Dieses Projekt wird gemeinsam mit dem Fachgebiet II 3.1 „Trinkwasserressourcen“ des Umweltbundesamtes und 7 weiteren Partnern durchgeführt. Thema des Gesamtprojektes ist die dezentrale Wiederverwendung von häuslichem Abwasser für die Bewässerung.
Die Prognosen zum Klimawandel sagen regional vermehrt akute Wasserknappheit voraus. Dies wird Nutzungskonkurrenzen um Wasser verschärfen, etwa zwischen der Nutzung von Frischwasser als Trinkwasser oder als Bewässerungswasser. In Regionen, die saisonal von Trockenheit betroffen sind, kann eine Wiederverwendung aufbereiteten Abwassers diese Nutzungskonkurrenz verringern.
Die bedarfsgerechte Aufbereitung und Desinfektion von Abwässern direkt am Ort der Wiederverwendung („Point-of-Use Reuse“: PU2R) stellt für landwirtschaftlich geprägte Regionen, die nicht direkt an Kläranlagen angeschlossen sind, eine vielversprechende Ergänzung für die Bewässerung dar. Das aufbereitete Wasser enthält jedoch organische und anorganische Schadstoffe, die eine Gefährdung für das Grundwasser oder für die Nutzpflanzen darstellen können.
Zur Minimierung von Risiken ist die Vorhersage der Schadstoffdynamik in Böden unter Abwasserbewässerung nötig. Ziel unseres Teilprojektes ist es, ein entsprechendes digitales Werkzeug zu entwickeln. Hierfür werden geeignete Batch-, Laborsäulen- und Lysimeterversuche mit Böden und behandeltem Abwasser durchgeführt, um anschließend anhand von inverser Simulation die wichtigsten Reaktions- und Transportprozesse zu identifizieren und die Prozessparameter mit ihren Unsicherheiten für die Prozessmodellierung zu schätzen.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner und Dr. Andre Peters Mitarbeiter: Mogens Thalmann
Träger: BMBF (02WV1564H)
Mittel: 231600 Euro
Laufzeit: 01.02.2021 - 31.01.2024
Kooperationen:
Fachhochschule Münster
Helmholz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Leipzig
Humbold-Universität Berlin
Ingenieurbüro Irriproject, Potsdam
Microdyn - Nadir GmbH, Wiesbaden
UV-EL GmbH & Co. KG UV Applications & Electrodeless UV Lamps, Dreden
Umweltbundesamt
In diesem Projekt führen wir numerische Wasserhaushaltssimulationen für Böden durch. Ziel ist es, entlang der Trasse SuedLink die zu erwartende maximale Austrocknung in Böden unter natürlichen Bedingungen (d.h., ohne zusätzlich induzierte Austrocknung durch Wärmeentwicklung aus Kabeln) zu berechnen. SuedLink ist die Bezeichnung des Trassenkorridors für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Leitung (HGÜ), die aus Windenergie gewonnene elektrische Energie aus dem Norden in die südlichen Regionen von Deutschland bringen soll.
Die Wärmeleitfähigkeit von Böden ist neben den Bodenparametern Bodenart und Lagerungsdichte maßgeblich vom Wassergehalt bestimmt. Die Wassergehalte wiederum hängen von den bodenhydrologischen Eigenschaften eines Bodenprofils ab, und werden in ihrer zeitlichen Entwicklung durch die klimatisch-meteorologischen Standortverhältnisse, die Landnutzung, sowie die Bedingungen im tieferen Untergrund (Grundwasser; Stauhorizonte) gesteuert.
