3D-Simulation von Wassertransport in strukturierten Böden

Zusammenfassung

Die genaue Kenntnis von Transportvorgängen im Boden ist von Wichtigkeit für den Schutz des Menschen vor toxischen Chemikalien in Nahrung und Trinkwasser. Die Bewegung des Wassers und darin gelöster Stoffe in der ungesättigten Bodenzone hängt in starkem Maße von kleinräumigen Strukturen des Bodens ab. Es wird ein Zwei-Kompartiment-Modell zur Berechnung echt dreidimensionaler transienter Strömungen im wassergesättigten und ungesättigten Boden vorgestellt. In den größeren Hohlräumen (Makroporen) gelten die Navier-Stokes-Gleichungen für Newtonschen Fluß, während der mikroporöse Bodenbereich als Kontinuum angesehen wird, in dem die Darcy- bzw. die Richards-Gleichung die Sickerströmung beschreiben; dazu kommt jeweils die Dispersionsgleichung für den Transport gelöster Stoffe. Mit dem Finite-Elemente-Strömungsme-chanikprogramm FIDAP durchgeführte Simulationsexperimente zeigen quantitativ, wie Makroporen die Wasserströmimg und die Dispersion der gelösten Stoffe in Böden entscheidend beeinflussen können.

Abstract

Thorough knowledge of transport processes in the soil is important in protecting man from hazardous chemicals in food and drinking water. The movement of water and solutes in the unsaturated zone largely depends on small structures of the soil. A two-domain model for calculating fully three-dimensional transient flow in saturated and unsaturated soil is proposed. Inside the wider openings which are called macropores Newtonian flow governed by the Navier Stokes equations is assumed. The microporous part of the soil is treated as a continuum where the seepage flow is described by Darcy’s law and Richards’ equation. In the whole domain the solutes move according to the dispersion equation. Numerical experiments are conducted using the finite element fluid dynamics package FIDAP. The results show quantitatively how macropores can substantially influence water and solute flow and dispersion in soils.