Experimentelle Erfassung und Modellierung der Infiltration stärkerer Niederschläge unter realen Feldbedingungen:
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Karlsruhe
IHW
1992
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Autor: Schiffler, Gerd Roland
Jahr: 1992
INHALT
Seite
1. EINLEITUNG 1
1.1 Problemstellung 1
1.2 Zielsetzung 2
1.3 Vorgehensweise 3
2. EINFLUSSFAKTOREN FÜR DIE INFILTRATION STÄRKERER NIEDERSCHLÄGE
- ANFORDERUNGEN AN HESSVERFAHREN UND AN INFILTRATIONSMODELLE 4
2.1 Definition und Bedeutung der Infiltration 4
2.1.1 Wasserbilanz an der Grenzfläche Atmosphäre/Boden 4
2.1.2 Die Infiltration im natürlichen Niederschlag-Abfluß-Geschehen 5
2.1.3 Bedeutung deterministischer Infiltrationsmodelle 6
2.1.4 Nutzung gezielter Infiltrationsversuche 7
2.2 Einflußfaktoren für Infiltration und Hasserbewegung im Boden 10
2.2.1 Idealer Boden mit reiner MikroStruktur 10
2.2.1.1 Kennlinien für die Bodenwasserbewegung 10
2.2.1.2 Bilanzgleichungen 17
2.2.1.3 InfiltrationsprozeB 18
2.2.1.4 Wichtigste Faktoren 20
2.2.2 Natürlicher Boden 20
2.2.2.1 Hakroporen und Gefügehohlräume 21
2.2.2.2 Vegetation 26
2.2.2.3 Kinetische Energie des Regens 26
2.2.2.4 Verschlammung und Verkrustung 27
2.2.2.5 Bodenfauna 29
2.2.2.6 Schichtung des Bodens 29
2.2.2.7 Räumliche Variabilität bodenphysikalischer Eigenschaften 30
2.3 Anforderungen an Infiltrationsexperimente 34
2.3.1 Arten der kl ei maßstäblichen Infiltrationsmessung 34
2.3.1.1 Infiltrationsmessung mit Überstau 34
2.3.1.? Infiltrationsmessung mit Beregnung 36
2.3.2 Anforderungen an das Infiltrationsexperiment mit Beregnung 37
2.4 Anforderungen an die Modellierung der Infiltration 38
2.4.1 Im Maßstab des Infiltrationsexperiments (Elementmodell) 38
2.4.2 Im größeren Maßstab (Flächenmodell) 39
3. VORSTELLUNG DES ENTWICKELTEN INFILTRATIONSHESSVERFAHRENS,
DER DURCHGEFÜHRTEN FELDVERSUCHE UND DER HESSERGEBNISSE 40
3.1 Vorbemerkungen 40
3.2 Versuchseinrichtungen und Heßgeräte 41
3.2.1 Sprinkler-Infiltrometer 41
3.2.1.1 Erzeugung des Niederschlags 41
3.2.1.2 Messung der Oberflächenabflußbildung 45
3.2.1.2 Automatische Erfassung der Regen- und Abflußdaten 48
3.2.2. Messung des Feuchtezustands im Boden 50
3.2.2.2 Bodenfeuchtemessung mit Time-Domain-Reflectometry 51
3.2.2.2 Wasserspannungsmessung mit Einstichtensiometer 51
3.3 Infiltrationsoeßstreifen 1? Versuchgelande am Saugraben 58
3.3.1 Allgemeine Beschreibung 58
3.3.1.1 Geographische Lage 58
3.3.1.2 Boden- und Deckschichtverhältnisse 58
3.3.1.3 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts 58
3.3.2 Eigene Voruntersuchungen für den Oberboden 58
3.3.2.1 Korngrößenanalysen, Bodenarten 58
3.3.2.2 Schätzung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit
und des wirksamen Porenvolumens aus der Bodenart 61
3.3.2.3 Schätzung von pF-Kurven 61
3.3.2.4 Schätzung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit 68
3.3.2.5 pF-Kurven aus Labor- und Felddaten 68
3.3.2.6 gesättigte Leitfähigkeiten aus Bodenproben 72
3.3.2.7 Endinfiltrationraten mit Doppelringinfiltrometer 73
3.4 Infiltrationsmessungen mH Sprinkler-Infiltrometer 78
3.4.1 Versuchsvarianten 78
3.4.2 Durchführung und Beispiele für Heßergebnisse 78
3.4.2.1 A: Hohe Intensität, Messung der Oberflächenabflußbildung 78
3.4.2.2 B: Niedrige Intensität, Messung der Bodenfeuchteänderung 80
3.4.3 Dokumentation der Meßergebnisse 85
3.5 Modell unabhängige Bewertung der Sprinkler-Meßergebnisse 85
3.5.1 Sprinkler-Endraten Ke und gesättigte Leitfähigkeit 86
3.5.1.1 Kf aus Bodenproben 86
3.5.1.2 Ks aus Schätzung 86
3.5.2 Sprinkler-Endraten K^ und Doppelring-Endinfiltrationsraten 87
4. MATHEMATISCHE MODELLE ZUR SIMULATION DER INFILTRATION
- AUSWERTUNG DER INFILTRATIONSVERSUCHE MIT PUNKTMODELLEN 89
4.1 Vorbemerkungen 89
4.2 Numerische Lösung der vertikal-eindimensionalen Richardsgleichung 90
4.2.1 Beziehung zwischen realem System und diskretem Modell 90
