C - Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt (WAU)

Transcrição

Bodenwasserwirtschaft
815.301
Willibald Loiskandl
1
INHALT
• Einführung
Fachbereiche
gesättigte/ungesättigte Zone
Datenerfassung
• Modellkonzepte und Simulation in der landeskulturellen Wasserwirtschaft
Grundlagen
Wasserbewegung
Stofftransport
2
Bewässerungswirtschaft
Agrarhydrologie
Regelung des Bodenwasserhaushaltes
Simulation in Vadose Zone Environment
Bodenerhaltung und Bodenschutz
Migrationsprozesse im Boden und
Grundwasserbereich
Angewandte Methoden der landeskulturellen
Wasserwirtschaft in den Tropen und Subtropen
3
Bodenphysik
Hydrologie
Feldarbeiten zur LKWW
Wasserwirtschaft
Hydraulik
Bodenkunde
Pflanzenproduktion
Ökologischer Landbau
etc.
4
Anwendung
Wurzelaufnahme, Wasserbilanzen
Entwicklungszusammenarbeit
Boden- und Bodenwasserschutz
Einleitung
Niederschlag
Klima
Transpiration
Oberflächenabfluß
Infiltration
Gelöste Stoffe,
mobile Adsorbents
Bodenmatrix
Evaporation
Vegetation
Wasserentzug durch
Wurzeln
Preferential flow
Ad-/Desorption
Abbau
Landeskulturelle
Wasserwirtschaft
Konvektion,
Dispersion
Theoretische Grundlagen
Bodenphysik
Grundwasser, freie Drainage, Seepage-Face etc.
Monitoring
Virtuelles Lysimeter
Messsysteme
5
Bodenfunktionen
Bodenfunktionen
(Blum
(Blum et
et al.,
al., 1989)
1989)
•
•
•
•
•
•
•
•
Lebensraum
Genreserve
Produktionsgrundlage
Speicherraum
Filter- und Pufferfunktionen
Rohstofflager
Standort für Siedlungen etc.
Landschaftsträger, Erholungsraum
Vom landwirtschaftlichen Wasserbau zur landeskulturellen Wasserwirtschaft
Landwirtschaftlicher
Landwirtschaftlicher Wasserbau
Wasserbau
Ziel war es, für die Pflanzenproduktion
und für die Bodenbearbeitung optimale
Bedingungen zu schaffen
Hauptinteresse lag auf den baulichen
Aspekten zum Erreichen des Zieles.
Anthropogene Beeinflussung; Quantität
8
Anthropogene Beeinflussung; Qualität
9
Landeskulturelle
Landeskulturelle Wasserwirtschaft
Wasserwirtschaft
Landeskultur
Alles Planen und Handeln,
um das gegebene
Naturpotential
bestmöglich zu gestalten,
zu nutzen sowie als
Lebensgrundlage
nachhaltig zu sichern.
Wasserwirtschaft
Planmäßige
Bewirtschaftung des oberund unterirdischen
Wasservorrates.
Sprinkler versus Tropfbewässerung
Quelle: Feldversuch P.Cepuder
11
Ertrag: Sprinkler - Tropfbewässerung
Year
Drip
Sprinkler
2001
72 t/ha
67 t/ha
2002
60 t/ha
55 t/ha
difference
6%
10 %
Niederschlag, Bewässerung und Wassereinsparung für 2 Jahre
Drip
Sprinkler
Water saving
200 mm
226 mm/ha
283 mm/ha
20 %
411 mm
115 mm/ha
160 mm/ha
28 %
Year
Rain
2001
2002
Kosten
Drip € 1800/ha
Sprinkler € 500/ha
12
lu
ng
G
M run
on d w
ito a
rin sse
g r-
Si
ck
er
be
ck
en
Vo
rb
eh
an
dl
un
g
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,2 dk
5
an
al
W
K as s
on er
tr qu
o
Se lle alitä
di
tsm
en
ta
tio
n
Wasserwirtschaft, künstliche Grundwasseranreicherung
13
14
Wirtschaftlichkeit
Wirtschaftlichkeit der
der Tropfbewässerung
Tropfbewässerung in
in der
der Wachau
Wachau
Ökonomie
Umwelt
Bau- und
Betriebskosten
Wasserhaushalt
Bodenfruchtbarkeit
Ertrag
Landschaftserhaltung
Qualität
Sozioökonomie
Beschäftigung
Besitzfestigung
Fremdenverkehr
Bewässerungsversuche
Bewässerungsversuche seit
seit 1955
1955
Ertragssicherung
Angewandte Methoden der landeskulturellen Wasserwirtschaft
in den Tropen und Subtropen
.
• Approx. 70% of the global water withdrawal are for irrigation
• 85% of the consumptive water use is for irrigation
• According to FAO, irrigated agriculture produces 40% of the world's food
• Global irrigated area 1995: 2 571.753 km². 1998: 2 711.000 km². 2006: 2 788.000 km²
(approx. 2% of total geographical area of the world or 18% of the arable and permanent cropping area.)
9%
17%
68%
5%
1%
Source: Siebert S., Döll P., Hoogeveen J., Faurés J.M., and Franken K. (2007): The Global Map of Irrigation Areas
17
Süßwasserverwendung nach Sektoren
weltweit
8%
22%
70%
Haushalte
Industrie
Landwirtschaft
Österreich
5%
39%
56%
18
Quelle: IWMI
19
Projects Africa
COUNTRY
LEVEL
PROJECT
PARTNER
PROJECT TITLE
WATER
USE
FOCUS
BURKINO
FASO
National
GTZ (Deutsche
Gesellschaft für
Technische
Zusammenarbeit
GmbH)
Rapid evaluation of the
national economy of small
irrigation dam construction /A
Concept for the cultivation of
Inland-valleys with rice- sills
Water
storage
Dams and
Bas fond
Impact assessment
with respect to the
national economy of
small irrigation dam
Alternative use of run
off
KENYA
Community
Individual
owners
Egerton University
Design parameters and
evaluation of small water pans
situated in Lare Division
Water pans
Investigation -in
context of water use
concepts
UGANDA
Community
Governments of
Austria and Uganda
A holistic Approach for
Rainwater Harvesting
Water
harvesting
Synergies – holistic
view
ZIMBABWE
Stakeholder
FAO/Ministry of
Agriculture
Zimbabwe
Performance of a Irrigation
System in consideration of the
social context
Irrigation
Social impact –
interrelation of
irrigation methods
and local population
20
Impact of Irrigation Development on Poverty
and Environment
Case Studies - Irrigation Schemes
21
Wonji Shoa (7,500ha,
Awash, has out growers)
22
Assessment in irrigation practise
Holistic
Action oriented
Applicable
23
“Virtuelles” Wasser ?
Virtual water (Allan, 1998) is the volume of water required to produce a
commodity or service.
e.g. 1 kg importiertes Rindfleisch = 15 000 Liter virtuelles Wasser.
24
Alle Lebensmittel enthalten “eingebettetes”
oder “virtuelles Wasser”
Wasser für das Pflanzenwachstum
Wasser zum Trinken, Reinigung, etc.
