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Teilprojekt P5

Non-equilibrium processes during infiltration into structured soil

Infiltrationsprozesse in Böden bestimmen die Verteilung von Wasser als Folge von Niederschlägen. Diese Prozesse lassen sich mit klassischen Kontinuumsmodellen beschreiben, vorausgesetzt die zugrundeliegenden Annahmen sind erfüllt. In erster Linie sind dies die Kontinuität der Wasser- und Gasphasen, sowie das lokale Gleichgewicht zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial. Diese Annahmen werden unter den transienten Bedingungen nahe der Bodenoberfläche und vor allem während hoher Niederschlagsintensitäten häufig verletzt.

In diesem Projekt werden Ungleichgewichtsprozesse während Wasserinfiltration in Böden untersucht: Infiltrationsfronten werden mittels Röntgenradiographie im Detail untersucht wobei kritische Schwellenwerte für den Übergang zu Ungleichgewichtsprozessen identifiziert werden. Es wird erwartet, dass sich diese Schwellen als gekoppelte Funktion von initialer Bodenfeuchte, Flussrandbedingungen und charakteristischen Größen der Porenstruktur (Größenverteilung und Topologie) darstellen lassen. Parallel wird die porenskalige Struktur des Materials über Röntgentomographie gemessen, um zu untersuchen, inwieweit die kritischen Schwellen direkt aus der Struktur abgeleitet werden können. Schließlich soll ein Modellkonzept erarbeitet werden, das eine vereinheitlichte Beschreibung von Ungleichgewichtbedingungen und der Hysterese von hydraulischen Bodeneigenschaften erlaubt. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Charakterisierung von Infiltrationsereignissen deutlich zu verbessern, was für die Modellierung des Wasserhaushaltes von Böden v.a. unter sich ändernden Niederschlagsverteilungen wichtig ist. Die notwendigen Parameter können dabei aus der Struktur des Materials abgeleitet werden und sind damit direkt zugänglich.

 

Institution:

Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Fachbereich Wasserressourcen und Aquatische Ökosysteme

Department Bodenphysik

Projektleiter:

PD Dr. Hans-Jörg Vogel