Abgeschlossene Projekte
Cosmic Sense, Modul Groundwater
Projektbeschreibung:
Die nachhaltige Bewitschaftung der Grundwasserressourcen hängt von der detaillierten Kenntnis der Menge der Neubildung ab. Das ist ein Teil des Niederschlages, der in den Boden infiltriert, durch die ungesättigte Zone sickert, um die Grundwasseroberfläche zu erreichen. In der ungesättigten Zone ist die Bodenfeuchte der Speicher, der die Wasserbewegung kontrolliert. Die relevanten Skalen für die Grundwasserressourcen sind deutlich größer, als die Skalen, die die konventionellen Punkt-Messungen der Bodenfeuchte abdecken. Cosmic-ray neutron sensing (CRNS) erfasst die mittlere Bodenfeuchte über eine Fläche von 30 ha und mehreren Dezimetern Tiefe und ist damit geeignet, Grundwasserneubildung auf Feld- und Kleineinzugsgebiets-Skala abzudecken. In diesem Kontext kann auch Schneewasserequivalent und dessen Beitrag zur Grundwasserneubildung mit CRNS erfasst werden.
Das Ziel des Projektes ist es, eine Methode zu entwickeln, um aus CRNS Bodenfeuchte und Schneewasserequivalent die Grundwasserneubildungsrate auf der Feldskala und darüber abschätzen zu können. Es soll untersucht werden, wie die gemessene Bodenfeuchte der Wurzelzone auch zu Wasser unterhalb der Eindringtiefe des Sensors und zu abwärts gerichteten Flüssen in Verbindung gesetzt werden kann. Dafür werden Feldexperimente zur Messung von Bodenfeuchte und Schneewasser durchgeführt. Da die CRNS-Messungen vor allem den oberen Bereich der Wurzelzone abdecken, wird eine bodenhydrologische Modellierung angeschlossen. Die selbst erhobenen Daten werden mit Daten aus dem COSMIC SENSE Team ergänzt. Zuletzt wird ein numerisches Grundwassermodell mit horizontaler Wasserbewegung zum Vorfluter aufgesetzt und mit den Ergebnissen aus den Messungen und der Modellierung verglichen.Ansprechpartnerin: Lena Scheiffele
Ansprechpartnerin:
Cosmic Sense, Modul Massive Coverage
Projektbeschreibung:
Als Teil der DFG-Forschungsgruppe "Cosmic Sense" betreibt das Projekt "Massive Coverage" dichte Netzwerke sogenannter Cosmic Ray Neutron Sensors (CRNS) - im Rahmen zweier intensiver Beobachtungskampagnen (Fendt / Oberbayern, Wüstebach / Eifel) ebenso wie als längerfristig betriebene Sensornetze in hydrologischen Observatorien (Schäfertal / Harz, Marquardt / Brandenburg). Ziel ist einerseits die möglichst vollständige Erfassung der Bodenfeuchtedynamik innerhalb der Wurzelzone kleiner Einzugsgebiete (mit Flächen von etwa einem Quadratkilometer). Andererseits sollen durch die hohe Beprobungsdichte Bodenfeuchtekarten mit einer Auflösung entwickelt werden, die weit über den eigentlichen Sensorfootprint hinausgeht (unter Nutzung von Inversions- und Downscalingverfahren).