Mehl
25
Quelle: Tim Hess
Benötigtes Wasser zu Erzeugung von 1kg:
l / kg
Getreide
1 500
Zitrusfrüchte
1 000
Palmöl
2 000
Hülsenfrüchte
1 000
Fleisch (Rind)
15 000
Fleisch (Schaf)
10 000
Fleisch (Geflügel)
6 000
26
UN World Water Development Report, 2003
Kompetenzfelder an der BOKU
Appropriate alternatives
that benefit sustainable
development
Improved soils for
a healthy life
Sustainable CropLivestock
interaction
Less water more crops
Managing tree and
forest resources
More income through
better markets
27
Impact of Irrigation Development on Rural
Poverty and the Environment; Implementierung
Hierarchischer Informationsfluss
28
Hierarchical Information Flow
Compiled by Dr DK Tuitoek, DR SFO Owido and Dr SS China
EGERTON UNIVERSITY PO BOX 536 NJORO
LEAFLET SUPPORTED AND FUNDED BY
GOVT. OF KENYA, DFID. & GOVT. OF THE NWTHERLANDS
29
Hierarchical Information Flow
30
Definitionen
Hydrologie: Verteilung und Bewegung von Wasser
Wasser als Ressource: Management und Verwendung von Wasser
Wasserwirtschaft: Wasser für den menschlichen Gebrauch unter
Berücksichtigung von Umweltschutzerfordernissen
Bodenphysik: Speicherung und Transport von Materie (besonders Wasser)
und Energie im Boden.
Æ ungesättigte Zone
Hydrologischer Wasserkreislauf:
Wasser von Niederschlag bis zur „Rückkehr“ in die Atmosphäre durch
Evaporation !
31
Einleitung
Sonneneinstrahlung
Niederschlag
Wasserkreislauf
Abstrahlung
Evapotranspiration
Oberflächenabfluss
Infiltration
Versickerung
Konvektion, Dispersion, Ad/Desorption,
Abbaureaktionen, Quellen
Pflanzenund Senken
wasserentzug
Grundwasser
32
Wasserbilanz:
N ...
I ...
Z ...
ET ...
D ...
R ...
∆W ...
N + I + (Z) = ET + D + R - ∆W
Niederschlag
Bewässerung
Quelle (z.B. von Fluss etc.)
Evapotranspiration (Evaporation and Transpiration)
Drainage
Oberflächenabfluss
Änderung des Profilwassergehaltes
33
Gesättigte Bodenzone Æ Grundwasser
Input: Perkulation -Wasser aus der ungesättigten Zone, Basisabfluss
Output: Basisabfluss, kapillarer Aufstieg
Bewegungskraft Æ Schwerkraft
ungesättigten Zone Æ Perkulation und kapillarer Aufstieg
Input: Infiltration, Zwischenabfluss
Output: Zwischenabfluss, Evapotranspiration, Drainage
Bewegungskraft Æ Schwerkraft und Kapillarität
Bodenoberfläche
ungesättigte Zone
Kapillarsaum
Wasserspiegel
gesättigte Zone
34
Systemkonzept (THOMPSON A. Stephen, 1999)
System: Komponenten und Prozesse
• Systemanalyse: Eine Möglichkeit die Welt zu betrachten.
• Physikalische Umweltsysteme beschreiben den Fluss und die Speicherung von
Masse und Energie
• Subsysteme: Boden, Grundwasser, Atmosphäre.
• Beobachter (Modellierer, Analyst) legt ein System nach den Bedürfnissen fest.
Alles innerhalb der Begrenzung ist Teil des Systems.
• Offenes System: Masse und Energie können die Berandung passieren.
• Geschlossenes System: nur Energie kann die Berandung passieren
(Für die meisten Anwendungen die Erde!).
35
Basin-scale hydrologic system (water cycle)
Components ≡ Storage
Soil subsystems
≡ unsaturated zone
36
Speicherkomponenten
•
•
Atmosphärischer Dampf
•
•
•
Oberfläche
Interzeption am Pflanzenbewuchs, Bäume
(Stamm, Äste und Blätter)
Bodenwasser (Retention oder Abgabe)
Grundwasser (Änderung des Wassergehaltes
bei freiem oder gespannten Wasser bei
steigenden oder fallendem Wasserspiegel)
37
Bodenoberfläche (Sub-Balance)
•
•
•
•
•
Precipitation (Niederschlag, Bewässerung) P
Mikro-Speicherung (z.B. Mikrorelief durch
Bodenbearbeitung
Makro-Speicherung (Makrorelief, z.B. kleine
Dämme)
Infiltration I
P = I + ∆S + RO
Oberflächenabfluss RO
38
Erweiterte klimatische Wasserbilanz für
geringen Grundwasserspiegel
∆VA = D + ETa + DS − I
39
Komponenten des Gesamtwasserpotential für
Verschiedenen Anwendungen (JURY et al., 1991)
Application
Components
Unsaturated swelling soil
ψt = ψo + ψg + ψp
ψt = ψo + ψg + ψa + ψm
+ overburden
ψt = ψo + ψg + ψa + ψw + ψe
Gesamtpotenzial,
+ soil air pressure
ψt = ψo + ψg + ψa + ψm
Schwerkraftpotenzial,
.
Druck+ (oder
Matrix)
overburden Potenzial
ψt = ψo + ψg + ψh + ψe
osmotisches
Potenzial
above groundwater
below groundwater
ψt = ψo + ψg + ψh
ψt = ψo++soil
ψair
ψp
g +pressure
Unsaturated rigid soil
Ψt
g.
Saturated swellingψsoil
ψp.
Saturated rigid soilψo
40
Warum ist die Erfassung der Wasserbewegung wichtig?
Wasserbilanz
Stoff- und Wärmetransport
water movement equation
simulation
substances
nitrate-movement
pesticides
inorganic ions
equations for hydraulic
conductivity k(h)...
soil water retention curve
irrigation, evaporation
Water movement
monitoring
reaction kinetics
adsorption theories
hysteresis
water withdrawal by plants,
drainage...
ion-exchange
heat transport equation
software-products
Unerlässlich für die Simulation
41
Datenerfassung
Bodensäule
42
Theta Probe
Campbell 615
Gypsum block
Watermark
Nylon block
Vitel
Hydra probe
Trime
Tensiometer / UMS
43
Sensoren
44
Sensoren
Diviner
Wasseranteil in %
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0
Bodentiefe in cm
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Nord
Ost
Süd
45
Konzept eines virtuellen Lysimeters
Wasseranteil
Simultane Aufzeichnung
Wasserspannung
Feldmessstationskomponenten:
Sensors
Data logger
Software: Rohdaten in physikalische Größen
Project layout (Sensorliste)
Kalibrierinformation
data handling
46
Portable
logger
undisturbed soil
n d
Sliding profiling sensors
Permanent installed profiling sensors
top layer
2
layer
Solar panel
Tensiometer
Data logger
Permanent
Data logger
Feldmessstation
pipe
Watermark and temperature
sensors in top layer
temperature
dielectric probe
Watermark
suction cup
water samples
47
D
a
t
a
A
c
q
u
i
s
i
t
i
o
n
A/D
A/D
digital
Memory + CPU
48
49
50
Sensoren
Sensor type
Neutron
probe
TRIME P2
Measuring Accuracy
principle
[%]
fast neutron
2
scattering
TDR
2 (3)
TRIME
tube sensor
TDR
2 (3)
Moisture
Point
Vitel
TDR
2
Dielectric
probe
Dielectric
probe
3
EnviroScan
11)
Watermark Conductivity
10
Tensiometer Pressure
transducer
5
1)
Calibration Measuring volume
Automatisation
Main field of
radius
application
Drum
30-50 cm water
difficult
water content
field
content dependent
profiling
point measurement
software
3 cm approx. probe easy
head
each sensor own electronic
hardly possible
water content
software
elliptic;
profiling
penetration depth
10 cm
laboratory 3 cm from center easy; own electronic and water content
data logger
profiling
laboratory 5 cm approx. probe easy implemented in data point measurement
head
loggers
field
10 cm
easy
irrigation
own data logger
water content
profiling
easy implemented in data irrigation
pressure
ceramic block;
loggers
indicator of matric
pot
potential
pot.
