Completed projects

Research on river groundwater interaction

Projektbeschreibung:

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.

Research on river groundwater interaction
Source: Munz

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.

Ansprechpartner:

Dr. 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)

Research on river groundwater interaction
Source: Munz

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pflanze
Source: Tötzke

Visualization of root water uptake processes using the novel combination of magnet resonance imaging and neutron tomography

Project description:

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.

Contact:

Dr. Christian Tötzke

 

pflanze
Source: Tötzke

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Integrated water resource management in agricultural landscapes

Integrated water resource management in agricultural landscapes

Project description:

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.

Contact:

Dr. Gabriele Baroni

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o2 konzentration
Source: Rudolph-Mohr

High-resolution imaging in aggregated soils: Dynamics of oxygen, pH and water content induced interfaces

 

Project description:

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.

Contact:

Dr. Nicole Rudolph-Mohr

Cooperation partners:

  • 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)
o2 konzentration
Source: Rudolph-Mohr

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