Die Bewegung von Wasser und Gasen in der ungesättigten Bodenzone und der damit verbundene Transport von Stoffen sind gekennzeichnet durch eine Vielfalt von Fließmustern und erfolgt mit höchst unterschiedlicher Fließdynamik. Dies spiegelt die vielskalige Heterogenität der durchströmten Bodenstrukturen wieder, und das Zusammenwirken der verschiedenen Kräfte, welche auf die Fluidpakete einwirken. In diesem Projektverbund wollen wir die Dynamik und Ausprägung von scharfen Fluid-Fluid Grenzflächen (im Folgenden Interfaces) und deren Bewegung durch Materialgrenzen und Strukturgrenzflächen (Schichten) quantifizieren, welche im Allgemeinen mit Standard-Strömungsmodellen auf der Kontinuumsskala (Richards Gleichung) nicht valide beschrieben werden können. Die Forschergruppe MUSIS kombiniert innovative Modellierungs- und experimentelle Methoden, um neue Erkenntnisse über die zu Grunde liegenden Prozesse und deren Auswirkung und Darstellung auf größeren Skalen zu gewinnen. Hierzu werden Beobachtungsmethoden für Grenzflächenphänomene entwickelt, experimentelle Nachweise für verschiedene Interface-Prozesse für Wasser-Luft-Strömung im Untergrund erbracht, sowie Modellkonzepte zur Beschreibung einiger Prozesse entwickelt. Die Themenschwerpunkte werden in sieben Unterprojekten untersucht. Die Projekte stützen sich auf eine Kombination von numerischen und experimentellen Methoden, die für die jeweilige Skala geeignet sind. Näheres zur Forschergruppe ist auf der Homepage des Projekts zu erfahren.
Das von der Abteilung Bodenphysik und Bodenkunde vertretene Teilprojekt SP4 trägt den Titel »Identication of effective process formulations for evaporation of water from bare soil«. Ausgangspunkt ist der Fakt, dass die Beschreibung des Bodenwasserflusses zur Bodenoberfläche unter Verdunstungsbedingungen meist mit eindimensionalen, effektiven Prozessmodellen auf der Kontinuumsskala beruht. Diese Modelle können unter bestimmten Bedingungen einen gültigen Ansatz darstellen, führen unter anderen hingegen zu fehlerhaften Modellvorhersagen. Im Teilprojekt werden die Gültigkeit und die Grenzen der Richardsgleichung zur Beschreibung der Evaporation aus dem unbewachsenen Boden für die zweite Verdunstungsphase untersucht, bei der die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Bodens und die Dampfdiffusion die limitierenden Faktoren sind. Um die Beschränkungen zu analysieren, die sich aus der Vernachlässigung von Teilprozessen des gekoppelten Wasser-, Wärme- und Dampftransports ergeben, und um die Bedeutung der korrekten Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion zu untersuchen, werden Daten verschiedener Verdunstungsszenarien durch inverse Modellierung ausgewertet. Die Verdunstungsszenarien basieren auf Experimenten mit transienten Randbedingungen. Flussunterbrechungen werden gezielt eingesetzt, um dynamische Effekte zu analysieren. Die inversen Simulationen erfolgen mit einer Kaskade schrittweise vereinfachter Prozessmodelle, ausgehend von dem um dynamische Effekte erweiterten Philip-de Vries Modell (komplexester Ansatz) hin zur Richards-Gleichung (einfachster Ansatz). Besonderes Augenmerk wird gelegt auf (i) die Identifikation der relativen Beiträge von flüssig- und dampfförmiger Wasserbewegung, (ii) die Identifikation des Zeitpunkts des Wechsels von der ersten zur zweiten Phase der Verdunstung, (iii) die Bestimmung der vertikalen Lage der Verdunstungsebene im Boden während der zweiten Phase der Verdunstung, und (iv) die Quantifizierung der Bedingungen, unter denen die Richardsgleichung als effektives Prozessmodell in praktischen Situationen verwendet werden kann, um zu korrekten Vorhersagen der Wasserflüsse zu kommen.
