Forschung

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Forschungsaktivitäten

Entsprechend der Komplexität der Prozesse, die in porösen Medien auftreten, erforschen wir Wasser- und Stofftransporte in Böden bei unterschiedlichen Sättigungszuständen und auf verschiedenen Maßstäben. Einige unserer Ansätze sind:

  • Kleinskalig (Bereich ≤ 30cm) durch in situ Bildgebungsmethoden: Visualisierung von
  • wurzelinduzierten Wasserflüssen in Böden durch Neutronradiographie und Röntgentomographie,
  • pH-Veränderungen und Sauerstoffdynamiken in wurzelbeeinflussten und wurzelunbeeinflussten Bodenbereichen durch Fluoreszenzbildgebung ("dissolved oxygen imaging"),
  • Transport von Schwermetallen in Boden durch Magnetresonanzbildgebung (MRI).
  • Großskalig durch
    • die quantitative Erfassung des Bodenwassergehalts (radialer Fußabdruck: 670m) mittels Langzeitmessungen von kosmischen Neutronenflüssen an der Luft-/Boden-Grenze,
    • die Bestimmung der elektromagnetischen Bodeneigenschaften mit Hilfe eines Sensornetzwerks aus TDR („Time Domain Reflectrometry) und Bodenfeuchtesonden,
    • die Anwendung von Tracern um advektive Transportmechanismen zu erforschen.

Zusätzlich werden die Versuchsdaten zur Kalibrierung von bodenhydraulischen Eigenschaften und Transportparametern auf verschiedenen Skalen verwendet („inverser Modellierungansatz“). Nach der Kalibrierung werden die Mechanismen von Wasserflüssen und Stofftransporten quantifiziert. Ziel ist es, Grundwassererneuerungsraten und  Bodenwasserflüsse in porösen Medien abzuschätzen. Wir hoffen, auf diesem Weg zum besseren Verständnis der Interaktionen im Atmosphären-Bodenprofil-Grundwasser-System- beizutragen.

 

Mehr Infos über unsere Forschungsgruppe finden Sie unter Startseite - Mitarbeiter - Ausstattung - Publikationen.

Transportverhalten künstlicher Aktivkohle-Eisen-Nanopartikel zur Sanierung von chlororganisch belasteten Grundwasserströmen

Doktorand: Dipl.-Umweltwiss. Jan Busch

Betreuer: Prof. Sascha Oswald

Grundwasser stellt eine wichtige Ressource dar, die es zu schützen gilt. Auf Industriestandorten innerhalb und außerhalb der Städte wurden seit Beginn der Industrialisierung Boden und Grundwasser mit verschiedensten Schadstoffen kontaminiert. Ein moderner Ansatz zur Sanierung von chlororganisch belastetem Grundwasser ist der Einsatz von elementaren Eisen in granulierter Form als reaktive Wand oder in mikro- und nanoskaliger Größe als injizierbare Lösung. Unterhalb von versiegelten Flächen ist der Einsatz von Eisen durch mangelnde Mobilität nicht erfolgversprechend. An dieser Stelle setzt das im Projekt Fe-Nanosit entwickelte Material Carbo-Iron an. Carbo-Iron besteht aus aktivkohlebasierten Partikeln, deren Oberfläche und Porenraum mit Eisennanopartikeln beschichtet ist.

In meinem Promotionsprojekt beschäftige ich mich mit dem Transportverhalten dieser Partikel. Es soll mit Hilfe von Säulenversuchen und Laboraquiferen untersucht werden, welche Bedingungen Einfluss auf das Transportverhalten der Partikel haben. Parallel dazu soll durch magnetresonanztomographische Methoden (MRT) der Transport und das Agglomerationsverhalten im Boden beobachtet werden. Eine weitere vielversprechende Methode ist die Nutzung von Synchrotronstrahlung zur Beobachtung der Oberflächenanhaftung und der Verteilung der Partikel im Porenraum eines porösen Mediums. Mit Hilfe der so gewonnenen Informationen soll das Transportverhalten der Partikel optimiert werden und an die jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen angepasst werden können.

