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Parametrisierte Funktionen nach van Genuchten/Mualem, Anwendungen und Grenzen Wolfgang Durner Sascha Iden Andre Peters.

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Präsentation zum Thema: "Parametrisierte Funktionen nach van Genuchten/Mualem, Anwendungen und Grenzen Wolfgang Durner Sascha Iden Andre Peters."—  Präsentation transkript:

1 Parametrisierte Funktionen nach van Genuchten/Mualem, Anwendungen und Grenzen Wolfgang Durner Sascha Iden Andre Peters

2 Hintergrund van Genuchten Retentionsfunktion - Mualem Leitfähigkeitsmodell Analyse Stärken und Schwächen der van Genuchten/Mualem-Parametrisierung Abhilfen Free-Form, Integral Fit, Air Entry Fazit Der Begriff Gliederung

3 Hydraulische Eigenschaften – wozu? Hydraulische Klassifikation –Feldkapazität, Empfindlichkeit gegen Wassererosion oder Vernässung Wasser- und Stofftransport-Simulation –für landwirtschaftliche und ökologische Zwecke –Grundwasser- und Oberflächenwasserschutz Verständnis der Transportprozesse in der ungesättigten Bodenzone –Prozessverständnis –Dynamische Effekte –Hysterese –Effektive Eigenschaften Abschätzung durch Pedotransferfunktionen Standard-Messtechniken Fortgeschrittene Messtechniken

4 Richardsgleichung (Richards, 1931) –Standardmodell zur Beschreibung der Wasserbewegung in der ungesättigten Zone –Keine Einigung zwischen Hydrologen und Bodenphysikern in Hinblick auf die Eignung für größere Skalen (Beven: Darcy is bullshit)

5 Bodenhydaulische Eigenschaften Durner und Lipsius, EHS, 2005

6 Parametrisierungen von ( ) Zur Nutzung in Simulationsmodellen werden Retentionsfunktionen parametrisiert, d.h. durch Funktion eines bestimmten Typs beschrieben Die Funktionsparameter werden durch nichtlineare Kurvenanpassung der Funktionen an Messdaten oder durch inverse Modellierung von Fließexperimenten bestimmt.

7 Parametrisierungen von ( )

8

9

10 ... siehe Diplomarbeit Michael Herbst, 2007

11 effective Saturation Spreizung der Wassergehaltsfunktion auf ein Intervall s = gesättigter Wassergehalt r = Rest-Wassergehalt

12 Wasserspannung (pF) Wassergehalt (cm³/cm³) Sättungungswassergehalt Restwassergehalt

13 Wasserspannung (pF) Wassergehalt (cm³/cm³) Sättungungswassergehalt Restwassergehalt Lufteintrittspu nkt

14 Wasserspannung (pF) Wassergehalt (cm³/cm³) Parametrisierungen von ( ) Brooks & Corey, 1964 Van Genuchten, 1980

15 Etwas zum Hintergrund van Genuchten Retentionsfunktion - Mualem Leitfähigkeitsmodell Analyse Stärken und Schwächen der van Genuchten/Mualem-Parametrisierung Abhilfen Free-Form, Integral Fit, Air Entry, Film Flow Schlussfolgerungen Der Begriff Gliederung

16 Wasserspannung (pF) Wassergehalt (cm³/cm³) Van Genuchten RETC ( ) Brooks & Corey, 1964 Van Genuchten, 1980

17 Van Genuchten-RETC: 5 vs. 4 Parameter ?

18 Stärken

19 Oft guter Fit beobachteter Daten... Stärken Peters und Durner, J. Hydrol, submitted,

20 Mualemsche K-Vorhersage *derived by a neural network prediction with the program Rosetta (Schaap et al., 2001) Durner und Flühler, EHS, 2005 Leitfähigkeitsfunktion

21 III. Verwendung in Pedotransfermodellen Stärken

22 Für eine 4-parametrige RETC sehr gute Grundform Closed-form-Kopplung mit dem Mualemschen Leitfähigkeitsmodell Vielfach implementiert in Pedotransfermodellen