equilibrium
laboratory Potential
equilibrium
Easy implemented in data matric potential
loggers
(< 0.7 bar)
Supplier information
51
Agrarmeteorologische Station Groß-Enzersdorf
Windrichtung und geschwindigkeit
Agrarhydrologie
Taupunktstemperatur
Himmelsstrahlung
Strahlung
Lysimeter
Niederschlag
https://www.soils.org/sssagloss/index.php?check
53
Wasserbilanzen
• Pflanzenbau
• Ökologischer Landbau
• Mülldeponien
• Überflutungsflächen
• Rutschungen
• etc.
Zwischenfrucht -Versuchsfeld Hollabrunn: Gernot Bodner
54
Wasserbilanzen
• Feldmessstelleneinrichtung
• Erprobung neuer Sensoren
• Auswertung und Interpretation
55
56
Bodenwasserbilanzen
Dauermessstelle
3 Messrohre; Tiefe 200 cm
Messpunkte 10, 30, 50, 80, 120, 160 cm
Projekt: BIOfix
Partner: IFÖL
Leguminosenarten
Watermark
Watermark
Watermark
Watermark
Wassergehalt
Zeitreihe
57
Bodenwasserbilanzen
Messrohre für Diviner
Räumliche Beschreibung
19 Rohre; Tiefe 100 -120 cm
Messstufen in 10 cm Schritten
58
Modellkonzepte und Simulation in der landeskulturellen Wasserwirtschaft
The continuity principle and the relationship between the
rate-of-change of a quantity (differentiation) and the amount
of the quantity (integration) are fundamental to hydrologic
analyses (THOMPSON 1999).
59
Simulation
60
Wasserbewegung im gesättigten/ ungesättigtem
Boden
Näherung von Darcy: der Fluss durch eine Querschnittsfläche A [L²] eines
Sandfilters der Länge L ist proportional dem hydraulischen Gradienten:
Q
∆h
J = = −Ks
A
L
J ... Flussdichte [Lt-1]; Q ... Fluss [L³t-1]; Ks...hydraulische Leitfähigkeit [Lt-1]
(Darcy, 1856), kann auch über die Navier-Stokes-Gleichung abgeleitet
werden)
Wassergehalt im ungesättigtem Bereich ≤ Sättigung, einige Poren luftgefüllt, Drücke
generell negativ (h < 0)
Buckingham (1907): Modifikation der Darcy-Gleichung
Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit: Funktion des Druckpotentials bzw. Wasseranteils
(K(h), K(θ))
v
∂H
⎛ ∂h ⎞
J = −K ( h)
= − K ( h ) ⎜ + 1⎟
∂z
⎝ ∂z ⎠
61
Parameter - Wasserbewegung in der gesättigten
Bodenzone
Gesättigte Hydraulische Leitfähigkeit
kρg
Ks =
η
k ... Intrinsische Permeabilität des Bodens, ρ ... Dichte des Wassers, η... dynamische Viskosität,
g ... Gravitationsbeschleunigung
Spezifischer Speicherkoeffizient
1 dVw
dθ
=−
Ss = −
V dH
dH
(freigesetztes Wasservolumen pro Einheitsvolumen V des Bodens pro
Abnahme einer Einheit der hydraulischen Höhe)
62
Richards-Gleichung
Erweiterung der Buckingham-Darcy-Gleichung, da h und θ zeitlich variabel sein können
(Richard, 1931):
Kontinuitätsgleichung: erfordert, dass Änderung des volumetrischen Wassergehalts
innerhalb eines Bodenelements gleich der Strömung in das Element samt Quellen/Senken (S)
ist.
∂θ
∂J
1-dimensionaler, vertikaler
=−
∂t
∂z
Fluss:
mit extra Senke/Quelle S
∂θ
∂J
=−
+S
∂t
∂z
⎛ ∂h ⎞
−
K
h
(
)
Einsetzen: Buckingham-Darcy- Gleichung für J⇒
⎜ + 1⎟
⎝ ∂z
⎠
∂θ ∂ ⎡
⎛ ∂h ⎞⎤
= ⎢ K ( h ) ⎜ + 1⎟⎥ + S
∂t ∂z ⎣
⎝ ∂z ⎠⎦
→ enthält 2 abhängige Variablen: h und θ
63
Richards-Gleichung
Richardsgleichung, geschrieben nur als Funktion von h:
∂h
(
)
Ch
=
∂t
∂ ⎡
⎛ ∂h ⎞⎤
(
)
K h ⎜ + 1⎟⎥ + S
⎢
∂z ⎣
⎝ ∂z ⎠⎦
C(h) ... Wasserkapazitätsfunktion: Steigung der Bodenwassercharakteristik
(θ(h)-Beziehung)
→ zur Lösung notwendig: Anfangs- und Randbedingungen
• nur in einfachen Fällen analytisch lösbar
• numerische Methoden
64
Bodenparameter Zusammenstellung
3 Parameter Æ θ, h, k(θ) or k(h)
3 mögliche Beziehungen Æ 2 notwendig
Soil water characteristic or characteristic curve- relationship
between soil-water content (by mass or volume) and soil-water matric
potential. Also called the water retention curve or isotherm, and the
water release curve.
Wasseranteil – Wasserspannung
θ-h
Wasseranteil – kapillares Leitvermögen
θ –k(θ)
Wasserspannung– kapillares Leitvermögen h –k(h)
65
Parameter
•
Ein Parameter ist entweder eine physikalische Größe oder eine
Modelgröße, die eine physiklasche Eigenschaft beschreibt. Ein
Parameter wird im natürlichen Prozess bzw. In der Modellbeziehung
als konstant angesehen.
•
Die “Parameter-Bestimmung” im Labor oder im Feld erfordert die
mathematische Invertierung der Prozessgleichungen — Zustandsgrößen
werden konstant und Parameter werden variabel.
•
KLEIJNEN [1987] (Statistiker): “Eine Variable is direkt beobachtbar
während ein Parameter statistische Auswertung erfordert.”
66
Pedotransfer Funktion
Easiest Way: Soil Texture → Tables (e.g. DVWK, CARSEL and PARRISH
[1988])
if additional surrogated soil data available:
ROSETTA (SSL Riverside); hierarchical structure
if local database available:
neural network prediction
for Sand (non-aggregated) soils:
particle size distribution → pore size distribution → hydraulic properties
(KOZENY, CARMAN, HAZEN etc.)
