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.

Visualisierung von Wurzelwasseraufnahmeprozessen mittels der neuartigen Kombination von „Magnet Resonance Imaging“ und Neutronentomographie

Dr. Christian Tötzke

Die Rhizosphäre, also der Boden, der sich in unmittelbarer Umgebung von Pflanzenwurzeln befindet, reguliert die Wasserflüsse zu den Wurzeln. Obwohl die meisten Modelle gleiche Bodeneigenschaften von durchwurzeltem und von undurchwurzeltem Boden annehmen, weisen mehrere Versuchsergebnisse daraufhin, dass sich die chemischen, physikalischen und hydraulischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Auf Grund von technischen Schwierigkeiten ist bisher wenig bezüglich der hydraulischen Eigenschaften der Rhizosphäre und des Einflusses von Wurzelexudaten mit hohem Molekulargewicht (“Mucilage”) auf die lokale Bodenwasserretentionskurve bekannt. Neuartige Bildgebungsmethoden überwinden die bisherigen technischen Limitierungen indem sie räumlich und zeitlich hochaufgelöste Daten hinsichtlich Bodenheterogenitäten und Bodenwasserverteilungen produzieren. Auf diese Weise kann die Wurzelstruktur und die Bodenwasserverteilung in Bodenproben mit Pflanzen in situ und zerstörungsfrei untersucht werden.

Im Rahmen dieses Projekts werden wir zum ersten Mal die beiden Bildgebungsmethoden Magnetic Resonance Imaging (MRI) und Neutronentomographie (NT) kombinieren, um die zeitliche und räumliche Dynamik von wurzelexudiertem Mucilage zu untersuchen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden wir den Einfluss dieser Exudate auf die Bodenwasserverteilung und auf die Wurzelwasseraufnahmedynamiken bestimmen.

 

Finanzielle Unterstützung: DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

  • Laufzeit: März 2014 - Februar 2017

Kooperationspartner

  • RWTH Aachen
  • Forschungszentrum Jülich GmbH

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

Dr. Nicole Rudolph

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:

Research on river groundwater interaction

Dipl. Geoökol. Matthias Munz

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Surface waters (SFW) and groundwater (GW) are the interconnected parts of stream catchments. They are coupled by variable water, solute and heat exchange processes through streambed sediments affecting water discharges as well as water quality. For example, the microbial activity in the transition zone between rivers and groundwater, where up to 97 % of the entire stream respiration occurred, is basically controlled by the availability of oxygen, carbon and the temperature conditions. The goal of this research project will be to analyse and quantify the spatial and temporal variability of SFW-GW fluxes and heat exchange and, in turn, to investigate how these processes affect subsurface temperature condition.

We develop multiple methods, using the natural temperature signal (heat as a natural tracer), to determine subsurface water flow direction and to calculate vertical water fluxes in riverbed sediments based on measured temperature time series observed at multiple depths.

We simulate the spatial and temporal variability of river groundwater exchange, hyporheic flow and temperature pattern, to gain better insights on hydrological and thermal controls dominating the behaviour of an entire river reach. We furthermore use the fully integrated numerical modelling approach to investigate the benefits of temperature in model calibration and parametrisation.

Cooperation partners:

Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ; Department of Hydrogeology

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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Oxygen dynamics at the capillary fringe

PhD student: Sandip Chaudhary

Supervisor: Prof. Sascha Oswald

Dynamic interaction of flow and transport between the transition zone of saturated and unsaturated zone i.e. capillary fringe is not well understood. Investigating the spatio-temporal dynamics of Interaction between saturated and unsaturated zone would lead to better understanding of the fate of contaminants in groundwater. The aim of the research is to observe and quantify mass transfer dynamics at the capillary fringe.

Non-invasive imaging technique is applied to visualize 2-D distribution of oxygen at the interface and observe the mass transfer dynamics between the unsaturated to saturated zone. Additionally, Transport modelling (conservative and reactive) of mass transfer of oxygen via capillary fringe using multicomponent numerical code for variably saturated porous media will be carried out based on the Physical model.

 

Founded by Graduate Research School-GeoSim

  • Running-period: January 2014 – December 2015

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:

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:

 

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