Hydrogeophysics
Eine der wichtigsten Forschungsfragen und Visionen des Instituts für Bio- und Geowissenschaften (IBG-3) – Agrosphäre ist es, das Verständnis von hydrologischen und biogeochemischen Prozessen in terrestrischen Systemen mit besonderem Fokus auf landwirtschaftliche und Boden-Grundwasser-Systeme zu verbessern. Einer der Forschungsbereiche im Institut ist die Hydrogeophysik. Die Hydrogeophysik ist eine sich schnell entwickelnde und relativ junge Geophysikalische Disziplin, die sich mit der Bestimmung von Eigenschaften und der Überwachung von Prozessen in der Vadosen Zone und in Grundwasserleitern mit geophysikalischen Methoden befasst. Das Fachgebiet findet viele Anwendungen in der umweltbezogene, hydrologische und landwirtschaftliche Forschung und Technik.
Der methodische Schwerpunkt der Hydrogeophysik am IBG-3 liegt auf elektrische und elektromagnetische geophysikalische Verfahren. Diese Methoden sind besonders sensitiv gegenüber Bodenwassergehalt und verbundener Prozesse im Untergrund. Schlüsselprozesse in den Anwendungsbereichen sind der Schadstofftransport, die Nachhaltigkeit von Ökosystemen und die biologische Vielfalt, das Pflanzenwachstum und die Wechselwirkungen zwischen Boden und Atmosphäre.
Im IBG-3, gibt es drei Hydrogeophysik Forschungsgruppen geleitet von gemeinsamen W2 Berufenen nach dem Jülicher Model:
Multi-scale geophysics of soil-plant systems
Prof. Dr. Anja Klotzsche (Universität zu Köln)
Vadose Zone Hydrogeophysics
Prof. Dr. Johan Alexander (Sander) Huisman (Universität Stuttgart)
Hydrogeophysical Imaging and Characterisation
Prof. Dr. Ir. Jan van der Kruk (RWTH Aachen)
Viele unsere Forschungsaktivitäten finden auf verschieden Skalen statt – von Einzugsgebieten bis hin zur Charakterisierung von Bodenporen. Dabei stehen uns verschiede Feldstandorte zur Verfügung:
Abbildung 1: Übersichtskarte des Gebiets südlich vom Forschungszentrum Jülich mit den Agrarflächen Selhausen (rote Box, sehe auch Abb. 2) mit den Feldstandort Krauthausen (Blaue Box links oben) und Feldstandort Selhausen (blaue Box in der rote Box). Weiße Pfeile neben den Feldstandort Selhausen zeigen die Standorte der zwei Rhizotronanlagen (sehe auch Abb. 5).
Selhausen Agrarflächen:
Abbildung 2: Oben: Erfassung der EMI Daten erfolgte mit einem Allrad Quad und mehreren EMI Geräten. Unten: EMI Bodenkarte (Einzugsgebiet: 1000 x 1000 x 2m) für die Agrafläche Selhausen (m Rahmen von TERENO, Phenorob und ICOS). Ergebnisse basierend auf Brogi et al. (2018).
Wüstebach Einzugsgebiet:
Abbildung 3: Oben Wüstebacheinzugsgebiet ca. 9 ha mit Topografieangaben und vereinfachter Bodenkarte. Die schwarzen Punkte verweisen auf die SoilNet-Sensoreinheiten. Das Wüstebachgebiet ist Teil von TERENO. Unten: Ergebnisse basieren auf EMI Messungen und SoilNet Daten für das ganze Einzugsgebietes des Wüstebaches (Ergebnisse basieren auf Altdorff et al. (2017)).
Krauthausen Grundwasserleiter:
Abbildung 4: Oben: Bohrlochgeoradar Messung auf dem Krauthausen Testgelänge. Unten: GPR Volle-Wellenform Inversions Ergebnisse für den Krauthausen Grundwasserleiter (70 x 100x 12 m). Dabei wurden die berechnetet Permittivitätswerte umgerechnet in Porosität des Grundwasserleiters (Ergebnisse basieren auf Güting et al. (2017)). In den vergangenen Jahren wurden ebenfalls ERT und SIP Messungen durchgeführt im Rahmen verschiedenster Projekte.
Rhizotron Anlagen:
Abbildung 5: In den Rhizotron Anlagen (10 x 7 x 2 m) in Selhausen (siehe Abb. 1) werden in der Pflanzenwachstumsperiode wöchentlich Georadar gemessen und Wurzelbilder aufgenommen. Unten: Bodenwassergehalt bestimmt mit Hilfe der horizontalen Bohrlöcher in den Rhizotronanlagen (Teil des Selhausen Standortes, Klotzsche et al. (2019)). Mehr Information über die Anlage und die Messungen unter diesen Link https://www.phenorob.de/field-experiments/ .
Veranstaltungen:
In der Jubiläumswoche der DGG100 vom 19. – 25. September 2022 veranstalten wir eine virtuelle Vortragsreihe, mit der wir einen Überblick unsere Hydrogeophysische Forschung darstellen. Die Vortragsreihe findet am 19. September statt und vorherige Anmeldung wird gebeten (Absage des Events Aufgrund mangelnder Anmeldungen)
- 14. Georadar Rundtischgespräch am 22.-23. September 2022 in Aachen, Anmeldung geschlossen.
Referenzen:
Altdorff, D., C. von Hebel, N. Borchard, J. van der Kruk, H.R. Bogena, H. Vereecken, and J.A. Huisman, 2017, Potential of catchment-wide soil water content prediction using electromagnetic induction in a forest ecosystem. Environ Earth Sci., 76:111.
Brogi, C., J.A. Huisman, S. Pätzold, C. von Hebel, L. Weihermüller, M.S. Kaufmann, J. van der Kruk, and H. Vereecken, 2019, Large-scale soil mapping using multi-configuration EMI and supervised image classification. Geoderma, 335, 133-148, doi: 10.1016/j.geoderma.2018.08.001.
Güting, N., T. Vienken, A. Klotzsche, J. van der Kruk, J. Vanderborght, H. Vereecken, and A. Englert, 2017, High resolution aquifer characterization using crosshole GPR full-waveform tomography: Comparison with direct-push and tracer test data. Water Resources Research, 53(1), 49-72.
Klotzsche, A., L. Lärm, J. Vanderborght, G. Cai, T. Shehan, H. Vereecken, and J. van der Kruk, 2019, Monitoring soil water content using time-lapse horizontal borehole GPR data at the field plot-scale. Vadose Zone Journal, 18, 190044, doi: 10.2136/vzj2019.05.0044.