| 2170 | Der Austauschfluss zwischen präferenziellen Fließwegen und der Bodenmatrix: von der Poren- zur Kontinuum-Skala mit Tensoren | The exchange flow between preferential flow paths and matrix in soils: from pore to continuum scale with tensors | 01/07/2020 00:00:00 | 30/09/2023 00:00:00 | abgeschlossen | completed | Programmbereich 1 „Landschaftsprozesse“ | Research Area 1 „Landscape Functioning“ | x3x10x | Gerke, Horst | x214x | <div class='ntm_PB1'>PB1</div> | | | 2020 | Der Austauschfluss zwischen präferenziellen Fließwegen und der Bodenmatrix: von der Poren- zur Kontinuum-Skala mit Tensoren The exchange flow between preferential flow paths and matrix in soils: from pore to continuum scale with tensors Programmbereich 1 „Landschaftsprozesse“ Gerke, Horst Drittmittel Research Area 1 „Landscape Functioning“ completed abgeschlossen <div class="ExternalClassB7E961096AE946419417CA110319B69D"><div style="text-align:left;"><p><span lang="DE">Der präferenzielle Fluss stellt noch immer eine große Herausforderung
für die quantitative Beschreibung der Wasserbewegung und des Stofftransports in
strukturierten Böden dar. 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. 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.</span></p></div></div> <div class="ExternalClass39E0AC252F09405DAA598529F103F6B4"><p><span style="font-size:11pt;">Preferential flow still poses a great challenge when trying to quantitatively describe water and solute movement in structured soils. Empirical models are based on phenomenological approaches that consider flow domains for the macropore network and the porous matrix and as a key component the exchange between domains. However, many aspects of preferential flow cannot be explained without a physically adequate pore-scale understanding of both, the flow within macropores and the flow exchange between preferential flow paths and the soil matrix. Problems include the use of the continuum-assumption for the macropore system and flow in highly heterogeneous pores with spatially variable local properties. The objective is to create a foundation for novel class of digital soil physics models with explicit preferential flow where exchange fluxes with soil matrix are informed by pore-scale physics with accounting for spatially heterogeneous wettability and tensorial flow properties of soils for non-scalar and off-diagonal terms. Flow exchange coefficients will be explicitly calculated based on the pore-scale simulations. Conditions for the occurrence of non-creeping flow effects in larger macropores will be studied by using Navier-Stokes equations. Finally, more physically-based soil hydrological continuum models will be developed, which are based on results of pore-scale simulations used to derive "functions" for upscaling pore-scale flow in macropores and flow-interaction with porous matrix. For comparison, Richards-based models and individual fracture models will be used. This project will analyze available preferential flow observations and breakthrough data and intends to improve fluorescence dye tracing techniques for quantification of the flow exchange for testing the pore scale modelling. The collaborative project combines pore and continuum scale modeling with experimental validation. The two groups from RAS (Moscow) and ZALF (Müncheberg) collaborate with respect to fluorescence tracer experiments, dual-continuum model evaluation, and comparison of pore-scale with multi-domain approaches. Available soil data, preferential flow observations, and staining imaging will be used; additional Uranine tracer techniques developed.</span></p></div> FLEXPO <div class="ExternalClass016D26FC-E7DE-4D6E-8414-8BF749503C1F"></div> <div class="ExternalClassEAE7E2D6-CA5F-45B5-AC44-DD1AA74A7632"></div> <div class="ExternalClass4507F47C-99BD-4F2B-9BF1-05BAA935715E"></div> <div class="ExternalClass87340CE6-705A-4085-B42E-B1404BBF4FD6"></div> <div class="ExternalClass38F53D68-6FAB-491B-9F54-BEDA672A3CEC"></div> | <div class="ExternalClassB7E961096AE946419417CA110319B69D"><div style="text-align:left;"><p><span lang="DE">Der präferenzielle Fluss stellt noch immer eine große Herausforderung
für die quantitative Beschreibung der Wasserbewegung und des Stofftransports in
strukturierten Böden dar. 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. 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.</span></p></div></div> | <div class="ExternalClass39E0AC252F09405DAA598529F103F6B4"><p><span style="font-size:11pt;">Preferential flow still poses a great challenge when trying to quantitatively describe water and solute movement in structured soils. Empirical models are based on phenomenological approaches that consider flow domains for the macropore network and the porous matrix and as a key component the exchange between domains. However, many aspects of preferential flow cannot be explained without a physically adequate pore-scale understanding of both, the flow within macropores and the flow exchange between preferential flow paths and the soil matrix. Problems include the use of the continuum-assumption for the macropore system and flow in highly heterogeneous pores with spatially variable local properties. The objective is to create a foundation for novel class of digital soil physics models with explicit preferential flow where exchange fluxes with soil matrix are informed by pore-scale physics with accounting for spatially heterogeneous wettability and tensorial flow properties of soils for non-scalar and off-diagonal terms. Flow exchange coefficients will be explicitly calculated based on the pore-scale simulations. Conditions for the occurrence of non-creeping flow effects in larger macropores will be studied by using Navier-Stokes equations. Finally, more physically-based soil hydrological continuum models will be developed, which are based on results of pore-scale simulations used to derive "functions" for upscaling pore-scale flow in macropores and flow-interaction with porous matrix. For comparison, Richards-based models and individual fracture models will be used. This project will analyze available preferential flow observations and breakthrough data and intends to improve fluorescence dye tracing techniques for quantification of the flow exchange for testing the pore scale modelling. The collaborative project combines pore and continuum scale modeling with experimental validation. The two groups from RAS (Moscow) and ZALF (Müncheberg) collaborate with respect to fluorescence tracer experiments, dual-continuum model evaluation, and comparison of pore-scale with multi-domain approaches. Available soil data, preferential flow observations, and staining imaging will be used; additional Uranine tracer techniques developed.</span></p></div> | | | <div class="ExternalClassF93FCBDC-DE55-460E-BE8F-4A00F82F2C5B">Dr. Horst Gerke</div> | Gerke, Horst | <div class="ExternalClass57694735-37AF-493A-AF1B-03E5F6EE3DB7">Dr. Horst Gerke</a></div> | | | | | | | | | | | 3 | 3 | | <div class="ExternalClass60B7D136-2734-4B43-A196-D3363A2296CE"><ul><li>Hydropedologie</li></ul></div> | <div class="ExternalClass60C73DCE-07AF-4F0C-948E-148DA9FD662F"><ul><li>Hydropedology</li></ul></div> |