67
Senkenterm
Spot = ETp/root depth
root depth
S pot ( z ) =
2 ⋅ ETpot
⎛
⎞
z
⋅ ⎜1 −
root depth ⎝ root depth ⎟⎠
68
Senkenterm
S(h ) = a (h )SP
Sp = b( x , y) * L t * Tp
Sink :
Sp c s
b(x,y)
a(h)
Lt
Tp
S(h)
Sp
cs
normalised root distribution
water stress response function
surface (transpiration)
potential transpiration rate
water uptake by roots
potential water uptake rate
concentration in sink term
69
Wasserstressfunktion
Plant
tomato
suger beat
wheat
pasture
corn
h 1 (cm )
h 2 (cm )
−10
−10
0
−10
−15
−25
−25
−1
−30
−30
Van Genuchten
α(h) =
h 3 high (cm h 3 low (cm)
)
−320
−600
−320
−600
−500
−900
−325
−800
−325
−600
1
⎛ h ⎞
1+ ⎜
⎟
h
⎝ 50 ⎠
p
h 4 (cm )
−16000
−16000
−16000
−8000
−8000
p=3
70
Wurzelparameter
Feldmaßstab
Einzelwurzel
Wurzelradius und Kinetikparameter
Zusätzlich: Wurzelhaare,
Wurzelleitvermögen, Mykorrhiza, etc.
Parameter: Dichte, Wurzeltiefe,
Wurzelverteilungsfunktion
Wurzelsystem
Zusätzlich:Wurzellänge, Wachstum,
Sterberate, Verzweigungshierarchie, etc.
71
Wurzelparameter – Probennahme und
Aufbereitung
Waschen über Siebe
(0.5-0.2mm)
Bodenkernentnahme
Quelle: M. Himmelbauer
72
Wurzelparameter - Laboranalyse
Image analysis system
WinRHIZO
Reinigung von Rückständen und Färben
73
Wurzelparameter - Laboranalyse
Beispiel einer Wurzelmorphologie: mit Imageanalyse WinRHIZO v.5.0 regulär
Scanning Prozedur:
in 3-4 mm Wasserfilm
(dunkle WurzelÆ keine
Färbung)
Auflösung:
400 bis 800 dpi.
Kontrolle (2C)
Mycorrhiza (9C)
S. caprea, Projektende
74
Wurzelparameter
+ Image-Analyse
Bodenkernprobe
- row
Profilwandmethode
Root index
• Länge
Root mass density
6
• Oberfläche
• Mittlerer Durchmesser
• Durchmesserklassen
• Wurzelverzweigungen, etc.
mg cm-3
0,00
12
0,50
1,00
1,50
0-2
18
5
24
30cm
36
15
54
depth
42
48
cm
10
2-4
1.0
4-6
60cm
20
25
control pots
Kontrolle
fungiFungi
pots
Mit
0.8
66
72
6-8
78
84
90cm
8-10
0.2
33
29
25
21
17
13
9
5
1
96
0.6
Wurzelmassenverteilung im Profil
Winterroggen,
Most pri Bratislave, 2005
0.4
Viliam Novak, M. Himmelbauer
3.
0<
.L
.<
=3
.5
.0
0
2.
50
<.
L.
<=
3
.5
0
2.
00
<.
L.
<=
2
.0
0
1.
50
<.
L.
<=
2
.5
0
.0
0
1.
00
<.
L.
<=
1
0.
75
<.
L.
<=
1
.7
5
0.
50
<.
L.
<=
0
75
0.
37
5<
.L
.<
=0
.5
0
0.
25
<.
L.
<=
0.
3
0.
12
5<
.L
.<
=0
.2
5
0<
.L
.<
=0
.
Wurzelverteilung:
Mais, Surnevo, Bulgaria, 1993
M. Himmelbauer
12
5
0.0
Diameter classes
Durchmesserklassen: Salix caprea, Gefäßexperiment
75
Rhizosphären – Wassergehalt
Bodenwassergehalt überwacht für:
optimale Pflanzen- und MykorrhizaS. caprea, fungi (16C, 4M)
Entwicklung
S. caprea, control (2C, 2M)
18.Okt.04
18.Okt.04
14.Okt.04
14.Okt.04
10.Okt.04
10.Okt.04
06.Okt.04
06.Okt.04
02.Okt.04
02.Okt.04
28.Sep.04
28.Sep.04
24.Sep.04
24.Sep.04
20.Sep.04
20.Sep.04
16.Sep.04
Soil water content (vol. %)
16.Sep.04
Soil water content (vol. %)
12.Sep.04
12.Sep.04
43.0-48.0
TDR LOM/RS
(EASY-Test Ltd, Poland)
Messintervall 30 Minuten
29.Aug.04
29.Aug.04
25.Aug.04
25.Aug.04
21.Aug.04
21.Aug.04
Vol. %
Vol. %
09.Aug.04
09.Aug.04
cm
cm
05.Aug.04
05.Aug.04
10.0
12.5
12.5
LOM/RS sensors installation
13.Aug.04
13.Aug.04
2.5
2.5
5.0
5.0
7.5
7.5
10.0
Experimental pots with S. caprea
and TDR equipment
Willow experiments
Dos Santos, M.N. and W. Wenzel, 2005).
48.0
48.0
43.0
43.0
38.0
38.0
33.0
33.0
28.0
28.0
23.0
23.0
18.0
18.0
13.0
13.0
8.08.0
3.03.0
43.0-48.0
38.0-43.0
38.0-43.0
33.0-38.0
33.0-38.0
28.0-33.0
28.0-33.0
23.0-28.0
23.0-28.0
18.0-23.0
18.0-23.0
13.0-18.0
13.0-18.0
8.0-13.0
8.0-13.0
3.0-8.0
3.0-8.0
76
Rhizosphäre
1-4 mm
Plant Root
Root hairs
Rhizosphere
Concentration
Mycorrhiza
-
Bulk soil
Distance to root surface
Definitions (Darrah and Roose, 2000):
• Practical definition often used: Soil adhering to gently shaken roots
• In modeling terms: Zone encompassed by the gradients of solute
concentration from the root surface into the surrounding soil
77
Rhizosphäre- Prozesse
Transport & Uptake
Exudates
( sugars, organic acids, amino acids,
phytosiderophores)
10-40% of total net C assimilation
Root hairs & Mycorrhiza
Biochemical reactor
(additional uptake?)
Microbial population
~ one order of magnitude
higher than in bulk soil
Root
Microbial
activity
pH
up to 2 units
Major controlling factor:
N supply
1
2
Metals
Nutrients
Exudates
mm
78
Rhizosphäre- Prozesse - Schema
Root exudates
Root hairs
Transport and uptake
Microbial activity
Mycorrhiza
79
Rhizosphären Prozessbeschreibung - Einzelwurzel
(e.g. Barber and Cushman,1981;
NST 3.0 - Syring and Claassen, 1996)
Modifizierte Michaelis-Menten Kinetik
(Cmin) t > 0 r =r0
J=
J max (Cl − Cmin )
K m + Cl − Cmin
r1
r0
soil
Boden
z
root surface
Wurzeloberfl.
z
root axis
Wurzelachse
yy
x
x
Wasserfluss - Wurzeloberfläche
∂Cl 1 ∂ ⎛
∂C r q C ⎞
=
⎜ rDe l + 0 0 l ⎟
∂t
r ∂r ⎝
∂r
b ⎠
Effektiver
Diffusionskoeffizient
∂Cl
∂ 2 Cl
∂Cl
b
= Dl fθ
+q
2
∂t
∂x
∂x
Buffer power: Verteilung eines Stoffes
in Lösung und an fester Phase dCt/dCl
80
Rhizosphären Prozessbeschreibung - Einzelwurzel
0
∂ 2 Cl
∂C l
∂C l
− a ⋅ J rh
b
q
+
= Dl fθ
2
∂x
∂t
∂x
+ Exsudate
-10
-20
Schnepf et al, 2005. Biogeochemistry of
Trace Elements in the Rhizosphere, Elsevier.
Model 1
Model 2
Model 3
Model 4
Model 5
Messwerte
measured data
-30
-40
-50
Interaktionskoeffizient
KDG für Metalle
Labiles Ni (mg dm-3)
+ Wurzelhaare
-60
0.00
∂ ( Cl − λ ⋅ Cex )
∂ 2Cl
∂Cl
= Dl f θ
+
b
q
∂t
∂x 2
∂x
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Abstand von Wurzeloberfläche
2
∂Cex
C
∂
Cex
∂
ex
KDG für Exsudate b
+
− θ ⋅ kCex
D
f
q
=
θ
ex
l .ex
2
∂x
∂t
∂x
Abbau
81
Rhizosphären Prozessbeschreibung
Wurzelsystem
Einfach: Wurzelsystem = Σ paralleler Einzelwurzel
Komplex: Roose and Fowler, 2001; 2004
• Wurzelverzweigung und Wachstum.
• Populationswachstumsmodell
Anfang
ohne Verzweigung
Ordnung 2
Verzweigungsabstand
Verzweigungszone
Ordnung 1
Fsys = ∑ Fi
i
Wurzelspitze
ohne Verzweigung
Nährstoffaufnahme der Einzelwurzel O( i ) pro
Einheitsvolumen
Fi = 2πai li FD (t , ai )
Ki
Einzelwurzellänge li = ∫ lφi ( l , t ) dl
0
Ordnung 0
n. T. Roose 2001
Dichtefunktion
Feldmaßstab
Repräsentatives Bodenvolumen.
S p ( zi , t ) = nrd ( zi ) Etp
Wurzelaufnahme halbempirischer Senkenterm.
(e.g. Feddes et al., 1978; Simunek et al., 2005 )
82
Parameterization; General parameters
parameter
type
transport
parameters
Notation
water flux density
diffusion coefficient in water
volumetric water content
tortuosity factor
bulk density
sorption
parameters
parameters of Freundlich isotherm
83
Parameterization; Single root rhizosphere model
sorption parameters
two-stage sorption
buffer power of fixed fraction
rate constant
fraction of type 1 sites
uptake kinetics
Michaelis Menten constant
maximum influx rate
exudation
exudation rate
interaction coefficient
COST 631: 168 models/ modelling
concepts and parameters
http://rhizo.boku.ac.at buffer power of citrate
diffusion coefficient of citrate in water
decomposition rate of citrate
root hairs
root hair radius and length
number of root hairs per unit root length
root hair surface area per unit volume of soil
84
Experiment 1; Processes for transport and uptake
soil solid phase
adsorbed exchangeable
metal (Cs)
pool
reversible equilibrium sorption
strongly bound fraction
reversible kinetically
controlled sorption
dissolved metal
soil solution
transport and uptake
formation of metal chelates
exudates
exudation
85
Entwässerungskurve

= Beziehung zwischen
Wasseranteil und
Matrixpotenzial

FC = field capacity

Feldkapazität

PWP = permanent wilting point

Permanenter Welkepunkt
86
Bodenwassercharakteristik
Soil Water Characteristics (SWC)
BROOKS und COREY BC (1964) S = θ − θ r
e
θs − θr
Se = 1
⎡h⎤
Se = ⎢ ⎥
⎣ ha ⎦
h < ha
−λ
h ≥ ha
h
m
ha
λ
Se
θs
θr
-
soil water pressure head; positive
defined
model parameter, air entry value
model parameter
effective water content
saturated water content
residual water content
87
van GENUCHTEN VG (1980)
Se (h) = [1 + (α ·h) n] −m
m = 1−
1
n
for mathematical reasons Æ
[Se]
[h]
[α]
[n]
[m]
effective saturation
cm soil water pressure head; positive defined
cm−1 model parameter
model parameter
model parameter
Umfassendste Information in LEIJ et al., 1997
88
⎡
⎤
1
⎥
θ (h) = θr + ( θs − θr ) ⋅ ⎢
n
⎢1 + ( α ⋅ h ) ⎥
⎣
⎦
m
Modified Model by Vogel and
Cislerova VC(1988):
Modified equations of Van Genuchten to add a flexible description of the hydraulic
properties near saturation.
Additional parameters are introduced:
•
Kk
hydraulic conductivity at θk ≤ θs
•
θm
θs is replaced by an fictitious extrapolated θm > θs
•
θa
θr is replaced by an fictitious extrapolated θa ≤ θr
θm − θa
⎧
θ
+
⎪⎪ a
n
1+ α ⋅ h
θ (h) = ⎨
⎪
θs
⎪⎩
(
)
m
h > hc
h ≤ hc
Most comprehensive Information LEIJ et al., 1997
89
IHLW
Labordaten
90
Reale SWC Daten
91
Bodenwassercharakteristik - Parameter
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lufteintrittshöhe ha
BC Kurvenanpassungsparameter (fitting parameters) ha, λ
VG fitting parameter α, m, n
VC fitting parameter θa, θm, α, m, n
Anfangssättigung θs (≈ nP)
Sättigungswassergehalt θ0
Restwassergehalt θr
Feldkapazität (FC)
Permanenter Welkepunkt (PWP)
92
•
•
•
Hysteresis - Matrixpotenzialhöhe - Wasseranteil - im feuchten
Bereich
SWC oft nicht eine eindeutige Beziehung umkehrbare
Beziehung – Entwässerungs- und Bewässerungsdaten
notwendig
Standardexperimente nur Entwässerung
93
Bodenwassercharakteristik; Hysteresis
(Scheffer / Schachtschabel, 1998)
94
Kapillares Leitvermögen k (h)
95
(Scheffer / Schachtschabel, 1998)
96
Hydraulic conductivity functions
a)
b)
Brooks and Corey (1964):
(a ...“air entry“ value, λ ... constant)
van Genuchten (1980):
⎡h⎤
K (h ) = K s ⎢ ⎥
⎣ ha ⎦
K(h ) = K s
−2 − 3 λ
h < ha
h ≥ ha
1 m⎤
⎡ ⎛
K (θ ) = Ks Se ⎢1 − ⎜1 − Se m ⎞⎟ ⎥
⎠ ⎦
⎣ ⎝
1
2
2
97
Stofftransport, Stoffhaushalt
Migrationprozesse
(Stofftransport)
Migrationsprozesse im Boden und Grundwasserbereich: die mit der Bodenund Grundwasserbewegung untrennbar verbundenen Transport-, Speicher-,
Austausch- mit Umwandlungsprozesse von Wärme und Stoff (LUCKNER
1986).
