Der Austauschfluss zwischen präferenziellen Fließwegen und der Bodenmatrix: von der Poren- zur Kontinuum-Skala mit Tensoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Austausch von Wasser und gelösten Stoffen zwischen Makroporen und Bodenmatrix ist wichtig für die Quantifizierung des präferenziellen Flusses, z.B. zur Vorhersage der Auswaschung von Schadstoffen aus Ackerböden. Bislang fehlt allerdings ein adäquates porenskaliges Verständnis dieses Prozesses. Ziel des Gemeinschaftsprojekts war es, eine neue Klasse von Modellen des Austauschflusses auf der Grundlage physikalisch-basierter porenskaliger Prozesse zu etablieren. Die Gruppe von der RAS (Moskau) arbeitete an der porenskaligen Modellierung des Flusses sowie der stochastischen Rekonstruktion des Porenraumes mittels Bildanalyse von Röntgentomographien (X-CT). Die Gruppe vom ZALF (Müncheberg) charakterisierte Makroporenoberflächen und entwickelte hydro-mechanische Modelle auf Basis der Methodik der diskreten Elemente (DEM) sowie Experimente für simultane 3D X-CT und Neutronentomographie (N-CT) des Wasseraustausches an Proben mit zentraler Biopore. Mechanische Eigenschaften von Proben mit und ohne tonig-organische Auskleidungen von Wurmgängen wurden anhand des Bruchwiderstands indirekt ermittelt. In das DEM Modell der Bodenumgebung eines Wurmganges flossen Dichte- und Partikelinformationen ein, so dass feiner- (Rand) und gröber-körnige (Matrix) poröse Aggregate gebildet werden konnten. Die DEM Modelle wurden mit einem 2-Phasen Poren-Finite-Volume (2PFV) Fließmodell (RAS) gekoppelt, um die Dynamik der Struktur (Rissbildung, Schrumpfung) zusammen mit derjenigen der Wassergehalts-, Potenzial- und Festigkeitsverteilung während der Entwässerung zu beschreiben. Aus porenskaligen Simulationen wurden „effektive“ hydraulische Funktionen in Abhängigkeit des spezifischen Volumens dargestellt. Die simultanen 3D X-CT und N-CT Fluss-Experimente bestätigten den Austausch-hemmenden Effekt der Randschicht für Proben aus dem Bt-Horizont. Der in die Matrix gerichtete Austauschfluss war größer als der (osmotisch induzierte) zur Makropore hin gerichtete Fluss. 2D Neutronen-Radiographien zeigten, dass die Randschicht der Biopore im C-Horizont den Austauschfluss nicht hemmte. Die aus Mini-Infiltrometer-Daten abgeleitete hydraulische Leitfähigkeit der intakten Oberfläche von Wurmgängen aus dem C-Horizont korrelierte nicht mit der potenziellen Benetzungshemmung trotz großer lokaler Heterogenität (Millimeter-Skala). Die geopolitische Lage führte dazu, dass viele mit der RAS Gruppe gemeinsam geplante Arbeiten nicht aus- oder weitergeführt werden konnten, u.a. zu den Austauschkoeffizienten. Das Projekt hat dennoch grundlegend neue Ansätze zur experimentellen Erfassung und Modellierung des Austauschflusses realisiert. Durch hochauflösende Bildanalyse und Simulation der Dynamik der Bodenfestphase besteht künftig die Möglichkeit der Einbeziehung sowohl der lokal verteilten Benetzungshemmung, der Rissbildung sowie der Ableitung von hochskalierten Austauschkoeffizienten für stärker physikalisch-basierte Beschreibungen des präferenziellen Flusses.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Macropore–matrix mass transfer of reactive solutes quantified by fluorescence imaging. Vadose Zone Journal, 19(1).
Haas, Christoph; Leue, Martin; Ellerbrock, Ruth H. & Gerke, Horst H.
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Macropore-matrix flow exchange experiments. Institut Laue-Langevin (ILL)
Barbosa L.A.P., K. Berger, H.H. Gerke, N. Kardjilov & A. Tengattini
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Discrete element modeling of aggregate shape and internal structure effects on Weibull distribution of tensile strength. Soil and Tillage Research, 219, 105341.
Barbosa, Luis Alfredo Pires; Gerke, Kirill M.; Munkholm, Lars J.; Keller, Thomas & Gerke, Horst H.
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Hydro-mechanical coupling to uncover stability and permeability of coated biopore on the pore-scale: the way to improve larger-scale modelling. Porous Media for a Green World: Water & Agriculture. InterPore, 30 May – 2 June 2022. 438
Barbosa, L.A.P., Gerke, K.M. & Gerke, H.H.
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Modelling of soil mechanical stability and hydraulic permeability of the interface between coated biopore and matrix pore regions. Geoderma, 410, 115673.
Barbosa, Luis Alfredo Pires; Gerke, Kirill M. & Gerke, Horst H.
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Shrinkage-swelling effect on mass transfer through a pore-scale model of the biopore - matrix interface coupling Discrete Element and Finite Volume.
Pires, Barbosa Luis Alfredo & Gerke, Horst H.
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Structural heterogeneity of soil clods: Correlating Weibull parameters to fracture surface topography. Geoderma, 428, 116161.
Barbosa, Luis Alfredo Pires & Gerke, Horst H.
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A discrete element model for describing coupled hydro-mechanical processes during drying of soils with coated worm burrows.
Barbosa, Luis Alfredo & Gerke, Horst H.
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Characterization of macropore-matrix mass transfer parameters in two-domain preferential flow models.
Gerke, Horst H.
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Continuum and discrete element modelling for describing coupled hydro-mechanical effects of earthworm burrow coatings on soil shrinkage. Geoderma, 435, 116497.
Barbosa, Luis Alfredo Pires & Gerke, Horst H.
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Upscaling the Effect of Micro Parameters of Worm Burrow Coatings on Soil Shrinkage and Hydraulic Properties Through Coupled Hydro-Mechanical Pore-Scale Modelling.
Pires, Barbosa Luis Alfredo & Gerke, Horst H.
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Coupled hydro‐mechanical pore‐scale modeling of biopore‐coated clods for upscaling soil shrinkage and hydraulic properties. Vadose Zone Journal, 23(4).
Barbosa, Luis Alfredo Pires & Gerke, Horst H.
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Hydraulic characterization of earthworm macropore surfaces using miniaturized infiltration data. Soil and Tillage Research, 236, 105954.
Villarreal, Rafael; Lozano, Luis A.; Salazar, María Paz; Polich, Nicolás G.; Bellora, Guido L.; Ellerbrock, Ruth H.; Pires, Barbosa Luis A.; Gerke, Horst H. & Soracco, C. Germán
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Neutron imaging of exchange flow between biopore and matrix for Bt versus C horizons. Vadose Zone Journal, 23(4).
Barbosa, Luis Alfredo Pires; Lima, Fernando Vieira & Gerke, Horst H.
