INVEST

Um diese Frage anzusprechen, werden ‚virtuelle Boden-Pflanze Systeme’ (virtual soil-plant systems – ViSPS) – 2D- und 3D-Feldmodelle mit hoch detaillierter Darstellung verschiedener realistischer Strukturen – konstruiert. An diesen Systemen werden Simulationen der Wasserdynamik und des Stofftransports durchgeführt, um synthetische Datensätze von simulierten Zustandsvariablen, Flüssen und Messungen für verschiedene Sensoren und Techniken zu erhalten. Die simulierten Datensätze werden anschließend verwendet, um Parameterschätzverfahren zu entwickeln und zu testen. Die spezifischen Forschungsziele sind, verschiedene Datensätze hinsichtlich Informationsgehalt und Nutzen für die Identifikation passender Modelle und effektiver Modellparameter auszuwerten; einen Bezug zwischen effektiven Parametern und Strukturen innerhalb eines Feldes herzustellen; diese Strukturen durch hydrogeophysikalische Inversion nachzuvollziehen; und zeitabhängige Eigenschaften durch Anpassungstechniken abzuleiten.

Die Entwicklung robuster numerischer Lösungsmethoden und recheneffizienter Inversionsalgorithmen sowie die Einbeziehung von Hochleistungsrechnern sind bei der Bearbeitung dieser Fragestellungen von enormer Wichtigkeit.

Das Virtuelle Institut besteht aus folgenden Partnern:

1. Prof. Dr. Harry Vereecken und Prof. Dr. Jan Vanderborght (Sprecher), Agrosphäre, ICG-4, Forschungszentrum Jülich GmbH
2. Prof. Dr. Kurt Roth, Institut für Umweltphysik INF 229, Universität Heidelberg
3. Prof. Dr. Peter Bastian, Institut für Parallele und Verteilte Systeme, Universität Stuttgart
4. Dr. Mike Kowalsky, Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA.
5. PD Dr. Hans-Jörg Vogel und Prof. Dr. Sabine Attinger, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Abteilung Bodenphysik, Leipzig

An der TU Braunschweig arbeiten wir im Unterprojekt 2: Inverse Modellierung von auf der Feldskala gemittelten Fließ- und Transportprozessen an den folgenden Aufgabenstellungen:

• Entwicklung geeigneter Optimierungsalgorithmen und Untersuchung geeigneter Modelle für die Parametrisierung der hydraulischen Eigenschaften anhand von Laborexperimenten, die durch inverse Simulation ausgewertet werden.
• Untersuchung der Möglichkeit der gleichzeitigen Identifikation von hydraulischen Eigenschaften und Parametern der Wurzelwasseraufnahme durch inverse Modellierung der Wasserdynamik in Lysimetern. Durch eindimensionale numerische Vorwärtssimulation werden synthetische Messdaten erzeugt, anhand derer untersucht wird, inwieweit der Informationsgehalt, der unter atmosphärischen Randbedingungen gegeben ist, ausreicht, um eindeutige Parameter zu identifizieren. Dabei wird der Informationsgehalt durch die Verwendung unterschiedlicher unterer Randbedingungen und unterschiedlicher Instrumentierungsintensität variiert.
• Eine Validierung erfolgt anhand von realen Lysimeterdaten.
• Identifizierung passender 1D-Fließmodelle auf der Feldskala und deren effektiver Parameter basierend auf lateral gemittelten Flüssen, Bodenwassergehalten und Wasserpotenzialen, die aus Simulationen an virtuellen Böden mit steigender Komplexität und mit verschiedenen Randbedingungen, abgeleitet werden.
• Evaluierung des Informationsgehaltes verschiedener Datensätze zur Parametrisierung von 1D-Modellen auf der Feldskala.
• Untersuchung der Variabilität von Statusvariablen, die an verschiedenen Stellen im heterogenen zwei- oder drei-dimensionalen virtuellen Boden „gemessen“ werden, und der daraus resultierenden Einschätzung des effektiven Bodenwasserhaushalts des heterogenen Bodens.

Mitarbeiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Dr. Sascha Iden, Dr. Henrike Mielenz
Träger: Helmholtz-Gesellschaft
Mittel: 201000 Euro
Laufzeit: 01.03.2008 - 31.03.2013
Kooperationen: Forschungszentrum Jülich

Publikationen:

• Riedel, T., P. Henessy, S. C. Iden, and A. Koschinsky (2015): Leaching of soil-derived major and trace elements in an arable topsoil after the addition of biochar, European Journal of Soil Science, doi: 10.1111/ejss.12256. [->Iden] 
• Schelle, H., W. Durner, S.C. Iden, and J. Fank (2013): Simultaneous estimation of soil hydraulic and root distribution parameters from lysimeter data by inverse modeling, Procedia Environmental Sciences 19, 564–573, doi:10.1016/j.proenv.2013.06.064. [-> Durner] [->Iden] 
• Schelle, H., W. Durner, S. Schlüter, H.-J. Vogel, and J. Vanderborght (2013): Virtual Soils: Moisture measurements and their interpretation by inverse modeling, Vadose Zone Journal 12:3, doi:10.2136/vzj2012.0168. [-> Durner] 
• Rosenkranz, H., W. Durner, W. He, C. Knoblauch, and K. H. E. Meurer (2013): Ringversuch zum Praxisvergleich von 13 Sensor-Typen zur Wassergehalts- und Wasserspannungsbestimmung in Böden, in: Bericht über die 15. Lysimetertagung,15.-17.4.2013, HBFLA Raumberg-Gumpenstein, 93-102. [-> Durner] 
• Schlüter, S., H.-J. Vogel, O. Ippisch, P. Bastian, K. Roth, H. Schelle, W. Durner, R. Kasteel, and J. Vanderborght (2012): Virtual soils: Assessment of the effects of soil structure on the hydraulic behavior of cultivated soils, Vadose Zone Journal 11(3), doi:10.2136/vzj2011.0174. [-> Durner] 
• Schelle, H., S.C. Iden, J. Fank, and W. Durner (2012): Inverse estimation of soil hydraulic and root distribution parameters from lysimeter data, Vadose Zone Journal 11(3), doi:10.2136/vzj2011.0169. [-> Durner] [->Iden] 
• Schelle, H., S.C. Iden, and W. Durner (2011): INVEST - Inverse modeling of terrestrial systems: Inverse modeling of data from virtual reality simulations to identify effective one-dimensional flow processes and properties., In: Berichte der DBG »Böden verstehen - Böden nutzen - Böden fit machen«, 3. - 9. September 2011, Berlin.  [-> Durner] [->Iden] 
• Durner, W., S.C. Iden, H. Schelle, and A. Peters (2011): Determination of hydraulic properties of porous media across the whole moisture range, in Schuhmann, R. (Hrsg): »Innovative Feuchtemessung in Forschung und Praxis«, Berichtsband zur Tagung, 12.10. – 14.10.2011 am KIT, Karlsruhe, 13-24 [-> Durner] [->Iden] [->Peters] 
• Schelle, H., S.C. Iden, and W. Durner (2011): Combined transient method for determining soil hydraulic properties in a wide pressure head range, Soil Sci. Soc. Am. J., 75(5), 1-13, doi:10.2136/sssaj2010.0374 [-> Durner] [->Iden] 
• Iden, S.C., H. Schelle, J. Fank, and W. Durner (2011): Inverse Modellierung des Wasserflusses mit Wurzelwasseraufnahme in Großlysimetern., In: Berichte der DBG »Böden verstehen - Böden nutzen - Böden fit machen«, 3. - 9. September 2011, Berlin.  [-> Durner] [->Iden] 
• Schelle, H., S.C. Iden, W. Durner, and J. Fank (2011): Inverse Modellierung des Wasserflusses in Großlysimetern , in: Bericht über die 14. Lysimetertagung am 2. und 3. Mai 2011, HBFLA Raumberg-Gumpenstein, 51-60.  [-> Durner] [->Iden] 
• Schelle, H., S.C. Iden, A. Peters, and W. Durner (2010): Analysis of the agreement of soil hydraulic properties obtained from multistep-outflow and evaporation methods, Vadose Zone Journal, 9: 1080-1091, doi:10.2136/vzj2010.0050 [-> Durner] [->Iden] [->Peters] 
• Schelle, H., S.C. Iden, and W. Durner (2009): Bestimmung hydraulischer Eigenschaften aus Multistep-Outflow und Evaporationsexperimenten – Methodenvergleich, Berichte der DBG, Jahrestagung der DBG – Kom. I: Böden – eine endliche Ressource, September 2009, Bonn. [-> Durner] [->Iden] 
• Durner, W., S.C. Iden, H. Schelle, U. Schindler, G. von Unold, and A. Peters (2009): Innovative Bestimmungsverfahren für hydraulische Materialeigenschaften, in Schuhmann, R. (Hrsg): »Innovative Feuchtemessung in Forschung und Praxis«, Berichtsband zur Tagung, 30. 9. bis 1.10.2009, Bad Herrenalb, Karlsruhe, S. 151-162. [-> Durner] [->Iden] [->Peters] 

Vorträge:

• Durner (2013): How spatial variability of soil physical properties affects measurements and estimated hydraulic properties: Lessons learned from virtual soils, SPA Naples, 9-21 June, 2013. [-> Durner] 
• Schelle (2012): Simultaneous identification of water flow and root water uptake parameters by inverse modelling of lysimeter data , Ecotrons and Lysimeters Conference, 30.5. - 1.6.2012, Munich, Germany [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle (2011): Inverse modelling of water flow in lysimeters, European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 03–08 April 2011 [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Iden (2011): Inverse Modellierung des Wasserflusses mit Wurzelwasseraufnahme in Großlysimetern, Jahrestagung der DBG: »Böden verstehen – Böden nutzen – Böden fit machen«, Vortrag am 6.9.2011, Berlin [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle (2011): INVEST – Inverse Modeling of Terrestrial Systems: Inverse modeling of data from virtual reality simulations to identify effective one-dimensional flow processes and properties, Jahrestagung der DBG: »Böden verstehen – Böden nutzen – Böden fit machen«, Vortrag am 6.9.2011, Berlin [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle (2011): Inverse Modellierung des Wasserflusses in Großlysimetern, Bericht über die 14. Lysimetertagung am 2. und 3. Mai 2011, HBFLA Raumberg-Gumpenstein, 51-60 [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Scharnagl (2011): Bayesian inverse modeling of in situ soil water dynamics: using prior information on soil hydraulic properties, European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 03–08 April 2011 [->Scharnagl] 
• Durner (2011): Inverse Modellierung des Wasserflusses unter Berücksichtigung dynamischen Ungleichgewichts mit einem effektiven Dual-Kontinuum-Modell, Jahrestagung der DBG: »Böden verstehen – Böden nutzen – Böden fit machen«, Vortrag am 6.9.2011, Berlin [-> Durner] 
• Durner, W. (2009): Innovative Bestimmungsverfahren für hydraulische Materialeigenschaften, Innovative Feuchtemessung in Forschung und Praxis - Materialeigenschaften und Prozesse' 30. 9. bis 1.10.2009, Bad Herrenalb [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] [->Peters] 

Poster:

• Durner, W., H. Schelle, S. Schlüter, H.-J.Vogel, O. Ippisch, and J. Vanderborght (2013): Parameter Estimation by Inverse Modelling of State Variable Observations in Porous Media with Hierarchical Heterogeneity, EGU General Assembly, Vienna, Austria, 07 - 12 April 2013. [-> Durner] [->Mielenz] 
• Vanderborght,J., S. Garré, O. Ippisch, P. Bastian, J. Fahlke, K. Roth, G. Schenk, H. Schelle, W. Durner, S. Schlüter, and H.-J. Vogel (2012): What could we learn from simulations in virtual soil systems?, EGU General Assembly, Vienna, 22.-27.4.2012  [-> Durner] [->Mielenz] 
• Schelle, H., S.C. Iden, S. Schlüter, H.-J. Vogel, and W. Durner (2012): Identification of effective flow processes and properties from virtual soils using inverse modelling , EGU General Assembly, Vienna, 22.-27.4.2012 [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle, H, S.C. Iden, J. Fank and W. Durner (2012): Inverse modelling of water flow and root water uptake in lysimeters, EUROSOIL Bari, 2.-6.7.2012 [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle, H., W. Durner, S. Schlüter, H.-J. Vogel, and J. Vanderborght (2012): Virtual Soils: Identification of effective flow processes and properties using inverse modelling, Workshop der DBG-Kommissionen I, UFZ Leipzig 
• Vogel, H.-J., S. Schlüter, O. Ippisch, K. Roth, H. Schelle, W. Durner, R. Kasteel and J. Vanderborght (2011): Virtual soils – assessment of the effects of soil structure on the hydraulic behavior of cultivated soils , American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting, San Francisco, 5.-9.12.2011. [-> Durner] [->Mielenz] 
• Schelle, H., S.C. Iden, und W. Durner (2010): Combined transient method for determining soil hydraulic properties in a wide pressure head range, European Geosciences Union (EGU) General Assembly 2010, Vienna, 2-7 May 2010. [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz] 
• Schelle, H., A. Peters, and W. Durner (2009): Comparing the Multistep-Outflow and Evaporation Method for Determining Soil Hydraulic Properties, European Geosciences Union (EGU) General Assembly 2009, Vienna, 19 - 24 April 2009. [-> Durner] [->Mielenz] 
• Schelle, H., W. Durner and S.C. Iden (2009): Bestimmung hydraulischer Eigenschaften aus Multistep-Outflow und Evaporationsexperimenten – Methodenvergleich , DBG Bonn, Poster 120 [-> Durner] [->Iden] [->Mielenz]