98
Stofftransport, Stoffhaushalt
Transport eines Stoffes in porösem Medium: hervorgerufen durch
unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Phänomene:
Konvektion, Diffusion, Dispersion
diverse Wechselwirkungen mit der Bodenmatrix (Adsorption,
Wasserlöslichkeit, Volatilisation)
chemische Reaktionen und Abbauprozesse
beeinflusst durch:
Chemische and physikalische Bodeneigenschaften
Atmosphärischen Bedingungen
Rand- und Anfangsbedingungen
Preferential flow
99
Transport in der flüssigen Phase
Fluss einer Substanz: vorwiegend konvektiver Transport von Stoffen in gelöstem,
suspendiertem oder emulgiertem Zustand; zusätzlich dispersiver Fluss
(transportierende Wasserströmung: kapillares Fließen )
Konvektion: gelöste Stoffe werden passiv im Wasser mittransportiert
Diffusion: hauptsächlich durch Brownsche Bewegung von Molekülen in einer
Flüssigkeit verursacht, stellt Stoff-Fluss proportional zum
Konzentrationsgradienten dar, der auch ohne Wasserströmung auftritt; außerdem
tragen zur allgemeinen Diffusion bei: osmotische Kräfte, thermische Diffusion und
Elektroosmose (nach Luckner& Schestakow, 1991)
100
Stofftransport, Transportmechanismen der im Bodenwasser
gelösten Stoffe
Flüsse
Konvektion
Hydromechanische
Dispersion,
molekulare
Diffusion
Phasenübergänge, Reaktionen (Quellen und Senken)
Scheinbare
Quellen und
Senken
(Diffusion
zwischen
Porenbereichen
mit immobilem
und mobilem
Bodenwasser)
(nach: Flühler, WS 1991/92, Vorlesung ETHZ)
Reversible Quellen
und Senken (Ad- /
Desorption;
Ionentausch,
Oberflächenkomplexierung,
Löslichkeitsgleichgewichte)
Irreversible
Quellen und
Senken (Fixation,
Biologische
Abbaureaktionen,
Ausfällungen
unlöslicher
Verbindungen)
101
Stofftransport
Diffusionsprozess als Ausdruck der Kollisionswahrscheinlichkeit
(aus: Flühler, WS 1991/92, Vorlesung ETHZ)
Diffusion
Die Kollisionswahrscheinlichkeit
innerhalb eines Kompartiments
ist in allen Richtungen die
gleiche.
Im Bereich des Konzentrationssprunges ist die
Kollisionswahrscheinlichkeit für die nach rechts
diffundierenden Teilchen kleiner als für jene, die
nach links in den dichter mit Teilchen belegten
Bereich diffundieren. Daraus resultiert die
Tendenz zum Konzentrationsausgleich.
102
Stofftransport
• Hydrodynamische Dispersion: Streuung der Teilchen sowohl durch
Diffusion als auch durch Geschwindigkeitsunterschiede auf mikroskopischer
Ebene (z. B. aufgrund Poren-Geometrie) (nach Richter, 1986; Bear, 1990);
• Aus makroskopischer Sicht: variierende Permeabilität kann z.B. “Ursache”
für dispersive Effekte sein
• beinhaltet: molekulare Diffusion und mechanische Dispersion
BEAR and VERRUIJT, 1994
103
Stofftransport
Charakterisierung der Stofftransport-Mechanismen anhand von
♦ Durchbruchskurven: Verlauf der Konzentrationsänderung (siehe Bodenphysik)
„Präferentieller“ Fluss: beeinflusst stark die Form der Durchbruchskurve
♦ Mathematische Beschreibung: KONVEKTIONS-DISPERSIONSGLEICHUNG
104
Stofftransport
Niederschlag
Klima
Transpiration
Oberflächenabfluß
Infiltration
Gelöste Stoffe,
mobile Adsorbents
Bodenmatrix
Evaporation
Vegetation
Wasserentzug durch
Wurzeln
Preferential flow
Ad-/Desorption
Abbau
Konvektion,
Dispersion
Grundwasser, freie Drainage, Seepage-Face etc.
105
Stofftransport
INTER- AND INTRAPARTIKEL PROZESSE
SOM
mineral phase
micropores
convection
...
intraparticle
diffusion
mesopores
SOM
intrasorbent
diffusion
Clay particle,
oxide coatings...
macropores
106
Stofftransport, Erweiterte Modelle
Erweiterung der Konvektions-Dispersiongleichung zur Beschreibung von physikalischen
und chemischen Nichtgleichgewichtsprozessen
z. B.:
Mobiles / Immobiles Modell
„2-site“ - Modell
Modell der mobilen Adsorbents
B
E
F
A
G
C
(1)
(2)
(3)
(4)
B+C ↔ A
B+SF ↔ F
A+SE ↔ E
C+SG ↔ G
A ...
B ...
C ...
SF,E,G...
Konz. des Komplexes (BC)
Konz. der Substanz in wässriger Phase
Konz. des mobilen Sorbents
Anteil der Sorptionsplätze an der Bodenmatrix
für B, A bzw. C
F,E,G... an Matrix adsorbierte Konz. von B, A bzw. C
107
Stofftransport
Adsorption versus Absorption
adsorption
absorption
soil particle
Adsorption
Surface process
Absorption
bulk process
108
Stofftransport
Macropore flow
Finger flow
Funnel flow
Due to root channels,
cracks, worm holes etc…;
interfaces to soil matrix:
get more impermeable e.g.
due to organic coatings in
biotic pores
In quasi homogeneous
sands − due to
hydrophobicity, layer and
horizon interfaces,
hysteresis
Heterogeneous soils − regions
with different porosities and
permeabilities; flow is dependent
on relative values of K(h) of the
respective material; capillary
barriers…
109
Stofftransport, Quellen und Schrumpfen
Microscale
Mesoscale
bulk pore water
clay platelets
vicinal
water
Macroscale
clay particle
bulk water
clay particle
clay platelet
vicinal water
110
Stoffverhalten im Boden
bestimmt durch
Persistenz, Abbau, Umwandlung,
Sorption, Austauschbindung
Verflüchtigung
Anreicherung
Mobilität
Persistenz: Verweildauer einer bestimmten Chemikalie in einem
genau definierten Kompartment der Umwelt
Verweildauer wiedergegeben mit Abbaukinetik 1. Ordnung durch
Angabe von DT-50-Werten (Abnahme der Ausgangskonzentration
um 50 %) (DT = Disappearence Time)
111
Stoffverhalten im Boden, Herbiziddynamik in der Umwelt
Herbiziddynamik in der Umwelt
112
Stoffverhalten im Boden, Herbiziddynamik in der Umwelt
113
Modellkonzepte und Simulation in der
landeskulturellen Wasserwirtschaft
Fragen die behandelt werden: Wasserbilanzen allgemein
Nährstoffhaushalt (Stickstoff, Phosphor, Kalium,....)
Nitrataustrag in das Grundwasser
Pestizid- und Herbizidverhalten in der Umwelt
Ertrag-, Wachstumsmodelle, Wasserbedarf.....
Bewässerungsmanagement
Schwermetalle, Schadstoffe
etc.
Theorie
Prozessverständnis
Anwendung
Monitoring
114
DRAINMOD
• Simulation eines seichten Grundwasserspiegels
Klassische Drainung (nicht Bemessung). Kalkulation der
Wasserspiegellage für bestehende Drainanlage.