Ansprechpartner:
Mehr Infos unter:
https://www.uni-potsdam.de/de/cosmicsense/research/massive-coverage-mc.html
Oberflächenwasser - Grundwasser Interaktion an Bundeswasserstrassen II
Projektbeschreibung:
Interaktionsprozesse zwischen Oberflächenwasser (OFW) und Grundwasser (GW) stellen im Gebiet der Havel eine wesentliche Komponente in der Gesamtwasserbilanz und damit auch in der Stoffbilanz dar. Bei der Infiltration von Flusswasser in den Grundwasserleiter findet eine Vielzahl physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse statt. Die Infiltration von OFW ins GW ist dabei abhängig von den hydraulischen Verhältnissen, den hydrogeologischen Aquifereigenschaften sowie dem strukturellen Aufbau und dem Kolmatierungsgrad der Flusssohlen. Wasserbauliche Eingriffe, die die Beschaffenheit der Gewässersohle beeinflussen, können die Interaktion zwischen OFW und GW sowie die damit einhergehenden Wasser- und Stoffflüsse maßgeblich verändern. Am Untersuchungsstandort Brandenburg sollen durch großskalige Tracerversuche in kombination mit numerischer Modellierung wasserbauliche Eingriffe im Hinblick auf die zu erwartenden Effekte auf Wasser- und Stoffflüsse zwischen OFW und GW identifiziert und quantifiziert werden.
AnsprechpartnerInnen:
Oberflächenwasser - Grundwasser Interaktion an Bundeswasserstrassen I
Projektbeschreibung:
Das Ziel der Untersuchungen ist die Erfassung der Interaktion zwischen Oberflächengewässer (OFW) und Grundwasser (GW) an einem Untersuchungsstandort an der Bundeswasserstraße Untere Havel (Nedlitzer Durchstich). Dieser grenzt dort unmittelbar an einen wasserwirtschaftlich genutzten Aquifer. Die Havel ist stark urban überprägt, so dass steigende Frachten an Pharmakareststoffen und anderen „Mikrokontaminanten“ die Gewässergüte beeinflussen. Generell verbessert die Uferfiltration über eine Kombination von Filtrations-, Sorptions-, Abbau- und Mischungsprozessen beim Transport im Untergrund die Wasserbeschaffenheit erheblich. Neben der Verweilzeit ist vor allem das Redoxmilieu für die Eliminierung vieler Substanzen von Bedeutung.
Im Rahmen dieses Projektes sollen Wasser- und Stoffflüsse während der Uferflitration, sowie die hydraulische Eigenschaften im Bereich der hyporheischen Zone und im Grundwasser untersucht werden, insbesondere auch deren Veränderung im Rahmen einer wasserbaulichen Maßnahme zur Vertiefung der Fahrrinne des Sacrow-Paretzer Kanals. Hierzu wurde ein dreidimensionales Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell erstellt, um die Änderung beobachteten Veränderungen zu simulieren. Durch den Vergleich zweier Szenarien mit / ohne Rekonstruktion konnten die erfolgten Veränderungen der Infiltrationsrate am Flussbett sowie der Aufenthaltszeiten im Aquifer quantifiziert werden. Die darauf aufbauenden Untersuchungen sollen die saisonale (temperaturabhängige) Ausprägung der Redoxzonierung im Aquiferbereich des Nedlitzer Durchstich und die damit verbundene saisonalen Variationen im Abbauverhalten relevanter redox-sensitiver Spezies und ausgewählter Mikrokontaminanten detailliert erfassen.
