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Projekt
Theoretische und experimentelle Untersuchung des dynamischen Ungleichgewichts beim variabel gesättigten Bodenwasserfluss auf verschiedenen Skalen- DynSoilWater
Fachliche Zuordnung
Bodenwissenschaften
Förderung
Förderung seit 2026
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566343966
Die Richards-Gleichung (RE) gilt als de facto Standardmodell zur Beschreibung des Wasserflusses in Böden. Sie basiert auf der Annahme eines lokalen Gleichgewichts zwischen Bodenwassergehalt und Bodenwasserpotenzial. Allerdings zeigen Wasserflüsse im Boden häufig sogenannte "dynamische Effekte" oder ein dynamisches Ungleichgewicht (dynamic non-equilibrium, DNE). DNE führt zu einer Entkopplung von Wassergehalt und Wasserpotenzial, zu Relaxationserscheinungen dieser beiden Zustandsgrößen und zu Fehlern bei der Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften von Böden. Derzeit ist es weder möglich vorherzusagen, wann DNE auftritt, noch in welchem Ausmaß es auftritt. Während allgemeinen angenommen wird, dass DNE nur in Laborexperimenten mit schnell wechselnden Randbedingungen auftritt, zeigen unsere Forschungen, dass DNE auch in langsamen Laborexperimenten (z. B. Verdunstung, Transpiration) und unter Feldbedingungen von Bedeutung ist. Ziel dieses Projekts ist es, experimentelle Untersuchungen zum DNE unter verschiedenen Randbedingungen durchzuführen, verschiedene DNE-Modelle zu vergleichen, die konkurrierende Theorien widerspiegeln, und, wenn möglich, ein Modell zu entwickeln, das DNE auf mehreren räumlichen und zeitlichen Skalen effektiv beschreibt. Um diese Ziele zu erreichen, werden wir eine Reihe von Experimenten durchführen, um DNE in verschiedenen Texturen (Sand vs. Lehm), in strukturierten und unstrukturierten Böden (gepackt vs. ungestört), auf verschiedenen räumlichen Skalen (cm, dm und m) und unter verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen. Unser vorrangiges Ziel besteht darin, DNE-Beobachtungen zu verallgemeinern, das Ausmaß von DNE in jedem Experiment zu quantifizieren und moderne Visualisierungstechniken zu nutzen, um die zugrunde liegenden Prozesse besser zu verstehen. Zudem werden wir bestehende Theorien zur Erklärung von DNE und die hieraus abgeleiteten Modelle und deren Vorhersagen des Systemverhaltens vergleichen. Hierzu werden verschiedene DNE-Modelle unter Verwendung moderner, massenerhaltender Verfahren in numerische Codes implementiert. Die Modelle werden um die Hysterese der Retentionsfunktion und eine kürzlich vorgeschlagene Methode zur Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeit unter DNE erweitert. Wir werden sowohl Vorwärts- und inverse Simulationen durchführen, um zu ermitteln, welche Beobachtungen durch die einzelnen Theorien genau erklärt werden können, ob eine Theorie die in allen Experimenten beobachteten DNE-Phänomene erklären kann, und um optimale DNE-Modellparameter zu ermitteln. Durch die Integration der experimentellen Daten, Theorien und Modelle streben wir an, eine verbesserte Theorie zur Beschreibung des Wasserflusses in Böden unter Berücksichtigung von DNE zu entwickeln und die Fehler zu quantifizieren, die durch Anwendung der RE für den Wasserfluss im Feld unter atmosphärischen Randbedingungen und variierenden Grundwasserständen entstehen.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
