Numerische Simulation des hydraulischen Verhaltens des kapazitiven Matrixpotenzialsensors MPS-1

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1 Numerische Simulation des hydraulischen Verhaltens des kapazitiven Matrixpotenzialsensors MPS-1 Bachelorarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science von Herrn Felix Pruter aus Rotenburg Vorgelegt dem Prüfungsausschuss Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Braunschweig im Fachbereich Geoökologie Gutachter: Herr Prof. Dr. Wolfgang Durner Herr Prof. Dr. Otto Richter

2 Abstract In dieser Arbeit wird das Verhalten des Matrixpotentialsensors MPS-1 der Firma Decagon Devices bei Variation der räumlichen Orientierung im Boden numerisch analysiert, basierend auf Hinweisen früherer Arbeiten (Metzger, 2010). Die Arbeit gliedert sich in einen experimentellen und einen numerischen Teil. Zunächst wurden die hydraulischen Eigenschaften der Keramik des MPS-1-Sensors im Labor untersucht. Neben der gesättigten Leitfähigkeit wurde die Retentionsfunktion der Keramik bestimmt. Anschließend wurden mit dem Programmwerkzeug Hydrus-3D der Firma PC-Progress numerische Simulationen mit der Richardsgleichung durchgeführt. Die aus den Laborexperimenten gewonnenen Informationen wurden hierbei für die Parametrisierung der hydraulischen Eigenschaften der Keramik genutzt. Die behandelten Geometrien, Anfangs- und Randbedingungen orientieren sich an der Bachelorarbeit von Johanna Metzger (2010). Die Ergebnisse von Metzger konnten teilweise bestätigt werden. Um die von Metzger aufgeworfenen Fragen bezüglich der Wasserdynamik während des Evaporationsprozesses noch detaillierter beantworten zu können, wird vorgeschlagen, aufbauend auf dieser Arbeit ein neues Modell mit deutlich erhöhter Komplexität zur besseren Erfassung dieser Prozesse zu erstellen. vii

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis xiii xv 1 Einleitung 1 2 Material und Methoden Matrixpotentialsensor MPS Erstellung Retentionskurve Durchführung im Labor Berechnung der Retentionswerte Anpassen der Retentionskurven an eine van-genuchten-funktion Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit Richards-Gleichung Modellerstellung mit H3D Hydrus-3D Definition der Domäne Anfangs- und Randbedingungen Simulierte Einbauvarianten und Bodenarten Ergebnisse Rohdaten Retentionsmessung, Retentionskurve und Vergleichsdaten von Decagon Hydraulische Leitfähigkeit Simulationsergebnisse HYDRUS Kumulative potentielle und tatsächliche Flüsse Druckwerte- und Graphen für Schluff Diskussion Erstellen der Retentionskurve und Bestimmung der van-genuchten Parameter Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit Simulationsergebnisse aus Hydrus-3D Fazit 41 7 Quellenverzeichnis 43 xi

4 Abbildungsverzeichnis 2.1 In dieser Arbeit verwendeter Matrixpotentialsensor MPS-1 (aus Decagon Devices, 2007) Austrocknungsversuch - Mittelwertvariante Retentionsdaten von Decagon, bestimmt per Quecksilberporositätsmessmethode. Endwassergehalt von 0,09 cm 3 cm 3 bei pf 3,71 ist rot markiert (Decagon Devices, persönliche Mitteilung, 2010) falling-head Versuch Finites-Elemente-Netz für Einbauvariante A Konstruktion des Modellgebietes in 2D - Einbauvariante A Modell nach Erstellung des Festkörpers mit Teilschichten - Einbauvariante A Definition der hydraulischen Eigenschaften des Sensorkörpers - Einbauvariante A Konstruktion des Modellgebietes in 2D - Variante B Abgrenzung des Modellgebiets mit Kein-Fluss- und Atmosphärenrandbedingungen Geometrie des Modellgebietes - Einbauvariante B Geometrie des Modellgebietes - Einbauvariante C Modifizierte Darstellung der drei verschiedenen Einbauvarianten aus Metzger (2010), Schnitt entlang der Längsachse Retentionskurven für Sand, Schluff und Ton (Blume et al., 1984) Rohdaten der Potentiale und kumulative Evaporation gegen die Zeit Retentionskurven basierend auf Aufsättigungswassergehalt von 0,653 cm 3 cm Retentionskurven basierend auf einem Restwassergehalt von 0,09 cm 3 cm An Retentionskurven angepasste van-genuchten Funktion, basierend auf Restwassergehalt von 0,09 cm 3 cm Bestimmung der Leitfaehigkeit über Regression und Anpassung einer Exponentialfunktion in Excel (Durner und Iden, 2010) Darstellung des kumulativen, potentiellen Flusses an der atmospärischen Randbedingung, für Einbauvarianten A,B sowie C in Schluff und Sand Darstellung des kumulativen, tatsächlichen Flusses an der atmospärischen Randbedingung, für Einbauvarianten A,B sowie C in Schluff und Sand Druck gegen die Zeit - Einbauvariante A Druck gegen die Zeit - Einbauvariante B Druck gegen die Zeit - Einbauvariante C Lage der Observationspunkte dargestellt für Einbauvariante A. Gilt Analog für Einbauvariante B und C Druck gegen die Zeit für Bodenart Sand xiii

5 Tabellenverzeichnis 2.1 Spezifikationen MPS-1 (Decagon Devices, 2007) Hydraulische Leitfähigkeit der Keramik und durch Fitten der Funktion mit Solver in Excel bestimmte Van Genuchten Parameter zur Verwendung für das van Genuchten-Mualem Modell in Hydrus xv