Die Abschätzung der Austrocknung erfolgt auf Basis numerischer Simulationen mit einem Prozessmodell, mit entsprechenden Szenarien für die Faktoren Klima, Boden und Vegetation. Auf Basis der Simulationen können minimale Wärmeleitfähigkeiten der Substrate ermittelt werden, in welchen die Kabel liegen, und damit die Auslegung der Kabeltiefe und Abstände erfolgen.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Mitarbeiter: Dr. Tobias Hohenbrink, Dr. Andre Peters
Träger: Jacobs GmbH, ZDL (ZDL_0565)
Mittel: 50000 Euro
Laufzeit: 01.02.2021 - 31.07.2021
Das Ziel des Projektes ist die Verbesserung der Qualität der Ausbildung von Studierenden in der Geoökologie und speziell in der terrestrischen Hydrologie im Bachelorstudiengang Umweltwissenschaften. Hierzu wird ein zusätzliches digitales Lernangebot entlang einer Exkursionsroute im Harz entwickelt werden, das einen erweiterten Zugang zum Lernstoff bietet. Geplant sind Pools von Umwelt- und Bilddaten, die während der Exkursion an bestimmten Stationen mittels einer Augmented-Reality-App abgerufen werden können. Umweltdaten haben immer eine raum-zeitliche Struktur. Das Erfassen dieser Struktur mit ihren zyklischen Schwankungen (saisonal, tageszeitlich, ganzjährig) ist im Rahmen einer Begehung im Feldpraktikum bisher nur bedingt möglich. Die Datenpräsentation und Visualisierung von Umwelt- und Hydroparametern aus der jüngeren Vergangenheit der jeweiligen Exkursionsstationen wird zeitlich variable Umweltparameter visuell greifbar und verständlicher machen. Die Studenten werden am Tag der Exkursion eigene Messungen mit Hilfe von Feldmesstechnik durchführen. Der Vergleich der eigenen Daten mit Zeitreihen dieser Daten ermöglicht eine Einordnung der von den Studierenden selbst erlebten Situation während der Exkursion als Momentaufnahme in einen Gesamtzusammenhang. Darüber hinaus provoziert die Frage nach der Einordnung der eigenen Daten vor Ort einen bewussten eigenständigen Erarbeitungs- und Lernprozess, da die Kombination von aktuellen und historischen Daten eine integrativere Sicht auf die gesamte Naturraumsituation erfordert.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Mitarbeiter: Dr.-Ing. Kai Germer
Träger: Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur
Laufzeit: 01.04.2021 - 31.3.2022
Mittel: 50000 Euro
Das osmotische Potenzial ist neben dem matrischen Potenzial eine der beiden Komponenten, die das Wasserpotenzial am stärksten beeinflussen. Es hat eine besondere Bedeutung in salzbelasteten Böden, die sich in ariden und semi-ariden Regionen und in Küstengebieten befinden, insbesondere wenn schlechte Wasserqualitäten zur Bewässerung genutzt werden, wie z.B. Abwasser. Aufgrund des Klimawandels nehmen solche Gebiete zu. Ein besseres Verständnis der Rolle des osmotischen Potenzials bei den bodenhydraulischen Eigenschaften ist der erste Schritt zur Verbesserung der Bewirtschaftung dieser Gebiete. Während die Forschung zu den bodenhydraulischen Eigenschaften im Abhängigkeit vom Matrixpotenzial gut etabliert ist, konzentrieren sich nur wenige Studien auf die Komponente des osmotischen Potenzials. Der Grund dafür könnte darin liegen, dass es schwierig ist, die beiden Komponenten des Bodenwasserpotenzials während der Messung zu trennen.
In dieser Arbeit verwenden wir das Taupunktpotentiometer, um das osmotische Potential getrennt vom Gesamtwasserpotential in Quarzsand bei verschiedenen volumetrischen Wassergehalten zu messen. Die Rolle verschiedener Salze (NaCl, KCl, CaCl2 und MgCl2) bei der Erzeugung des osmotischen Potentials bei verschiedenen Konzentrationen wird untersucht. Messungen und Modellierung werden verglichen. Insbesondere testen wir die Anwendbarkeit der Van't Hoff- und USDA-Gleichungen für alle untersuchten Salze. Schließlich streben wir durch die Kombination von experimenteller Arbeit mit numerischer Modellierung ein besseres Verständnis des Salztransports in salzhaltigen Böden unter verschiedenen Bedingungen und seiner Auswirkung auf das Pflanzenwachstum an.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Mitarbeiter: Dr. Adil K. Salman
Träger: Philipp-Schwartz-Initiative
Mittel: 145000 Euro
Laufzeit: 01.01.2018 - 28.02.2022
Mit dem Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung wurde festgelegt, dass im Bereich der Landwirtschaft bis zum Jahr 2030 bei den Treibhausgasen 31 bis 34 Prozent eingespart werden sollen. Gleichzeitig sieht die auf EU-Ebene gültige Richtlinie über nationale Emissionshöchstgrenzen eine Minderung der Ammoniakemissionen um 29% bis 2030 gegenüber 2005 vor. Zum Erreichen dieser Vorgaben ist die Erarbeitung von Maßnahmen zur Minderung von Emissionen bei der landwirtschaftlichen Produktion von Rohstoffpflanzen ein wesentlicher Baustein. Ziel des Gesamtvorhabens RekoRT ist es daher, regionalspezifische Maßnahmen als praxisrelevante Handlungsempfehlungen für eine kosteneffiziente Reduktion von THG-Emissionen unter Berücksichtigung anderer gekoppelter Umweltwirkungen wie beispielsweise Gewässer- und Bodenschutz bei der Bereitstellung von Rohstoffpflanzen zu erarbeiten.
