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.
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 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.
Das Projekt "Nitratauswaschung unter aufgeforsteten Flächen und Untersuchungen zum Zustand der Versauerung in der Tiefe im Wasserschutzgebiet Thülsfeld" wird/wurde gefördert durch: Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband. Es wird/wurde ausgeführt durch: Technische Universität Dresden, Fachrichtung Hydrowissenschaften, Institut für Grundwasserwirtschaft.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.
Das Projekt "Wie Bodeneigenschaften Prozesse im Boden und an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre beeinflussen - Eine Verknüpfung von Experimenten und Modellierung" wird/wurde gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft. Es wird/wurde ausgeführt durch: Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung.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.
Das Projekt "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" wird/wurde gefördert durch: Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen / Gesellschaft zur Altlastensanierung in Bayern. Es wird/wurde ausgeführt durch: Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Recycling.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?
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.
Das Projekt "GRK 1829: Integrierte Hydrosystemmodellierung" wird/wurde gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft. Es wird/wurde ausgeführt durch: Eberhard Karls Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG), Arbeitsgruppe Hydrogeology.Grundwasser ist weltweit die wichtigste Trinkwasserressource. Seine Menge und Qualität werden u.a. durch nicht nachhaltige Nutzung, diffuse Schadstoffeinträge und Veränderungen der biogeochemischen Verhältnisse beeinträchtigt. Grundwasserschutz erfordert die Betrachtung des gekoppelten terrestrischen Hydrosystems mit Atmosphären- und Landoberflächenprozessen, Oberflächengewässern, der ungesättigten Bodenzone und den Grundwasserleitern im Einzugsgebietsmaßstab. Die zugehörige Prozessbeschreibung ist unsicher, wird durch Heterogenität beeinflusst und unterliegt permanentem Wandel. Für die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasserressourcen unter Klima- und Landnutzungswandel sind Modelle erforder-lich, die alle relevanten hydrologischen und (bio)geochemischen Prozesse als gekoppeltes, wechselwirken-des System simulieren. Solche physikalisch-basierten Modelle finden allmählich ersten Eingang in die Wassermengenwirtschaft. Erweiterungen in Bezug auf Wasserqualität stehen jedoch am Anfang und sind mit Schwierigkeiten auf der konzeptionellen Ebene sowie im Upscaling auf die Einzugsgebietsskala konfrontiert. Die Hauptziele des Internationalen Graduiertenkollegs liegen darin (a) Spezialisten aller relevanten Unterdisziplinen für die integrierte Bewertung und Modellierung gekoppelter Hydrosysteme von den Universitäten Tübingen, Waterloo (Kanada), Hohenheim und Stuttgart zusammenzubringen, (b) Doktoranden in den zugrundeliegenden hydrologischen und (bio)geochemischen Prozessen sowie ihrer Modellierung auf der Einzugsgebietsskala gemeinsam auszubilden und (c) Modellwerkzeuge weiterzuentwickeln, um die Prozesse, welche die Wasserqualität auf der Einzugsgebietsskala bestimmen, unter Berücksichtigung der internen Heterogenität und veränderter Antriebe besser zu verstehen. Das Forschungsprogramm ist in vier Themenbereiche gegliedert: A: Flüsse an der Landoberfläche, B: Biogeochemische Reaktionen in Einzugsgebieten, C: Unsicherheitsbewertung großskaliger Modelle und D: Natürliche Entwicklung von Einzugsgebieten. Das Qualifizierungsprogramm umfasst (i) eine Institutionen übergreifende Betreuung, (ii) obligatorische Forschungs- und Ausbildungsaufenthalte an der Partnerinstitution, (iii) gemeinsame Frühjahrs/Herbstschulen, (iv) die Teilnahme an einem strukturierten Doktorandenprogramm und (v) die Förderung von Schlüsselqualifikationen zur Erhöhung der Arbeitsmarktfähigkeit nach dem Abschluss. Das Qualitätsmanagement beruht auf dem plan-do-check-act Prinzip.
