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Estimation of Soil Water Dynamics Based on Hydrogeophysical Measurements

Jaumann, Stefan

German Title: Schätzung der Bodenwasserdynamik anhand hydrogeophysikalischer Messungen

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Abstract

Quantitative understanding of soil water movement is essential to develop methods that allow for a more sustainable use of limited freshwater resources. In this study, methods are developed that allow to estimate the spatial distribution of these materials, their effective soil hydraulic material properties, and the effect of unrepresented model errors on these properties. To acquire the necessary data, a 2D subsurface architecture (ASSESS) was forced with a fluctuating groundwater table. The resulting hydraulic dynamics were essentially monitored with time domain reflectometry (TDR) and ground-penetrating radar (GPR). Based on the TDR data, the effect of unrepresented model errors on estimated soil hydraulic material properties is analyzed with a structural error analysis. This method compares inversions of increasingly complex models, since the required model complexity for a consistent description of the measurement data is application-dependent and unknown a priori. It is demonstrated that the method can indicate unrepresented model errors and quantify their effects on the resulting material properties. Based on the GPR data, a new heuristic event detection and association algorithm was developed that allows to identify and to extract relevant information from GPR data. It is demonstrated for synthetic and measured data that this approach provides reasonably accurate estimates for the spatial distribution of materials and their soil hydraulic material properties.

Translation of abstract (German)

Ein quantitatives Verständnis von Bodenwasserbewegungen ist wesentlich für die Entwicklung von Methoden, die eine nachhaltigere Nutzung begrenzter Süßwasserressourcen ermöglichen. In dieser Studie werden Methoden entwickelt, die es erlauben, die räumliche Verteilung dieser Materialien, ihre effektiven bodenhydraulischen Materialeigenschaften und die Auswirkung von nicht dargestellten Modellfehlern auf diese Eigenschaften abzuschätzen. Um die notwendigen Daten zu erhalten, wurde der Grundwasserspiegel in einer 2D-Untergrundarchitektur (ASSESS) variiert. Die resultierende hydraulische Dynamik wurde im Wesentlichen mit Zeitbereichsreflektometrie (TDR) und Bodenradar (GPR) überwacht. Basierend auf den TDR-Daten wird der Einfluss von nicht dargestellten Modellfehlern auf geschätzte bodenhydraulische Materialeigenschaften mit einer Strukturfehleranalyse analysiert. Diese Methode vergleicht Inversionen zunehmend komplexer Modelle, da die erforderliche Modellkomplexität für eine konsistente Beschreibung der Messdaten anwendungsabhängig und a priori unbekannt ist. Es wird gezeigt, dass das Verfahren nicht dargestellte Modellfehler anzeigen und deren Auswirkungen auf die resultierenden Materialeigenschaften quantifizieren kann. Basierend auf den GPR-Daten wurde ein neuer heuristischer Ereignisdetektions- und Assoziierungsalgorithmus entwickelt, der es erlaubt, relevante Informationen aus GPR-Daten zu identifizieren und zu extrahieren. Für synthetische und gemessene Daten wird gezeigt, dass dieser Ansatz hinreichend genaue Schätzungen für die räumliche Verteilung von Materialien und ihre bodenhydraulischen Materialeigenschaften liefern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 10 January 2018
Date Deposited: 23 May 2018 11:46
Date: 8 May 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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