DE102014111800B4 - Flow control for lysimeter - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Regeln eines Wasserzulaufs oder eines Wasserablaufs eines Lysimeters in einem Regelintervall, wobei das Lysimeter einen Bodenmonolithen (3) in einem Behälter, einen Ausgleichsbehälter (4) und einen Zu- oder Abfluss (15) als Verbindung zwischen dem Behälter und dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist, wobei der Ausgleichsbehälter (4) entsprechend einer Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge gefüllt oder geleert wird, wobei anschließend der Zu- oder Abfluss (15) geöffnet wird, wobei anschließend nach Schließen des Zu- oder Abflusses (15) ein Pegelstand im Ausgleichsbehälter (4) gemessen wird, und aus einer Differenz der Pegelstände vor Öffnen und nach Schließen des Zu- oder Abflusses (15) die zu- oder abgeflossene Wassermenge als Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge und der Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, und wobei für das nachfolgende Regelintervall die Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge unter Berücksichtigung der ermittelten Differenz korrigiert wird.Method for regulating a water inlet or a water outlet of a lysimeter at a regular interval, the lysimeter comprising a soil monolith (3) in a container, a reservoir (4) and an inlet or outlet (15) as a connection between the container and the reservoir (4 ), wherein the expansion tank (4) is filled or emptied in accordance with a desired inflow or outflow quantity, the inflow or outflow (15) subsequently being opened, with a water level after closing the inflow or outflow (15) is measured in the expansion tank (4), and from a difference in the water levels before opening and after closing the inflow or outflow (15), the inflowing or outflowing amount of water is determined as the actual inflow or outflow amount, wherein a difference between the target Inflow or outflow amount and the actual inflow or outflow amount is determined, and wherein for the subsequent control interval, the target inflow or Abb flow amount is corrected taking into account the difference determined.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Wasserzulaufs oder eines Wasserablaufs eines Lysimeters sowie ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt aufweisend einen Programmcode um die Schritte des Verfahrens auszuführen. Die Erfindung betrifft ferner eine Lysimeteranlage mit Regelungssystem.The invention relates to a method for controlling a water inlet or a water outlet of a lysimeter, and a computer program or a computer program product comprising a program code for carrying out the steps of the method. The invention further relates to a lysimeter system with control system.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Zur Bestimmung und Analyse von Wasser- und Stoffbilanzen des Bodens werden unter anderem Lysimeter eingesetzt. Dabei handelt es sich um Messeinrichtungen, die Parameter wie Verdunstung, Versickerung und Stoffaustausch zwischen Boden, Wasser und Luft (z. B. Nährstoff- und Schadstoffmigration) erfassen. Lysimeter kommen vor allem in der Landwirtschafts- und Umweltforschung zum Einsatz, um den Einfluss der Bodennutzung und gegebenenfalls vorhandener Wasserhaushaltsregularien, z. B. Steuerung von Grundwasserständen in Niederungsgebieten mit Grundwasserregulierungsanlagen, zu untersuchen. Dies ist insbesondere in ökologisch bedeutsamen Gegenden, die auch landwirtschaftlich genutzt werden, interessant. Beispielsweise wird der Wasserhaushalt eines Niederungsgebiets sowohl durch die Landnutzung als auch durch wasserwirtschaftliche Maßnahmen beeinflusst. Die Art der Landnutzung bestimmt die angestrebten Ziel-Grundwasserstände auf einem Niederungsstandort und beeinflusst damit sowohl die Vegetationsentwicklung und die Artenzusammensetzung sowie den Wasserverbrauch des Niederungsstandorts in der Vegetationsperiode als auch die Entwässerung, sobald die Wasserstände auf ein zu hohes Niveau ansteigen. Die Auswirkungen der Landnutzung und des Wassermanagements auf den Wasser- und Stoffhaushalt eines Standorts können mit Hilfe eines Lysimeters quantifiziert werden.For the determination and analysis of soil water and material balances, lysimeters are used. These are measuring devices that record parameters such as evaporation, infiltration and mass transfer between soil, water and air (eg migration of nutrients and pollutants). Lysimeters are used primarily in agricultural and environmental research to determine the impact of land use and possibly existing water budget regulations, eg. B. Control of groundwater levels in lowland areas with groundwater control systems to investigate. This is especially interesting in ecologically significant areas that are also used for agriculture. For example, the water balance of a lowland area is influenced by both land use and water management measures. The type of land use determines the target target groundwater levels at a lowland location and thus influences both vegetation development and species composition, as well as water use of the lowland location during the growing season, and drainage as soon as the water levels rise to too high a level. The impact of land use and water management on a site's water and mass balance can be quantified using a lysimeter.

