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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.

Ökohydrologische Konnektivität zwischen Bäumen und der Kapillarzone - Schlüsselfunktion für die Trockenheitsresilienz Europäischer Wälder?

In den vergangen 20 Jahren kam es in Mitteleuropa zu einer Häufung hydrologischer Dürreereignisse, ein Trend, der sich in Zukunft weiter verstärken wird. Bereits jetzt gelten die im Vergleich zu Mittelwerten extrem trockenen vergangenen Jahre als eine der Hauptursachen für den sich systematisch verschlechternden Zustand der Wälder in Mitteleuropa. Eine allgemein akzeptierte Annahme ist, dass tief verwurzelte Bäume solchen Dürreereignissen besser standhalten können. Das prozessbasierte Verständnis in Bezug auf die Nutzung von tief liegenden Wasserressourcen und deren Nutzung durch Vegetation ist jedoch stark limitiert. Tiefes Bodenwasser (> 1 m) wird häufig vernachlässigt oder vereinfacht betrachtet. Zentrales Ziel unseres Projektes ist es daher, raumzeitliche Dynamiken und Rückkopplungen zwischen Niederschlagsinfiltration und Grundwasserneubildung sowie kapillarem Aufstieg zu quantifizieren. Wir werden die Wasseraufnahme von typischen europäischen Waldbäumen (Buche, Eiche, Fichte) mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien und Wurzeltiefen untersuchen und dabei zwischen Bäumen mit I) direktem Zugang zu Grundwasser, II) Kontakt zur Kapillarzone oberhalb des lokalen Grundwasserspiegels und III) solchen, ohne direkte Verbindung zum Grundwasser/der Kapillarzone haben, aber ein tiefes Wurzelsystem zur Nutzung der in der ungesättigten Zone gespeicherten Wassers besitzen und IV) flachwurzelnden Bäumen. Unsere Hypothese ist, dass die Aufrechterhaltung der Konnektivität zur Kapillarzone für einige Arten eine kritische Komponente der Trockenheitstoleranz ist, deren Bedeutung aber abhängt von I) klimatischen und geomorphologischen Bedingungen, die die raumzeitliche Dynamik dieser Verbindung definieren (Dürredauer, Pufferkapazität der Kapillarzone) und II) Artenspezifischen Dürreanpassungen (Wurzeltiefen, adaptives Wurzelwachstum, Grad der Isohydrie) ab. Um die Auswirkungen der Vegetationskonnektivität zur Kapillarzone auf die Baumgesundheit sowie den Wasserkreislauf vollständig zu verstehen, verwenden wir eine Kombination aus ökohydrologischen, pflanzenphysiologischen, geophysikalischen und modellbasierten Ansätzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist der Einsatz einer neuartigen Messmethodik zur kontinuierlichen Erfassung stabiler Wasserisotope. Daraus resultierende Datensätze mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung der Wasser Isotopie des Boden, des Xylem und des atmosphärischen Wasserdampfes werden durch Sauerstoffisotope- und Phloem-Kohlenstoffisotopendaten von Jahrringen ergänzt. Diese Kombination ermöglicht uns Rückschlüssen auf die aktuelle Konnektivität verschiedener Baumarten zu verschiedenen tief liegenden Wasserpools und sowie die neuartige Möglichkeit zur Analyse historischer Dürreereignisse. Anschließend wird das isotopenfähige SVAT-Modell MuSICA mit dem parametrisiert, um den Zusammenhang zwischen Tiefenwasseraufnahme und der Baumgesundheit unter verschiedenen Szenarien (extremer trockener, trockener, normaler Jahre) vorherzusagen.

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe für 1991-2020 (mm/a)

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1991-2020) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

Monatliche Sickerwasserhöhe für 1961-2021 (mm/mon)

Monatliche Sickerwasserhöhe (von November 1960 bis Oktober 2021) für Schleswig-Holstein in mm pro Monat und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

Charakterisierung und Modellierung von Multi-Kompartment Karst Systemen mittels integrierter Interpretation von Quellsignalen - iKarst

