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Nachhaltiges und klimaangepasstes Wassermanagement im Bergbau der Region des südlichen Afrikas, Teilprojekt 1

Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens, Entwicklung eines Simulationstools zur Prognose der Ausbreitung und des Abbaus von Schadstoffen in der gesättigten und der vadosen Zone

Ziel ist dabei unter anderem, eine Datenbasis für die Modellierung des Schadstoffabbaus und der Schadstoffausbreitung zu schaffen, die in ein sechstes Teilprojekt einfließt. Dieses wird von Mitarbeitern der Professoren Knabner und Rüde bearbeitet und befasst sich standortübergreifend mit der mathematischen Modellierung von Transport-, Rückhalte- und Abbauprozessen mittels moderner und effizienter Verfahren. Für die numerische Simulation wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das belastbare Risikoeinschätzungen liefern soll. Aufgrund der anspruchsvollen Struktur der Probleme - Systeme von gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen - werden auch Techniken der Höchstleistungssimulation eingebracht. An jedem untersuchten Standort soll das Verständnis der im Untergrund ablaufenden Prozesse so vertieft werden, dass nicht nur der momentane Zustand beschrieben werden kann, sondern auch langfristige Prognosen möglich sind. Angesichts von rund 13300 altlastverdächtigen Flächen in Bayern ist es von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, neben der Entwicklung von kostengünstigen und praxisorientierten Technologien zur Altlastensanierung die natürlichen Selbstreinigungskräfte der Umwelt zu nutzen. Um angemessen handeln zu können, brauchen Behörden und andere Entscheidungsträger eine zuverlässige Antwort auf die Frage: Wie groß ist das natürliche Potenzial eines Altlastenstandortes, sich selbst zu reinigen?

Hydrogeologische Profiltypen der ungesättigten Zone

Die hydrogeologische Profiltypenkarte der ungesättigten Zone ist in digitaler Form vorhanden. Untersucht wurde die ungesättigte Zone (Sickerwasserpassage) bis zum Hauptgrundwasserleiter. Ein Schema definiert 10 charakteristische Profiltypen, die in ihrer flächenhaften Verbreitung dargestellt sind. Es wird zwischen Grundwasserleiter (Sand, Kies) und Grundwassergeringleiter (Geschiebelehm, Geschiebemergel, Beckenton usw.) unterschieden. Als Grundwasserniveau dienten die niedrigen Wasserstände aus dem Trockenjahr 1996.

Karte der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung M 1 : 50 000

Die Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung beschreibt flächenhaft das natürliche Potential gegenüber einer Grundwassergefährdung durch das Eindringen von Schadstoffen von der Erdoberfläche durch den Boden und den tieferen Bereich der ungesättigten Zone bis zum Erreichen der Grundwasseroberfläche aus Sicht der geologisch-hydrogeologischen Naturraumausstattung. Unter Grundwasserüberdeckung werden dabei der Boden und der Gesteinskörper über dem obersten zusammenhängenden und für eine Grundwassergewinnung potenziell nutzbaren Grundwasserstockwerk verstanden (DIN 4049). Die vorliegende quantifizierende Methodik folgt einem zwischen den staatlichen Geologischen Diensten der Bundesrepublik Deutschland abgestimmten Konzept, welches sich den zunehmenden Interessenskonflikten im Zusammenhang mit der Nutzung natürlicher Ressourcen aus Sicht der angewandten Geowissenschaften stellt.