Zur Errichtung eines Lysimeters wird an einem gewählten Standort ein Bodenkörper ungestört entnommen und am selben Ort als Bestandteil einer Lysimeteranlage wieder integriert. Dadurch ist es möglich, die natürlichen Bedingungen des Standorts zu erhalten. Der entnommene Bodenmonolith wird in einen nach oben offenen Zylinder eingesetzt, so dass seine Oberfläche mit der umgebenden Grasnarbe abschließt. Der Bodenmonolith des Lysimeters ist daher denselben Umwelteinflüssen ausgesetzt wie die ihn umgebende Landschaft. Um die unterschiedlichen Parameter des Wasser- und Stoffhaushalts des Bodens zu bestimmen, umfasst das Lysimeter unterschiedliche Analyseeinheiten. Beispielsweise kann Sickerwasser, das aus dem Bodenmonolithen austritt, einer Messvorrichtung zugeleitet werden, so dass Menge und Inhaltsstoffe bestimmt werden können. Für die Ermittlung der Verdunstung ist der Bodenmonolith auf einer Waage angeordnet, und die Verdunstung (ETa) während eines Zeitintervalls wird über die gemessenen Größen Gewichtsveränderung (ΔS) des Bodenmonolithen, Zufluss (Qzu) und Abfluss (Qab) zum bzw. aus dem Monolithen und gefallener Niederschlag (P) während dieses Intervalls als Restgröße der allgemeinen Wasserhaushaltsgleichung (A) berechnet. ETa = P – ΔS + Qzu – Qab (A) To set up a lysimeter, a soil body is removed undisturbed at a selected location and re-integrated at the same location as part of a lysimeter installation. This makes it possible to preserve the natural conditions of the site. The extracted soil monolith is inserted into an upwardly open cylinder so that its surface is flush with the surrounding sod. The soil monolith of the lysimeter is therefore exposed to the same environmental influences as the surrounding landscape. In order to determine the different parameters of the water and substance balance of the soil, the lysimeter comprises different analysis units. For example, seepage water exiting the soil monolith can be sent to a measuring device so that the quantity and contents can be determined. For the determination of the evaporation the soil monolith is arranged on a balance, and the evaporation (ETa) during a time interval becomes over the measured variables weight change (ΔS) of the soil monolith, inflow (Q to ) and outflow (Q ab ) to and from the Monoliths and fallen precipitation (P) during this interval are calculated as residuals of the general water balance equation (A). ETa = P - ΔS + Q to - Q from (A)

Bei Lysimetern gibt es entsprechend der zu untersuchenden Standorte unterschiedliche Bauformen, wobei zwischen Gravitationslysimetern und Grundwasserlysimetern zu unterscheiden ist. Gravitationslysimeter werden für Untersuchungen auf grundwasserfernen Standorten eingesetzt, auf denen die hydrologischen Prozesse in der Bodenzone nicht durch den Grundwasserstand beeinflusst werden. Grundwasserlysimeter kommen dagegen auf grundwassernahen Standorten zum Einsatz. Hier hat der Grundwasserstand als untere Randbedingung einen wesentlichen Einfluss auf den Wasserhaushalt des Standorts und muss daher auch im Bodenmonolithen des Lysimeters korrekt widergespiegelt werden.In the case of lysimeters, there are different types of construction according to the sites to be examined, whereby a distinction must be made between gravitational lysimeters and groundwater lysimeters. Gravitational lysimeters are used for investigations at sites remote from the groundwater, where the hydrological processes in the soil zone are not influenced by the groundwater level. On the other hand, groundwater lysimeters are used at groundwater-near locations. Here, the groundwater level as a lower boundary condition has a significant influence on the water balance of the site and therefore must be correctly reflected in the soil monolith of the lysimeter.

