Ein Porennetzwerkmodell der Bodenhydrophobizität: Modellimplementierung und experimentelle Validierung

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Bachmann; Professor Dr. Andrea Carminati
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316989341

Die Qualität von Böden wird maßgeblich durch eine verringerte Benetzbarkeit beeinflusst: dadurch wird die Fähigkeit Wasser zu speichern herabgesetzt und schädliche Prozesse wie Oberflächenabfluss, Bodenerosion und die Auswaschung von Agrochemikalie werden verstärkt. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, welche die wasserabweisenden Eigenschaften von Böden kontrollieren, ist nötig, um Wasser- und Bodenressourcen nachhaltig zu nutzen. Obwohl empirische Modelle im Stande sind dieses Verhalten abzubilden, fehlt bis heute ein prozessbasiertes Modell, um das Auftreten und die Magnitude der wasserabweisenden Eigenschaften in Böden für unterschiedliche Bodeneigenschaften vorherzusagen.Ziel dieses Projektes ist es ein Modell auf der Porenskala zu entwickeln und zu überprüfen, welches in der Lage ist, das Auftreten der wasserabweisenden Eigenschaften in Böden mit unterschiedlicher Textur, Wassergehalt und Anteil organischer Substanz vorherzusagen. Unsere zentrale Hypothese ist dabei, dass die mikroskopische Verteilung von wasserabweisenden Oberflächen in porösen Medien maßgeblich die Benetzbarkeit des Mediums auf der makroskopischen Ebene beeinflusst. Wir gehen davon aus, dass ein Boden wasserabweisend wird, wenn ein bestimmter Anteil an Poren einen Kontaktwinkel >90 aufweist und der Anteil somit oberhalb des Perkolationsgrenzwertes liegt. Dieser Grenzwert entspricht dem Anteil der Poren die nicht miteinander verbunden sind und somit ein Durchströmen des Bodens auf makroskopischer Ebene verhindern. Wir planen die Entwicklung eines 3D-Porennetzwerkmodells zur Simulation der initialen Wasserverteilung nach Rückfeuchtung eines trockenen Bodens. Die Benetzbarkeit einer Pore hängt dabei von der Menge des organischen Materials auf deren Oberfläche und deren Verteilung sowie der Korngrößenverteilung und dem Matrixpotential ab. Mit Hilfe einer Mischung aus Boden und Mucilage von Maispflanzen werden wir unser Modell validieren. Wir werden unser Modell auf Basis zweier Methoden parametrisieren. Zum einen werden wir Messungen des Kontaktwinkels auf Glasplatten vornehmen, welche zuvor mit unterschiedlichen Mengen an Mucilage überzogen wurden und zum anderen werden wir Messungen des Kontaktwinkels an Mischungen aus Böden mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung und Mengen an Mucilage durchführen. Die Verteilung von Mucilage im ungestörten Porenraum wird mithilfe der Kondensationstechnik durch eine Variante des Rasterelektronenmikroskops, ein environmental scanning electron microscope erfasst. In einem weiteren Schritt werden wir unser Modell auf natürliche Böden mit unterschiedlicher Benetzbarkeit ausweiten. Mithilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie werden wir die Benetzbarkeit mit der chemischen Zusammensetzung der Oberflächen korrelieren. Simulationen der Infiltration von Wassertropfen werden mit Wassertropfeninfiltrationstests verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen