Der Wasserfluss in oberflächennahen Bodenschichten spielt eine entscheidende Rolle im Wasserhaushalt. Die Kenntnis über den Wasserfluss ist Vorraussetzung für die Bewertung und Vorhersage des Verhaltens von gelösten Stoffen im Boden. Die Prognose der Bodenwasserbewegung in einem abgegrenzten Bodenvolumen - auch als Lysimeter bezeichnet - ist Gegenstand dieser Arbeit.
Das zugrunde liegende Datenmaterial stammt aus dem Projekt “Entwicklung einer Standardmethodik zur Erfassung der bodenhydraulischen Kennwerte in einem definierten Bodenvolumen“, welches am Institut für Wasserwirtschaft und Landschaftsökologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel durchgeführt wurde. In diesem Vorhaben wurden in zeitlich und räumlich hoher Auflösung teilflächenbezogen die Zu- und Abflüsse sowie die den Wasserhaushalt charakterisierende Kennwerte Wassergehalt, Wasserspannung und gesättigte Leitfähigkeit eines Lysimeters ermittelt.
Die Modellierung der Wasserbewegung in einem Boden ist primär von den bodenphysikalischen Eigenschaften des Ausgangssubstrates abhängig. Die Bestimmung dieser Parameter kann entweder an ungestörten Stechzylinderproben im Labor oder auch in situ durchgeführt werden. Beide Verfahren weisen ein Skalenproblem auf. Bei der Laborbestimmung ist die betrachtete Größenordnung meistens zu klein, denn man zerstört bei einer Probennahme das etwaige vorhandene Porensystem, bei der in situ Messung ist die Messwerteerfassung das entscheidende Problem, die Größenordnung ist zu groß. Dieses bedeutet, dass in beiden Fällen ein Skalenproblem vorliegt.
Um übertragbare Ergebnisse zu erhalten, wurde der Wasserhaushalt eines Bodenmonolithen (Lysimeter), dessen Volumen dem charakteristischen Standardvolumen (CSV) entsprach, im Labor erfasst. Die Abschätzung des CSV wurde durch eine fototechnische Auswertung des zuvor mit einem Farbstoff beregneten Bodenbereichs gewonnen.
Dieser Arbeit liegt die Frage zugrunde, ob es möglich ist, mit dem vorliegenden Datenmaterial eine „realitätsnahe“ Simulation durchzuführen. In unterschiedlichen Simulationsverfahren wird untersucht, inwieweit eine teilflächenbezogene Simulation möglich ist. Einerseits wird das unsegmentierte Lysimeter betrachtet und eine Simulation durchgeführt. Andererseits wird das Lysimeter in zwei Teilsegmente eingeteilt und je Segment eine Berechnung durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Theoretische Grundlagen
1.1.1 Wasserspannung - Wassergehalts - Kurve
1.1.1.1 Mathematische Beschreibung der pF - WG - Kurve
1.1.1.2 Einfluss des Parameters θR
1.1.1.3 Einfluss des Parameters θS
1.1.1.4 Einfluss des Parameters n
1.1.1.5 Einfluss des Parameters α
1.1.2 Wasserfluss in einem Lysimeter
2 Material und Methoden
2.1 Versuchsbeschreibung
2.2 Methoden
2.2.1 Bestimmung der Zu- und Abflüsse
2.2.2 Bestimmung der Bodenparameter
2.2.2.1 Tensionsbestimmungen
2.2.2.2 Wassergehaltsbestimmung
2.2.2.3 Gesättigte Wasserleitfähigkeitsbestimmung
2.2.2.4 Korngrößenverteilungen
2.2.3 Anpassung der VAN GENUCHTEN Parameter
2.2.3.1 _RETC
2.2.3.2 Manuell gefittete Parameter
2.2.3.3 _SOILPROP
2.2.4 Simulation mit HYDRUS_1D
2.3 Darstellung der Messwerte
2.3.1 Zeitlicher Verlauf der Zu- und Abflüsse
2.3.2 Zeitlicher Verlauf der Wasserspannungen
2.3.3 Zeitlicher Verlauf der Wassergehalte
2.3.4 Hydraulische Leitfähigkeiten
2.3.5 Korngrößenverteilungen
3 Ergebnisse
3.1 Bestimmung der VAN GENUCHTEN Parameter
3.1.1 Unsegmentiertes Lysimeter
3.1.1.1 _SOILPROP
3.1.1.2 _RETC / manuell gefittete Parameter
3.1.2 Segmentiertes Lysimeter
3.1.3 Segment I
3.1.4 Segment II
3.2 Simulationsergebnisse
3.2.1 Unsegmentiertes Lysimeter
3.2.2 Segmentiertes Lysimeter
3.2.2.1 Segment I
3.2.2.2 Segment II
4 Diskussion
4.1 Zu- und Abflüsse
4.2 Wasserspannungen und Wassergehalte
4.3 Fehlerbetrachtung
4.3.1 Messwertebestimmung
4.3.2 Simulationsmodelle
5 Zusammenfassung
6 Verzeichnisse
6.1 Abbildungsverzeichnis
6.2 Tabellenverzeichnis
6.3 Verwendete Symbole
6.4 Einheiten
6.5 Verwendete Software
6.6 Literaturverzeichnis
7 Anhang ACHTUNG - NICHT ENTHALTEN
7.1 Modellparameter
7.1.1 _RETC
7.1.2 _SOILPROP
7.1.3 _HYDRUS_1D
7.2 Messsondenbauart
7.3 Tensiometerwerte
7.4 TDR - Werte
7.5 Messwertetabelle
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht, inwieweit eine "realitätsnahe" Simulation des Bodenwasserhaushaltes in einem Lysimeter möglich ist, indem sie verschiedene Simulationsverfahren und räumliche Gliederungen (unsegmentiert vs. segmentiert) anhand experimenteller Messdaten evaluiert.
- Modellierung der Wasserbewegung mittels Van Genuchten-Parametern.
- Vergleich von Simulationsergebnissen mit gemessenen Tensions- und Wassergehaltsverläufen.
- Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher räumlicher Segmentierungen des Lysimeters.
- Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Softwareprogrammen wie RETC, SOILPROP und HYDRUS_1D.
- Analyse des Einflusses verschiedener Messsondenbauarten auf die Simulationsgenauigkeit.
Auszug aus dem Buch
1.1.1 Wasserspannung - Wassergehalts - Kurve
Die Wasserspannung - Wassergehalts - Kurve, auch Bodenwassercharakteristik oder pF - WG - Kurve genannt, gibt das jeweilige Potential (Wasserspannung ψ) bei verschiedenen Wassergehalten (θ) in einem ungesättigten Boden an (SCHLICHTING & BLUME, 1995). Bei der Annahme von zylindrischen, regelmäßigen Poren - somit ist ein Äquivalentdurchmesser zuordenbar -, kann man aus der Wasserspannung - Wassergehalts - Kurve eine Porengrößenverteilung ermitteln, bzw. auch aus einer Porengrößenverteilung eine Wasserspannung - Wassergehalts - Kurve bestimmen (HARTGE & HORN, 1992). Die Darstellung der pF - WG - Kurve erfolgt meist in einem Koordinatensystem, wobei man der Abszisse den Wassergehalt bzw. auch die Wasserspannung zuordnen kann. Normalerweise wird der Wassergehalt θ (gemessen in Volumeneinheit pro Volumeneinheit [cm³/cm³]) als abhängige Größe betrachtet und somit auf der Ordinate aufgetragen. Die Wasserspannung wird entweder in einer linearen Einheit (- hPa oder cm Wassersäule) oder in logarithmierter Form (dann als pF bezeichnet, eingeführt 1935 von SCHOFIELD) dargestellt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Relevanz des Wasserflusses in oberflächennahen Bodenschichten ein und formuliert das Ziel, die Möglichkeiten einer realitätsnahen Simulation in einem Lysimeter zu untersuchen.
