Monitoring und Modellierung der Wasserdynamik auf der Hangskala unter Berücksichtigung von hydraulischem Ungleichgewicht und lateralen Flüssen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Horst Herbert Gerke; Professor Dr. Hans-Jörg Vogel; Dr. Thomas Wöhling
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407976486

Die Wasserströmung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im Wasserpotenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und –potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung (Wasserpotenzial =0) gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit erheblich reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert: (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasser-ungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen