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2089Monitoring und Modellierung der Wasserdynamik auf der Hangskala unter Berücksichtigung von hydraulischem Ungleichgewicht und lateralen FlüssenMonitoring and modelling of non-equilibrium soil water dynamics and lateral subsurface flow in hillslope soils01.10.2018 00:00:0030.09.2021 00:00:00laufendcurrentProgrammbereich 1 „Landschaftsprozesse“Research Area 1 "Landscape Functioning"x3x10xGerke, Horst; Ehrhardt, Anneliex214x2319x<div class='ntm_PB1'>PB1</div>  2018 Monitoring und Modellierung der Wasserdynamik auf der Hangskala unter Berücksichtigung von hydraulischem Ungleichgewicht und lateralen Flüssen Monitoring and modelling of non-equilibrium soil water dynamics and lateral subsurface flow in hillslope soils Programmbereich 1 „Landschaftsprozesse“ Gerke, Horst; Ehrhardt, Annelie Drittmittel Research Area 1 "Landscape Functioning" current laufend <div class="ExternalClass4624929878BF49159E744A8515D08E10"><p><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3">​Die Wasserbewegung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im hydraulischen Potenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das lokale hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine räumlich 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und –potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert&#58; (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasserungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.</font></font></font></font></font></font></p></div> <div class="ExternalClass5D9D3A3F70E54BC2A019FE6F27E9D7D4"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><p align="LEFT">In well-drained, unsaturated soils, water moves predominantly vertically. Lateral flow is initiated at locations where the soil approaches water saturation and capillary forces vanish. The onset of lateral flow along impeding soil horizon boundaries and other heterogeneities in hillslopes cannot be described realistically even with spatially-distributed 3D numerical models. A process-based model concept for transient lateral flow in the unsaturated zone of hillslope soils is still missing. One major difficulty to develop such a concept is that water dynamics in field soil exhibit non-equilibrium effects and hysteresis due to structural heterogeneities. Consequently, lateral flow is triggered already at local water potentials close to zero, i.e. far before complete water saturation occurs as is commonly assumed. Another difficulty is the need for a 2D or 3D representation of the hillslope and the corresponding high demand of both data and computing power. In this project, we develop a conceptual framework to described non-equilibrium dynamics and hysteresis for 1D vertical flow in a physically consistent way. The analysis will be based on unique data sets provided by the VAMOS lysimeter system and the TERENO-SoilCan lysimeter network, which monitor water contents and matric potentials in different field soils (3D) and lysimeters (1D) since 2013. Upscaling to the hillslope-scale will be accomplished by a dynamic lateral coupling of vertical 1D columns triggered by local water saturation (i.e. zero potential). This will allow to describe lateral flows at large scales with considerably reduced complexity. The project structure is (1) unified concepts to model soil water hysteresis and hydraulic non-equilibrium (Vogel), (2) onset of lateral flow at hillslope scale (Gerke), (3) hillslope scale model development and evaluation of model structures (Wöhling). For model validation we will design joint field and lab experiments. The proposed model framework is expected to predict the onset and dynamics of lateral flow in unsaturated soils. Thus, it is expected to form a more realistic basis to&#160; quantify the temporarily changing flow paths and travel times at the scale of hillslopes and catchments which is a notorious problem for understanding and predicting the transport of solutes in the variably saturated subsurface.</p></font></font></div> <div class="ExternalClass4D5A4C67-D502-4799-A180-F72D92FFF8B5"></div> <div class="ExternalClass217A015B-BD7F-4CDB-8DEA-8A2768F5D31A"><ul><li>TUD - Technische Universität Dresden</li><li>UFZ - Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung </li></ul></div> <div class="ExternalClassAFB9410B-D208-4490-B792-9D6AF8BD7761"><ul><li>DFG-Projekte im Normalverfahren</li></ul></div> <div class="ExternalClassE83C1374-6DC7-457D-B99C-9D114C4BB4E3"><ul><li>DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft</li></ul></div> <div class="ExternalClassA466DE86-D7B8-4166-A74D-FECD6F16CA2E"><ul><li>Hans-Jörg Vogel</li></ul></div><div class="ExternalClass4624929878BF49159E744A8515D08E10"><p><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3">?Die Wasserbewegung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im hydraulischen Potenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das lokale hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine räumlich 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und –potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert&#58; (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasserungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.</font></font></font></font></font></font></p></div><div class="ExternalClass5D9D3A3F70E54BC2A019FE6F27E9D7D4"><font face="ArialMT" size="3"><font face="ArialMT" size="3"><p align="LEFT">In well-drained, unsaturated soils, water moves predominantly vertically. Lateral flow is initiated at locations where the soil approaches water saturation and capillary forces vanish. The onset of lateral flow along impeding soil horizon boundaries and other heterogeneities in hillslopes cannot be described realistically even with spatially-distributed 3D numerical models. A process-based model concept for transient lateral flow in the unsaturated zone of hillslope soils is still missing. One major difficulty to develop such a concept is that water dynamics in field soil exhibit non-equilibrium effects and hysteresis due to structural heterogeneities. Consequently, lateral flow is triggered already at local water potentials close to zero, i.e. far before complete water saturation occurs as is commonly assumed. Another difficulty is the need for a 2D or 3D representation of the hillslope and the corresponding high demand of both data and computing power. In this project, we develop a conceptual framework to described non-equilibrium dynamics and hysteresis for 1D vertical flow in a physically consistent way. The analysis will be based on unique data sets provided by the VAMOS lysimeter system and the TERENO-SoilCan lysimeter network, which monitor water contents and matric potentials in different field soils (3D) and lysimeters (1D) since 2013. Upscaling to the hillslope-scale will be accomplished by a dynamic lateral coupling of vertical 1D columns triggered by local water saturation (i.e. zero potential). This will allow to describe lateral flows at large scales with considerably reduced complexity. The project structure is (1) unified concepts to model soil water hysteresis and hydraulic non-equilibrium (Vogel), (2) onset of lateral flow at hillslope scale (Gerke), (3) hillslope scale model development and evaluation of model structures (Wöhling). For model validation we will design joint field and lab experiments. The proposed model framework is expected to predict the onset and dynamics of lateral flow in unsaturated soils. Thus, it is expected to form a more realistic basis to&#160; quantify the temporarily changing flow paths and travel times at the scale of hillslopes and catchments which is a notorious problem for understanding and predicting the transport of solutes in the variably saturated subsurface.</p></font></font></div>  <div class="ExternalClass621C0691-B786-4569-8B3E-0B75449F50DC">Annelie Ehrhardt; PD Dr. Horst Gerke</div>Gerke, Horst<div class="ExternalClass8870FA58-8DF9-422B-99C1-A9D77F8DD505">PD Dr. Horst Gerke</a></div>   <div class="ExternalClass217A015B-BD7F-4CDB-8DEA-8A2768F5D31A"><ul><li>TUD - Technische Universität Dresden</li><li>UFZ - Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung </li></ul></div>x426x1725x<div class="ExternalClassAFB9410B-D208-4490-B792-9D6AF8BD7761"><ul><li>DFG-Projekte im Normalverfahren</li></ul></div> DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft<div class="ExternalClassE83C1374-6DC7-457D-B99C-9D114C4BB4E3"><ul><li>DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft</li></ul></div><div class="ExternalClassA466DE86-D7B8-4166-A74D-FECD6F16CA2E"><ul><li>Hans-Jörg Vogel</li></ul></div>22 <div class="ExternalClassD08B636F-0FCA-4A51-8E6B-17DE8B42898F"><ul><li>Hydropedologie</li></ul></div><div class="ExternalClassD5CDE332-06C7-40B8-8E9A-31457E964FEC"><ul><li>Hydropedology</li></ul></div>
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