Weiterentwicklung zerstörungsfreier Methoden zur bodenphysikalischen und hydraulischen Charakterisierung der vadosen Zone

Projektanfang: 01.01.2014

Projektende: 31.12.2017

Projektstand: 01.09.2015

Die hydraulische Charakterisierung der vadosen Zone ist von herausragender Bedeutung für die Prognostizierung der Grundwasserneubildung durch Regen oder künstliche Bewässerung sowie für die Vorhersage möglicher Schadstoffausbreitung und damit für den Grundwasserschutz. Die meisten bodenphysikalischen Methoden sind invasiv und verändern damit die hydraulischen Eigenschaften des zu untersuchenden Mediums. Es besteht ein Bedarf an zerstörungsfreien Messmethoden (Abb. 1).

Abb. 1: Aufbau einer Beregnungsanlage und eines Elektroden-Arrays zur Durchführung eines Infiltrationsversuches, der durch 3-D elektrische Widerstandstomografie (ERT) überwacht werden soll Quelle: BGR

Die geophysikalischen Methoden der elektrischen Widerstandstomografie (electrical resistivity tomography – ERT, Grundlagen ERT) und der Nuklearmagnetischen Resonanz (NMR, Aquifererkundung) arbeiten zwar zerstörungsfrei bzw. zerstörungsarm, haben aber hinsichtlich der hier geforderten Aufgabenstellung entscheidende Einschränkungen. So kann das ERT-Verfahren zwar mit recht hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Untergrund darstellen, die Abschätzung der Wassergehaltsverteilung gelingt jedoch nur unbefriedigend mit großen Fehlerbereichen (Abb. 2). Das NMR-Verfahren liefert zwar direkte Messungen des Wassergehaltes, die räumliche und zeitliche Auflösung ist jedoch weitaus schlechter im Vergleich zur ERT. Somit sind die beiden Verfahren, jedes für sich genommen, nur bedingt geeignet, um mit hinreichender Genauigkeit hydraulisch wirksame Parameter im Untergrund zu identifizieren.

Abb. 2: (a) bis (c) Darstellung der Versickerungsfront für drei verschiedene Zeitpunkte nach Beginn des Infiltrationsversuches als Ergebnis des 3-D ERT-Monitorings. (d) Abschätzung der infiltrierten Wassermenge aus ERT-Daten mit den entsprechenden Fehlerbereichen Quelle: BGR

In diesem Projekt sollen die Verfahren daher miteinander kombiniert werden, um ihre jeweiligen Vorteile im Sinne der Aufgabenstellung optimal auszunutzen. Dazu werden für die Auswertung der zeitabhängigen geophysikalischen Daten neuartige Methoden entwickelt, welche einerseits die hydraulische Dynamik berücksichtigen, anderseits die Inversionen von ERT- und NMR-Daten kombinieren. Auf diese Weise werden die Vorteile beider Verfahren ausgenutzt mit dem Ziel effektive hydraulische Bodenparameter und standort-spezifische Versickerungseigenschaften abzuschätzen. Zusätzlich werden Anwendungsstrategien entwickelt, die den Messfortschritt bei der Feldarbeit erhöhen und somit eine schnellere Datenerfassung in der Fläche ermöglichen.

Die methodischen Verbesserungen, die dieses Projekts hervorbringen soll, sind insbesondere für (semi-)aride Gebiete relevant, wo seltene, aber heftige Niederschläge in Verbindung mit trockenen Böden z.B. zu Clogging, präferentiellem Fließen, oder Benetzungshemmung führen. Der Einsatz der zu entwickelnden Methodenkombination ERT/NMR kommt somit der Überwachung und Prognostizierung  von Infiltrations- und Beregnungsvorgängen (künstliche- und natürliche Grundwasseranreicherung, Agrarwirtschaft) zugute und kann damit das Grundwassermanagement unterstützen.

Literatur:

Relevante Veröffentlichungen, Poster und Präsentationen

• Costabel, S. & Günther, T. (2014). Noninvasive estimation of water retention parameters by observing the capillary fringe with magnetic resonance sounding. Vadose Zone J. 13(6), 1– 436.
• Costabel, S. (2015): Abstract. Inversion of time-lapse MRS for estimating unsaturated flow parameters by including hydraulic modelling in the forward calculation. Proceedings of 6th International Workshop on Magnetic Resonance in the Subsurface (MRS2015), 8-10 June, Aarhus, Denmark (PDF, 840 KB)
• Stephan Costabel (2015): Poster: Inversion of time-lapse MRS for estimating unsaturated flow parameters by including hydraulic modelling in the forward calculation. Proceedings of 6th International Workshop on Magnetic Resonance in the Subsurface, 8-10 June, Aarhus, Denmark (PDF, 314 KB)
• Costabel, S., Dlugosch, R., Müller-Petke, M., Steuer, A. (2015): Abstract. TorusMRS – MRS using a moveable helium-filled balloon. Proceedings of 6th International Workshop on Magnetic Resonance in the Subsurface, 8-10 June, Aarhus, Denmark (PDF, 350 KB)
• Costabel, S., Dlugosch, R., Müller-Petke, M., Steuer, A. (2015): Presentation. TorusMRS – MRS using a moveable helium-filled balloon. Proceedings of 6th International Workshop on Magnetic Resonance in the Subsurface, 8-10 June, Aarhus, Denmark (PDF, 2 MB)
• Costabel, S., Dlugosch, R., Günther, T., Müller-Petke, M. (2015): Quasi-kontinuierliche airborne NMR mit Hilfe eines Heliumballons. Seminar Oberflächennahe Erkundung, 11.11 - 13.11.2015 Neustadt, Weinstraße, Deutschland (PDF, 2 MB)
• Costabel, S., Dlugosch, R., Günther, T., and Müller-Petke, M. (2016). Torus-NMR: quasi-continuous airborne magnetic resonance profiling by using a helium-filled balloon, Geophysics 81 (4), WB119-WB129, doi: 10.1190/GEO2015-0467.1.