Das Forschungsvorhaben dient der Untersuchung der Auswirkungen von Deformationsprozessen (Quellung/Schrumpfung, mechanische Belastung) auf die hydraulischen Materialeigenschaften von Böden (Wasserretentionsfunktion und hydraulische Leitfähigkeit). Auch die Inkonsistenzen bei der Bestimmung von Wasserretentionsfunktionen, die sich aus der üblichen Vernachlässigung von Quellung und Schrumpfung ergeben, sollen analysiert werden. Unter den 6 Deformationsfreiheitsgraden kommt der Volumenänderung der offensichtlichste Einfluss auf das Wasserretentionsverhalten zu. Auf der Grundlage von Messungen des Wasserretentionsverhaltens unterschiedlich vorverdichteter Proben unter simultaner Erfassung der Probenvolumina wird die Entwicklung parametrisierter Beschreibungsmodelle der Wasserretentionsfunktion j(h, e) in Abhängigkeit von Saugspannung h und Porenziffer e angestrebt. Dabei soll die am weitesten verbreitete Formulierung der Wasserretentionsfunktion nach van Genuchten (1980) durch die Verwendung porenzifferabhängiger Parameter js(e), jr(e), a(e), n(e) und m(e) erweitert werden. In analoger Weise werden ungesättigte hydraulische Leitfähigkeitsfunktionen unter Erfassung des Probenvolumen bestimmt und porenzifferabhängige Erweiterungen ku(h,e) des Beschreibungsmodells nach Mualem (1976a) und van Genuchten (1980) entwickelt.
Die Prozesse der Wasser- und Stoffbewegung sowie des Gasaustausches in Böden werdenmaßgeblich durch das an die Bodenstruktur gebundene Porensystem gesteuert. Die Funktionalität des Porensystems beruht hierbei sowohl auf den Anteilen unterschiedlicher Porengrößen als auch auf der Geometrie des Porenraumes. Während die Porengrößenverteilung mit bodenphysikalischen Standardmethoden unter der Annahme von Kapillarität quantifizierbar ist, lassen sich die realen Porenformen in ihrer räumlichen Anordnung (u.a. Kontinuität, Bottlenecks, Konnektivität, Tortuosität) nur durch optische Verfahren erschließen. Die präferentiellen Fließwege der Makro- und Grobporen (größer als 50 mym) wurden bereits in zahlreichen Studien in 2D und 3D analysiert. Für die mittleren Porengrößen (0,2 - 50 mym) mit hoher ökologischer Wirksamkeit in ungesättigten Böden liegen jedoch kaum morphologische Informationen vor. In diesem Projekt sollen die Verfahren der Kunstharzeinbettung und der Mikrofokus- Computertomographie (myCT) für eine qualitative und quantitative räumliche Analyse des Porensystems in verbesserter hoher Auflösung (bis zu 1 mym) eingesetzt werden. Die Darstellung der mittleren Porengrößen wird mit der neuesten hochauflösenden Technik der myCT bei gleichzeitiger Differenzierung von Matrix, Wasser und Luft realisiert. Die zu analysierenden Geometrieparameter unterschiedlicher Porengrößen werden mit den Funktionen der Wasser- und Luftleitfähigkeit korreliert. Die Darstellung der Wasserverteilung in realen Poren bei unterschiedlichem Entwässerungsgrad ermöglicht zudem eine Überprüfung der Kapillartheorie, die als allgemeine Grundlage für Wasserverteilung und Wasserfluss vorausgesetzt wird.
General Information: Background: In the Southern European countries there is an enormous lack of water. For agricultural purposes one tries to use the available water as efficient as possible. On the other hand, nutrient solved in the irrigation water may leach into ground and surface water. The objectives are: The objective of the project is to develop and to do research on a new water management method for non-closed crop production systems. It is based on the concept of keeping the water available for plants in the top layer of the soil, where the plant roots are located. Beneath this layer, there will be an inactive soil layer which acts as a buffer between the root zone and the ground water. The topsoil and the ground water will so hydrologically be disconnected. The open crop production system will thus behave as a 'Virtual closed system for water and fertilisers' avoiding excessive use of limited water resources and leaching of fertilisers. Short description of the project: The project will focus on three main targets: - the development of a multi-point, multiple dielectric sensor to measure water tension, water content and electric conductivity - the development of an extensive 2-dimensional hydraulic model for water movement in soil and - the development of 2 algorithms for water management, one for water use efficiency or water conservation and one for minimum leaching. The sensor, model, algorithms and irrigation system will be evaluated under experimental and practical conditions. Prime Contractor: Dienst Landbouwkundig Onderzoek, Institut of Agricultural and Environmental Engineering; Wageningen; Netherlands.