SEWx Sum of excess of water related to a given depth
SEWx ... Drainkriterium,
x... Tiefe
Wasserstände für Pflanzen Æ Pflanzengefährdung
Pflanzenwasserentzug
• Simulation einer Unterflurbewässerung
115
Modellkonzepte und Simulation in der landeskulturellen
Wasserwirtschaft
DSSAT 3
• Decision Support System for Agro Technology
Pflanzenwachstum
Wasser, Nährstoffe
Pflanzenparameter ausgeprägt
Computer program for irrigation planning and management
FAO Nr. 46
Berechnet:
Referenzevapotranspiration
Pflanzenwasserbedarf
Bewässerungsbedarf
Wasserzufuhr zur Bewässerungsanlage
Entwirft:
Bewässerungsplan für unterschiedliche
Managementbedingungen
Schätzt:
Produktion (ohne Bewässerung) und Trockenheitseffekte
CROPWAT
116
Erosion-Productivity Impact Calculator
Acronym: EPIC
Main medium: terrestrial
Main subject: biogeochemistry, hydrology
Organization level: landscape
Type of model: not specified
Main application: research
Contact:
Dr. Jimmy R. Williams , Jay Atwood
USDA ARS,
Blackland Research Center, 808 E. Blackland Road, Temple TX 76502.
Phone: (254) 770-6508 Fax: (254) 770-6561 email: [email protected] ;
[email protected]
Homepage: http://www.brc.tamus.edu/blackland/staff/williams/index.htm
Author(s): Williams, J.R., P.T. Dyke and C.A. Jones. Abstract:
117
EPIC is a mechanistic simulation model used to examine long-term effects of various components
of soil erosion on crop production. EPIC is a public domain model that has been used to examine
the effects of soil erosion on crop production in over 60 different countries in Asia, South America
and Europe. The model has several components:
• soil erosion,
• economic,
• hydrologic,
• weather,
• nutrient,
• plant growth dynamics and
• crop management.
The model requires input from GRASS GIS layers. These include soil series and weather data,
although the model can generate the necessary weather parameters. The model also requires
management information that can be input from a text file. Currently, there are many management
files that exist for EPIC and an effort is underway to catalogue these files and provide them to users.
The model provides output on crop yields, economics of fertilizer use and crop values.
118
Bodenparameter:
CXT-Fit Parameter für die CDE-Gleichung aus Durchbruchskurven
RETC
Wasseranteil – Wasserspannung (θ – h) aus Messpunkten
ROSETTA
aus Textur, Bodenkennwerten: k-Wert Funktionen, (θ – h)Beziehung
119
Stofftransport
Kontinuitätsgleichung eines Stoffes
Eintretende Stoffmasse - austretende Stoffmasse
- Zunahme der Stoffmasse - Verminderung der
Stoffmasse durch Pflanzenaufnahme, chemische
oder biologische Reaktionen = 0
Einheitsvolumen für die Erstellung der Wasserbilanz
120
Stofftransport
Aus –Ein = ∆S
J s [ x , y , z + ∆z ,1 2 t ] .∆x.∆y.∆t − J s [ x , y , z ,1/ 2t ] .∆x.∆y.∆t
für eindimensionale Strömung:
+ CT [ x , y , z + 1 2 ∆z , t + ∆t ] .∆x.∆y.∆z − CT [ x , y , z + 1 2 ∆z , t ] .∆x.∆ y.∆z
+ rs [ x , y , z + 1 2 ∆z ,1 2 ∆t ] ∆x.∆y.∆z.∆t
Senke
=0
bzw. für ∆x, ∆ y -> und ∆ t -> 0
∂CT ∂t + ∂J s ∂ Z + rs = 0
Js
CT
rs
gesamter Stofffluss (Masse/Fläche und Zeit)
gesamte Stoffkonzentration (Masse/Volumen Boden)
Senke (Masse/Volumen * Zeit).
Kontinuitätsgleichung eines Stoffes
121
Stofftransport
Stoff kann in allen drei Phasen im Boden vorkommen:
CT = ρ B C a + θ C1 + na C g
Ca
Cl
Cg
ρB
θ
na
im Boden absorbierte Stoffmenge (Stoffmasse/Masse trockenen
Bodens)
im Flüssigkeit (Wasser) gelöste Stoffmenge (Stoffmasse/Volumen
Bodenwasser)
in Bodenluft enthaltene Stoffmenge (Masse des Stoffdampfes/
Volumen Bodenluft)
Trockendichte
Wasseranteil
Luftanteil
122
7. STOFFTRANSPORT, STOFFHAUSHALT
Stofftransport
Die Gesamtkonzentration CT bezogen auf die einzelnen Konzentrationen Cl, Ca, Cg
CT = ρ bCa + θ C1 + na Cg
= ρ b K d Cl + θ Cl + na K H Cl
= ( ρb K d + θ + na K H ) Cl ≡ Rl Cl
und
Rl = ρ b K d + θ + na K H
Ähnlich findet man:
Ra = ρ b + θ K d + na K H K d
R g = ρ b K d K H + θ K H + na
Rl
Ra
Rg
Verteilungskoeffizient der flüssigen Phase
Verteilungskoeffizient der absorbierten Phase
Verteilungskoeffizient der gasförmigen Phase
123
Stofftransport
Der Massenanteil der einzelnen Phasen ergibt sich mit:
f a = ρ b C a CT = ρ b Ra
f l = θCl CT = θ Rl
f g = na Ca CT = na Rg
wobei
fa + fl + fg = 1
124
Stofftransport
Stoff kann sich in der flüssigen und in der gasförmigen Phase bewegen (nicht in
der absorbierten Stoffmenge)
J s = J1 + J g
Jl
Jg
Fluss des in der Flüssigkeit enthaltenen Anteils
Fluss des in der Bodenluft enthaltenen Anteils
Bodenluft: molekulare Diffusion als Bewegung vorherrschend
∂ Cg
∂ z
effektiver Diffusionskoeffizient eines bestimmten Stoffes in der
Bodenluft
Jg = Dgs
D gs
125
Stofftransport
Der Stofftransport im Bodenwasser besteht aus zwei Anteilen:
• dem konvektive Anteil
JlC=JwCl + Jlh
• dem Anteil infolge molekularer Diffusion des Stoffes im Bodenwasser
Jld
Jw
Jlh
Jld
Wasserdurchfluss (Volumen/Zeit ⋅ Fläche)
Filtergeschwindigkeit vf nach Darcy
Anteil infolge mechanischer Dispersion
Stofffluss infolge molekularer Diffusion
∂ C1
∂ z
effektiver Diffusionskoeffizient eines bestimmten Stoffes im
Bodenwasser
mit J1d = − Dls
Dls
126
Stofftransport
D1h
hydrodynamischer Dispersionskoeffizient
und
J 1h = − D1h
∂ C1
∂z
Somit ergibt sich für den Stofffluss im Bodenwasser:
De
effektiver Diffusions-Dispersions-Koeffizient
J1 = J w C1 − Dls
∂ C1
∂ C1
− Dlh
∂ z
∂ z
Summe Stofftransport:
bzw. : J1 = J w C1 − De
