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Cottbus, 12.12. 2012
Entwicklung eines Struktur- und
Prozessmodells zur integrativen Analyse
des Wassereinzugsgebietes
Horst H. Gerke
Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) Müncheberg, Inst. f. Bodenlandschaftsforschung
Thomas Maurer1, Anna Schneider2, Rossen Nenov1, Robert Bartsch1
1Forschungszentrum Landschaftsentwicklung und Bergbaulandschaften (FZLB)
2Lehrstuhl für Geopedologie und Landschaftsentwicklung, BTU Cottbus
Teilprojekt C5 „Entwicklung eines Struktur- und Prozessmodells“
Antragsteller: R.F. Hüttl, H. Flühler, H.H. Gerke
Finanzielle Unterstützung: DFG (SFB/TRR 38) & MWFK des Landes Brandenburg
Dank an Vattenfall Europe Mining AG (VEM) (Versuchsflächen und geologische Daten)
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� Explizite räumliche Abbildung von Strukturen & Prozessen des Einzugsgebiets im Zeitverlauf
Kernidee und Zielstellung
� 3D Model auf Basis des
hydrologischen Einzugsgebiets
t0
Zeit
Geosystem
t1
tn
Hydro-Geosystem
Bio-Hydro-Geosystem
(Ökosystem)
Bauphase
“Strukturen ”: Geometrie der Ränder (Flächen) & räumliche Verteilung von abiotischen und biotischen Komponenten, Sediment, Aggregate, Schichtgrenzen, Krusten…
Enstehende “Prozessregionen ”: ungesättigte & gesättigte Zonen, Fließgewässer, Teich & Wasser, Habitate, Horizonte, Wurzelzonen…
� Werkzeug für die integrative
Analyse von Systemen
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Ansätze in Geo-Hydrologie und Pedologie Beispiele:� „Virtuelle Böden“ (z.B. S. Schlüter, AG H-J Vogel, UFZ Halle, O. Ippisch)möglichst detaillierte Abbildung pedologischer Strukturen in numerischen
Transportsimulationen)� Bodenlandschaftsmodellierung (u.a. Minasny et al., Temme
Räumliche pedologische Prozesse, U. Weller et al. � Hydropedology (u.a. Lin et al.)� Explizite Modellierung geologischer Strukturen (Exploration): (u.a. Michael et
al.) Generierung von Realisierungen der Sedimentstrukturen
Strukturmodell – wozu?
Besonderheiten während der Initialphase
�Viele Prozesse an Strukturen gebunden�Komplexe Wechselwirkungen und Rückkopplungen
�Rasche Bildung und Änderungen von Strukturen erwartet
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_Ap_
_Al_
_Bt_
_Bv_
_Cv_
...
_ q , e
___
___
___
___
...
s,
__
__
__
__
...
Reaktionen
c, _
__
__
__
__
...
Gefüge, Festphase Transport
WitterungBewirtschaftung
Parameter
gelöst festWasser, Luft
_ t _
___
___
___
___
...
Zustand
VegetationOrganismen
Zeitskalen:Raumskalen:
Entzug
Feuch-- /TrockenphaseVegetationsperiodeFruchtfolge
KurzfristigREV
UnmittelbarKleinräumig
Horizonte
Aufbau, org., chem...