Problemstellung: Die Funktionenvielfalt der Auenlandschaft spiegelt sich in dem dichten Beziehungsgeflecht wider, das aus landwirtschaftlichen Interessen, Anforderungen der Hochwasservorsorge, einer touristischen Nutzung und naturschutzfachlichen Belangen geknüpft ist. Insofern ist die grundlegende Fragestellung, wie der derzeit noch häufig sektoral und ressortspezifisch geprägte Umgang mit den Auenlebensräumen im Bezugsraum langfristig auf die klimainduzierten Rahmenbedingungen eingestellt und zu einem klimaangepassten integrierten Flussauenmanagement weiterentwickelt werden kann, außerordentlich praxisrelevant und exemplarisch für komplexe Problemlagen im Umgang mit Kulturlandschaften. Vorgehensweise: Arbeitspaket hydro(geo)logische Folgen des Klimawandels. Die Untersuchungen im Labor- und Feldmaßstab werden durch numerische Simulationsmodelle für den Bodenwasserhaushalt ausgewertet. Auf diesem Wege werden die bodenhydraulischen Funktionen durch inverse Modellierung parametrisiert. Die dabei ermittelten van Genuchten Parameter werden zur bodenhydraulischen Charakterisierung der Standortgegebenheiten benutzt. Es werden anschließend numerische Prognosen des Bodenwasserhaushalts unter den veränderten Klimabedingungen durchgeführt. Für die veränderten Klimabedingungen werden Szenarien entwickelt, die auf bestehenden Klimaprojektionen basieren. Anhand dieser Szenarien kann unabhängig von zur Zeit vorhandenen Projektionen der Einfluss des Klimawandels in größerem Ausmaß untersucht werden. Ergebnisse: Das Modell Wehninger Werder ist weitestgehend kalibriert, Modelläufe und erste Auswertungen des Referenzzeitraums sind erfolgt - Erste Modellläufe mit Klimaszenarien wurden durchgeführt
Das Projekt dient zur Untersuchung und Beschreibung der Prozesse, die während der intermittierenden Infiltration an AGR und SAT-Standorten innerhalb der ungesättigten Zone ablaufen. (AGR- artificial groundwater recharge, SAT - soil aquifer treatment). Orientierend an den Bedingungen der israelischen SAT-Anlage Shafdan sollen die Transport- und Umwandlungsmechanismen organischer Wasserinhaltsstoffe und einzelner Stickstoffverbindungen im Zusammenhang mit den periodischen Schwankungen der Wassergehalte und des Redoxmilieus untersucht werden. a) Untersuchung der Wassergehalte und Saugspannungen und deren Schwankungsbreiten in verschiedenen Tiefen der ungesättigten Zone während der periodischen Infiltrationen b) Untersuchung der Schwankungen der Redoxpotentiale und der Sauerstoffgehalte im Bodenwasser c) Weitergehende Beschaffenheitsuntersuchungen und Analysen des Bodenwassers innerhalb unterschiedlicher Zustände der Wassersättigung d) Aufklärung der wesentlichen Abbaumechanismen der organischen Wasserinhaltsstoffe und der Randbedingungen und Limitationen während der verschiedenen Phasen der intermittierenden Infiltration e) Aufspüren von Optimierungsmöglichkeiten für verbesserten DOC-Abbau, Verhinderung der Manganmobilisierung in tieferen Schichten, Erhalt und Verbesserung der Infiltrationsleistung.