Die TU Braunschweig kooperiert mit dem Institut für Agrartechnologie des Johann Heinrich von Thünen-Instituts bei der Modellierung relevanter Stickstoffspezies beim Anbau von nachwachsenden Rohstoffen. In diesem Arbeitspaket sollen verschiedene Modelle zur Quantifizierung von Lachgas-, Ammoniak- und Nitrat-Emissionen in Bezug auf Datenanforderungen, Regionalisierbarkeit, Nutzerfreundlichkeit und Robustheit der Ergebnisse verglichen werden.
Im Rahmen dieses Teilprojektes soll auch versucht werden, Emissionsfaktoren basierend auf einer Technologie-Fruchtart-Matrix aus Literatur- und Projektdaten abzuleiten, welche es erlauben, die Ammoniakfreisetzung in Abhängigkeit von der verwendeten Applikationstechnik und der N-Düngerform genauer zu quantifizieren als bei Verwendung der globalen IPCC- Emissionsfaktoren.
Projektleiter: Prof. Dr. Rolf Nieder, Mitarbeiter: M.Sc. Stefan Prinz
Kooperationen: Kooperationspartner im Teilvorhaben 4: Institut für Agrartechnologie des Johann Heinrich von Thünen-Instituts, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Braunschweig (Dr. Heinz Stichnothe)
Projektpartner: (1) Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe, Straubing (Dr. D. Dressler: Leiterin des Gesamtvorhabens) (2) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., Energie, Emissionen und Klimaschutz, Darmstadt (Dr. Sebastian Wulf)
Träger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow-Prüzen
Mittel: 59800 Euro
Laufzeit: 01.06.2019 - 31.05.2022
Die rasch wachsende menschliche Bevölkerung und die Veränderungen der Lebensweise stellen einen enormen Druck auf die natürlichen Ressourcen dar. Große Herausforderungen beziehen sich auf die Nachhaltigkeit in Landnutzung und Landwirtschaft, wo Ernährungssicherheit, Wüstenbildung und Bodendegradation wichtige Themen sind. Darüber hinaus stehen die Wasserressourcen unter Druck, sowohl hinsichtlich der Quantität als auch der Qualität der Wasserversorgung. Da der größte Anteil des Gesamtwassers durch den Agrarsektor verbraucht werden, ist ein Wassermanagement, das die Effizienz der Wassernutzung durch die Landwirtschaft optimiert, von größter Bedeutung. Veränderungen des globalen Klimas und die Notwendigkeit, z.B. Wasser minderer Qualität für die Bewässerung zu verwenden, zwingen zu einem umfassenden Verständnis der Prozesse, die mit der Bewegung von Wasser und gelösten Stoffen im Untergrund zusammenhängen, um die möglichen Auswirkungen abzuschätzen und Anpassungs- und Abschwächungsstrategien zu entwickeln.
Bei der Behandlung dieser Fragen müssen die Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen Boden, Vegetation, Atmosphäre und Klima verstanden werden. Diese Wechselwirkungen sind komplex und nichtlinear. Um sie zu verstehen, spielt die quantitative numerische Modellierung der terrestrischen Prozesse, die den Austausch von Wasser und Energie an der Grenzfläche Boden-Atmosphäre bestimmen, eine entscheidende Rolle. Im Promotionsvorhaben von Deep Chandra Joshi soll das Wissen auf diesem Gebiet der Wissenschaft durch die Kombination von Laborexperimenten, Feldexperimenten und Modellierung erweitert werden.