 

Finanzielle Unterstützung: BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

  • Laufzeit: Oktober 2009 - September 2012

Kooperationspartner:

Integrale Messung des Bodenwassergehalts mittels kosmischer Neutronenstrahlung - Interpretation der erhobenen Daten

Doktorand: M.Sc. Carlos Andrés Rivera Villareyes

Betreuer: Prof. Sascha Oswald

Der Bodenwassergehalt spielt eine entscheidende Rolle für die Steuerung von Wasser- und Wärmeflüssen zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Neben Auswirkungen auf das regionale Klima beeinflusst der spezifische Wassergehalt auch weitere Prozesse, z.B. Transport gelöster Stoffe, biochemische Transformationen von Nährstoffen, oder die Grundwasserneubildung. In den letzten Jahrzehnten konnte durch die Entwicklung verschiedener neuer Sensoren im Bereich der kleinskaligen Bodenfeuchtebestimmung erhebliche Fortschritte erzielt werden. Hingegen kämpfen großskalige Methoden wie die Fernerkundung noch immer mit einigen Schwierigkeiten wie der Durchdringungstiefe, der Messung von Bodeneis, oder der Sensitivität unterschiedlicher Oberflächenrauhigkeiten. Bis heute konnten trotz der großen Bedeutung von räumlich begrenzten Wasserfeuchtedaten für die Modellierung von Wassereinzugsgebieten, keine geeigneten Methoden zur mittelskaligen Wassergehalts-Messung entwickelt werden.

In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit einer neuartigen nicht-invasiven Technik, deren Funktionsweise auf der Grundlage des Abhängigkeitsverhältnisses von niederenergetischer kosmischer Neutronenstrahlintensität über der Erdoberfläche und dem Wasserstoffgehalt des Bodens beruht. Auf diese Weise können integrale Langzeitmessungen des Wassergehalts in der Größenordnung  einzelner Einzugsgebiete an verschiedenen Orten in Deutschland durchgeführt werden. Die Messwerte werden durch ein Sensornetzwerk (TDR und FDR-Sonden) verifiziert. Diese verifizierten Daten werden dann verwendet um hydrologische Modelle zu kalibrieren. Im letzten Schritt werden die Messwerte genutzt um die Bewässerungseffizienz an unterschiedlichen Standorten zu bewerten und um Bodenwasserflüsse zu quantifizieren.

 

Finanzielle Unterstützung: BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

Kooperationspartner:

Hoch-auflösende Bildgebung in aggregierten Böden: Dynamiken von sauerstoff-, pH- und wassergehaltsinduzierten Grenzflächen

Doktorandin: Dipl.-Ing. Nicole Rudolph

Betreuer: Prof. Sascha Oswald

In meinem Projekt geht es um die Visualisierung der Sauerstoff- und Wasserverteilung im Boden. Gelöster Sauerstoff ist der primäre Elektronenakzeptor im Boden. Seine Konzentration unterliegt Reaktionen der Sauerstoffzerrung. Unser Ziel ist es, Sauerstoff-Transitionszonen in Böden innerhalb eines Bereichs von bis zu 10cm sichtbar zu machen und zu quantifizieren. Die Entstehung dieser Zonen ist auf das Zusammenwirken von unterschiedlichen Einflussparametern (u.a. Bodenstruktur, Wasserfluss, Sauerstofftransport und Sauerstoffzerrreaktionen) zurückzuführen. Einerseits werden Sauerstofftransitionszonen bei höherer Wassersättigung als Ergebnis metabolischer Aktivitäten entstehen. Andererseits werden die Sauerstofftransitionszonen auch diese Aktivitäten limitieren oder erhöhen. Eine Grundvoraussetzung um die Verteilung von gelöstem Sauerstoff zu quantifizieren, ist die Kenntnis der Wassergehaltsverteilung, die einen wichtigen Einflussfaktor für den Ablauf biogeochemischer Bodenprozesse bildet.

