Der Austauschfluss zwischen präferenziellen Fließwegen und der Bodenmatrix: von der Poren- zur Kontinuum-Skala mit Tensoren

Description: Der präferenzielle Fluss stellt noch immer eine große Herausforderung für die quantitative Beschreibung der Wasserbewegung und des Stofftransports in strukturierten Böden dar. In empirischen Modellen auf Basis phänomenologischer Ansätze wird der Boden meist in Fließregionen für Makroporen und poröse Matrix eingeteilt, wobei der Austauschfluss zwischen den Fließregionen eine Schlüsselkomponente darstellt. Allerdings lassen sich einige Aspekte des präferenziellen Flusses ohne physikalisch-fundiertes Verständnis der porenskaligen Prozesse nicht erklären. Problematisch sind Annahmen über die Beschreibung der Wasserbewegung in Makroporen und in den heterogenen Poren der umgebenden Matrix für den Austauschfluss. Das Ziel ist, Grundlagen für eine neue Klasse von bodenphysikalischen Modellen zu erarbeiten, in denen stärker physikalische, Porenskala-basierte Beschreibungen des Makroporen- und Austauschflusses einfließen; und zwar durch Einbeziehung räumlich verteilter Benetzungs- und richtungsabhängiger Fließeigenschaften (als Tensoren). Wasser-Austauschkoeffizienten sollen explizit aus porenskaligen Simulationen berechnet werden. Die Bedingungen für das Auftreten von nicht-laminaren Effekten beim Makroporenfluss sollen mittels Navier-Stokes Gleichungen berechnet werden. Zur Hochskalierung sollen „Transferfunktionen“ entwickelt und in bodenhydrologische Kontinuums-Modelle eingebaut werden. Diese nun stärker physikalisch-basierten Kontinuums-Modelle sollen mit Richards-basierten und Mehr-Regionen Modellen mit individuellen Makroporen verglichen werden. Das Gemeinschaftsprojekt verknüpft die Modellierung auf Poren- und Kontinuums-Skala mit einer experimentellen Validierung. Die beiden Gruppen vom RAS (Moskau) und ZALF (Müncheberg) arbeiten gemeinsam an Markierungsexperimenten zum Einsatz von fluoreszierenden Stoffen (Uranin) und am Vergleich von Mehr-Regionen mit porenskaligen Modellen; es werden vorhandene Daten von Bodeneigenschaften und zum präferenziellen Fluss verwendet sowie Techniken zur Bildauswertung von Uranin-Perkolationsversuchen zur Markierung des Austauschflusses erarbeitet.Die Gruppe von Dr. Kirill Gerke (RAS) arbeitet an stochastischer Rekonstruktion, um Tensor-Eigenschaften (Porenskala) zu berechnen, simuliert Wasserflüsse und leitet Funktionen zur Hochskalierung der Ergebnisse ab. Die Gruppe von Dr. Horst H. Gerke (ZALF) arbeitet experimentell und mit konventionellen numerischen Dual-Kontinuums-Modellen. Beide Teams werden bisherige Studien gemeinsam neu interpretieren und dabei die auf der Porenskala gewonnenen Ergebnisse einfließen lassen. Die Modellergebnisse zum Makroporen-Matrix Austauschfluss sollen dazu beitragen, die porenskaligen Effekte auf den präferenziellen Fluss in wasserungesättigten Böden besser zu verstehen. Als Ergebnis erwarten wir stärker physikalisch-basierte Transferfunktionen, mit denen diese Effekte zur Verwendung in makroskopischen Modellen hochskaliert werden können.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Fluss ? Moskau ? Tracer ? Bildverarbeitung ? Bodenkunde ? Studie ? Modellierung ? Arbeit ? Soil Sciences ?

Region: Brandenburg

Bounding boxes: 13.01582° .. 13.01582° x 52.45905° .. 52.45905°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V. - Programmbereich 1 Landschaftsprozesse, Arbeitsgruppe Hydropedologie (Projektverantwortung)
• Russian Foundation for Basic Research (Mitwirkung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2020-01-01 - 2023-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: The exchange flow between preferential flow paths and matrix in soils: from pore to continuum scale with tensors
  Description: Preferential flow still poses a great challenge when trying to quantitatively describe water and solute movement in structured soils. Empirical models are based on phenomenological approaches that consider flow domains for the macropore network and the porous matrix and as a key component the exchange between domains. However, many aspects of preferential flow cannot be explained without a physically adequate pore-scale understanding of both, the flow within macropores and the flow exchange between preferential flow paths and the soil matrix. Problems include the use of the continuum-assumption for the macropore system and flow in highly heterogeneous pores with spatially variable local properties. The objective is to create a foundation for novel class of digital soil physics models with explicit preferential flow where exchange fluxes with soil matrix are informed by pore-scale physics with accounting for spatially heterogeneous wettability and tensorial flow properties of soils for non-scalar and off-diagonal terms. Flow exchange coefficients will be explicitly calculated based on the pore-scale simulations. Conditions for the occurrence of non-creeping flow effects in larger macropores will be studied by using Navier-Stokes equations. Finally, more physically-based soil hydrological continuum models will be developed, which are based on results of pore-scale simulations used to derive "functions" for upscaling pore-scale flow in macropores and flow-interaction with porous matrix. For comparison, Richards-based models and individual fracture models will be used. This project will analyze available preferential flow observations and breakthrough data and intends to improve fluorescence dye tracing techniques for quantification of the flow exchange for testing the pore scale modelling. The collaborative project combines pore and continuum scale modeling with experimental validation. The two groups from RAS (Moscow) and ZALF (Müncheberg) collaborate with respect to fluorescence tracer experiments, dual-continuum model evaluation, and comparison of pore-scale with multi-domain approaches. Available soil data, preferential flow observations, and staining imaging will be used; additional Uranine tracer techniques developed. The group of Dr. Kirill Gerke will carry out pore-scale analyses for a stochastic reconstruction to compute tensorial properties, pore-scale flow simulations, and to derived functions for upscaling. The group of Dr. Horst H. Gerke (ZALF) focusses on experimental and tracing and conventional dual-continuum modeling. Both German and Russian groups will finally re-interpret previous studies to obtain improved knowledge on preferential and exchange flow based on pore-scale information. The improved modelling may help explaining preferential flow in unsaturated soils as a pore-scale effect and upscaled by transferring and comparison into larger scale models. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140371

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/429630843 (Webseite)

Status

Aktiv

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