Das Gesamtziel dieses Projekts ist daher die Weiterentwicklung bestehender Modellierungskonzepte und Parametrisierungen für effektive 1D-Modelle des Wasser-, Wärme- und Stofftransports. Konkret soll das Zusammenspiel von Verdunstung, Transpiration und Interzeption, Wurzelwasseraufnahme und Drainage in Böden unter Zuhilfenahme von Messdaten moderner Lysimeter beschreiben werden. Innovative Merkmale und wissenschaftliche Herausforderungen dieser Forschung sind: (i) Laborexperimente mit fortschrittlicher Instrumentierung auf einer kleinen Skala, (ii) Experimente an Großlysimetern, bei denen die Kontrollierbarkeit einer Laborsituation mit den Eigenschaften großer Lysimeter kombiniert wird, (iii) Identifizierung effektiver hydraulischer Eigenschaften über den gesamten Feuchtebereich in einem inversen Rahmen, (iv) Untersuchung der Vorhersagbarkeit einer allgemeinen Wasserflusssituation in einem kulturpflanzenbedeckten Feldboden auf der Grundlage der Materialcharakterisierung im Labor und der kontrollierten hydraulischen Überwachung im Feld. Wenn dies erfolgreich ist, ermöglicht die Verwendung der numerischen Simulation als Werkzeug die Optimierung von Bewässerungsstrategien unter verschiedenen Bedingungen. Dies wird zu verbesserten Modellen für den Salz-, Pestizid- oder Nährstofftransport in Böden und einer optimierten Ressourcennutzungseffizienz unter verschiedenen Situationen beitragen.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Mitarbeiter: Deep C. Joshi
Träger: DAAD Research Grants - Doctoral Programmes in Germany, 2017/18 (57299294)
Mittel: 62060 Euro
Laufzeit: 01.10.2017 - 20.09.2021
Die Untersuchung der Rolle von Kies, Steinen oder Gesteinsfragmenten auf die effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften (SHPs) ist entscheidend für das Verständnis und die Vorhersage von Prozessen wie Verdunstung oder Wasser- und Stofftransport durch Böden.
In dem Doktorandenprojekt von Mahyar Naseri untersuchen wir die effektiven hydraulischen Eigenschaften von steinigen Böden aus drei Blickwinkeln: (i) experimentelle Messungen, (ii) numerische 3D-Simulationen und (iii) analytische Verfahren.
Projektleiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner
Mitarbeiter: Dr. Sascha Iden, Mahyar Naseri, Dr. Andre Peters
Träger: DAAD Matching fund
Laufzeit: 01.10.2015 - 30.09.2021
Gesamtziel des Projekts ist es, die Einflussfaktoren auf gasförmige Stickstoff- (N-) verluste nach Ausbringung flüssiger Wirtschaftsdünger zu maisbasierten Systemen in der Nordchinesischen Tiefebene (NCP) zu ermitteln, um die N-Ausnutzungsraten zu erhöhen und die Umweltbelastung zu verringern.
Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf mögliche gegenläufige Effekte bei der gasförmigen Freisetzung verschiedener Stickstoff-Spezies auf der Grundlage von Untersuchungen im Feld ebenso wie im Labor gelegt. Grundsätzlich sind die Verluste von Stickstoff in Form von Ammoniak (NH3) nach Ausbringung von Harnstoff und Ammonium- (NH4+-) basierten N-Düngern (einschließlich Gärresten und Gülle) auf die größtenteils alkalischen Böden der NCP sehr hoch. Diese NH3-Verluste lassen sich jedoch bei Einarbeitung der N-Dünger in den Oberboden oder mit Bewässerung unmittelbar nach Ausbringung aufgrund der Verringerung der NH4+-Konzentration an der Bodenoberfläche bzw. Verlagerung in tiefere Bodenschichten, reduzieren. Jüngere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass gleichzeitig infolge teilweiser anaerober Verhältnisse im Boden höhere Verluste an direkt klimarelevantem Lachgas (N2O) auftreten. Diese möglichen “Wechselwirkungen” und deren Einflussfaktoren sollen in diesem Vorhaben systematisch untersucht werden.
