Quantitative Erfassung und Simulation von Wasserflüssen und Wasseraufnahme im Wurzelraum mittels kombinierter 3D-Bildgebung und 3D-Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rainer Helmig; Professor Dr. Sascha E. Oswald; Dr. Christian Tötzke
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396368046

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Wasseraufnahme von Wurzeln und des umgebenden Bodens zu modellieren ist eine herausfordernde Aufgabe, die Modellreduktion voraussetzt, da durch die oft kleinen, verzweigten Wurzelsysteme die Rechenkomplexität und -zeit ohne Modellreduktion zu hoch wäre. Während der Projektlauftzeit konnten einige wichtigen numerischen und physikälischen Verbesserungen am Modell vorgenommen werden. Die numerischen Methoden wurden verbessert und gleichzeitig effizienter, was zu schnelleren und akkurateren Lösungen führt. Der Transport von Tracern sowohl von der Wurzel als auch im Boden wurde implementiert, was einen sehr wichtigen Schritt für den Vergleich mit den Experimenten darstellt. Die Extraktion eines Netzwerks aus den Bilddaten stellte sich als sehr herausfordernd heraus und ein einfach zu nutzendes Vorgehen konnte nicht realisiert werden. Trotzdem konnten wesentliche Fortschritte bei der Identifizierung von Software gemacht werden, die für künftige Arbeit zur Verfügung steht. Für vereinfachte Wurzelstrukturen zeigte der Vergleich von Modellierung und Experimenten, dass diese sehr wichtig zur Analyse der physikalischen Prozesse sind und in weiterer Arbeit untersucht werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A new simulation framework for soil-root interaction, evaporation, root growth, and solute transport. Vadose Zone Journal, 17(1):170210, 2018
  Timo Koch, Katharina Heck, Natalie Schröder, Holger Class, and Rainer Helmig
  
• Modeling tissue perfusion in terms of 1d-3d embedded mixeddimension coupled problems with distributed sources. Journal of Computational Physics, 410:109370, 2020
  Timo Koch, Martin Schneider, Rainer Helmig, and Patrick Jenny
  
• Nonlinear mixeddimension model for embedded tubular networks with application to root water uptake. Journal of Computational Physics, 450:110823, February 2022
  Timo Koch, Hanchuan Wu, and Martin Schneider
  
• Projection-based resolved interface 1d-3d mixeddimension method for embedded tubular network systems. Computers & Mathematics with Applications, 109:15–29, March 2022
  Timo Koch