Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Sinnvolle Konzepte zur Regenwasserbewirtschaftung trennen die Regenabflüsse von gering und stark verschmutzten Flächen. Abflüsse von stärker verschmutzten Flächen bedürfen einer Behandlung, die den örtlichen Anforderungen an den Gewässerschutz entspricht. Die bestmögliche Reinigung und Zwischenspeicherung stärker verschmutzter Niederschlagsabflüsse ist die wesentliche Aufgabe eines Retentionsbodenfilters. Im Forschungsvorhaben sollte ein semizentraler Bodenfilter entwickelt werden, der mit geringem Flächenbedarf eine bestmögliche Reinigung stark verschmutzter Regenabflüsse von Verkehrsflächen leistet. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Nach dem bisherigen Forschungsstand kommt bei der Adsorption von Inhaltsstoffen dem Bodensubstrat in den Bodenfilteranlagen eine entscheidende Rolle zu. Die Auswahl und Entwicklung eines geeigneten Substrates erfolgte in einem dreistufigen Vorgehen. Über einer Literaturrecherche wurden Anforderungen an Bodensubstrate zur Regenwasserreinigung formuliert. Daraufhin wurden in Schüttelversuchen verschiedene Substrate ausgewählt und ihre Adsorptionseigenschaften gegenüber Schwermetallen, PAKs und Mineralölen ermittelt. Ausgehend von diesen Vorversuchen wurden verschiedene Bodenfilteraufbauten entwickelt und in halbtechnischen Lysimetern untersucht. Dazu wurden die Lysimeter in einem einjährigen Messprogramm mit stark verunreinigten Straßenabflüssen belastet. Die Gesamtfrachten an Inhaltsstoffen im Zulauf zu den Lysimetern wurden ermittelt. An Einzelereignissen wurde die Reinigungsleistung der verschiedenen Bodenfilteraufbauten ermittelt. Die Lysimeter wurden mit einer hohen hydraulischen und somit auch stofflichen Belastung beaufschlagt, die über den bisher bei der Bemessung von Bodenfilteranlagen üblichen Belastungen lagen. Aus den Messergebnissen wurden Rückschlüsse für den Einsatz von Bodenfiltern mit hoher hydraulischer Belastung bei beengten Platzverhältnissen gezogen und Empfehlungen für die Bemessung gegeben. Über die Messung der aufgebrachten Feststoffbelastung und der Durchlässigkeit der Lysimeter wurde eine eventuell eintretende Kolmation der Bodensubstrate erfasst. Fazit: Die untersuchten halbtechnischen Bodenfilter (Lysimeter) führten im Untersuchungszeitraum zu einer deutlichen Reduzierung der straßenspezifischen Schmutzstoffe geführt. Aussagen über den Langzeitbetrieb können auch mit einem Stofftransportmodell nicht gemacht werden. Insgesamt führen adsorptionsstarke Substrate zu einem höheren Rückhalt gelöster Inhaltsstoffe (Schwermetalle). Die Empfehlung des ATV-DVWK-Merkblatt 153 zum Einsatz der Bodenfilter zur Straßenentwässerung kann nach den bisherigen Untersuchungen bestätigt werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Belastbarkeit der eingebauten Substrate gegenüber der Chloridbelastung, die bei der Straßenentwässerung als Regelfall anzusehen ist. ...
Das Messnetz "Bodenwasserhaushalt" dient der kontinuierlichen Erfassung der Interaktion zwischen Witterung, Bewuchs und Bodenwasserhaushalt. Es umfasst 21 wägbare Lysimeter mit natürlichen Ackerböden, 5 wägbare Lysimeter mit Böden von der Kippe der ehemaligen Tagebaue Espenhain und Witznitz sowie 2 nichtwägbare Lysimeter im Forst Naunhof. Desweiteren werden am Standort Brandis unterschiedliche Niederschlagsmesser, eine Klimastation und Bulksammler (zur Messung der Gesamtdeposition) betrieben. Die Datenerfassung sowie -auswertung erfolgt derzeit ausschließlich in der UBG (GB3). Arbeitsschwerpunkte der Auswertung sind: - Transport- und Umsatzprozesse in der ungesättigten Zone - Auswirkung von landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsstrategien auf die GW-Beschaffenheit - Klimawandel und Bodenwasserhaushalt - Bereitstellung der Daten für Simulationsmodelle WH-Verfahren.
