Räumliche integrierte Bodenfeuchtemessungen unter Verwendung von Radiofrequenzen im Langwellenbereich
Final Report Abstract
Im Verlauf der Messungen zum DFG-Projekt „Räumlich integrierte Bodenfeuchtemessungen unter Verwendung von Radiofrequenzen im Langwellenbereich“ wurde die Abhängigkeit der Phase der Bodenwelle des Langwellensenders DCF77 (77,5 kHz, Mainflingen, Deutschland) von der zeitlichen Variabilität der elektromagnetischen Eigenschaften des Untergrundes untersucht. Hierzu wurde entlang einer Messlinie mit zwei Empfängern (Messwiese KIT und Stadt Edingen) die Phase der Bodenwelle aufgezeichnet. Für die Erfassung der Variabilität der elektromagnetischen Eigenschaften des Untergrundes wurden Messdaten der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte sowohl von eigenen Messstationen als auch von der Messstelle Grenzhof (Universität Heidelberg), sowie Modelldaten des DWD verwendet. Die Information über den zeitlichen Verlauf der Grundwasserstände wurde von den ausgewählten Messstellen des Messnetzes des Grundwasserüberwachungsprogramms der LUBW und HLUG erhoben. Der Einfluss von Bodenfeuchte, Bodentemperatur und Grundwasserflurabstand auf die Phase am Empfänger in Edingen und auf die Phasendifferenz zweier Empfänger wurde durch den Vergleich der Zeitreihen untersucht und mithilfe der linearen multiplen Regressionsanalyse abgeschätzt. Die Regressionsmodelle weisen mit 81% erklärter Varianz der Phase und 80,7% der Phasendifferenz eine gute Anpassung auf. Den größten Einfluss auf die Phase und die Phasendifferenz hat der Grundwasserflurabstand, gefolgt von der Bodentemperatur. Die Wirkung der Bodenfeuchte ist sehr gering und kann mit dem Modell nicht signifikant beschrieben werden. Während der gesamten 2-jährigen Beobachtungsperiode ist nur bei einzelnen, extremen Bodenfeuchteereignissen ein ausgeprägter Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und Phase zu beobachten. Die theoretische Abschätzung der Abhängigkeit der Phase der Bodenwelle von den elektromagnetischen Eigenschaften des Untergrundes wurde mit Hilfe des Sommerfeldschen Modells unter Verwendung der Methode der Oberflächenimpedanz des Mehrschichtuntergrundes durchgeführt. Die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen haben gezeigt, dass für die Ausbreitung der Bodenwelle nicht nur die elektromagnetischen Eigenschaften der Bodenschicht, sondern auch die Eigenschaften der darunter liegenden Schichten (der ungesättigten und gesättigten Zone) relevant sind. Damit haben die Simulationsberechnungen die mit dem Experiment festgestellten Abhängigkeiten bestätigt. Mit den Simulationsberechnungen wurde auch festgestellt, dass das Vorhandensein der massiven gesättigten Zone auf der Untersuchungsstrecke zur Entstehung einer stark induktiven Oberflächenimpedanz führt. Die Phase der Bodenwelle wird in diesem Fall stark von den Eigenschaften der Grundwasserschicht beeinflusst. Je kleiner der Grundwasserflurabstand ist, desto niedrigerer ist der Einfluss der elektromagnetischen Eigenschaften in der Bodenschicht (z.B. Bodenfeuchte) auf die Phase. Das Experiment und die theoretischen Berechnungen haben gezeigt, dass bei dem vorhandenen Aufbau des Untergrundes und der Verwendung der Frequenz von 77,5 kHz die Erfassung der zeitlichen Dynamik der Bodenfeuchte nicht möglich ist. Diese Frequenz kann jedoch für die Überwachung der Grundwasserstände erfolgreich angewendet werden.
Publications
- (2014). A new approach to investigate soil moisture dynamics by radio waves. TERENO International Conference 2014. Bonn, 29.09.2014-02.10.2014 (Poster). Book of Abstracts. P3-35
Kiseleva, O., Hübner, Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
- (2014). Messverfahren zur Bodenfeuchtebestimmung mit Hilfe von Radiowellen im Langwellenbereich. Tag der Hydrologie 2014, Eichstätt, 20.03.-21.03.2014 (Poster). Tagungsband: Forum für Hydrologie und Wasserwirtschaftung. Heft 34. 14., S. 23. „Poster Award 2014“ in der Kategorie Innovativste Studie
. Kiseleva, O., Hübner, Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
- (2014). Verfahren zur räumlich integrierten Bodefeuchtemessung unter Verwendung der Bodenwelle des Langwellensender DCF77. Tagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Karlsruhe, 10.03.-13.03.2014 (Vortrag). Tagungsband, S. 141
Kiseleva, O., Hübner Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
- A new far-field low-frequency electromagnetic method for measurement of temporal variations in subsurface electrical conductivity averaged over a transect. Near Surface Geophysics, Vol 16, No 5, October 2018 pp. 573 - 590
Kiseleva, O., Hübner Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
(See online at https://doi.org/10.1002/nsg.12009)
