Der Austauschfluss zwischen präferenziellen Fließwegen und der Bodenmatrix: von der Poren- zur Kontinuum-Skala mit Tensoren

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Horst Herbert Gerke
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429630843

Der präferenzielle Fluss stellt noch immer eine große Herausforderung für die quantitative Beschreibung der Wasserbewegung und des Stofftransports in strukturierten Böden dar. In empirischen Modellen auf Basis phänomenologischer Ansätze wird der Boden meist in Fließregionen für Makroporen und poröse Matrix eingeteilt, wobei der Austauschfluss zwischen den Fließregionen eine Schlüsselkomponente darstellt. Allerdings lassen sich einige Aspekte des präferenziellen Flusses ohne physikalisch-fundiertes Verständnis der porenskaligen Prozesse nicht erklären. Problematisch sind Annahmen über die Beschreibung der Wasserbewegung in Makroporen und in den heterogenen Poren der umgebenden Matrix für den Austauschfluss. Das Ziel ist, Grundlagen für eine neue Klasse von bodenphysikalischen Modellen zu erarbeiten, in denen stärker physikalische, Porenskala-basierte Beschreibungen des Makroporen- und Austauschflusses einfließen; und zwar durch Einbeziehung räumlich verteilter Benetzungs- und richtungsabhängiger Fließeigenschaften (als Tensoren). Wasser-Austauschkoeffizienten sollen explizit aus porenskaligen Simulationen berechnet werden. Die Bedingungen für das Auftreten von nicht-laminaren Effekten beim Makroporenfluss sollen mittels Navier-Stokes Gleichungen berechnet werden. Zur Hochskalierung sollen „Transferfunktionen“ entwickelt und in bodenhydrologische Kontinuums-Modelle eingebaut werden. Diese nun stärker physikalisch-basierten Kontinuums-Modelle sollen mit Richards-basierten und Mehr-Regionen Modellen mit individuellen Makroporen verglichen werden. Das Gemeinschaftsprojekt verknüpft die Modellierung auf Poren- und Kontinuums-Skala mit einer experimentellen Validierung. Die beiden Gruppen vom RAS (Moskau) und ZALF (Müncheberg) arbeiten gemeinsam an Markierungsexperimenten zum Einsatz von fluoreszierenden Stoffen (Uranin) und am Vergleich von Mehr-Regionen mit porenskaligen Modellen; es werden vorhandene Daten von Bodeneigenschaften und zum präferenziellen Fluss verwendet sowie Techniken zur Bildauswertung von Uranin-Perkolationsversuchen zur Markierung des Austauschflusses erarbeitet.Die Gruppe von Dr. Kirill Gerke (RAS) arbeitet an stochastischer Rekonstruktion, um Tensor-Eigenschaften (Porenskala) zu berechnen, simuliert Wasserflüsse und leitet Funktionen zur Hochskalierung der Ergebnisse ab. Die Gruppe von Dr. Horst H. Gerke (ZALF) arbeitet experimentell und mit konventionellen numerischen Dual-Kontinuums-Modellen. Beide Teams werden bisherige Studien gemeinsam neu interpretieren und dabei die auf der Porenskala gewonnenen Ergebnisse einfließen lassen. Die Modellergebnisse zum Makroporen-Matrix Austauschfluss sollen dazu beitragen, die porenskaligen Effekte auf den präferenziellen Fluss in wasserungesättigten Böden besser zu verstehen. Als Ergebnis erwarten wir stärker physikalisch-basierte Transferfunktionen, mit denen diese Effekte zur Verwendung in makroskopischen Modellen hochskaliert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Kirill M. Gerke, bis 3/2022