Ansprechpartner:
Weishi Wang
Finanziert durch Graduate Research School-GeoSim und Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
Laufzeit 2013 - 2019
Kooperationspartner:
Hermann Lensing, Daniel Strasser (Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe)
Carsten Zühlke (Stadtwerke Potsdam)
Groundwater recharge estimate in a Brazilian sedimentary coastal region - Combining remote sensing, CRNS soil moisture data and hydro(geo)logical modelling
Projektbeschreibung:
The use of remote sensing and reanalysis data have been playing an important role in providing distributed global and regional information for resources management. However, the contributions of this type of data for quantifying groundwater recharge are still incipient because almost all current data available from satellite images can only detect patterns and spatial processes that are related to resources on and above the Earth's surface. Based on this statement, some studies have integrated remote sensing products and terrestrial data to estimate regional values of groundwater recharge from the water balance equation. Nevertheless, the studies using this approach were mostly applied in continental and semi-arid regions with clear-sky conditions, mainly because of the difficulties in obtaining continuous evapotranspiration data for cloudy-sky conditions. Moreover, most of the aforementioned studies used only precipitation, evapotranspiration, and surface runoff variables, but neglected the currently available soil moisture data. Considering the limitations of the previous studies, our aim is to estimate the spatial distribution of groundwater recharge in a complex sedimentary area using remote sensing, reanalysis and ground-based data. The Gramame basin and downstream right-bank of Paraíba basin (1,032 km2) is the selected area for this study, which comprises a tropical wet and cloudy-sky region located in North-east Brazil. The methodology used to estimate the groundwater recharge is based on the residual of the following terms considered in the water balance: precipitation, evapotranspiration, surface runoff, and soil water storage. Precipitation data is derived from the Integrated Multi-satelittE for GPM (IMERG) product at 0.1° x 0.1° (spatial) and half-hour (temporal) resolutions. Evapotranspiration is obtained by a modified MOD16 algorithm to fit more regional information (land use from MapBiomas project), modify some parametrisations to generate a new product for all sky conditions, and change the reanalysis meteorological forcing dataset. Surface runoff is estimated through the Natural Resources Conservation Service - Runoff Curve Number (NRCS-CN) method based on IMERG and MapBiomas data. Finally, the soil water storage in the root zone is obtained from a Soil Moisture Active Passive (SMAP) satellite product. Downscaling and bias correction are also applied to enhance the performance of these remotely sensed products. For the validation, groundwater recharge is also calculated from a monitoring well network through the Water Table Fluctuation (WTF) method, as well as the 1-D cumulative vertical flux is modelled from intermediary-scaled Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) data within the root zone.
Ansprechpartner:
Luís Barbosa
Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktionen
Modellierung von Wasserströmung und Wärmetransport an der Schnittstelle zwischen Fluss und Aquifer
Projektbeschreibung:
Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst.
Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser.
Ansprechpartner:
Finanzielle Unterstützung:
Research School-GeoSim und TERENO (Terrestrial Environmental Observatories).
Laufzeit:
2011 - 2015
Kooperationspartner:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, Department "Hydrogeologie" (Leipzig, Germany)
Visualisierung von Wurzelwasseraufnahmeprozessen mittels der neuartigen Kombination von "Magnet Resonance Imaging" und Neutronentomographie
Projektbeschreibung:
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.
Ansprechpartner:
Integriertes Wasserressourcenmanagement in landwirtschaftlich geprägten Landschaften
Projektbeschreibung:
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.
Ansprechpartner:
Dr. Gabriele Baroni
Hoch-auflösende Bildgebung in aggregierten Böden: Dynamiken von sauerstoff-, pH- und wassergehaltsinduzierten Grenzflächen
Projektbeschreibung:
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.
Ansprechpartner:
Dr. Nicole Rudolph-Mohr
Kooperationspartner:
- Prof. J. Bachmann (Universität Hannover) & G. Mühl (Leibnitz-Institut Großbeeren)
- Prof. S. Banwart & Dr. J. Bridge (University of Sheffield)
- Dr. T. Baumann & Prof. R. Niessner (Technische Universität München)
- Dr. A. Carminati (Helmholtz Zentrum für Umweltforschung Leipzig)
- Dr. S. Kolb & Prof. H. Drake (Universität Bayreuth)
- Dr. E. Lehmann (PSI, Schweiz) & Dr. N. Kardjilov (Helmholtz-Zentrum Berlin)
- Dr. S. Nagl (Universität Leipzig) & Prof. P. Wessig (Universität Potsdam)
Oxygen dynamics at the capillary fringe
PhD student: M.Sc. 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)
- Laufzeit: August 2010 - Juli 2013
- Teil von IPSWaT (International Postgraduate Studies in Water Technologies)
Kooperationspartner:
- Universität von Piura (Peru)
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: