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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Wasserbewegung im Boden wird meist mit der physikalisch gut begründeten Richardsgleichung beschrieben. Einige Voraussetzungen für die Anwendung dieses Modells sind unter natürlichen Bedingungen aber häufig nicht erfüllt. Dies gilt insbesondere für die Beschreibung der Infiltration bei stärkeren Niederschlägen in relativ trockene Böden. Hier beobachtet man das sogenannte hydraulische Ungleichgewicht, bei dem das infiltrierende Wasser sich lokal zunächst relativ schnell durch gröbere Poren bewegt, bevor es sich hinter der Infiltrationsfront entsprechend der Kapillarkräfte auch in die kleineren Poren ausbreitet. Dieses Phänomen beeinflusst die Verteilung des Niederschlagswassers entlang des Bodenprofils, so dass in Unterböden am Hang laterale Flüsse auch vor Wassersättigung des gesamten Porenraums auftreten können. Die Ziele dieses Projektes waren i) einen neuen konzeptionellen Ansatz zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht zu entwickeln, ii) experimentell zu überprüfen inwieweit diese Phänomene für laterale Flüsse im Böden an Hängen relevant sind und iii) das Standardmodell für Wasserbewegung im Boden zu erweitern, um diese Phänomene in numerischen Simulationen berücksichtigen zu können. Grundlage für diese Untersuchungen war ein vorhandener Datensatz zur Wasserdynamik in Feld- und Lysimeterböden. Während sich das Bodenwasser im hügeligen Feldboden räumlich 3-dimenional bewegen kann, ist im Lysimeter nur eine vertikale Bewegung möglich. Aus der Diskrepanz zwischen Lysimeter- und Feldmessung sollten Rückschlüsse auf das Auftreten von präferenziellen und lateralen Flüssen möglich sein. Als zentrales Ergebnis entstand ein Konzept, wie das hydraulische Ungleichgewicht durch eine Entkopplung von Wassergehalt und Wasserpotenzial für die Wasserleitfähigkeit beschrieben werden kann. Dabei kann die Richardsgleichung als Grundlage für die Modellierung der Wasserbewegung erhalten bleiben, sodass das neue Konzept in existierende Software eingebaut werden kann. Dafür wurde ein robustes numerisches Modell entwickelt, das alle wesentlichen Phänomene wie präferenzieller Fluss, Hysterese und hydraulisches Ungleichgewicht in einem Modell reproduziert, was bisher nur mit unterschiedlichen Ansätzen möglich war. Die Zeitreihenanalyse der Abweichungen der Wassergehalte in Lysimetern von denen im Feld zeigte, dass laterale Flüsse insbesondere im Frühjahr und Herbst bei hohen Wassergehalten entlang von Bodenhorizonten mit geringerer hydraulischer Leitfähigkeit vorkommen. Auftreten von lateralen Flüssen konnte in Laborexperimenten an intakten Bodenmonolithen beobachtet werden. Allerdings führte ein hydraulisches Ungleichgewicht in der Hele-Shaw-Zelle nicht zu lateralen Flüssen an Horizontgrenzen wie ursprünglich vermutet. Im Feldversuch konnte eine laterale Verlagerung des Wassertracers lediglich an einzelnen Saugkerzen in Bodenprofilen am Unterhang beobachtet werden. Die Ergebnisse des Projekts tragen insgesamt zur Verbesserung der theoretischen und experimentellen Grundlagen für die Beschreibung der Bodenwasserdynamik bei.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Photogrammetrische Erfassung von Strukturveränderungen der Bodenoberfläche zur Ermittlung des Bodenabtrags mittels SfM an einem Erosionsmesshang, Jahrestagung der Deutsche Bodenkundlichen Gesellschaft 2019 Bern, 22-30 August 2019.
  Ehrhardt, A.; Gerke, H. H. & Deumlich, D.
  
• A robust solution to Richards' equation for complex soil hydraulic models using the Method Of Lines. Copernicus GmbH.
  Mietrach, Robert; Wöhling, Thomas & Schütze, Niels
  
• Changes of soil surface micro-topography determined with Structure-from-Motion photogrammetry, Eurosoil 23-27 August 2021, Geneva (Virtual Congress)
  Ehrhardt, A.; Gerke, H. H. & Deumlich, D.
  
• Modelling non-equillibrium unsaturated flow in soils during sudden pressure head changes by solving Richards' equation with a Method of lines approach. Copernicus GmbH.
  Mietrach, Robert; Wöhling, Thomas & Schütze, Niels
  
• Wavelet Analysis of Soil Water State Variables for Identification of Lateral Subsurface Flow: Lysimeter versus Field Data, ISMC2021 – online conference, 18-22 May 2021, Poster presentation.
  Ehrhardt, A.; Groh, J. & Gerke, H. H.
  
• Wavelet analysis of soil water state variables for identification of lateral subsurface flow: Lysimeter vs. field data. Vadose Zone Journal, 20(3).
  Ehrhardt, Annelie; Groh, Jannis & Gerke, Horst H.
  
• Efficient 1.5-D hillslope model using 1D Richards’ and 1D Boussinesq equations coupled by the Method Of Lines.
  Mietrach, Robert & Wöhling, Thomas
  
• Exploring the feasibility of using the soil temperature to identify preferential and lateral subsurface flows. Vadose Zone Journal, 22(1).
  Ehrhardt, Annelie & Gerke, Horst H.
  
• Lateral and preferential flow identified using wavelet coherence analysis of water content time series in lysimeters and field soil, Jahrestagung der Deutsche Bodenkundlichen Gesellschaft 2022, 03-08 Sep 2022
  Ehrhardt, A.; Groh, J. & Gerke, H. H.
  
• Linking soil structure and soil functions. Invited presentation, Krikham Conference, South Africa, August 2022
  Vogel, H.-J.
  
• Richard's equation revisited; the challenge to reconstruct non-equilibrium field retention data with soil hydraulic models.
  Wöhling, Thomas & Mietrach, Robert
  
• Soil Hydraulic Conductivity in the Stage of Non-Equilibrium. Invited presentation, SSSA International Annual Meeting, Baltimore, November 2022
  Vogel, H.-J.
  
• Tracing lateral subsurface flow in layered soils by undisturbed monolith sampling, targeted laboratory experiments, and model‐based analysis. Vadose Zone Journal, 21(4).
  Ehrhardt, Annelie; Berger, Kristian; Filipović, Vilim; Wöhling, Thomas; Vogel, Hans‐Jörg & Gerke, Horst H.
  
• Wavelet Analysis of Soil Water State Variables for Identification of Lateral Subsurface Flow: Lysimeter versus Field Data . Copernicus GmbH.
  Ehrhardt, Annelie; Groh, Jannis & Gerke, Horst H.
  
• A Field Experiment for Tracing Lateral Subsurface Flow in a Post-Glacial Hummocky Arable Soil Landscape. Water, 15(6), 1248.
  Ehrhardt, Annelie; Koszinski, Sylvia & Gerke, Horst H.
  
• Soil hydraulic conductivity in the state of nonequilibrium. Vadose Zone Journal, 22(2).
  Vogel, Hans‐Jörg; Gerke, Horst H.; Mietrach, Robert; Zahl, René & Wöhling, Thomas
  
• Subsurface preferential flow occurrence and relevance in agricultural hillslopes: experimental evidence. Copernicus GmbH.
  Filipović, Vilim; Ehrhardt, Annelie & Gerke, Horst H.