Mitarbeiter:Prof. Dr. Wolfgang Durner, Dr. Efstathios Diamantopoulos, Dr. Sascha Iden, Benedikt Scharnagl Träger: DFG (FOR 1083) Mittel: 257000 Euro Laufzeit: 01.02.2012 - 31.07.2015 Kooperationen:Research Group MUSIS (DFG FOR 1083)
Publikationen:
Diamantopoulos, E., W. Durner, and T. Harter (2016): Prediction of capillary air-liquid interfacial area vs. saturation function from relationship between capillary pressure and water saturation, Advances in Water Resources, 97, 219–223, doi:10.1016/j.advwatres.2016.09.012. [-> Durner]
Peters, A., S.C. Iden und W. Durner (2015): Revisiting the simplified evaporation method: Identification of hydraulic functions considering vapor, film and corner flow, Journal of Hydrology 527, 531-542, doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.05.020. [-> Durner] [->Iden] [->Peters]
Iden, S.C., A. Peters, and W. Durner (2015): Improving prediction of hydraulic conductivity by constraining capillary bundle models to a maximum pore size. , Advances in Water Resources 85, 86–92 [-> Durner] [->Iden] [->Peters]
Diamantopolous, E., W. Durner, S.C. Iden, U. Weller, and H.-J. Vogel (2015): Modelling dynamic non-equilibrium water flow observations under various boundary conditions, Journal of Hydrology 529, 1851–1858, doi:10.1016/j.jhydrol.2015.07.032. [-> Durner] [->Iden]
Diamantopoulos, E., and W. Durner (2015): Closed-form model for hydraulic properties based on angular pores with lognormal size distribution, Vadose Zone Journal, 14(2), doi:10.2136/vzj2014.07.0096. [-> Durner]
Scharnagl, B., S.C. Iden, W. Durner, H. Vereecken, and M. Herbst (2015): Inverse modelling of in situ soil water dynamics: accounting for heteroscedastic, autocorrelated, and non-Gaussian distributed residuals, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 12, 2155-2199, doi:10.5194/hessd-12-2155-2015. [-> Durner] [->Iden]
Iden, S.C., and W. Durner(2014): Comment to “Simple consistent models for water retention and hydraulic conductivity in the complete moisture range” by A. Peters., Water Resour. Res., 50, 7530–7534, doi:10.1002/2014WR015937. [-> Durner] [->Iden]
Diamantopoulos, E., and W. Durner(2013): Physically-based model of soil hydraulic properties accounting for variable contact angle and its effect on hysteresis, Advances in Water Resources 59, 169-180, doi:10.1016/j.advwatres.2013.06.005. [-> Durner]
Diamantopoulos, E., S.C. Iden, and W. Durner(2012): Inverse modeling of dynamic non-equilibrium in water flow with an effective approach, Water Resour. Res. 48, W03503, doi:10.1029/2011WR010717. [-> Durner] [->Iden]
Diamantopoulos E., and W. Durner (2012): Dynamic non-equilibrium of water flow in porous media - A review, Vadose Zone Journal, 11(3), doi:10.2136/vzj2011.0197. [-> Durner]
Vorträge:
Iden (2017): Capillary, film and vapour flow during transient evaporation: Inverse simulation of lab experiments using pressure head and humidity data., 5th International HYDRUS Conference, Prague, 31 March 2017.[-> Durner][->Iden]
Iden (2017): Quantifizierung von kapillarem Fluss, Filmfluss und Dampffluss durch inverse Simulation transienter Verdunstungsexperimente, Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, Göttingen, 2.–7. September 2017.[->Iden]
Iden (2017): Identifying the contribution of capillary, film and vapour flow by inverse simulation of transient evaporation experiments, EGU General Assembly 2017, 23.4.-28.4.,Vienna[-> Durner][->Iden]
Iden (2017): Gekoppelte Modellierung von Wasser-, Wärme- und Dampfflüssen in wägbaren Lysimetern unter ariden Bedingungen, 17. Gumpensteiner Lysimetertagung, 9.5.-10.5., Irdning[-> Durner][->Iden]