Mechanik
1D vertikal: Analogie mit Bodensäule
„Strukturmodell“
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2D Landschaftsmuster
Muster einer erodierten Bodenlandschaft
Senken-Kuppen Post-glaziale Strukturen
3D Bodenlandschaften
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�Neuer Ansatz
3D Strukturmodell des Einzugsgebiets
� Modell, das Ergebnisse der Teilprozesse bilanziert
z.B. Erosion, Geomorphologie, Hydrologie Pedogenese, Geochemie, C-Umsatz, …Biologie, Geobotanik
� 3D Bilanz zunächst als Differenz: Zustand (1) – Zustand (2)� 4D Zeit („Zeitscheiben“)
Benötigt: �Ausgangszustand und Veränderungen �Alle Komponenten räumlich zugeordnet und differenzier t�Verteilungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
�Gesamtbetrachtung möglich�3-4D räumliche Datenbasis für Teilaspekte�Gesamtbetrachtung möglich�3-4D räumliche Datenbasis für Teilaspekte
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3D Modellierung: Anfangszustand, t=0 (2005)
3D Volumen
2D Oberflächen Digitale Reliefmodelle
Software: GoCad, & „Viewer“, GeoCandoetwa 1,2 Mio. Gitterzellen 1mx1mx0,2m hoch (momentan)
Software: GoCad, & „Viewer“, GeoCandoetwa 1,2 Mio. Gitterzellen 1mx1mx0,2m hoch (momentan)
3D Einzugsgebietsmodel �Anfangsvolumen des Sedimentkörpers 122 600 m3
(± 12 300 m3)� Ränder für hydrologische Modellierung
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3D Modellierung: Anfangszustand, t=0 (2005)
3D Volumen
2D Oberflächen Digitale Reliefmodelle
Software: GoCad, & „Viewer“, GeoCandoetwa 1,2 Mio. Gitterzellen 1mx1mx0,2m hoch (momentan)
Software: GoCad, & „Viewer“, GeoCandoetwa 1,2 Mio. Gitterzellen 1mx1mx0,2m hoch (momentan)
3D Einzugsgebietsmodel �Anfangsvolumen des Sedimentkörpers 122 600 m3
(± 12 300 m3)� Ränder für hydrologische Modellierung
�Füllung mit Sedimenteigenschaften(z.B., Sandgehalt, interpoliert )
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Technolog. Prozesse
Ungefähres Abbauvolumen
Geologie VorschnittTransport &
Misc
hen
Schüttung
Internstrukturen nachbilden
April 2004: Kombination ausdigitalem Höhenmodellund Orthophoto
Oberflächl.Grenzen
AbsetzerTrajektorie
1.4 1.9Dichte, g cm-3
2D QuerschnitteSchüttkörper
VerdichteteAufprallzonen
Partikel-entmischungan Flanken
Anordnen entlangTrajekt.
A
Maurer et al., HESS (2011)
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Änderung der SedimentmasseRäumliche Verteilung von Volumen-Massenänderungen mit digitalen Höhenmodellen
(Schneider et al., 2012) aus…
11/2005 – 06/2009Photogrammetrie
total balance:- 6357 t+ 4361 t
total balance:- 4119 t+ 4005 t
total balance:- 4162 t+ 2421 t
Terrestrial laser scanning, C3
Airborne laser scanning,
Verbesserung: Multi-source, angepasste
Höhendaten, (Z1, B5)total balance:- 5902 t+ 2540 t
� Bilanzfehler: Sedimentation in den Teich (?): ca. 2445-3103t
(Kleeberg et al. 2010)
�Verbleibende Differenz: Wind?
Sediment export(WEPS Simulationen:
einige 100 t)
7/2009
Luftbild
Querschnitte aus 3D Model
Neue Schichten &Sediment-
eigenschaften
����Strukturmodell Aktualisierung
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Differenz derOberflächentopographie8.9.2010- 26.11.2005(Wasserfläche istausgenommen)
Uncertainty in elevation change σ
e= 0,163 m
Änderung der Sedimentmasse
Bereiche mit statistisch signifikantenUnterschieden
Schneider et al. 2012
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Menge und Zusammensetzung umgelagerter Sedimente
Rekonstruktion aus multitemporalen Höhendaten (Photogrammetrie)
% Sand (Interpolation)75 90
Vertikale Schnitte
Rekonstruktion auf Basis von Höhenmodellen
Zeit
Anfangszustand
Zuordnung
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Verschiebung der Baggerposition an der Abbauseite�verändert Sedimentmischung der Schüttung:hier: glazio-fluviatile, glazio-limnische Vor- und Nachschüttsande, (Bändersande, Feinsande, Sand-Kies-Mischungen, Schluffe)Sowie Moränensedimente (Geschiebemergel)
Szenarien unterschiedlicher Internstruktur
Approx. excavated volume
Geology of outcrop side
Maurer et al. (in prep.)