Karstsysteme stellen heterogene hydrologische Systeme mit ausgeprägter Anisotropie dar. Die Charakterisierung solcher Systeme ist extrem aufwendig, da viele Prozesse bisher nur unzureichend verstanden sind. Die Aussagekraft von klassischen Feld- und Geländeuntersuchungen in Karstsysteme kann durch geeignete Modellkonzepte entscheidend erhöht werden. Aufgrund der Komplexität von Karstsystem sind numerische Simulationsmethoden geeignet, um das Strömungs- und Transportverhalten von Wasser und gelösten Stoffen zu beschreiben. Zahlreiche numerische Werkzeuge können die einzelnen Karst-Kompartimente (Oberfläche bzw. Surface Zone, vadose Zone, phreatische Zone) beschreiben, es fehlt jedoch an integrierten hydrologischen Modellen mit physikalisch-basierten Ansätzen, welche die relevanten physikalischen Prozesse sowie deren Zusammenspiel beschreiben können. Unsere Vorarbeiten verdeutlichen, dass die Quellsignale in Karstgebieten von einer Vielzahl von interagierenden Prozessen geprägt werden (Generierung der Eingangssignale, Austausch zwischen Karströhren und Festgesteinsmatrix oder Röhrenspeicherprozesse). Darüber hinaus limitieren mehrdeutige Modelllösungen (z. B. resultierende aus der Modellstruktur, den verwendeten Parametern etc.) die Anwendung von hoch-parametrisierten Modellen für komplexe Karstsysteme. Die Zerlegung des Gesamtsystems in individuelle Kompartimente wird genutzt, um bereits existierende Modelle mit räumlich verteilten Parametern (distributed parameter models) für die prozessbasierte Charakterisierung zu nutzen. Dies ermöglicht ein deutlich verbessertes Prozessverständnis in Hinblick auf Grundwasserströmung und Transport gelöster Stoffe. Vorhandene numerische Werkzeuge werden zu einem integrierten Modellansatz gekoppelt. Dabei wird die Vorwärtsmodellierung von idealisierten Szenarien genutzt, um das systematische Verhalten verschiedener Karsttypen zu untersuchen. Zum Beispiel werden Eingangssignale in das Röhrensystem auf Grundlage von multiplen Quellsignalen (Strömung, Wärme sowie gelöste Stoffe) identifiziert und quantifiziert. Gleichzeitig wird die Relevanz der jeweiligen Prozesse und Parameter mittels Sensitivitätsanalyse untersucht. Maßgebende Modelleigenschaften und -Parameter sowie resultierende Modellunsicherheiten werden anschließend mit Hilfe inverser Methoden (z. B. automatische Parametrisierung) gezielt untersucht und identifiziert. Für reale Einzugsgebiete wird die nötige Modellkomplexität mit geeigneten Kriterien in Abhängigkeit von verfügbaren Informationen und Daten bestimmt. Dabei kann die Modellkomplexität schrittweise bis hin zu hoch-parametrisierten Modellen angepasst werden, um gezielt und unter Berücksichtigung der vorhandenen Rechenkapazitäten Aussagen treffen zu können. Damit können zukünftige Anforderungen in Hinblick auf die Erkundung und Charakterisierung von Karstgebieten identifiziert werden. Ebenso wird das Wassermanagement in Karstsystemen unterstützt.

Schutzpotenzial der Grundwasserüberdeckung (WMS)