4.2.2 Zeitliche Diskretisierung 91
4.2.3 Berechnung der Koeffizienten als Funktion der Zeit 92
4.2.4 Räumliche Diskretisierung 94
4.2.5 Die kombinierte räumliche und zeitliche Diskretisierung 97
4.2.6 Randbedingungen oben 98
4.2.7 Randbedingungen unten 102
4.2.8 Das direkte Lösungsverfahren für den lineari sierten Ansatz 104
4.2.9 Ein iterativer Newton-Algorithmus 105
4.2.10 Mathematische Formulierung der Bodenkennlinien 108
4.2.11 Mathematische Beschreibung der Hysterese 108
4.2.12 Berechnungsbeispiele 112
4.2.13 Diskussion Im Hinblick auf die Anforderungen 118
4.3 Hydrologische Infiltrationsmodelle 118
4.3.1 Klassische Infiltrationsmodelle 119
4.3.1.1 Green und Ampt (1911) 119
4.3.1.2 Kostiakov (1932) 120
4.3.1.3 Horton (1939) 121
4.3.1.4 Philip (1957) 121
4.3.1.5 Holtan (1961) 122
4.3.1.6 Diskussion der klassischen Infiltrationsmodelle 122
4.3.2 Modifikationen der Green-Ampt-Gleichung 124
4.3.2.1 Abminderung von Ks infolge Bodenlufteinfluß 124
4.3.2.2 Berechnung der effektiven Saugspannung 125
4.3.2.3 Berechnung der Sättigungszeit nach Siegert (1978) 127
4.3.2.4 Die integriete Form der Green-Ampt-Gleichung 129
4.3.2.5 Sättigungszeit bei zeitvariablen Niederschlägen
nach Morel-Seytoux (1981) 130
4.3.2.6 Zeitvariable Niederschläge und explizite Form der
Green-Ampt-Gleichung nach Peschke (1985) 131
4.3.2.7 Geschichtetes Bodenprofil nach Peschke (1987) 133
4.3.3 Modifikationen der Horton-Gleichung 134
4.3.3.1 Theile (1971), Van der Molen (1986) 134
4.3.3.2 Neumann (1976) 135
4.3.4 Modifikationen der Philip-Gleichung 136
4.3.4.1 Morel-Seytoux (1981) 136
4.3.4.2 Bork (1980) 137
4.3.5 Sonstige Modelle I39
4.3.5.1 Smith (1983) I39
4.3.5.2 Dagan und Bresler (1983) 140
4.3.6 Ansätze für Variabilität von Ks und Makroporeninfiltration 140
4.3.6.1 Variabilität von Ks infolge Vegetation (Siegert, 1978) 140
4.3.6.2 Makroporeninfiltration nach Worreschk (1985) HZ
4.4 Eigene Modifikationen der Grundidee von Green und Ampt und
Parameterschätzung aus den Infiltrationsversuchen 145
4.4.1 Mehr-Schichten-Modell für gesättigte Infiltration 146
4.4.1.1 Parametrisierung der effektiven Saugspannung 146
4.4.1.2 Gesättigte Infiltration durch mehrere Bodenschichten 147
4.4.1.3 Anwendung auf Infiltrationsversuche nach Variante A 150
4.4.2 Mehr-Schichten-Modell für gesättigte und ungesättigte
Infiltration (SUMKIM) 152
4.4.2.1 Konzept und Berechnungsablauf 152
4.4.2.2 Diskretisierung 156
4.4.2.3 Programmbeschreibung 157
4.4.2.4 Vorgehensweise bei der Parameterschätzung, Zielfunktionen
und Koppelung mit dem Optimierungsprogramm GRG2 157
4.4.2.5 Ergebnisse der Parameterschätzung aus Infiltrations-
versuchen nach Variante ? (Versuche ohne qs) 163
4.4.2.6 Ergebnisse der Parameterschätzung aus Infiltrations-
versuchen nach Variante A (Versuche mit qs) 171
4.4.2.7 Vergleich von Variante A und ? 168
S. ANALYSE DER PARAMETER AUS INFILTRATIONSVERSUCHEN 176
5.1 Abhängigkeit von Ereignisgrößen 176
5.1.1 Anfangswassergehalt 176
5.1.2 Niederschlagsintensität 181
5.2 Variabilität und räumliche Struktur mittlerer lokaler Parameter 181
5.2.1 Formparameter der Bodenkennlienien 181
5.2.2 Wassergehalt bei Sättigung und residualer Hassergehalt 186
5.2.3 gesättigte hydraulische Leitfähigkeit 187
5.3 Hittieres Infiltrationsverhalten der Versuchsfläche 188
5.3.1 Modell mit mittleren Parametern 189
5.3.2 Simulation der mittleren Infiltration auf der Versuchsfläche 189
6. REGIONALISIERUNG DER INFILTRATION - DISKUSSION UND AUSBLICK 195
6.1 Homogenisierung kleinmaßstäblicher (punktueller) Modellierung 195
6.2 Effektive Infiltrationsmodellierung 1m größeren Maßstab 199
7. ZUSAMMENFASSUNG 201
8. LITERATURVERZEICHNIS 205
9. SYMBOLVERZEICHNIS 207
ANLAGEN sind in einem gesonderten Anlagenband zu finden, der am
Institut für Hydrologie und Wasserwirtschaft der Universität Karlsruhe
eingesehen bzw. angefordert werden kann.
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