Verbesserte Vorhersage der Wasserleitfähigkeit in ungesättigten porösen Medien mit einem neuen parametrischen Modell

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Zur Simulation des Wassertransports in der ungesättigten Bodenzone müssen die Wasserkapazität und die ungesättigte Wasserleitfähigkeit K als parametrische Funktion des Matrixpotentials h oder des Wassergehaltes q beschrieben werden. Die heute eingesetzten Funktionstypen für K(h) basieren entweder auf einfachen empirischen Beschreibungen oder auf Porenbündelmodellen. Allen Beschreibungen ist gemein, dass sie im stark ungesättigten Bereich einen approximativ linearen Abfall von log(K) gegen log(h) beschreiben. Unsere eigenen Messungen sowie in der Literatur dokumentierte Daten zeigen häufig eine systematische Fehlerhaftigkeit dieses Funktionsansatzes, welche insbesondere bei der Simulation von Austrocknungsvorgängen im Boden zum Versagen des Modells führt. Dieser Befund steht in Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen von Tuller und Or (2001). Diese postulieren, dass neben den kapillaren Fluss auch ein Wasserfluss als Film an Matrixoberflächen stattfindet. Nach der Teilentleerung der Kapillaren übernimmt dieser Filmfluss dem Hauptanteil am Gesamtfluss. Dies führt im stärker ungesättigten Bereich zu einem wesentlich schwächeren Abfall der hydraulischen Leitfähigkeit, als dies die bisher verwendeten Funktionen abbilden. Aufgrund seiner Komplexität und hohen Zahl von Modellparametern ist das Tuller-und-Or-Modell nicht praktikabel und wird in Simulationsmodellen entsprechend bis heute nicht eingesetzt. Im Rahmen unserer Studien zur inversen Simulation von Verdunstungsexperimenten haben wir ein sehr einfaches parametrisches Modell gefunden, das zur Lösung dieses Problems beitragen könnte. Im beantragten Vorhaben wollen wir anhand eigener Labormessungen mit unterschiedlichen Substraten sowie einer ausgedehnten Literaturrecherche die generelle Eignung dieses Modells überprüfen. Im Falle eines Erfolges könnten diese Arbeiten weitreichende Auswirkungen für die Simulation des Wassertransports in austrocknenden Böden haben.