Projektleiter: Prof. Dr. Rolf Nieder, Prof. Dr. Wenqi Ma, Mitarbeiter: Dr. Zhiling Gao, Dr. Marco Roelcke
Kooperationen: College of Resources and Environmental Science, Hebei Agricultural University (AUH), Baoding, P.R. CHINA, College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University (CAU), Beijing, P.R. CHINA
Träger: Deutscher Akademischer Austausch Dienst (DAAD) - China Scholarship Council (CSC) (Project-ID: 57446699)
Mittel: 18000 Euro
Laufzeit: 01.01.2019 - 31.12.2021
Eine zutreffende Einschätzung des Wassertransports im System Boden-Pflanze-Atmosphäre ist für viele Fragestellungen in den Umwelt- und Agrarwissenschaften von großer Bedeutung. Für die Modellierung des Wassertransportes auf Grundlage der Richardsgleichung müssen die hydraulischen Eigenschaften in Form der Wasserretentions- und der Leitfähigkeitsfunktion bekannt sein. Hierfür sind i.d.R. aufwändige Messungen und anschließende Anpassung geeigneter Modelle an die Daten erforderlich. Wenn diese Informationen nicht vorliegen und nicht erhoben werden können, wird häufig auf sogenannte Pedotransferfunktionen (PTF) zurückgegriffen. Diese PTF leiten über Regressionsansätze aus einfacher zu messenden und im besten Fall flächig verfügbaren Basisdaten wie Textur, Lagerungsdichte oder Gehalt an organischer Substanz, Parameter der hydraulischen Funktionen ab. Das ist besonders vorteilhaft, wenn eine detaillierte Modellierung auf größeren Flächen, etwa der Ebene von Einzugsgebieten oder noch größerer Regionen, vorgenommen werden soll, wie dies in hydrologischen oder meteorologischen Modellen erforderlich ist.
In der Vergangenheit wurden in einer Vielzahl von Studien PTF entwickelt und verglichen, wobei als Muster festgestellt werden kann, dass lokale Studien stets fanden, dass generell hergeleitete PTF ungenau wären und für lokale oder regionale Anwendungen eigenständige Kalibrierungen nötig wären. In unserem Forschungsvorhaben gehen wir (i) von der Hypothese aus, dass alle bisher entwickelten PTF wesentliche Eigenschaften hydraulischer Funktionen, wie etwa die Leitfähigkeit in Wasserfilmen, vernachlässigen, und somit zu systematischen Fehlern und Fehleinschätzungen bei abgeleiteten Parametern führen. Darüber hinaus (ii) bestehen die zugrundeliegenden Daten häufig aus ungenügend genau aufgelösten Messdaten in einem limitierten Feuchtebereich. Aufgrund der Verfügbarkeit neuer bodenphysikalischer Messtechnik wurde in jüngerer Zeit jedoch eine Vielzahl hochaufgelöster Messungen in einem erweiterten Feuchtebereich erhoben. Auf Basis der damit verbundenen Erkenntnisse wurden neue erweiterte konsistente Modelle für die hydraulischen Funktionen entwickelt. Diese neuen Modelle sollen in diesem Vorhaben mit den neuen Daten zu neuen PTF verknüpft werden. Ein Vergleich mit klassischen PTF soll aufzeigen, ob und wie stark sich dadurch Verbesserungen ergeben und bisherige Widersprüche auflösen lassen.
Mitarbeiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Dr. Tobias Hohenbrink, Dr. Andre Peters
Träger: DFG (PE 1912/4-1)
Mittel: 201300 Euro
Laufzeit: 4/2018-06/2021
The particle-size distribution (PSD) is a key property of soils. The reference method for determining the PSD is based on gravitational sedimentation of particles in an initially homogeneous suspension. Traditional methods measure manually (i) the uplift of a floating body in the suspension at different times (Hydrometer method) or (ii) the mass of solids in extracted suspension aliquots at predefined sampling depths and times (Pipette method). Both methods lead to a disturbance of the sedimentation process and provide only discrete data of the PSD.
Durner et al. (2017) recently developed a new automated method to determine particle-size distributions of soils and sediments from gravitational sedimentation (Durner, W., S.C. Iden, and G. von Unold: The integral suspension pressure method (ISP) for precise particle-size analysis by gravitational sedimentation, Water Resources Research, doi:10.1002/2016WR019830, 2017). The so-called integral suspension method (ISP) method estimates continuous PSD’s from sedimentation experiments by recording the temporal evolution of the suspension pressure at a certain measurement depth in a sedimentation cylinder.
The required technology to perform these experiments was developed by the UMS company, Munich and is now available as an instrument called PARIO, traded by the METER Group. It requires no manual interaction after start and thus no specialized training of the lab personnel and avoids any disturbance of the sedimentation process. In this project, we test the accuracy and reliability of PARIO measurements, investigate the effect of disturbances, and seek for improvements to obtain an optimal practical data evaluation in practice.
Mitarbeiter: Prof. Dr. Wolfgang Durner, Dr. Sascha Iden
Kooperartionen: METER Group AG, Mettlacherstraße 8, 81379 München
Laufzeit: 01.01.2017 - 31.12.2021