In Muelldeponien treten Sickerwaesser auf, die das Grundwasser stark verunreinigen koennen. In Lysimetern soll festgestellt werden, wie gross die Filterwirkung von Kies, Sand, Boden und Muellkompost bezueglich der Sickerwaesser ist. Muellkompost fuehrte zu einer erhoehten Verunreinigung des Sickerwassers.
1. Auswaschung von Naehrstoffen (N, P, K, Ca, Mg) aus gedraenten Ackerflaechen, 2. Vergleich der Naehrstoffauswaschung aus 3 Boeden (Loesslehm, Gipskeuper, Urgesteinsverwitterung) mit und ohne Meliorationsduengung an einer Lysimeteranlage, 3. Belastung von Draenwasser bzw. oberflaechennahem Grundwasser durch Naehrstoffe und Schadelemente auf Flaechen, die turnusmaessig mit Klaerschlaemmen, Muellkompost, Guelle und Mist geduengt werden.
Bestimmung des Bodenwasserhaushaltes und der Verdunstung durch Lysimeter bei draenbeduerftigen Bodentypen.
Die Wasserströmung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im Wasserpotenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und -potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung (Wasserpotenzial =0) gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit erheblich reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert: (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasser-ungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.
Unterirdische laterale Flüsse (ULF) treten entlang von verdichteten Schichten in heterogenen ackerbaulich genutzten Hangböden auf und führen zu erhöhtem Pestizid- und Nährstofftransport in angrenzende Gewässer. Besonders für die heterogenen Böden der hügeligen Grundmoränenlandschaft, die große Teile im Norden Deutschlands bedeckt, ist bis heute ungeklärt, wann und wie oft dieses Phänomen auftritt. Im Vergleich zu bewaldeten Gebieten, in denen ULF bereits häufig untersucht wurden, ist wenig über Auslöser und relevante Fließwege für ULF bekannt. Um zu analysieren wann ULF auftritt und welche Bedingungen ULF auslösen werden die Wavelet-Analyse, die Hauptkomponentenanalyse und eine Bodenwasserhaushaltsberechnung auf langjährige Zeitreihen des Wassergehalts in verschiedenen Tiefen von Lysimetern sowie an deren Entnahmestellen auf der CarboZALF-Fläche in Dedelow (NO Deutschland) angewendet. Die Auslöser von ULF werden anschließend mit statistischer Analyse aus den identifizierten ULF-Ereignissen abgeleitet. Um zu überprüfen, ob Pflanzenwurzeln relevante Fließwege für ULF darstellen, werden rechteckige Bodenproben entlang der Pflugsohle entnommen und darin auftretende Fließbewegungen mit Hilfe von Isotopenanalyse erfasst und anschließend numerisch modelliert. In einem Feldversuch wird analysiert, ob ULF eher in Sandlinsen oder in sich darüber befindlichen von Sandbändern durchzogenen Schichten in Hangböden auftreten. Dazu wird ein Bromid-Tracer aufgetragen und die Ausbreitung der Tracerwolke mittels elektrischer Widerstandstomographie (ERT) überwacht. Die Untersuchungsergebnisse werden zu einem verbesserten Prozessverständnis ULF beitragen und die Erfassung von Transportzeiten sowie Fließwegen von Pestiziden und Nährstoffen in hügeligen Ackerböden verbessern. Es soll die Frage beantwortet werden, ob ULF ein relevantes Phänomen für unterirdische Fließbewegungen in heterogenen ackerbaulich genutzten Hangböden darstellen.
Es werden mit einer waegbaren Lysimeteranlage fortlaufend Messungen (Registrierungen) der aktuellen Verdunstung, des Niederschlages und der Grundwasserneubildung durchgefuehrt.