Die Methode basiert auf einer Kombination kürzlich entwickelter Bildgebungsansätze, z.B. die Möglichkeit gelöste Sauerstoffkonzentrationen durch Fluoreszenz von spezifischen, gelösten lumineszierenden Molekülen zu ermitteln, die bei Anregung mit UV-Licht als Sauerstoffsonden agieren. Das Fluoreszenzlicht kann mit Hilfe einer Kamera detektiert werden, wodurch auch die Visualisierung schneller Änderungen möglich ist. Ich wende diese Methode für gesättigte bis ungesättigte Bedingungen an. Zur Quantifizierung des Bodenwassergehalts verwende ich neben Fluoreszenz- auch Neutronen-Bildgebungsverfahren.

 

Finanzielle Unterstützung: DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

Kooperationspartner:

Flow and deformation processes at a slow-moving landslide

PhD student: Dipl.-Geoökol. Jan Wienhöfer

Supervisor: Prof. Dr. Erwin Zehe (TU München)

Slow-moving landslides are a wide-spread type of active mass movements, can cause severe damages in infra-structure, and may be a precursor of sudden catastrophic slope failures. The development of the movement of large hillslopes until failure is the result of complex interactions of hydrological, subsurface-hydraulic and soil-mechanical processes ranging over large space and time scales.

At the study site "Heumöser" in Vorarlberg, Austria, joint research started in 1995 with a project of the University of Karlsruhe focusing on geological, geotechnical issues as well as on survey of the slope movement, and has been strongly intensified since the foundation of the DFG research unit " Natural Slopes: Coupling of flow and deformation processes for modelling of large and slow mass movements" in 2006. The long term objective of this project is to get hands on a coupled model of appropriate complexity that allows reproduction of key process interactions, formation of the shear surface and the slope movement. For further information, please visit www.grosshang.de

My PhD project focuses on comprehensive process research at Heumöser to get a more thorough understanding of hydrological relevant structures, parameters and processes; especially of how subsurface structures control subsurface flow processes, and how these processes relate to slope movement. To these ends, I seek to combine hydrological and geotechnical monitoring, field experiments including tracer tests, and modelling at the hillslope scale.

 

Founded by DFG ( Deutsche Forschungsgemeinschaft)

Partners:

Integriertes Wasserressourcenmanagement in landwirtschaftlich geprägten Landschaften

Dr. Gabriele Baroni

Die Fortschritte der letzten Jahrzehnte im Bereich der Informatik und im Verständnis hydrologischer Prozesse führten zu einer wachsenden Zahl von Modellierungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit der Simulation von komplexen Wasserressourcen-Systemen. Oft werden hierbei auch unterschiedliche Darstellungen eines bestimmten hydrologischen Prozesses berücksichtigt. Die erhöhte Komplexität der Modelle führte jedoch auch zu einem wachsenden Datenbedarf, zum Beispiel zur Durchführung von Parameterrückschlüssen, oder von Modellverifizierungen. Diesem Bedarf sollte mit einer vernünftigen, zielorientierten und kosteneffizienten Art der Datenerhebung begegnet werden. Angesichts der enormen Vielfalt neuartiger Untersuchungs- und Datenerfassungsmethoden ist die Entwicklung von optimierten Monitoring-Netzwerken und Erkundungsschemata notwendig.

Das Hauptthema meiner Forschung ist es, die Eignung verschiedener hydrologischer Modelle für landwirtschaftliche Fragestellungen des Wassermanagements, z.B. Landnutzung und Bewässerungseffizienz, zu beurteilen. Hierfür betrachten wir Monitoring- und Modellieraktivitäten gemeinsam als Bestandteile standortspezifisch ausgerichteter Forschung innerhalb eines Lernprozesses. Unsicherheits- und Sensitivitätsanalysen werden als unerlässliches Werkzeug für die Bewertung des Models berücksichtigt, um die Verteilung der Ressourcen zu optimieren.

 

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Sorry, we are too young Lachend

 

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