∂ Ce
∂ z
JS=Jl + Jg = Jlc + Jld + Jg
Flüssigkeit + Gas
127
Konvektions-Dispersions-Gleichung
Stofffluss im Bodenwasser = Konvektion + Diffusion + Dispersion
v
J l = vθ Cl − De (θ , v )dCl / dz
Jl
De
Cl
v
dc/dz
Gesamter Stofffluss im Bodenwasser
Diffusion-Dispersion-Koeffizient
Lösungskonzentration
mittlere Geschwindigkeit
Konzentrationsgradient
Stationärer Fluss
Transport von nichtreagierenden, nichtabsorbierenden Stoffen
Instationärer Prozess, Fluss und Konzentration variieren mit der Zeit
Kontinuitätsgleichung
∂ ( Clθ )
∂ ( vClθ ) ∂ ⎛
∂C ⎞
=−
+ ⎜ De (θ , v ) l ⎟
∂t
∂z
∂z ⎝
∂z ⎠
∂ ( Cl θ )
∂t
=−
∂J l
∂z
128
Konvektions-Dispersions-Gleichung
∂ CT ∂ J s
+
+ rs = 0
∂t
∂Z
⎛ ∂ CT
⎞
0
divJ
r
+
+
=
s
s
⎜
⎟
⎝ ∂t
⎠
∂ J g ∂ Jl
∂ CT
=−
−
− rs
∂t
∂z ∂z
CT
Js
Jl
Jg
rs
Gesamtkonzentration der Lösung (Stoffmasse/Stoffvolumen)
Gesamter Stofffluss (Masse/(Fläche * Zeit))
Fluss des in der Flüssigkeit enthaltenen Anteils
Fluss des in der Bodenluft enthaltenen Anteils
Senke (Masseveränderung/(Volumen * Zeit))
129
Stofftransport
KONVEKTION-DISPERSIONS-GLEICHUNG
CT
Diffusion
Konvektion
∂
∂ ⎛ s ∂ C g ⎞ ∂ ⎛ ∂ C1 ⎞ ∂
( n C + θ C1 + ρbCa ) = ∂ z ⎜ Dg ∂ z ⎟ + ∂ z ⎜ De ∂ z ⎟ − ∂ z ( J wC1 ) − rs
∂t a g
⎝
⎠
⎝
⎠
Senke/Quelle
De
D gs
effektiver Diffusions-Dispersions-Koeffizient (Länge²/Zeit)
Dlh
hydrodynamischer Dispersionskoeffizient
Dls
effektiver Diffusionskoeffizient im Bodenwasser = ζeDlw
ζe Tortuositätsfaktor f(θ)
Dlw Diffusionskoeffizient im Wasser
= ζ g Dga
effektiver Diffusionskoeffizient in der Bodenluft
ζg Tortuositätsfaktor f(na)
Dlw Diffusionskoeffizient in freier Luft
Porentortuosität
l
lp
130
solute
concentration
gaseous phase
dispersion/diffusion
convection
adsorbed concentration
(
)
(
)
θ ⋅ ∂ t c + ∂ t (ρ ⋅ s ) + ∂ t (a v ⋅ g ) = ∂ xi θD ij w ∂ x j c + ∂ xi a v D ijg ∂ x j g − q i ∂ x i c
− S(c r − c) − µ w θc − µ s ρs − µ g a v g + γ w θ + γ s ⋅ ρ + γ g a v
sink/source
reaction rates of first order
reaction rates of zero order
131
Stofftransport
Transport von nichtreagierenden, nichtabsorbierenden Stoffen:
Die CD-Gleichung reduziert sich für diesen Fall zu
∂ C1
∂ 2 C1
∂ C1
=D
−V
∂t
∂ z2
∂z
Diffusion
Konvektion
D = De θ
V =
Jw
θ
V.....Stoffgeschwindigkeit (mittlere effektive Geschwindigkeit des Wassers
in den Bodenhohlräumen)
132
CDE - CONVECTION-DISPERSION-EQUATION (CDE)
Notwendig zur Lösung sind Anfangs- und Randbedingungen:
e.g.
t:
∂c/∂t
⇒ 1 Anfangsbedingung
x: ∂²c/∂x² ⇒ 2 Randbedingungen
133
Various types of boundary conditions (BC) possible:
Dirichlet BC: c → at x = 0 and L
e.g.
c(0,t) = c1(t), c(L,t) = c2(t)
Neumann BC: derivative with respect to boundary-value
independent variable
e.g.
→
∂c(0,t) / ∂x = 0, ∂c(L,t) / ∂x = 0
derivatives must be at least one order lower than
highest-order derivative in the partial differential
equation
134
Bear, J., Verruijt, A. (1990). Introduction to Modeling of Transport Phenomena
in Porous Media, CIP, Niederlande.
Luckner L., and Schestakow W. M. (1991). Migration Processes in the Soil and
Groundwater Zone, VEB, Leipzig.
Richter, J. (1986). Der Boden als Reaktor, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart.
Scheffer / Schachtschabel (1998).
Vorlesung: Simulation in Vadose Zone Environment
135
Ende
136
137
Boundary conditions
• Selection of boundary conditions may involve considerable simplification, hence to avoid
errors the underlying assumptions must be clearly understood and their effects on model
response critically evaluated.
Boundary type and
general name
Type 1
(specified head)
Type 2
(specified flux)
Type 3
(mixed boundary
condition)
Elevation head
Interface saturated
– unsaturated soil
Boundary condition
Formal name
constant head and
Dirichlet
specified head
streamline or stream Neumann
surface and specified
flux
head-dependent flux Cauchy
Seepage face
Free surface
Seepage face
Free surface
Mathematical
designation
h = constant.
dh/dn =const.
dh/dn + c=const.
(where c is also a
constant)
h=z
h = z;
dh/dn =const.
138
Abfallwirtschaft / -entsorgung
Verkehrsplanung und
Verkehrswegebau
Bereich 2
Konstruktiver Ingenieurbau
Querschnittsdisziplinen
Landmanagement und
Landentwicklung
Geotechnik , Angewandte Geologie
und Bodenkunde
Bauwirtschaft, Baubetrieb und
Planungsmanagement
Bereich 1
Nachhaltigkeit, Naturgefahren
und Ressourcenschutz
Wasserwirtschaft
und Umwelt
Geodatenmanagementt
Gewässerökologie
Konstruktiver Wasserbau und
Flussgebietsmanagement
Hydrologie und
Wasserwirtschaftliche Planung
Landeskulturelle WW und
Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz
KT&WW
Wasserwirtschaft und Umwelt
Landmanagement, Infrastruktur
und Bautechnik
Bereich 3
Landmanagement,
Infrastruktur und Bautechnik
139
Einleitung
Anwendung
Wurzelaufnahme
Verstehen und Anwenden
Wasserbilanzen
Entwicklungszusammenarbeit
Landeskulturelle
Schicksal
und Transport
Wasserwirtschaft
von Wasser, Stoffen
und Energie
Theoretische
Theoretische Grundlagen
Grundlagen
Bodenphysik
Analyse
und Messungen
Monitoring
Die bodenphysikalische
Pyramide
Die LKWW – Pyramide
(nach SPOSITO and REGINATO, 1992)
140
Bestimmung der Verdunstung
direkte Methoden:aus Bilanzierung des Wasserkreislaufes
indirekte Methoden:
aus Verdunstung von verschiedenen Wannen
Wild'sche Waage
Evaporimeter
Abschätzung aus klimatologischen Daten:
empirisch
aerodynamischer Transport
Energiebilanz
Kombination aerodynamischer
Transport - Energiebilanz
(Penman - Monteith)
141