Thermohydraulische Prozesse während der Wasserinfiltration in gefrorenen Boden mit Auswirkungen auf Geogefahren unter dem Einfluss des Klimawandels

Description: Der Klimawandel betrifft die Hydrologie in alpinen Regionen in besonderem Maße durch Temperaturanstieg, mehr und intensiveren Regenereignissen, auch während der Wintermonate. Diese Veränderungen führen zu vermehrten Naturgefahren wie übermäßigem Oberflächenabfluss und Murenabgänge. Einer der Gründe für solche Ereignisse ist eine reduzierte Infiltrationskapazität des (teil-)gefrorenen Bodens. Wenn Regen- oder Schmelzwasser nicht ausreichend infiltrieren kann, induziert der Oberflächenabfluss eine Bodenerosion, was zu Murenabgängen führen kann. Wenn Wasser entlang präferentieller Fließwege in tiefere Schichten infiltriert und zwischen gefrorenen Schichten der Porendruck steigt, so kann dies zu mechanischem Versagen des Hanges führen. Durch signifikanten Oberflächenabfluss findet kaum Grundwasserneubildung statt und die puffernde Wirkung des Grundwasserkörpers entfällt. Dies ist besonders für Regionen, in denen Schnee- und Gebirgswasser wesentlich zum Grundwasserhaushalt beitragen von großer Bedeutung. In diesem Projekt wird die thermo-hydraulische Wechselwirkung zwischen infiltrierendem Wasser und Boden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt untersucht. Dazu werden hochentwickelte Modellansätze, numerische Simulationswerkzeuge, sowie Versuche im Labor wie im Gelände eingesetzt. Präferentielle Fließwege, z.B. Makroporen durch Wurzelwachstum oder Wurmlöcher, im Boden sind dabei wesentlich, denn sie ermöglichen eine schnellere Infiltration des Wassers in den Boden und weisen zudem eine anderes Einfrier- und Auftauverhalten auf als kleine Poren der Bodenmatrix. Das Verständnis des Einflusses von Makroporen auf das Gefrieren und Schmelzen von Wasser während der Infiltration ist daher wesentlich für jede weitere Analyse. Wasserinfiltration wird durch die Temperatur der beteiligten Phasen bestimmt. Das infiltrierende Wasser ist wärmer als der Gefrierpunkt, während der Boden gefroren ist. Die Temperaturentwicklung der einzelnen Phasen hängt vom Wärmeübertrag zwischen den Phasen ab. Da Wärmeübertrag und hydraulischer Fluss stark gekoppelt und zudem rund um den Gefrierpunkt sehr dynamisch sind, bedarf es besonderer Sorgfalt bei der theoretischen Beschreibung des thermohydraulischen Verhaltens. Mit einem tiefgreifenden Verständnis vom Einfluss präferenzieller Fließwege und dem Wärmeübertrag zwischen den beteiligten Phasen können spezifische geologische und meteorologische Gegebenheiten identifiziert werden, welche entweder extremen Oberflächenabfluss oder Hangversagen verursachen. Dieses Wissen kann in der Vorsorge als auch im Grundwassermanagement alpiner Gebiete Anwendung finden.

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Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Ackerrandstreifen ? Regen ? Grundwasserneubildung ? Vegetation ? Fluss ? Wassertemperatur ? Erosion ? Oberflächenabfluss ? Temperaturentwicklung ? Bodentemperatur ? Hydrogeologie ? Grundwasserbewirtschaftung ? Evolution ? Grundwasserkörper ? Hydrochemie ? Limnologie ? Regen ? Siedlungswasserwirtschaft ? Grundwasser ? Schmelzen ? Alpen ? Klimafolgen ? Naturgefahr ? Hydrologie ? Klimawandel ? Geologische Gefahr ? Fluss ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Bavaria Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 11.5° .. 11.5° x 49° .. 49° 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Bochum, Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik, Arbeitsgruppe Hydrogeologie (Projektverantwortung)
• Universität der Bundeswehr München, Institut für Wasserwesen, Professur für Hydromechanik und Wasserbau (Projektverantwortung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-10-02

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Thermohydraulic Processes during Water Infiltration into Frozen Soil with Implications for Geohazards under a Changing Climate
  Description: Climate change is affecting mountainous hydrology with temperature increase above the global mean, as well as with more frequent and heavier rain events also during winter months. These changes will dramatically increase the number of disastrous natural hazards, such as extensive surface runoff and debris flow. One of the reasons for such events is a limited infiltration of water into (partly) frozen soil. If precipitation accumulates, surface runoff occurs on slopes, which might develop into debris flow due to soil erosion. Water infiltrating between frozen layers through preferential pathways can lead to increased pore pressures triggering slope failure. Further, surface runoff limits groundwater recharge and eliminates the important buffering effect of groundwater reservoirs. Snowmelt and precipitation in the mountains are a crucial contribution to groundwater resources in many parts of the world, also in Europe. In this project, the thermohydraulic coupling between infiltrating water and the soil at sub-zero temperatures will be investigated using advanced modeling and experimental methods in the laboratory as well as at a field site. Preferential pathways, such as macropores caused by vegetation or animal activity, in the soil are critical for water infiltration because they allow a faster infiltration of the water towards greater depth and show a different freezing behavior (freezing from the outside towards the inside of the macropore) than small micropores (ice growing from the inside of the pore), of the soil matrix. Understanding the influence of macropores on the freezing and melting of water during infiltration is, therefore, crucial for any further assessment. During water infiltration into frozen soil, the hydraulic behavior is controlled by the thermal state of the involved phases. In the case of liquid water infiltration into frozen soil, the infiltrating water has temperatures above the freezing point. On the other hand, the soil grains and the pore-filling have temperatures below the freezing point. The thermal evolution of the separate phase temperatures is described by heat transfer between the phases, which is challenging to describe and quantify due to various dependencies because water flow and heat transfer are strongly coupled and highly dynamic around the temperature of phase transition. The temperature difference between soil and infiltrating water is therefore suspected to have a major influence on the progression of freezing or thawing of the soil. With an understanding of the role of macropores and the thermo-hydraulic evolution of the system, specific environmental and meteorological conditions can be identified, at which either extreme surface runoff or slope failure might occur. This knowledge might influence hazard mitigation measures as well as groundwater management in regions that depend on mountainous water resources. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138755

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/518478532 (Webseite)

Status

Aktiv

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