Verbesserte Vorhersage der Wasserleitfähigkeit in ungesättigten porösen Medien mit einem neuen parametrischen Modell
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Modellierung von Wasser- und Stofftransport in Böden ist ein wesentliches Instrument, um einer Vielzahl von Problemen in den angewandten Bodenwissenschaften zu begegnen. Dazu gehören Forschungen zur Optimierung von Bewässerungs- und Düngungsmanagement sowie die Untersuchung von Versalzungsproblemen. Um das Verhalten von Wasser in Böden zu modellieren wird üblicherweise die Richards-Gleichung verwendet. Die Lösung dieser Gleichung setzt eine genaue Kenntnis der bodenhydraulischen Funktionen, der Retentions- und der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion voraus. Diese Kenntnis beinhaltet sowohl die passenden hydraulischen Modelle als auch die korrekte Parametrisierung dieser Modelle. Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeitsfunktion wird meistens aus der Retentionsfunktion über Porenbündelmodelle vorhergesagt. Die üblicherweise verwendeten Modelle berücksichtigen dabei nur den kapillaren Wasserfluss, nicht aber den Fluss in dünnen Wasserfilmen an Partikeloberflächen. Es gibt starke Hinweise in der Literatur dass dadurch in stärker ungesättigten Böden die hydraulische Leitfähigkeit signifikant unterschätzt wird. Die Fehler durch Vernachlässigung des Filmflusses können also zu falschen Vorhersagen bei der Modellierung von Wasser- und Stoffflüssen im trockenen Bereich führen. Dies gilt vor allem für die Vorhersage von Verdunstung und der Wasseraufnahme durch Pflanzenwurzeln. In diesem F+E-Vorhaben wurde eine verbesserte Beschreibung der hydraulischen Leitfähigkeit im mittleren bis trockenen Feuchtebereich entwickelt, welche die Defizite der herkömmlichen Modelle beseitigt. Dieses neue Modell kombiniert eine einfache Potenzfunktion zur Beschreibung des Filmflusses mit einem beliebigen Kapillarbündelmodell, und kann sehr einfach mit einer beliebigen Retentionsfunktion gekoppelt werden. Durch die simple mathematische Form kann es einfach und effizient in bestehende Codes zur numerischen Simulation von ungesättigten Transportproblemen implementiert werden. Zum Test des Modells wurden 194 Datensätze aus der Literatur, die mit den herkömmlichen Kapillarbündelmodellen unzureichend beschrieben werden konnte, verbessert beschrieben. Das neue Modell konnte sehr gut an diese Daten angepasst werden, wenn es mit der geeigneten Retentionsfunktion gekoppelt wird. Die Ergebnisse sind z.B. für die Abschätzung von Verdunstungsraten aus trocknenden Böden relevant. Wie anhand eines modellierten Verdunstungsszenarios gezeigt wird, kann die Verdunstungsrate von einem austrocknenden Boden bei Vernachlässigung des Filmflusses um mehr als eine Größenordnung unterschätzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008): A simple Model for describing hydraulic Conductivity in unsaturated porous Media accounting for film and capillary Flow, EGU General Assembly, Vienna, 13.-18.4.2008
Peters, A., und W. Durner
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(2008): A simple model for describing hydraulic conductivity in unsaturated porous media accounting for film and capillary flow. Water Resour. Res. 44, W11417
Peters, A., und W. Durner
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(2008): Berücksichtigung von Filmfluss in der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion von Böden, Workshop der DBG-Kommissionen l, VI und Vlll, Kiel, 29.-30.5 2008
Peters, A., und W. Durner
