Parameterbestimmung und Modellierung der Wasserbewegung in heterogenen Böden:
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Düsseldorf
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| adam_text | Titel: Parameterbestimmung und Modellierung der Wasserbewegung in heterogenen Böden
Autor: Montenegro Ferrigno, Hector
Jahr: 1995
v Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung........................................................... 1 1.1 Problemstellung............................................... 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit.......................................... 2 2 Modellierung der gesättigt-ungesättigten Bodenwasserbewegung ................. 5 2.1 Mathematisch-physikalische Grundgleichungen ....................... 5 2.1.1 Beziehungen zwischen Wassergehalt, Wasserspannung und Durchlässigkeit......................................... 7 Bodenhydraulisches Modell...................... 8 2.1.2 Beschreibende Grundgleichung (Richardsgleichung)............ 11 2.1.3 Gültigkeit und Grenzen der mathematischen Beschreibung ...... 13 2.2 Numerische Berechnung........................................ 13 2.2.1 Lösung in Ortsrichtung .................................. 14 2.2.2 Lösung in Zeitrichtung.................................. 18 Iterationsverfahren ....... 20 Das Newton-Verfahren ............................... 21 2.2.3 Vergleich mit analytischen Berechnungen.................... 25 3 Wasserbewegung in natürlichen Böden.................................... 27 3.1 Heterogenität des Bodens und Verlagerungsprozesse.................. 27 3.1.1 Modellparameter bei der Wasserbewegung in natürlichen Böden . . 28 3.2 Simulation der Wasserbewegung in natürlichen Böden................. 29 3.2.1 Räumliche Variabilität in einer Raumrichtung................ 29 3.2.2 Räumliche Variabilität in zwei Raumrichtungen............... 36 3.3 Bodenfeuchteverlagerung in Hanglagen............................ 38 3.3.1 Hangsegment mit homogenem Bodenaufbau ................. 39 3.3.2 Hangsegment mit Berücksichtigung von Bodenschichtung........ 42 Unterschiedlich durchlässige Bodenschichten............... 42 Bodenschichten unterschiedlicher Textur.................. 43 3.3.3 Hangsegment mit Berücksichtigung unterschiedlicher Vorbodenfeuchte ...................................... 45
VI 4 Stochastische Ansätze für die ungesättigte Wasserbewegung ................... 49 4.1 Begriffsdefinitionen im Zusammenhang mit stochastischen Prozessen..... 50 4.2 Physikalische Interpretation der Stochastischen Analyse ............... 55 4.2.1 Anisotropie........................................... 55 4.2.2 Hysterese............................................ 56 4.3 Bestimmung effektiver Durchlässigkeitsfunktionen.................... 56 4.4 Numerische Umsetzung der stochastischen Theorie................... 57 4.5 Diskussion des stochastischen Ansatzes............................ 65 5 Erfassung der räumlichen Variabilität bodenhydraulischer Eigenschaften - Methodik und Analyse der Probenahme ...................... 67 5.1 Erfassung bodenhydraulischer Parameter........................... 67 5.2 Inverse Methoden zur Parameterbestimmung ....................... 68 5.2.1 Formulierung des inversen Problems ....................... 68 5.2.2 Optimierungsalgorithmus................................ 69 5.3 Versuchsbeschreibung ......................................... 70 5.4 Stand der inversen Parameteridentifizierung ........................ 73 5.5 Vergleich traditioneller und inverser Parameterbestimmungsmethoden .... 76 5.6 Schlußfolgerungen für den Einsatz von Parameteridentifikationsverfahren .. 79 5.7 Konzept der Probenahme....................................... 81 5.8 Charakterisierung der räumlichen Variabilität hydraulischer Bodenparameter 85 5.8.1 Differenzierung nach der Tiefe............................ 85 5.8.2 Differenzierung nach der reliefgesteuerten Bodenabfolge........ 88 5.9 Vergleich zwischen Labor- und Feldbestimmungsverfahren ............. 91 5.9.1 Bodenfeuchtemessung mit Neutronensonde .................. 91 5.9.2 Bodenfeuchtemessung mit Brandelicksonde .................. 94 5.9.3 Bodenfeuchtemessung mit TDR-Sonde...................... 96 5.9.4 Bewertung der Simulation der Feldexperimente............... 98
VII 5.10 Einordnung der bodenhydraulischen Funktionen..................... 99 5.11 Schlußfolgerungen...................................... 101 6 Simulation der Bodenwasserbewegung unter natürlichen Feldbedingungen ......... 103 6.1 Modellerstellung ....................................... 104 6.1.1 Räumliche Struktur, Berechnungszeitraum ................. 104 6.1.2 Bodenhydraulische Eigenschaften....................... 105 6.1.3 Anfangsbedingung ................................ 108 6.1.4 Randbedingungen................................. 108 Niederschlag.................................. 108 Interzeption .................................. 109 Evapotranspiration .............................. 109 6.2 Modellparameter der Interaktion Boden-Pflanze-Atmosphäre............ 114 6.3 Vergleich der Feldmessungen mit Modellergebnissen ................ 114 6.4 Diskussion der Simulationsergebnisse.......................... 120 7 Zusammenfassung ............................................ 125 Literatur ..................................................... 131 Symbole und Notationen ........................................... 141 Anhang ...................................................... 142 Al Bodenhydraulische Parameter des 1. Hauptmeßhanges ................. 143 A2 Bodenhydraulische Parameter für 12 Bodenarten..................... 148
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