Stoffausträge landwirtschaftlicher Flächen durch Dränage, präferenziellen Bodenwasserfluss, Oberflächenabfluss: Modell und experimentelle Validierung
Final Report Abstract
Es wurde ein numerisches Modell zur gekoppelten Simulation von Oberflächenabfluss, erosiver Stoffverlagerung und Bodenwasserströmung entwickelt. Das Oberflächenabflussmodell basiert dabei auf der gemäß ‚kinematischer Welle’ vereinfachten de Saint Venant Gleichung, welches mit dem Bodenwassermodell HYDRUS-2D über dessen obere Randbedingung verknüpft wird. Das resultierende Modell beschreibt den Oberflächenabfluss über Bodenoberflächen mit beliebiger Topographie und heterogenen hydraulischen Eigenschaften, sowie wahlweise präferenziellem (mobil-immobilem) Wasserfluss und Dränage. Die Modellevaluierung erfolgte anhand von Messdaten eines kontrollierten Beregnungsexperiments in einem 5 m langen, geneigten Sedimentkanal mit geschüttetem Boden, saatbettartigen Furchen an der Oberfläche sowie Beprobung von 3 Dränauslässen und Oberflächenabfluss. Zur inversen Parameterschätzung wurde der Multi-Zielfunktions-Globaloptimierer AMALGAM (A MultiALgorithm Genetically Adaptive search Method) verwendet. Das Modell ermöglichte eine relativ genaue Simulation der gemessenen Dränabflüsse und des Oberflächenabflusses, besonders wenn immobile Bodenbereiche und die beobachtete Krustenbildung in den Furchen berücksichtigt wurden. In Feldversuchen wurde die starke Abhängigkeit der feldgesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (Ks) von der Randbedingung (2 cm Überstau im Doppelringinfiltrometer versus 0 cm Druck im Tensionsinfiltrometer) dokumentiert, sowie mit Tracerversuchen unter Verwendung von Brilliant Blue FCF erklärt. Es ergaben sich ca. 10-fach größere Ks-Werte für Überstau im Vergleich zur Infiltration bei atmosphärischem Druck, einhergehend mit präferentiellen Fliessmustern und tieferer Stoffverlagerung im Unterboden. Ferner wurde für einen gepflügten Standort gezeigt, dass die lateralen Transportweiten an der Pflugsohle von bis zu 1 m keine sinnvolle Interpretation des durch Überstauinfiltration ermittelten Ks-Werts zulassen. Der aktuelle (2008) Stand der Forschung zur Modellierung von präferenziellem Wasserfluss sowie Transport von Tracern und Pestiziden auf verschiedenen Skalen wurde recherchiert und in zwei umfangreichen Review-Artikeln veröffentlicht. Neben zahlreichen Fortschritten besteht weiterhin ein Defizit in der gekoppelten Betrachtung der relevanten Transportpfade (runoff, präferenzieller Fluss, Dränung, Grundwasserfluss) in Modellen und Experimenten zu Stoffausträgen landwirtschaftlichen Flächen. Das Modellentwicklungen in diesem Projekt leisten einen Beitrag, diese Lücke zu schließen. Die Simulation erosiver Stoffverlagerung ist infolge auftretender numerischer Oszillationen indes noch nicht allgemein im Modell verwendbar. An einer Lösung des Problems wird über das DFG Projekt hinaus weiter gearbeitet.
Publications
- (2009). A Review of Model Applications for Structured Soils: a) Pesticide Transport, J. Contam. Hydrol. Journal of Contaminant Hydrology 104, 36–60
Köhne, J. M., S. Köhne, and J. Šimunek
- (2009). A Review of Model Applications for Structured Soils: a) Water Flow and Tracer Transport, J. Contam. Hydrol. 104 (2009) 4–35
Köhne, J. M., S. Köhne, and J. Šimunek