Grundwasser: Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone

Grundwasser: Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone Die geometrischen Daten sind im Rahmen des Projektes „Grundwasserflurabstand des Hauptgrundwasserleiters Brandenburg“ 2013 erarbeitet worden. Die Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone wird als lotrechter Abstand zwischen der Geländeoberfläche und der Grundwasserdruckfläche definiert. Für die Regionalisierung wurde auf ca. 14.100 Bohrungen und einem Kriging-Interpolationsverfahren zurückgegriffen. Die Auflösung erfolgte im Raster von 10x10 m. Errechnete Flächen von < 25.000 m2 sind in die umhüllende Fläche eingegangen. Seen mit einer Flächen < 25.000 m2 sind nicht berücksichtigt worden und ebenfalls in die umgebende Fläche aufgelöst worden. Tagebauflächen (Stand 2011) wurden ausgeschnitten. Im Ergebnis der Bearbeitung konnten über 37.700 Einzelflächen in 13 Klassen der Mächtigkeit dokumentiert werden. Davon weisen 31 % der Landoberfläche eine ungesättigte Bodenzone von < 2 m und 50 % von < 5 m Mächtigkeit auf. Grundwasser: Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone Die geometrischen Daten sind im Rahmen des Projektes „Grundwasserflurabstand des Hauptgrundwasserleiters Brandenburg“ 2013 erarbeitet worden. Die Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone wird als lotrechter Abstand zwischen der Geländeoberfläche und der Grundwasserdruckfläche definiert. Für die Regionalisierung wurde auf ca. 14.100 Bohrungen und einem Kriging-Interpolationsverfahren zurückgegriffen. Die Auflösung erfolgte im Raster von 10x10 m. Errechnete Flächen von < 25.000 m2 sind in die umhüllende Fläche eingegangen. Seen mit einer Flächen < 25.000 m2 sind nicht berücksichtigt worden und ebenfalls in die umgebende Fläche aufgelöst worden. Tagebauflächen (Stand 2011) wurden ausgeschnitten. Im Ergebnis der Bearbeitung konnten über 37.700 Einzelflächen in 13 Klassen der Mächtigkeit dokumentiert werden. Davon weisen 31 % der Landoberfläche eine ungesättigte Bodenzone von < 2 m und 50 % von < 5 m Mächtigkeit auf.

Nitratauswaschung unter aufgeforsteten Flächen und Untersuchungen zum Zustand der Versauerung in der Tiefe im Wasserschutzgebiet Thülsfeld

Die Aufforstung von ehemals ackerbaulich genutzten Flächen in den Grundwasser-Einzugsgebieten des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) wird als eine Maßnahme gesehen, die Emissionen aus der ackerbaulichen Bodennutzung dauerhaft zu vermindern. Dies betrifft vor allem Stickstoff in der Form von Nitrat aber auch die Hauptnährstoffe Phosphor und Kalium und die Begleitionen Chlorid und Sulfat. Bei der Anpflanzung von jungen Baumbeständen besteht anfangs nur eine geringer Stickstoffbedarf. Die Stickstoffvorräte des Bodens würden somit noch mehrere Jahre mit ihrem mobilisierten Nitratmengen das Grundwasser belasten. Deshalb muß gleichzeitig, neben der Anpflanzung der Baumbestände, ein Unterwuchs angepflanzt werden, der den überschüssigen Stickstoff des ehemaligen Ackerbodens verwertet. Zu dieser Vorgehensweise hatte sich der OOWV vor einigen Jahren bei der Umwandlung von Ackerflächen entschlossen. Ziel des Projektes ist es, in Sinne einer Erfolgskontrolle, die Entwicklung der Qualität des Sickerwassers unter den aufgeforsteten Flächen zu untersuchen. Dabei soll der Zustand der ungesättigten Zone bis in den Bereich des Kapillarsaumes berücksichtigt werden. Verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von negativen Entwicklungen, wie z.B. Aushagerung vor der Aufforstung oder Kalkung, werden diskutiert.

Wie Bodeneigenschaften Prozesse im Boden und an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre beeinflussen - Eine Verknüpfung von Experimenten und Modellierung