2 Material und Methoden: Das Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau, die Messinstrumente (TDR-Sonden, Tensiometer) und die verwendeten mathematischen Modelle zur Bestimmung hydraulischer Bodenparameter.
3 Ergebnisse: Hier werden die Ergebnisse der Parameterbestimmung sowie die Simulationsergebnisse mit HYDRUS_1D präsentiert und den gemessenen Werten gegenübergestellt.
4 Diskussion: Das Kapitel analysiert die Abweichungen zwischen den Messergebnissen und den Simulationen und erörtert die Fehlerquellen bei der Bestimmung bodenhydraulischer Kennwerte.
5 Zusammenfassung: Die Zusammenfassung zieht das Fazit, dass teilflächenbezogene Simulationen möglich sind und die Simulationsgenauigkeit mit zunehmender Tiefe tendenziell zunimmt.
6 Verzeichnisse: Dieser Abschnitt enthält die Abbildungs- und Tabellenverzeichnisse sowie die verwendeten Symbole, Einheiten, die Software und das Literaturverzeichnis.
7 Anhang ACHTUNG - NICHT ENTHALTEN: Der Anhang bietet ergänzende Details zu den Modellparametern und den Messwerttabellen.
Schlüsselwörter
Bodenwasserhaushalt, Lysimeter, Van Genuchten-Modell, Bodenhydraulik, Wasserspannung, Wassergehalt, HYDRUS_1D, RETC, SOILPROP, Infiltration, Sättigung, Simulation, Porengrößenverteilung, Bodenmonolith, hydraulische Leitfähigkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Modellierung des Bodenwasserhaushaltes in einem Lysimeter, um die Übereinstimmung zwischen Simulationsmodellen und realen Messdaten zu prüfen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die bodenphysikalische Charakterisierung (pF-WG-Kurve), der Wasserfluss in porösen Medien und die Validierung von Simulationssoftware durch experimentelle Daten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist zu klären, ob eine "realitätsnahe" und teilflächenbezogene Simulation der Bodenwasserbewegung mit den vorliegenden Daten unter Verwendung des Van Genuchten-Modells erfolgreich durchgeführt werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt die Analyse von Infiltrationsversuchen, die Bestimmung bodenphysikalischer Kennwerte durch verschiedene Modelle (RETC, SOILPROP) und deren Anwendung in der numerischen Simulation mit HYDRUS_1D.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Beschreibung des Versuchsaufbaus, die Bestimmung der bodenphysikalischen Parameter und die anschließende Durchführung sowie den Vergleich von Simulationsrechnungen für ein unsegmentiertes und ein in Segmente unterteiltes Lysimeter.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlüsselbegriffe sind Bodenwasserhaushalt, Lysimeter, Van Genuchten-Parameter, Simulationsmodellierung, hydraulische Leitfähigkeit und Matrixpotential.
Warum wurde eine segmentierte Analyse durchgeführt?
Die Segmentierung erfolgte, um der räumlichen Heterogenität des Bodenkörpers besser gerecht zu werden und zu untersuchen, ob eine feinere Unterteilung zu präziseren Simulationsergebnissen führt als die unsegmentierte Betrachtung.
Welche Rolle spielt die verwendete Software bei der Untersuchung?
Softwareprogramme wie RETC und SOILPROP dienen zur Ableitung und Anpassung der bodenhydraulischen Parameter, während HYDRUS_1D als Kerninstrument zur Simulation des tatsächlichen instationären Wasserflusses verwendet wird.
- Citation du texte
- Ulrich Birkner (Auteur), 2000, Modellierung des Bodenwasserhaushaltes in einem Lysimeter, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185647