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TexturTextur
Initiale Sedimentverteilung (generiert)
LagerungsdichteLagerungsdichte
Grundlage: •Sedimentmerkmale•Geologie Abbauseite•Technologie EZG Bau
Sandverteilung Im Querschnitt
�Strukturmodell der Festphase�Strukturmodell der Festphase
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Ableitung bodenhydraulischer Parameter
Wasserretention:Arya and Paris (1981)Vereecken et al. (1989)
Hydraulische LeitfähigkeitKozeny-CarmanVereecken et al. (1989) Spezifische
Permeabilität (m2)
nutzbare Feldkapazität
„Pedotransferfunktionen“„Pedotransferfunktionen“
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Generierte Verteilung des Theta_s-Parameters der Oberflächenschicht
Arya and Paris (1981)
[cm³/cm³]mean: 0.256std-dev.: 0.018range: 0.151 - 0.339
Vereecken et al. (1989)
[cm³/cm³]mean: 0.255std-dev: 0.012range: 0.183 – 0.315
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Kalibrierung des Arya-Paris Modells (AP-alpha) �begrenzte Datenbasis
Vergleich mit Messdaten (A. Badorreck)
RMSEAP (α=1.38): 0.086AP (α=fitted): 0.054AP (α=mean of fitted): 0.058Vereecken et al.: 0.063
Suc
tion,
cm
data
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Texturverteilungen der Szenarien
scenario number 2 4 5 6
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Verteilungen der hydraulischen Parameter nach Vereecken et al.
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Hydraulische Leitfähigkeit und Scaling
Scalingfaktor Verteilung für
Vereecken et al. Retentions-
funktion
scenario 2- östlicher Teil
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überlappendeBilder
Feuchteverteilung und generierte Strukturen
dunkel = feuchter
Luftbild8. August, 2008
GenerierteInternstruktur
aus Pedotransfer-function
0.3 0.4 0.5 0.55
van Genuchten‘s θs(Vereecken et al. 1989)
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Die Grundwasseroberfläche von Kai Mazur (Modflow), rechts mit der Tonschicht darunter
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mit der Oberfläche (08.04.2008)
- GW z.T. höher
In GOCAD modifiziert: GW-Oberfläche unter die Geländeoberfläche „gedrückt“
(„remove crossovers“)
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Die Region/Zellen unter der GW-Oberfläche
- Volumen der Region 77204 m3
Zusätzlich eine Region aus den Zellen die von der GW-Oberfläche durchschnitten werden
- Volumen der Region 10025 m3
EZG mit Oberfläche von 08.04.08 – Gesamtvolumen 119725 m3 (ohne See)
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Grau – 0 – keine Information
Dunkelblau – 1 – unter der GWOF
Hellblau – 2 – von der GWOF durchschnitten
Braun – 3 – über der GWOF
Verschneidung mit Pegelmessungen
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Wasservolumen im gesättigten Porenraum
Porenvolumen nördlich des Tonwalls, generierte initiale Internstruktur 2005PV = 30345 m3 (28% Porosität)Min. GW-Sättigung Sept. 2005 (12 %)Max. GW-Sättigung Dez. 2010 (75 %)
Aus räumlich interpolierten Pegelständen
Gru
ndw
asse
r-V
olum
en, m
3
10 000
20 000
30 000
2006
Zeit, 2-monatliche Intervalle
2007 20
08
2009
2010
2011
2012
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Integration & Visualisierung
Grundwasser
Simuliert:8. April, 2008
Surface: 24. April, 2008pegel: März–April 2008
Grundwasserstand3D-GoCad, Z1, C1
“permanent”
“transient”
Vegetation
Photos, Z1, terr. laser, C3,Wurzelentwicklung, B1
Luftbilder &Bildanalyse