Das Projekt "Forschungsgruppe (FOR) 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons, Hydrogeodäsie - CRNS Tiefenskalierung durch Kombination nichtinvasiver Messverfahren mit unterschiedlicher Integrationstiefe" wird/wurde gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft. Es wird/wurde ausgeführt durch: Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum.Die Dynamik der Wasserspeicherung im Untergrund hat Einfluss auf Abflussbildung, Grundwasserneubildung, Wasserverfügbarkeit sowie Wasser- und Energieflüsse zwischen Boden und Atmosphäre. Im Gegensatz zu punktskaligen Messungen des Wassergehalts in der ungesättigten Zone mit Feuchtesensoren bietet Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS) den Vorteil einer integrativen Messung auf der Feldskala. CRNS-Messungen sind jedoch auf wenige Dezimeter im Oberboden beschränkt, sodass die oben genannten Prozesse nicht ausreichend erfasst werden können. Daher ist es wichtig, die Entwicklung von Verfahren zur Skalierung der CRNS Beobachtungen in größere Tiefen voranzutreiben. Das Ziel des Moduls Hydrogeodäsie in der Forschergruppe Cosmic Sense ist die Extrapolation der CRNS Bodenfeuchte in die Wurzelzone mit Hilfe verschiedener Verfahren der Tiefenskalierung. Wir kombinieren hierzu CRNS mit zwei anderen nichtinvasiven Beobachtungsverfahren, die über einen ähnlichen horizontalen Messbereich (etwa 100 m) aber andere Integrationstiefen verfügen: GNSS Reflektometrie mit einer Integrationstiefe von wenigen Zentimetern und terrestrische Gravimetrie, die über die gesamte vadose Zone integriert. Die Untersuchungsgebiete werden dazu mit allen drei Techniken (CNRS, GNSS-R und Gravimetrie) instrumentiert. Über die Kombination dieser Beobachtungen erstellen wir einen einzigartigen Datensatz: tiefenaufgelöste Bodenfeuchte auf der Feldskala. Der zeitvariable funktionelle Zusammenhang zwischen den Beobachtungen in unterschiedlichen Tiefen wird analysiert und geeignete Ansätze zur Tiefenskalierung der Bodenfeuchte werden getestet und entwickelt. Wir erwarten somit auch einen wichtigen Beitrag für die Extrapolation fernerkundlicher Daten der Bodenfeuchte in größere Tiefen leisten zu können. Mit unserem umfassenden Beobachtungsansatz zielen wir auf ein besseres Verständnis von Wasserflüssen zwischen Grundwasser, Boden und Atmosphäre ab. Des Weiteren trägt das Projekt zu einer Weiterentwicklung verschiedener neuartiger nichtinvasiver Bodenfeuchte-Messverfahren bei. Das Modul Hydrogeodäsie trägt zu den drei übergeordneten Zielen der Forschergruppe wie folgt bei: (1) Herausforderungen der CRNS Messtechnik, hier die variable Integrationstiefe, werden über komplementäre, tiefenaufgelöste Beobachtungsdaten in Zusammenarbeit mit dem Modul Neutronensimulation weiterentwickelt, (2) repräsentative Bodenfeuchtedaten für die Wurzelzone werden über die neu erstellten Verfahren zur Tiefenskalierung und mit hydrologischen Modellen in Kooperation mit den Modulen Grundwasserneubildung und Hydrologische Modellierung ermittelt, (3) Dynamiken einzelner Wasserspeicher werden mit über CRNS hinausgehenden Beobachtungsdaten erfasst: einerseits die oberflächliche Bodenfeuchte und Schneehöhe mit GNSS-R in Kooperation mit den Modulen Fernerkundung und Grundwasserneubildung und andererseits die Variationen der Gesamtwasserspeicherung mit Gravimetrie.
Das Projekt "Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens - Teilprojekt Modellierung" wird/wurde gefördert durch: Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen. Es wird/wurde ausgeführt durch: Universität Erlangen-Nürnberg, Fachbereich IV - Fach Mathematik, Lehrstuhl für Angewandte Mathematik I.Im Rahmen des Teilprojekts Modellierung des Forschungsverbundvorhabens 'Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens' wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das die Ausbreitung und den Abbau von Schadstoffen in der (un-)gesättigten Bodenzone in Form einer numerischen Simulation abbildet. Dazu musste in der ersten Projektphase ein existierendes Simulationswerkzeug (Richy1D) insbesondere um die Beschreibung von natürlichen Abbauvorgängen erweitert werden. Die nötigen Arbeiten auf dem Gebiet der Modellentwicklung resultierten zunächst in Implementierungen von Abbaumechanismen 0. und 1. Ordnung, die bereits lineare, irreversible Reaktionsnetzwerke mit beliebigen Reaktionspartnern abbildbar machen. Derartige Abbauketten sind etwa zur vereinfachten Beschreibung des LHKW-Abbaus weit verbreitet. Die Abhängigkeit der Reaktionsraten von Vorhandensein und Aktivität lebender Organismen, die diese Abbauvorgänge katalysieren, wird vom Monod-Modell widergespiegelt. Dieses wurde formuliert und implementiert für Umsetzungen mit beteiligter Biomasse und zwei Reaktionspartnern, dem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor (sog. 3-Komponentenmodell). Die Berücksichtigung des Konzepts der Redoxzonen, in welchen unterschiedliche Mikrobenspezies agieren und verschieden Abbauwege möglich sind, mündet in der Formulierung eines allgemeinen Monod-Modells mit einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Biomassenspezies, Abbauwegen, Reaktionspartnern und Hemmstoffen. Um schließlich allgemeinste chemische Reaktionsgleichgewichte oder Kinetiken berücksichtigen zu können, wird derzeit an der Realisation eines allgemeinen Mehrkomponentenmodelles gearbeitet. Die Nutzung komplexer Simulationsmodelle für reale Fallstudien stellt hohe Anforderungen an die Datenlage der Standorte. Ein Hilfsmittel zur Gewinnung von Modellparametern stellt die Identifizierung dieser mittels inverser Simulation geeigneter (Säulen-) Experimente dar. Die am Lehrstuhl entwickelte Software wurde hier entsprechend den Anforderungen eines Teilprojekts einem speziellen Experimentdesign, dem sog. Kreislaufexperiment, angepasst. Desweiteren wurde eine neue Parametrisierungsmöglichkeit für die zu identifizierenden Funktionen geschaffen, welche zu verbesserter numerischer Stabiliät führt. Die Funktionen sind nun durch monotone, stückweise kubische Splines darstellbar. Die Identifizierungssoftware ist auch auf die Parameter des 3-Komponenten-Monod-Modells erweitert. Zur Erstellung einer räumlich dreidimensionalen, instationären Wasserhaushalts- und Stofftransportsimulation Richy3D wurden zunächst zweidimensionale Vorarbeiten auf die aktuellste Version des Programmbaukastens ug portiert, was sowohl die Verfolgung adaptiver Rechenkonzepte (variable Steuerung numerischer Parameter wie Zeitschrittweite und Feinheit des räumlichen Gitters) ermöglicht, als auch einen übergang zu parallelen Datenstrukturen bietet. Dazu wurde in weiten Teilen die Diskretisierung ...
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