das bisherige Strukturmodell des initialen Zustands als integratives Werkzeug weiterentwickelt werden, um (i) die zeit-räumliche Entwicklungsdynamik in Abhängigkeit der Anfangsstrukturen zu analysieren; und (ii) die modellierte strukturelle Entwicklung mit den (beobachteten) Wasserflüssen in Beziehung zu setzen. Aufgrund der umfassenden Monitoringdaten soll das künstliche Wassereinzugsgebiet Hühnerwasser (Niederlausitz, Brandenburg) exemplarisch zur Modellentwicklung dienen. Zur Darstellung der initialen Entwicklung sollen bereits etablierte strukturerzeugende Modelle für die Simulation von Erosions- und Depositionsstrukturen, Krusten, und Vegetationssukzession verwendet werden. Der Parameteraustausch zwischen diesen Modellen wird während der Programmlaufzeit über eine spezielle Software-Schnittstelle (OpenMI) erfolgen. Dieser genetische Ansatz sollte eine mechanistische, prozess-basierte Generierung von wahrscheinlichen Sedimentverteilungen und Festphasenstrukturen in mehreren Szenarien erlauben. Aus den generierten Verteilungen der Sedimente werden über adaptierte hydrologische Pedotransferfunktionen die 3D-Verteilungen hydraulischer Parameter geschätzt. Der Einfluss der strukturellen Entwicklung auf den Wasserhaushalt des Einzugsgebiets wird durch Vergleich von gemessenen mit modellierten Abflüssen bestimmt. Durch den Vergleich von Szenarien unterschiedlich generierter 3D-Sedimentverteilungen sollen Auswirkungen von sich ändernden räumlichen Strukturen auf das Abflussverhalten analysiert werden. Damit soll ein generelles Werkzeug zur Generierung und Überprüfung von Untergrundstrukturen in einem 3D Einzugsgebietsmodell entstehen. Anhand der Modelldaten können verallgemeinerbare öko-hydrologische Kompartimente (Prozess-Domänen) bestimmt werden, die eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ähnliche Umgebungen ermöglichen (z.B. Tagebaulandschaften und postglaziale Landschaften).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Privatdozent Dr. Horst Herbert Gerke