Forschungsin­frastruktur

Unsere Gruppe verfügt über eine moderne Forschungsinfrastruktur zur Bewältigung verschiedener Herausforderungen betreffend die Charakterisierung und physische Simulation von MAR-Prozessen. Wir befinden uns an der TU Außenstelle Pirna, direkt am Elbufer, was uns ausgezeichnete Bedingungen für Untersuchungen im Labor- und Pilotmaßstab bietet.

Laborinfrastruktur

Die entscheidenden Effizienzkriterien für den Betrieb von MAR-Systemen sind die Wassermenge, die versickert werden kann, und die Qualität des Wasser, welches den Grundwasserleiter erreicht. Beide Komponenten werden stark von Kolmationsprozessen (Clogging) beeinflusst, die eine Veränderung der Bodenwasserhaushaltsparameter (Wassergehalt, Matrixpotential, reduzierende und oxidierende Bedingungen) sowie des Transports und der Umwandlung infiltrierter organischer Verbindungen bewirken.

Ziele

Um diese Prozesse besser zu verstehen, simulieren wir den Betrieb der MAR-Anlage im Labormaßstab unter verschiedenen Randbedingungen. Ziel der Untersuchungen im Labormaßstab ist es, den Einfluss der Bodeneigenschaften (Bodenart, Porosität, hydraulische Leitfähigkeit, Wasserhaltevermögen) und der Betriebsbedingungen (Infiltrationsrate, Nass-Trocken-Verhältnis, Wasserqualität) auf die Kolmationsprozesse und -raten sowohl in Infiltrationsbecken als auch in Infiltrationsbrunnen zu ermitteln. Die Beobachtung und Charakterisierung von Veränderungen in der lokalen Wasserbilanz und bei Wassertransportprozessen während der Anwendung von MAR unter verschiedenen Randbedingungen soll Optimierungsansätze oder ideale Randbedingungen zur Minimierung der Kolmation identifizieren.

Physikalische Modelle

Um die Prozesse, die während des Betriebes von Infiltrationsbecken und Injektionsbrunnen auftreten, zu charakterisieren, verwenden wir eine Reihe von ein-, zwei- und dreidimensionalen physikalischen Modellen, die mit automatischen Messgeräten zur online Parameterüberwachung ausgestattet sind:

• eindimensionale (1D) Versuchssäulen mit unterschiedlichen Materialien, Längen und Durchmessern zur Simulation verschiedener Infiltrationsszenarien und zur Charakterisierung von Kolmationsprozessen während des MAR-Betriebs. Weiterlesen
• zweidimensionale (2D) kleinskalige Infiltrationsbecken (L = 0.60 m; B = 0.05 m; H = 0.45 m) mit transparenten Glaswänden zur Visualisierung der Wasserinfiltrationsfront (auch sehr gut geeignet zur Charakterisierung der Salzwasser-Süßwasser-Grenzfläche). Weiterlesen
• dreidimensionaler (3D) großskaliger rechteckiger Versuchstank (L = 1.50 m; B = 1.00 m, H =  1.00 m). für die Simulation der Versickerung über eine Bodenpassage (soil aquifer treatment, SAT) und der Kolmationseffekte und Infiltrationsbecken mit unterschiedlichen Böden, Wasserqualitäten, Betriebsparametern und klimatischen Bedingungen. Weiterlesen
• dreidimensionaler zylinderförmiger Versuchsbehälter zur Simulation des Grundwasserleiters (D = 1.00 m; H = 1.20 m). für die Untersuchung von Infiltrationsprozessen in Injektionsbrunnen mit Schwerpunkt auf der Auswirkung der Länge des Brunnenfilters, des Brunnendurchmessers, der Bodenart, der Wasserqualität usw. auf die Effizienz des Systems. Weiterlesen

Die Versuche werden unter kontrollierten klimatischen Bedingungen in einem großskaligen Klimazelt (L = 4.0 m; B = 2.5 m) mit vollautomatischer Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung durchgeführt, was eine vereinfachte Bewertung des Einflusses der Betriebsbedingungen ermöglicht.

Abschätzung der Parameter

Unser INOWAS-Labor ist auch mit modernen Geräten zur Ermittlung verschiedener hydraulischer Bodeneigenschaften ausgestattet. Dazu gehört die Abschätzung der gesättigten und ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit von Böden mittels verschiedener Methoden (Bodenkornanalyse, Darcy-Tests, Laborevaporation mit HYPROP-Messsystem usw.). Weitere Analysen umfassen die Bestimmung der Wasserhaltekurve (pF-Kurve), der internen Porengrößenverteilung und der Gesamtporosität sowie der Wassersättigung und des Wassergehalts des Bodens. Für die Entnahme von Porenwasserproben aus der vadosen Zone stehen auch Saugkerzen zur Verfügung. Zusätzliche Parameter können online mit modernen Sensoren überwacht werden, die mit Datenloggern zur automatischen Aufzeichnung des Grundwasserpotenzials in der vadosen Zone, der Sauerstoffkonzentration im Porenwassersystem und des Bodenwassergehalts mit Hilfe von TDR-Sensoren (Time Domain Reflectometry) ausgestattet sind.

Infrastruktur im Feld

Wenn ein naturnaher Ansatz erforderlich ist, führen wir unsere Versuche im Pilotmaßstab auf dem Testfeld durch, das sich direkt hinter dem Institutsgebäude befindet. Die Fläche des Versuchsfeldes beträgt etwa 1 ha (200 x 50 m) und umfasst:

• ein Versickerungsbecken (rapid infiltration basin) mit L = 5.00 m; B = 4.00 m und H = 1.50 m ausgestattet mit einem Versickerungsbecken für Oberflächenwasser (1,35 x 0,90 m) und vier Sensorschichten mit Datenloggern zur kontinuierlichen Aufzeichnung des Bodenwasserpotentials, des Bodenwassergehalts und der Sauerstoffkonzentration im Porenwassersystem sowie Saugnäpfen zur Entnahme und Analyse von Porenwasserproben. Weiterlesen
• sieben Grundwasserbeobachtungsmessstellen (D = 5 Zoll; Tiefe = 15 m unter Gelände), die um das Versickerungsbecken herum positioniert und mit einer Multi-Sensor-Modul SENSOdive mit Druck-, Temperatur- und Leitfähigkeitssensoren ausgestattet sind, die an Datenlogger angeschlossen sind, was sofortige Profilmessungen (IPM) ermöglicht. Mithilfe der Brunnen werden die Effizienz des Versickerungsbeckens überprüft und Maßnahmen zur Speicherung und Wiederanreicherung des Grundwassers (ASR) simuliert. Weiterlesen
• elf Piezometer mit kleinem Durchmesser (D = 1 Zoll; Tiefe = ca. 14 m unter Gelände), die über das gesamte Versuchsfeld verteilt und mit Drucksensoren zur hochauflösenden Charakterisierung von Schwankungen des Grundwasserspiegels und Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser ausgestattet sind. Weiterlesen