Iden (2014): Identification of soil hydraulic properties over the full moisture range by inverse modeling of evaporation experiments, EGU General Assembly 2014, Vienna, Austria, 27 April – 02 May 2014.[->Iden]
Durner (2014): Die Hydrologie der vadosen Zone: Stand der Dinge, Keynote at Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Universität Bayreuth, 28.-31.5. 2014[-> Durner]
Diamantopoulos (2014): Closed-Form Model for Hysteretic Hydraulic Properties Based on Angular Pores with Variable Contact Angles, ASA, CSSA, & SSSA International Annual Meeting, Nov 2-5, Long Beach, CA.[->Diamantopoulos ]
Durner (2014): Erweiterte Evaporationsmethode zur Bestimmung der nutzbaren Feldkapazität aus einem Verdunstungsexperiment, Workshop der Komission 1 der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, Leipzig, 11.-12. September 2014[-> Durner][->Iden]
Diamantopoulos (2014): Dynamic non-equilibrium water flow under various boundary conditions: a modelling approach., American Geophysical Union Fall Meeting, 15–19 December 2014, San Francisco, California, USA[-> Durner][->Diamantopoulos ][->Iden]
Diamantopoulos (2013): A physically-based model of soil hydraulic functions accounting for variable contact angle and its effect on hysteresis, Jahrestagung der DBG: »Böden - Lebensgrundlage und Verantwortung«, 7.-12. September 2013, Rostock[->Diamantopoulos ]
Durner (2012): Review on non-equilibrium water flow in soil, EUROSOIL, 2.-6.7.2012, Bari.[-> Durner]
Diamantopoulos (2012): Dynamic non-equilibrium effects in soil hydraulic properties estimated with the evaporation method: experimental and modeling approach, EUROSOIL Bari,2.-6.7.2012 [-> Durner][->Diamantopoulos ]
Poster:
Iden, S.C., D. Reineke, J. Koonce, M. Berli, W. Durner (2017): Variably-saturated flow in large weighing lysimeters under dry conditions: parameter identification and predictive modeling using coupled water, vapor and heat flow theory, EGU General Assembly 2017, 23.4.-28.4.,Vienna[-> Durner][->Iden]
Iden, S.C., A. Peters, W. Durner (2017): Improving prediction of hydraulic conductivity by constraining capillary bundle models to a maximum pore size, EGU General Assembly 2017, 23.4.-28.4.,Vienna[-> Durner][->Iden][->Peters]
Diamantopoulos, E., U. Weller, H.-J. Vogel, and W. Durner (2014): Modelling dynamic non-equilibrium water flow observed in experiments with controlled pressure head or flux boundary conditions. , EGU General Assembly 2014, Vienna, Austria, 27 April – 02 May 2014.[-> Durner][->Diamantopoulos ]
Iden, S.C., J. Blöcher, E. Diamantopoulos, and W. Durner (2014): Coupled water and heat flow in laboratory evaporation experiments and its effects on soil hydraulic properties estimated by the simplified evaporation method. Poster B251, EGU General Assembly 2014, Vienna, Austria, 27 April – 02 May 2014.[-> Durner][->Diamantopoulos ][->Iden]
Iden, S.C., W. Durner, E. Diamantopoulos, and B. Scharnagl (2014): Full-Range Soil Hydraulic Properties from Numerical Inversion of Transient Evaporation Experiments, ASA, CSSA, & SSSA International Annual Meeting, Nov 2-5, Long Beach, CA.[-> Durner][->Diamantopoulos ][->Iden][->Scharnagl]
Diamantopoulos, E., S.C. Iden, S. C., Weller, U., Vogel, H. J., and Durner, W. (2014): How Dynamic Non-Equilibrium Water Flow Affects Estimates of the Water Retention Curve - a Modeling Approach California, USA, ASA, CSSA, and SSSA International Annual Meeting, 2-5 November 2014, Long Beach[-> Durner][->Diamantopoulos ][->Iden]
Diamantopoulos, E., S.C. Iden, U. Weller, H.J. Vogel, and W. Durner (2): How Dynamic Non-Equilibrium Water Flow Affects Estimates of the Water Retention Curve - a Modeling Approach, ASA, CSSA, & SSSA International Annual Meeting, Nov 2-5, Long Beach, CA.[-> Durner][->Diamantopoulos ][->Iden]