Example: root zone & surface vegetation
Kombination (Bsp):Wasserstand & Wurzelzone
Weitere räumliche Daten (e.g.):
�Bodeneigenschaften (A-groups)
�community structures (B-groups)�Flüsse, Veg., Rückkopplungen (C-)
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Konzept zur Integration von Modellen & Daten
3D hydraul. EigenschaftenEinzugsgebietsgrenzen
Fluß und Transport, Oberflächenabfluß, ErosionModell
3D Wassergehalte, Konzentrationen gelöster StoffeWasserspiegel & Flüsse
Struktur Initialisierung:Geometrien & interne Verteilungen:3D Generator-”Modell”
Zeitschritt
Bilanz
Aktualisierung
Aktualisierung
Neue Systemkomponentenund Prozessregionen
3D Anfangsbedingung
Austrag, Wasserspiegel, Sedimente, …Validierungsdaten
Simul. Variablen, Flüsse
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Konzept zur Integration von Modellen & Daten
Daten: UntergrundGeophysik. ExplorationBodenproben,…
Daten: Topographie, ReliefPhotos, ALS, TLS
3D hydraul. EigenschaftenEinzugsgebietsgrenzen
3D Wassergehalte, Konzentrationen gelöster StoffeWasserspiegel & Flüsse
Ev. geo-mechanisches Model3D Sediment- Massenbewegung
Externe Modelle
Struktur Initialisierung:Geometrien & interne Verteilungen:3D Generator-”Modell”
Zeitschritt
Bilanz
Aktualisierung
Aktualisierung
Beispiele:(i)Flächen mit Bioturbation
(ii) Windumlagerungen
Rückkopplung, Skalierung
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Sedimentumlagerung durch Wind, Texturveränderung
Windrippen
Durch Wind veränderte Oberflächenstrukturen im April 2007
Abrasion von Bodenklumpen
Deflations-Flächen
Gullies mitäolischen Sedimenten
Winderosion im April 2006
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Sedimentumlagerung durch Wind, Abschätzung
main wind
directi
on
Accumulation, sediment export
deflated areas
sediment accumulates in the eastern partalong the main transport direction
Modelled accumulation could not be verified
WEPS modellingOct. 2005 – Dec. 2007soil texture inter-polated with kriging.
Aerial image classificationsupervised classification of an aerial image fromJune 2007.
significant accumulations of aeolian sediment (1-3 cm)
thin aeolian veils on crusts
deflated areas / crusts
drainage network / pond
Modellierung mit dem Wind Erosion Prediction System (WEPS)
Export aus dem Gebiet (Okt. 2005 – Dez. 2007) im Mittel etwa 100 t (ca 9 t ha-1 y-1).
Eintrag unbekannt.
pond catches aeolian sediment
Maurer & Gerke, Soil Till Res 2011
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Zusammenfassung und AusblickStrukturmodell eines hydrologisches Einzugsgebiet – initiale Phasen
•Abbildung der sich ändernden räumlichen Strukturen, Sedimente, Komponenten, Ränder, Prozessregionen
•Generierung von „Wiederholungen“ d.h. statistisch möglichen ähnlichen EZG –Übertragbarkeit auf andere EZG mit anderer Genese
•Gleiche generierte Anfangsbedingungen unter anderen Klimabedingungen?
•Bilanz der Festphase als Klammer zwischen Monitoring, Erkundung und Prozessanalysen erlaubt: Ableitung von Anfangsbedingungen, Modellparametern, Validierungsmöglichkeiten (Testgebiet Hühnerwasser)
•Zahlreiche offene Fragen: Skalenfrage-Ableitung effektiver Eigenschaften aus kleinskaligen Verteilungen, Bilanzierung, Entstehung, Aufbau und Abbau der Pools von mineralischen, organischen, biotischen Komponenten
•Neu: Kombination und Verschneidung, Generierung integrierter Daten
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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!