Die aktuellen Klimaprognosen sagen für weite Teile Baden-Württembergs die Zunahme von Extremwetterlagen und - je nach Standort eine mehr oder weniger starke - Erhöhung des Trockenstressrisikos für Wälder voraus. Um die Auswirkung des sich ändernden Trockenstressrisikos auf Baumwachstum und -vitalität abschätzen zu können, werden Wasserhaushaltsinformationen im kleinräumigen Geländemaßstab benötigt. Die Wasserverfügbarkeit hängt neben den lokalen Witterungsbedingungen von den hydraulischen Bodeneigenschaften und von Dichte, Baumartenmischung und Wurzelraum der Waldbestände ab. Auf lokaler und kleinräumiger Ebene soll die Wasserverfügbarkeit mittels physikalisch basierter Wasserhaushaltsmodelle berechnet werden, in welche diese Standortseigenschaften als Steuergrößen eingehen. Das Trockenstressrisiko, d.h. die Auftretenswahrscheinlichkeit von Wassermangel, wird über statistische Auswertungen aus den modellierten Zeitreihen von Wassergehalten und Saugspannungen abgeleitet. Die Parameter der so ermittelten Häufigkeitsverteilungen von Wasserdefiziten werden durch multiple Regressionsmodelle mit Hilfe kartierter Informationen zu Gelände-, Boden- und Bestandseigenschaften sowie meteorologischen Größen auf größere Landschaften und Regionen übertragen. Letztlich sollen die erstellten Regressionsmodelle verwendet werden, um das Trockenstressrisiko für die gesamten Waldflächen Baden-Württembergs unter den derzeitigen und den für die Zukunft prognostizierten Klimabedingungen abzuschätzen. Die Projektergebnisse sollen Waldbewirtschaftern in Form von Risikokarten zur Verfügung gestellt werden.
Das Eindringen von Frost in Böden wird sowohl bei der natürlichen wie auch bei der künstlichen Bodenvereisung in vielen Fällen von Frosthebungen begleitet. Bei feinkörnigen Böden resultiert der Hauptanteil der Frosthebungen aus der Bildung von Eislinsen, welche aufgrund einer Bewegung des Wassers von ungefrorenen Bodenbereichen hin zur Frostgrenze entstehen. Die Ursache ist die Ausbildung eines Gefriersogs, dessen Entstehungsmechanismen noch nicht eindeutig geklärt sind. Die Beschreibung der Mechanismen ist weiterhin von Bedeutung, da durch die Bildung von Eislinsen auch die bodenmechanischen Eigenschaften des wiederaufgetauten Bodens beeinflusst werden. Zur Analyse des Gefriersogs und der daraus folgenden Eislinsenbildung werden im Labor des Instituts für Bodenmechanik und Grundbau an der Universität der Bundeswehr München Frostversuche unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Mittels der konzipierten Versuchsanlage werden Bodenproben eindimensional gefrostet. Während bei den Versuchen zur Eislinsenbildung eine Wasserversorgung gewährleistet wird, werden die Versuche zum Gefriersog von der Wasserversorgung getrennt, um so bei Frosteindringung die Entwicklung des Gefriersogs aufzuzeichnen. Die Einflüsse aus der mineralischen Zusammensetzung sowie der Kornverteilung der Bodenproben werden durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien untersucht. Die Abhängigkeit von der Auflast sowie vom Temperaturgradienten, von dem Ionengehalt des Porenwassers und der Belastungsgeschichte werden durch entsprechende Variationen erforscht. Das Verhalten der Probe unter Frosteinwirkung wird mittels Erfassung der Verformung, der Temperatur und des Porenwasserdrucks bzw. bei den Versuchen zur Eislinsenbildung der Erfassung der eingesogenen Wassermenge analysiert. Im Anschluss an die Versuche erfolgt eine Bestimmung der Verteilung des Wassergehalts über die Probenhöhe. Darüber hinaus werden Versuche mit Porenwasserüberdruck zur Erzielung höherer Saugspannungen und Versuche mit intermittierender Frostung durchgeführt. Mittels der durchgeführten Versuchsreihen werden die Mechanismen der Gefriersogsausbildung erklärt und die Größe des Gefriersogs quantitativ ermittelt. Das bestehende Modell des osmotischen Drucks zur Beschreibung des Gefriersogs wird durch die Versuche überprüft und hinsichtlich der verschiedenen Abhängigkeiten erweitert. Anhand der erhaltenen Ergebnisse werden die Entstehung der Eislinsen und deren Beeinflussungen in Bezug auf die Bestimmung der Frosthebungen und deren Minimierung formuliert.
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