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s/vadoze zone/Vadose Zone/gi

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Research group (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

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.

Transfer langlebiger Radionuklide aus der vadosen Zone in die Rhizosphäre und deren Aufnahme in Pflanzen unter Berücksichtigung mikrobiologischer Prozesse

Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse, Teilvorhaben 4: Klima-Wachstumsbeziehungen, Wasserspeicher ungesättigte Zone und Grundwassereinfluss

Hauptziel von TV4 ist die Untersuchung verschiedener Hauptbaumarten in Bezug auf ihre Reaktion auf klimatische Extremereignisse. Dazu werden in Kooperation mit der RWTH Aachen durch dendrochronologische Messungen langfristige Klima-Wachstumsbeziehungen ermittelt und mit hochfrequenten physiologischen Messungen am Baum sowie Messungen der Wasserspeicheränderungen im Untergrund kombiniert. Zur Erklärung der beobachteten Reaktionsmuster werden verschiedene Standortfaktoren und Umweltparameter herangezogen. Dabei werden Klima, Boden und Topographie genauso berücksichtigt wie die Bestandshistorie, Bestandes-Charakteristika und Managementfaktoren. Schwerpunkte bei der Analyse der Reaktionen der verschiedenen Baumarten werden in TV4 auch insbesondere in der Untersuchung des Einflusses der unterirdischen Wasserspeicher, ihrer räumlichen Variabilität und Dynamik liegen. Ein Arbeitspaket befasst sich hier mit dem Einfluss des Grundwasserflurabstandes auf Wachstum und Stressreaktionen der Baumarten. Dazu eignet sich das Untersuchungsgebiet im Müritz Nationalpark besonders, da hier auf geringen Distanzen sehr unterschiedliche Flurabstände auftreten. Zusätzlich ermöglicht das experimentelle Design auch den Vergleich verschiedener grundwasserferner Standorte um den Effekt des Baumbestandes, d.h. Reinbestand gegenüber Mischbestand genauer zu untersuchen. Unterstützend wird die Tiefenverteilung der Wurzelwasseraufnahme aus der Dynamik der Bodenfeuchtedaten ermittelt. An Standorten mit intensiver Instrumentierung zur Bodenfeuchte und Saugspannung werden die räumlichen Verteilungen der Bodenfeuchte (lateral und vertikal) im Kontext der Waldbestände ausgewertet. Diese dynamischen räumlichen Muster werden den hochaufgelösten Wachstums- und Stressreaktionen der Bäume gegenübergestellt. Die direkte Gegenüberstellung sowie die lokalen meteorologischen Beobachtungen ermöglichen dann die Ermittlung von kombinierten hydropedo- und hydrometeorologischen Schwellenwerten der Stressreaktion.

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.

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

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 1

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur dichtegetriebenen Einlösung von CO2 und damit verbundener Lösung von Karbonaten in Karstwasser

Die Rolle dichtegetriebener CO2-Einlösung in Karstsystemen ist bislang nicht gut verstanden. Es ist bekannt, dass in Wasser gelöstes CO2 die Verkarstung antreibt, und dass dieses CO2 zu einem wesentlichen Teil biogenen Ursprungs ist; produziert von Mikroorganismen im Boden oder durch Wurzelatmung. Karbonatlösung findet vorwiegend oberflächennah statt. Niederschlagswasser, welches durch die ungesättigte Bodenzone sickert und mit CO2 angereichert wird, führt zu sogenannter Denudation (Absenkung der Landoberfläche). Aber warum wachsen Hohlräume auch tief im Innern des Gesteins? Der erste Erklärungsansatz ist die Mischungskorrosion, welche darauf beruht, dass beim Zusammentreffen zweier unterschiedlicher Wasserströme immer ein kalkaggressives Mischwasser entsteht. Der zweite Mechanismus beruht auf nichtlinearer Lösungskinetik, wobei angenommen wird, dass Wasser einen Teil seiner „Lösungskraft“ bis tief ins Gestein hinein behält. Unsere neue These behandelt einen zusätzlichen, dritten, und bislang unterschätzten Mechanismus, der Wasserkörper mit CO2 anreichern kann: dichtegetriebene Einlösung. In einem jüngst publizierten Artikel konnten wir zeigen, dass dichtegetriebene Einlösung am Karstwasserspiegel ruhende Wasserkörper mit CO2, und damit mit neuer „Lösungskraft“, anreichern kann, und zwar auf einer Zeitskala von Wochen bis Monaten. Was bislang aufgrund von enormer Komplexität nicht untersucht wurde, ist das reaktive Transportsystem infolge der Interaktion von dichtegetriebener CO2-Einlösung mit Kalkgestein. Dichtegetriebene CO2-Einlösung findet zum Beispiel in einer Kluft von gegebener Öffnungsweite statt. Diese Öffnungsweite beeinflusst die Strömung und wächst durch Karbonatlösung an, wodurch ein womöglich selbstverstärkender Prozess mit weiterer Einlösung in Gang kommt. Übergeordnet soll dieses Projekts dazu beitragen, die Rolle dichtegetriebener CO2-Einlösung im Vergleich zu bereits bekannten Mechanismen der Mischungskorrosion und der nichtlinearen Lösungskinetiken besser zu verstehen. Um deren Interaktion auf geologischen Zeitskalen zu verstehen, ist einzig die Modellierung zweckdienlich, validiert mit anspruchsvollen, gut kontrollierten Labor- und Feldexperimenten. Das numerische Modell löst die Navier-Stokes-Gleichungen, wobei die Dichte abhängig von den Konzentrationen der gelösten Komponenten ist. Die Validierung des Modells soll die Kopplung von reaktiver Strömung, angetrieben durch dichtegetriebene Lösung im Kalk-Kohlensäure-System, mit dadurch verursachter Morphologieänderung der Kalkgesteinsoberflächen berücksichtigen. Zusammengefasst sollen- numerische Modelle durch systematische Validierung der Simulationsplattform DuMux mit Daten aus kontrollierten Experimenten verbessert werden.- CO2-Eintragsraten in Karstwasser infolge von dichtegetriebener Einlösung und Reaktion an Kalkgesteinsoberflächen quantifiziert werden.- die entsprechenden Karbonatlösungsraten und die Veränderungen auf der Kalkgesteinsoberfläche quantifiziert werden.

Skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell für Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüftet-porösen Medien

Das Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines partikel-basierenden skalenübergreifenden Modells zur Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten Klüften und angrenzender poröser Matrix. Die Beschreibung von Strömung- und Transportprozessen in ungesättigten geklüftet-porösen Medien stellt immer noch große Herausforderungen an die Wissenschaft, ist jedoch in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung wie z.B. im Zusammenhang mit der Quantifizierung der Infiltration durch mächtige ungesättigte Felsmaterialien (Endlagerforschung), mit der Prognose der Grundwasserneubildung durch geklüftete Festgesteine und Aquifervulnerabilität. Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüfteten Grundwasserleitern werden häufig durch ihre heterogene Geometrie und hohen Kontraste in den hydraulischen Eigenschaften dominiert. Strömungen in ungesättigten Klüften sind aufgrund des komplexen Zusammenspiels von Gravitations-, Trägheitseffekten, Kapillarkräften, Oberflächenspannung, Benetzungsdynamiken und der hochvariablen Kluftgeometrie schwer zu prognostizieren. Laborexperimente und numerische Modelle sind häufig eine der wenigen Möglichkeiten die höchst nichtlinearen Strömungsprozesse und den Effekt der Wechselwirkung an komplexen Mehrphasengrenzflächen innerhalb der Klüfte zu erfassen. Insbesondere starke Deformationen der Grenzflächen können mit grid-basierenden Modellen nur unter hohem Aufwand umgesetzt werden. Eine einfachere Methode zur Simulation bieten jedoch partikel-basierte Methoden. Freie Oberflächen und Phasengrenzen bewegen sich hierbei mit den Partikeln, so dass keine komplexen front-tracking Algorithmen notwendig sind.In der Regel sind Kluftsysteme in eine poröse Matrix eingebettet, die in Modellierungsansätzen explizit erfasst werden muss. Die Kluft-Matrix Grenzfläche bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der porösen Matrix, die als Hauptspeicher wirkt, und den Klüften, welche die dominierende hydraulische Verbindung durch die ungesättigte Zone bilden. Um die Verknüpfung dieser beiden Komponenten auf Prozessebene simulieren zu können sind skalenübergreifende Modellansätze notwendig. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll ein skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell entwickelt werden. Die ungesättigte Strömung und der Transport innerhalb der porösen Matrix soll durch klassische Ansätze (Richards) abgebildet und mit den hochdynamischen Strömungs- und Transportprozessen (z.B. adsorbierte Filme, Tropfen, Rinnsäle) auf den Kluftoberflächen gekoppelt werden. Das Modell wird in ein einzigen numerisches Framework eingebunden, so dass Kopplungsmethoden vereinfacht und unterschiedliche Lösungsalgorithmen vermieden werden. Das Modell wird durch numerische Experimente und Laborexperimente validiert und eingesetzt um Effekte komplexer ungesättigter Kluftströmung auf Befeuchtungs- und Transportdynamiken an der Kluft-Matrix-Grenzfläche quantitativ und physikalisch basiert beschreiben zu können.

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?

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