Das Schutzpotenzial der Grundwasserüberdeckung bewertet die Schutzwirkung der ungesättigten Zone einschließlich des Bodens über dem oberen zusammenhängenden, wasserwirtschaftlich nutzbaren Grundwasserleiter mit potenziellem Grundwasserdargebot gegenüber dem vertikalen Eindringen von Schadstoffen. Die Erarbeitung bundesweiter flächendeckender Informationen zum Schutzpotenzial der Grundwasserüberdeckung in den Jahren 2002 bis 2005 war ein Beitrag der Staatlichen Geologischen Dienste (SGD) zur erstmaligen Beschreibung der Grundwasserkörper im Rahmen der Berichtspflichten zur Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie. Die Ermittlung des Schutzpotenzials folgte methodisch grundsätzlich den Vorgaben der LAWA-Arbeitshilfe (Stand 2003) und sieht in der Kartendarstellung eine Einstufung in die Kategorien „günstig“, „mittel“ und „ungünstig“ vor. In Abhängigkeit von der digitalen Verfügbarkeit der benötigten Informationsgrundlagen ergaben sich in den geologischen Diensten der einzelnen Bundesländer im Wesentlichen zwei Lösungsverfahren: 1). In den Bundesländern Berlin, Brandenburg, Bremen, Hamburg, Hessen, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz, Schleswig-Holstein, dem Saarland und Sachsen wurden mit konventionellen empirischen Methoden vorhandene Flächeninformationen (Hydrogeologische Übersichtskarte HÜK250 oder andere landesspezifische Grundlagen) und/oder Punktinformationen (Schichtenverzeichnisse aus Bohrungen) mit hydrogeologischem Informationsgehalt hinsichtlich einer potenziellen Schutzwirkung gegen Schadstoffeintrag klassifiziert und nach den Vorgaben der LAWA interpretiert. 2). In Baden-Württemberg, Bayern, Sachsen-Anhalt und Thüringen wurde die von den SGD entwickelte Methodik zur Ermittlung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung (HÖLTING et al. 1995) angewendet. Sie führt zu differenzierteren Aussagen, setzt aber flächendeckende Informationen über Sickerwasserrate/Grundwasserneubildung, nutzbare Feldkapazität des Bodens, Gesteinsart und Mächtigkeit der Grundwasserüberdeckung unterhalb des Bodens, Gefügeeigenschaften der Festgesteine und artesische Druckverhältnisse voraus. Die auf einem Punktbewertungsschema beruhende Klassifikation wurde in die Kategorien nach Vorgabe der LAWA-Arbeitshilfe übersetzt. Flächen mit stehenden Oberflächengewässern und Gebiete mit bisher unzureichender Informationsdichte wurden nicht bewertet.

Jährliche Sickerwasserhöhe für 1961-2021 (mm/a)

Jährliche Sickerwasserhöhe (von 1961 bis 2021) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe für 1981-2010 (mm/a)

Mittlere jährliche Sickerwasserhöhe (1981-2010) für Schleswig-Holstein in mm/a und mit einer räumlichen Auflösung von 100 m x 100 m. Beim Eindringen in den Boden gelangt das Wasser in den Sickerraum. Das unterirdische Wasser folgt überwiegend der Schwerkraft und bewegt sich im Sickerraum abwärts. Die Sickerwasserhöhe errechnet sich dabei aus dem Brutto-Gesamtabfluss minus dem Oberflächenabfluss und dem urbanen Direktabfluss.

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?

Sustainable Water Resources Management in the Yanqi Basin, Sinkiang, China

Irrigation in the Yanqi Basin, Sinkiang, China has led to water table rise and soil salination. A model is used to assess management options. These include more irrigation with groundwater, water saving irrigation techniques and others. The model relies on input data from remote sensing.The Yanqi Basin is located in the north-western Chinese province of Xinjiang.This agriculturally highly productive region is heavily irrigated with water drawn from the Kaidu River. The Kaidu River itself is mainly fed by snow and glacier melt from the Tian Mountain surrounding the basin. A very poor drainage system and an overexploitation of surface water have lead to a series of environmental problems: 1. Seepage water under irrigated fields has raised the groundwater table during the last years, causing strongly increased groundwater evaporation. The salt dissolved in the groundwater accumulates at the soil surface as the groundwater evaporates. This soil salinization leads to degradation of vegetation as well as to a loss of arable farmland. 2. The runoff from the Bostan Lake to the downstream Corridor is limited since large amount of water is used for irrigation in the Yanqi Basin. Nowadays, the runoff is maintained by pumping water from the lake to the river. The environmental and ecological system is facing a serious threat.In order to improve the situation in the Yanqi Basin, a jointly funded cooperation has been set up by the Institute of Environmental Engineering, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) , China Institute of Geological and Environmental Monitoring (CIGEM) and Xinjiang Agricultural University. The situation could in principle be improved by using groundwater for irrigation, thus lowering the groundwater table and saving unproductive evaporation. However, this is associated with higher cost as groundwater has to be pumped. The major decision variable to steer the system into a desirable state is thus the ratio of irrigation water pumped from the aquifer and irrigation water drawn from the river. The basis to evaluate the ideal ratio between river and groundwater - applied to irrigation - will be a groundwater model combined with models describing the processes of the unsaturated zone. The project will focus on the following aspects of research: (...)

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