23 Schwächen

24 I. Mangelnde Flexibilität Durner und Lipsius, EHS, 2005 Schwächen

25 Feld-Retentionskurven Schwächen

26 I. Mangelnde Flexibilität Peters und Durner, J. Hydrol, submitted, Schwächen

27 I. Mangelnde Flexibilität: Lehmböden Schwächen

28 I. Mangelnde Flexibilität Durner, WRR, 1994 Schwächen

29 II. Scheinbare Unsicherheiten der Funktionen Schwächen

30 Der Begriff VGM - Modell. Bevorzugte Wichtung der Ausflussdaten ( = ) Schwächen II. Scheinbare Unsicherheiten der Funktionen

31 Der Begriff VGM - Modell. Weniger starke Wichtung der Ausflussdaten ( = 0.004) Schwächen II. Scheinbare Unsicherheiten der Funktionen

32 Der Begriff VGM - Modell. Geringe Wichtung der Ausflussdaten ( = 0.04) Schwächen II. Scheinbare Unsicherheiten der Funktionen

33 Der Begriff Falsche K-Vorhersage bei kleinen Werten von n Schwächen vG-M-Artefakt: kein Lufteintrittspunkt

34 Validität des Mualem-Modells ? Schwächen

35 Optimiertes Ks vs. direkte Messung Vereecken et al., Soil Science, 1997 Schwächen

36 Stärken und Schwächen Für eine 4-parametrige RETC sehr gute Grundform Closed-form-Kopplung mit dem Mualemschen Leitfähigkeitsmodell Vielfach implementiert in Pedotransfermodellen Fehlende Flexibilität im Mittelbereich und nahe Sättigung Falsche Einschätzung der Parameterunsicherheiten Trügerische Leitfähigkeitvorhersage nahe Sättigung Systematische Fehler bei der Leitfähigkeitsvorhersage

37 Hintergrund van Genuchten Retentionsfunktion - Mualem Leitfähigkeitsmodell Analyse Stärken und Schwächen der van Genuchten/Mualem-Parametrisierung Abhilfen Free-Form, Integral Fit, Air Entry, Film flow Fazit Der Begriff Gliederung

38 I. Flexible RETC Durner, WRR, 1994 Abhilfen

39 Bimodale K-Vorhersage Priesack und Durner, VZJ, 2006 Abhilfen

40 Abhilfen Bitterlich, Iden, Durner, Knabner, VZJ, 2004 Iden und Durner, WRR, 2007 Frei geformte Funktionen

41 Vermeidung systematischer Glättung Peters und Durner, WRR, 2006 Abhilfen

42 Peters und Durner, WRR, 2006 Abhilfen Vermeidung systematischer Glättung

43 Peters und Durner, WRR, 2006 Abhilfen Vermeidung systematischer Glättung

44 Der Begriff free-form mit r=10 Abhilfe Lokale Schätzung der RETC

45 Der Begriff Klassische Parametrisierungen Abhilfen Berücksichtigung des Lufteintritts Van Genuchten, WRR, 1980 Vogel und Cislerova, TIPM, 1988 Durner, WRR, 1994

46 Das Peters-Leitfähigkeitsmodell Abhilfen

47 Das Peters-Leitfähigkeitsmodell Abhilfen gesättigt kapillar Filmfluss

48 Hintergrund van Genuchten Retentionsfunktion - Mualem Leitfähigkeitsmodell Analyse Stärken und Schwächen der van Genuchten/Mualem-Parametrisierung Abhilfen Free-Form, Integral Fit, Air Entry Fazit Der Begriff Gliederung

49 Der Begriff predictive power Fazit Vergleich

50 Fehlende Flexibilität im Mittelbereich und nahe Sättigung Falsche Einschätzung der Parameterunsicherheiten Trügerische Leitfähigkeitvorhersage nahe Sättigung Systematische Fehler bei der Leitfähigkeitsvorhersage bimodale und frei-geformte Funktionen Lokale statt globale Parametrisierungen Lokale Parametrisierungen plus geeignet kombinierte Messverfahren Expliziter Lufteintrittspunkt und Berücksichtigung des Filmflusses im Leitfähigkeitsmodell Schwächen und Abhilfen Fazit

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