In praxisgerechten Freiland-Lysimetern, die den Einsatz 14C-markierter Wirkstoffe erlauben, sind in den letzten Jahren verschiedene Herbizide, Fungizide und Insektizide auf ihren Abbau und ihre Verlagbarkeit mit dem Sickerwasser untersucht worden. Die bisher erzielten Ergebnisse koennen dahingehend zusammengefasst werden, dass der ueberwiegende Anteil neu entwickelter Stoffe rasch im Boden abgebaut wird und nicht oder nur vereinzelt in Spuren im Sickerwasser zu finden ist.
Tau, Raureif, Nebel, und die Adsorption von Wasserdampf im Boden sind die am wenigsten untersuchten sowie charakterisierten Komponenten und Prozesse des terrestrischen Wasserkreislaufs. Im Rahmen des Projektes REWET werden diese Komponenten und Prozesse für unterschiedliche Agrarökosysteme in humiden Gebieten umfassend quantifiziert und wichtige Beiträge zum Prozessverständnis erarbeitet. Die Komponenten wurden in den meisten Studien, die sich mit der Simulation von Ökosystemprozessen befassen, nicht berücksichtigt, da ihre Messung aufwendig ist und Methoden zur Vorhersage nur begrenzt anwendbar sind. In REWET sollen die Häufigkeit und Dauer des Auftretens dieser Komponenten sowie deren Mengen beispielhaft für acht verschiedene Agrarökosystem bestimmt werden. Die Quantifizierung erfolgt auf Basis von Daten hochpräziser wägbarer Lysimeter sowie zusätzlichen Blattfeuchte- und meteorologischen Messungen. Im ersten Schritt des Projektes sollen die treibenden abiotischen und biotischen Faktoren identifiziert werden, die die Bildung von Tau, Raureif, Nebel, und die Adsorption von Wasserdampf im Boden des jeweiligen Agrarökosystems steuern. Dabei wird erwartet, dass neben den atmosphärischen Bedingungen, die Oberflächentemperatur und die Struktur des Pflanzenbestandes eine entscheidende Rolle bei der Bildung der Komponenten spielt. Die identifizierten Schlüsselfaktoren und Messdaten werden anschließend dazu verwendet, um die Bildungsmechanismen mit dem Two-Source Energy Balance Model TSEB vorherzusagen und zu validieren. Hierbei soll die Implementierung der Oberflächentemperatur und Kalibrierung der Parameter der Landoberflächeneigenschaften (z.B. aerodynamische Wiederstand) helfen, die Prozesse im Model abzubilden. Das Model TSEB verwendet standardmäßig verfügbare meteorologische Parameter und soll zukünftig ermöglichen diese Komponenten auf der Landschaftsebene besser abschätzen zu können. Das Tau- und Nebelwasser wird über ein Jahr lang beprobt, um die Quellen der Tau- und Nebelfraktionen zu identifizieren. Die Isotopenzusammensetzung des Wassers und ihrer Lage zur local meteoric water line unterscheidet sich je nach Herkunft und Bildungsmechanismus der Komponente (z.B. Meer, Verdunstung). Die Kenntnisse zur Herkunftsquelle können dazu beitragen, mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf die Bildung von Tau und Nebel abzuschätzen. Um die Bedeutung von Tau, Nebel oder Wasserdampfadsorption als zusätzliche Komponenten des Wasserhaushaltes für das Pflanzenwachstum zu bestimmen, werden die stabilen Isotope im Pflanzenwasser sowie deren Wasserpotentiale während einer Trockenperiode täglich gemessen. Aufgrund unterschiedlicher Fraktionierungsprozesse kann das Wasser in der Pflanze anhand der Steigung d17O-d18O dem Tau, Nebel oder Bodenwasser zugeordnet werden. Dies kann klären, ob die Pflanzen Wasser direkt über das Blatt aufnehmen und sich damit der Wasserstress in Pflanzen während Trockenperioden vermindert.
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