Es ist das primäre Ziel dieses Projektes, Prozesse an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre und deren Einfluss auf die ungesättigte Bodenzone zu analysieren, sowie die Theorie derartigen nicht-isothermen, mehrphasen und mehrkomponenten Prozesse zu verbessern. Hierbei liegt der Hauptfokus auf dem Einfluss von Oberflächenrauheiten und Heterogenitäten auf das Austauschverhalten. Das übergeordnete Ziel ist es, neue und validierte physikalische und mathematische Modelle zu entwickeln. Diese Modelle sollen mithilfe von umfassenden experimentellen und numerischen Analysen auf verschiedenen örtlichen und zeitlichen Skalen erstellt werden. Das Projekt hat vier Hauptziele:1. Hochauflösende Laborexperimente sollen auf verschiedenen Skalen (0,25-8m) durchgeführt werden, um neuartige Datenreihen zu erstellen, die aktuell nicht verfügbar sind. Dazu werden Experimente in einem Boden-Atmosphären Windkanal, dem Einzigen seiner Art, durchgeführt in denen die Eigenschaften der freien Strömung, der Bodenoberfläche und des Bodens variiert werden.2. Auf der Intermediate Skala werden Freifeldversuche unter dynamischen Randbedingungen durchgeführt um (i) die theoretischen Beschreibungen unter dem Einfluss von natürliche Heterogenitäten (z.B. Aggregaten) zu testen (ii) den Einfluss von tagesgang-abhängigen Triebkräften (z.B. Windgeschwindigkeit) zu analysieren und (iiI) zu untersuchen wie die Heterogenitäten am besten auf unterschiedlichen Skalen integriert werden können und wie diese die Austauschprozesse beeinflussen.3. Mit Hilfe dieser experimentellen Daten werden detaillierte numerische Simulationen auf der Darcy Skala (wenn notwendig mit der Forchheimer Erweiterung) benutzt, um zu analysieren ob es notwendig ist, die freie Strömung und deren Grenzschichteffekte für Masse, Impuls und Energie in aktuelle Modelle zu integrieren.4. Die Theorie für Massen-, Impuls- und Energieaustauschprozesse zwischen der Atmosphäre und dem Boden soll verbessert werden. Das beinhaltet Verdunstung, Kondensation, Strahlung und Transport von Komponenten, wie flüchtigen Komponenten in der Gasphase (VOC) oder stabilen Wasserisotopen, unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Materialgrenzflächen. In einem zweiten Schritt sollen vereinfachte Modelle mit effektiven Parametern, basierend auf der integralen Betrachtung von Strömungs- und Transportprozessen, entwickelt, erweitert und getestet werden. Diese Modelle sollen die Effekte auf den unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen wiedergeben.

Nachhaltiges und klimaangepasstes Wassermanagement im Bergbau der Region des südlichen Afrikas, Teilprojekt 8

Nachhaltiges und klimaangepasstes Wassermanagement im Bergbau der Region des südlichen Afrikas, Teilprojekt 2

Forschergruppe (FOR) 2131: Datenassimilation in terrestrischen Systemen; Data Assimilation for Improved Characterisation of Fluxes across Compartmental Interfaces, Teilprojekt: Darstellung von Bodeneigenschaften und Topographie auf groben Gittern in großskaligen, voll gekoppelten Untergrund-Landoberfläche-Atmosphäre Modellen

Projekt P5 hat die Zielstellung, das Bodenkompartiment im voll gekoppelten Modell eines Wassereinzugsgebiets, das in der Datenassimilationsplattform der Forschergruppe verwendet wird, möglichst gut abzubilden. Weiterhin soll die Bedeutung des Bodenkompartiments in multivariater Datenassimilation soll untersucht werden. In Phase I wurde die ungesättigte Zone auf relativ kleinen Längenskalen und als entkoppeltes System betrachtet. In Phase II wird die Rolle der ungesättigten Zone im voll gekoppelten System betrachtet. Insbesondere soll die Kopplung zu Fließgewässern, Grundwasserleitern und der Landoberfläche untersucht werden. Das Projekt beschäftigt sich mit der Frage der Darstellung des Bodenkompartiments angesichts der Problematik, dass sich Beobachtungsvolumina von den Gitterzellen des Modells unterscheiden und dass die Bodeneigenschaften und die Landnutzung im Modell geglättet dargestellt werden. Neben anderer Fragen die sich mit im Modell nicht abgebildeter Struktur beschäftigen, soll untersucht werden, wie Strömung in Hängen im Modell gut abgebildet werden können, für die die Topographie im Modell geglättet wird. Neben der Abbildung des Bodenkompartiments im Datenassimilationsmodell ist ein weiterer Schwerpunkt die Untersuchung der Frage, wie Beobachtungen im Boden Modellvorhersagen in anderen Kompartimenten verbessern können und wie Beobachtungen in anderen Kompartimenten Modellvorhersagen von Zustandsvariablen und Flüssen im Boden verbessern können. Dies soll anhand multivariater Datenassimilation in Kollaboration mit den Projektpartnern untersucht werden.

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