Abgeschlossene Projekte

SoMMet

Projektbeschreibung:

SoMMet (Soil Moisture Metrology) is a a Joint Research Project within the Programme 'European Partnership on Metrology' of EURAMET. The time frame is October 2022 – September 2025 (duration of 36 months). The SoMMet Consortium brings together a diverse team of scientists from 18 institutions placed all over Europe.

The overall aim of SoMMet is to develop novel and traceable methods and establish a metrological infrastructure for soil moisture measurements covering lateral scales ranging from the decimetre to kilometre.

The project focuses on creating a metrological framework to achieve SI-tracable soil moisture measurements with an uncertainty of 5% under laboratory conditions. In the domain of CRNS methodology, it aims to develop new validation practices for outdoor conditions, including standardisation of CRNS on-field calibration procedures and neutron transport modeling. Additionally, SoMMet investigates the constraints and accuracy of soil moisture measurement methodologies using intercomparison campaigns on local and remote sensing. The overarching objective is to achieve a traceable relative uncertainty of 20% or better, harmonizing diverse data like point-scale sensors, satellite measurements, CRNS and modeling.

The project 21GRD08 SoMMet has received funding from the European Partnership on Metrology, co-financed from the European Union's Horizon Europe Research and Innovation Programme and by the Participating States.

 

Ansprechpartner:

Dr. Elodie Marret-Sicard

Mikroplastik an der Schnittstelle zwischen Fluss, Sediment und Grundwasser

Projektbeschreibung:

Mikroplastikpartikel sind in aquatischen Systemen allgegenwärtig, ihr Transport- und Rückhalteverhalten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser, Sediment und Grundwasser ist jedoch bislang nur unzureichend verstanden.
Ziel des Projekts ist es, das polymer-spezifische Transport- und Retentionsverhalten von Mikroplastik in durchströmten porösen Medien zu untersuchen. Im Fokus stehen dabei die Sediment–Wasser-Grenzfläche, hyporheische Austauschprozesse und Bankfiltration. Neben hydrogeologischen Faktoren wie Sedimenttyp und Strömungsregime werden insbesondere die physikochemischen Eigenschaften der Partikel berücksichtigt.
Felduntersuchungen an Bundeswasserstraßen sowie kontrollierte Laborexperimente liefern die Grundlage, um Verteilung, Tiefenprofil und Mobilität von Mikroplastik im Sediment zu erfassen. Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis von Filter- und Transportprozessen bei und liefern wichtige Erkenntnisse für den Gewässer- und Grundwasserschutz.

Laufzeit: 2021 – 2025

Ansprechpartner:
Dr. Matthias Munz
Constantin Loui

Kooperationspartner:
Marco Pittroff, Hermann Lensing (Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe)
Marius Bednarz, Claus G. Bannick (Umweltbundesamt, Berlin)
Mathias Bochow (Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, Potsdam)

Biogeochemie in der Rhizosphäre

Kombination von optischer Sensorik zur Erfassung von Wurzelatmung und Exudation (pH, CO2) mit der 3D Visualisierung der Wurzelstruktur und deren Modellierung.

Projektbeschreibung:

Das Wurzelwachstum und die Wurzelmorphologie werden maßgeblich durch die abiotischen (pH Wert, Wassergehalt, Sauerstoffverfügbarkeit, Lagerungsdichte) und biotischen (Wurzel-Mikroben-Interaktion) Umwelteinflüsse bestimmt, die zudem stark voneinander abhängig sind. So beeinflusst die Wurzelatmung nicht nur den Gashaushalt (O₂ Abnahme bei gleichzeitiger CO₂ Zunahme) sondern auch den Boden pH Wert, da CO₂ in der wässrigen Bodenlösung als Kohlensäure vorliegt. Der pH Wert wird aber zusätzlich durch die Wurzelexudate beeinflusst die von der Pflanze in unterschiedlicher Zusammensetzung ausgeschieden werden, abhängig von dem Alter der Pflanze und der Wurzelmorphologie. Kürzlich wurde nachgewiesen das die Wurzelexudate auch die hydraulischen Eigenschaften der Rhizosphäre verändern.

In meinem Projekt kombiniere ich neue kürzlich entwickelte Bildgebungsansätze um die Biogeochemie in der direkten Rhizosphäre in situ und zerstörungsfrei zu messen und zu verstehen. Zum einen benutzen wir optische Sensoren um Änderungen im pH Wert und in der Sauerstoffverteilung darzustellen und zum anderen verwenden wir Neutronen-Bildgebungsverfahren um die Wurzelstruktur und den Bodenwassergehalt zu quantifizieren. Zusammen mit Projektpartnern aus ganz Deutschland kombinieren wir unsere Bildgebende Ansätze mit verschiedenen Analysetechniken (Enzymanalyse, Kontaktwinkelmessungen, Analyse der mikrobiellen Diversität) um die Physikochemie in der Rhizosphäre besser zu verstehen.

Um die Pysikochemie der Rhizosphäre auch mechanistisch zu beschreiben, arbeiten wir auf internationaler Ebene mit Wissenschaftlern aus dem Bereich Modellierung eng zusammen. Die Ergebnisse der Bildgebungsexperimente werden in transiente numerische Modelle überführt, die beispielsweise den Gastransport im Boden und die sauerstoffzehrenden Reaktionen im Wurzelraum berechnen können.

Ansprechpartnerinnen:

• Dr. Nicole Rudolph-Mohr
• Sarah Bereswill

Kooperationspartner:

• Prof. J. Bachmann (Universität Hannover, Institut für Bodenkunde)
• Dr. B. Razavi (Universität Göttingen, Abteilung Agrarpedologie)
• Prof. C. Tebbe (von Thünen-Institut, AG Mikrobielle und Molekulare Ökologie)
• Dr. N. Vasilyeva (Dokuchaev Soil Science Institute)
• Prof. U. Mayer (University of British Columbia)
• Dr. N. Kardjilov (Helmholtz-Zentrum Berlin)

In-situ Überwachung und Modellierung einer reaktiven Wand

zur Reduzierung der Eisenkonzentration im Grundwasser unter Laborbedingungen

Projektbeschreibung:
Saure Mienenabwasser (AMD) können zu großen Umweltproblemen führen. In natürlichen Gewässern entstehen hohe Umweltbelastungen durch Metalle (z.B. Eisen), Sulfide und niedrige pH-Werte. Das Einbringen einer reaktiven Wand (PRB) in den natürlichen Grundwasserfluss kann diese Belastungen verringern.
Wir entwickeln eine reaktive Wand, die die Eisen- und Sulfatkonzentration von sauren Mienenabwässern reduziert. Die stattfindenden Prozesse werden unter Verwendung von optischer Sensorik, für den pH-Wert und der O₂-Konzentration, beobachtet. Dafür werden Farbstofffolien und faseroptische chemische Sensoren (FOCS) verwendet. Zusätzlich wird auch die Temperatur über optische Verfahren gemessen. Die aus den Laborexperimenten erhaltenen Daten werden unter Verwendung von MIN3P für einen langjährigen Zeitraum modelliert.

Ansprechpartner:
Maximilian Reuß

Kooperationspartner:
Apl. Prof. Dr. Michael U. Kumke (Universität Potsdam, Institut für Angewandte Optische Sensorik und Spektroskopie)

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:

Lena Scheiffele

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:

Dr. Maik Heistermann

Dr. Till Francke

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:

Dr. Matthias Munz

Isolde Barkow

Laufzeit: 2018 – 2020

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

Dr. Matthias Munz

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:

Matthias Munz

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:

Dr. Christian Tötzke

 

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)