Um einen flurnahen Grundwasserstand im Bodenmonolithen zu erzeugen, wird dieser mit einem Ausgleichsbehälter bzw. Referenzgefäß verbunden. Über diesen Ausgleichsbehälter kann Wasser dem Monolithen zu- bzw. aus dem Monolithen abgeführt und der Grundwasserstand im Monolithen in der Höhe verändert werden. So kann z. B. auch ein gemessener Grundwasserstand der Umgebung auf das Lysimeter übertragen werden. Eine entsprechende Ausführungsform eines Lysimeters mit Referenzgefäß ist in der DE 199 07 462 C1 beschrieben.In order to produce a near-ground groundwater level in the soil monolith, this is connected to a surge tank or reference vessel. Water can be added to the monolith via this expansion tank or removed from the monolith and the groundwater level in the monolith can be changed in height. So z. B. a measured groundwater level of the environment are transferred to the lysimeter. A corresponding embodiment of a lysimeter with reference vessel is in the DE 199 07 462 C1 described.

Die Dissertation von D. Bethge-Steffens „Der Bodenwasserhaushalt von zwei repräsentativen Flussauenstandorten der Mittelelbe” (Universität Rostock, 24. April 2007) beschreibt ebenfalls ein Lysimeter, bei dem der Bodenmonolith mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist. Das Lysimeter weist eine Grundwassersteuerung auf, bei der ein natürlicher Grundwasserstand im Bodenmonolithen nachgebildet wird. Dazu wird der natürliche Grundwasserstand im Feld erfasst und der gemessene Wert im Monolithen eingestellt. Steuergröße ist der Wasserstand im Monolithen. Wasserstandsänderungen werden durch iteratives Auffüllen oder Entleeren des Ausgleichsbehälters erzeugt, da sich der Wasserstand im Monolithen an den Wasserstand im Ausgleichsbehälter angleicht. Beim Auffüllen oder Entleeren des Ausgleichsbehälters kann es aufgrund von Ungenauigkeiten zu Abweichungen zwischen der tatsächlich zu- oder abgeführten Wassermenge und der gewünschten Wassermenge kommen, die sich mit zunehmender Anzahl von Steuerungszyklen summieren.The dissertation by D. Bethge-Steffens "The soil water balance of two representative river floodplain areas of the Middle Elbe" (University of Rostock, April 24, 2007) also describes a lysimeter in which the soil monolith is connected to a surge tank. The lysimeter has a groundwater control, in which a natural groundwater level in the soil monolith is modeled. This will be the natural groundwater level in the field is recorded and the measured value is set in the monolith. The control variable is the water level in the monolith. Changes in water level are caused by iterative filling or emptying of the expansion tank, as the water level in the monolith equals the water level in the expansion tank. During filling or emptying of the expansion tank, due to inaccuracies, deviations between the actually added or removed amount of water and the desired amount of water can occur, which add up as the number of control cycles increases.

Der Grundwasserspiegel ist jedoch eine Wasserhaushaltsgröße, die durch alle anderen Parameter des Wasserhaushalts, beispielsweise Niederschlag und Verdunstung, beeinflusst wird. Er ist somit nicht nur eine Randbedingung für die ablaufenden Wasserhaushaltsprozesse, sondern wird auch durch diese beeinflusst. Wird der Grundwasserspiegel daher als Steuergröße des Lysimeters gewählt, entsteht eine Wechselwirkung zwischen den ermittelten Wasserhaushaltsgrößen (Messgrößen) und der Steuergröße (Grundwasserspiegel). Dadurch können die Messergebnisse, insbesondere bei unterschiedlichen oberen Randbedingungen (z. B. meteorologische Bedingungen, Vegetation) beeinflusst und unter Umständen verfälscht werden.The groundwater level, however, is a water household that is influenced by all other parameters of the water balance, such as precipitation and evaporation. It is thus not only a constraint for the ongoing water budget processes, but is also influenced by them. Therefore, if the groundwater level is selected as the control variable of the lysimeter, an interaction between the determined water household variables (measured variables) and the control variable (groundwater level) arises. As a result, the measurement results, in particular under different upper boundary conditions (eg meteorological conditions, vegetation) can be influenced and possibly falsified.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zur exakten Steuerung von Lysimetern anhand einer weitgehend prozessunabhängigen Größe, um eine Beeinflussung der Versuchsergebnisse zu vermindern und eine zuverlässige Ermittlung aller Wasserhaushaltsparameter zu gewährleisten.There is therefore a need for a method for the exact control of lysimeters on the basis of a largely process-independent variable, in order to reduce an influence on the test results and to ensure a reliable determination of all water balance parameters.

ZusammenfassungSummary

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln eines Wasserzulaufs oder eines Wasserablaufs eines Lysimeters in einem Regelintervall, wobei das Lysimeter einen Bodenmonolithen in einem Behälter, einen Ausgleichsbehälter und einen Zu- oder Abfluss als Verbindung zwischen dem Behälter und dem Ausgleichsbehälter aufweist, wobei der Ausgleichsbehälter entsprechend einer Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge gefüllt oder geleert wird, wobei anschließend der Zu- oder Abfluss geöffnet wird, wobei anschließend nach Schließen des Zu- oder Abflusses ein Pegelstand im Ausgleichsbehälter gemessen wird, und aus einer Differenz der Pegelstände vor Öffnen und nach Schließen des Zu- oder Abflusses die zu- oder abgeflossene Wassermenge als Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge und der Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, und wobei für das nachfolgende Regelintervall die Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge unter Berücksichtigung der ermittelten Differenz korrigiert wird.In a first aspect, the invention relates to a method for controlling a water inlet or a water outlet of a lysimeter at a control interval, wherein the lysimeter comprises a soil monolith in a container, a surge tank and an inlet or outlet as a connection between the tank and the surge tank the expansion tank is filled or emptied in accordance with a desired inflow or outflow quantity, the inflow or outflow subsequently being opened, a level in the expansion tank then being measured after closing the inflow or outflow, and a difference in the water levels before opening and after closing the inflow or outflow, the inflowing or outflowing amount of water is determined as actual inflow or outflow quantity, wherein a difference between the set inflow or outflow amount and the actual inflow or outflow amount is determined, and wherein for the subsequent control interval, the target inflow or -bflussmenge is corrected taking into account the difference determined.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt aufweisend einen Programmcode, welches oder welcher die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Lysimeteranlage umsetzt.In a further aspect, the invention relates to a computer program or a computer program product comprising a program code which implements the steps of the method according to the invention on a lysimeter system.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Lysimeteranlage mit Regelungssystem, wobei das Regelungssystem die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umsetzt.In a further aspect, the invention relates to a lysimeter system with a control system, wherein the control system implements the steps of the method according to the invention.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt die schematische Darstellung einer Lysimeterstation 1 mit zwei wägbaren Grundwasserlysimetern 2. 1 shows the schematic representation of a lysimeter station 1 with two weighable groundwater lysimeters 2 ,

2 zeigt ein Diagramm zur Durchflusssteuerung eines Lysimeters 2 nach Zeitreihe oder dem Messwert eines Referenzlysimeters einschließlich einer zusätzlichen Prüfung der Pegelwerte. 2 shows a diagram for flow control of a lysimeter 2 according to time series or the reading of a reference lysimeter, including an additional check of the level values.

3 zeigt die Ergebnisse einer Testreihe, die unter Verwendung eines Lysimeters 2 mit Durchflusssteuerung ohne automatische Korrektur durchgeführt wurde. Die Werte geben die Tagessummen der Durchflussmengen je Tag für den Zeitraum vom 18.04.2011 bis 16.05.2011 wieder. 3 shows the results of a test series using a lysimeter 2 with flow control without automatic correction. The values represent the daily totals of flow rates per day for the period from 18.04.2011 to 16.05.2011.

4 zeigt eine Testreihe, die mit einem wägbaren Grundwasserlysimeter 2 unter der erfindungsgemäßen Durchflusssteuerung mit integrierter Korrektur durchgeführt wurde. Die Datenpunkte geben die Tagessummen der Durchflussmengen je Tag im Zeitraum vom 01.05.2012 bis 10.05.2012 wieder. 4 shows a series of tests using a weighable groundwater lysimeter 2 was performed under the flow control with integrated correction according to the invention. The data points represent the daily totals of the flow rates per day in the period from 01.05.2012 to 10.05.2012.

5 zeigt den Verlauf der Grundwasserflurabstände (GWF) bei verlängertem Winterstau im Vergleich zur Referenzsituation und die Tagessummen des Niederschlags (P) im April/Mai der Jahre 2012 und 2013. 5 shows the course of the groundwater corridor distances (GWF) with prolonged winter congestion compared to the reference situation and the daily totals of precipitation (P) in April / May of the years 2012 and 2013.

6 zeigt die Summe der gemessenen Verdunstung (Eta) ab 15. April der Jahre 2012 und 2013, die Anteile der einzelnen Bilanzgrößen der Wasserhaushaltsgleichung (A) (ΔS-Flächenspeicheränderung, Q-Zufluss/Abfluss, P-Niederschlag) an der gemessenen Verdunstung, sowie den Verlauf des Grundwasserflurabstands (GWF) während dieser Zeit. 6 shows the sum of the measured evaporation (Eta) from April 15 of the years 2012 and 2013, the proportions of the individual balance values of the water balance equation (A) (ΔS-area change, Q inflow / outflow, P-precipitation) at the measured evaporation, as well the course of the groundwater corridor distance (GWF) during this time.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Wasserzulaufs oder eines Wasserablaufs eines Lysimeters in einem Regelintervall, wobei das Lysimeter einen Bodenmonolithen in einem Behälter, einen Ausgleichsbehälter und einen Zu- oder Abfluss als Verbindung zwischen dem Behälter und dem Ausgleichsbehälter aufweist, wobei der Ausgleichsbehälter entsprechend einer Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge gefüllt oder geleert wird, wobei anschließend der Zu- oder Abfluss geöffnet wird, wobei anschließend nach Schließen des Zu- oder Abflusses ein Pegelstand im Ausgleichsbehälter gemessen wird, und aus einer Differenz der Pegelstände vor Öffnen und nach Schließen des Zu- oder Abflusses die zu- oder abgeflossene Wassermenge als Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge und der Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, und wobei für das nachfolgende Regelintervall die Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge unter Berücksichtigung der ermittelten Differenz korrigiert wird.The invention relates to a method for controlling a water inlet or a water outlet of a lysimeter in a control interval, wherein the lysimeter comprises a soil monolith in a container, a surge tank and an inlet or outlet as a connection between the container and the surge tank, wherein the surge tank according to a Set inflow or outflow amount is filled or emptied, then the inflow or outflow is opened, and then after closing the inflow or outflow a level is measured in the expansion tank, and from a difference in water levels before opening and after closing the Inlet or outflow, the inflow or outflowed amount of water is determined as the actual inflow or outflow amount, wherein a difference between the desired inflow or outflow amount and the actual inflow or outflow amount is determined, and wherein for the following Control interval the target inflow or outflow quantity un corrected taking into account the difference determined.

Im Folgenden bezeichnet der Begriff „Durchflussmenge” die Zufluss- oder Abflussmenge an Wasser.In the following, the term "flow rate" refers to the inflow or outflow of water.

Weiterhin offenbart ist ein Verfahren zum Steuern eines Lysimeters umfassend die Schritte Erfassen einer tatsächlichen Durchflussmenge (Ist-Durchflussmenge) in mindestens einem vorangegangenen Regelintervall, Vorgeben oder Erfassen einer Soll-Durchflussmenge in mindestens einem vorangegangenen Regelintervall, Ermitteln einer Differenz zwischen der Ist-Durchflussmenge und der Soll-Durchflussmenge für das mindestens eine vorangegangene Regelintervall, Korrigieren einer Soll-Durchflussmenge für ein aktuelles Regelintervall um die Differenz und Steuern der Durchflussmenge in dem aktuellen Regelintervall entsprechend der korrigierten Soll-Durchflussmenge.Further disclosed is a method for controlling a lysimeter comprising the steps of detecting an actual flow rate (actual flow rate) in at least one previous control interval, predetermining or detecting a target flow rate in at least one previous control interval, determining a difference between the actual flow rate and the Target flow rate for the at least one previous control interval, correcting a target flow rate for a current control interval by the difference and controlling the flow rate in the current control interval corresponding to the corrected target flow rate.

Mittels des Verfahrens wird die Durchflussmenge eines Lysimeters für ein aktuelles Regelintervall errechnet und gesteuert. Das Verfahren wird ausgeführt, indem eine tatsächliche Durchflussmenge (Ist-Durchflussmenge) eines Regelintervalls erfasst und mit einer für dieses Regelintervall vorbestimmten Durchflussmenge (Soll-Durchflussmenge) verglichen wird. Die Soll-Durchflussmenge kann beispielsweise vorgegeben sein oder aus einem Referenzlysimeter erfasst werden. Anschließend wird die Soll-Durchflussmenge für ein folgendes, d. h. für das nunmehr aktuelle, Regelintervall um die Differenz der Soll-Durchflussmenge und der Ist-Durchflussmenge des vorhergehenden Regelintervalls korrigiert. Es wird somit eine korrigierte Soll-Durchflussmenge für das aktuelle Regelintervall errechnet und die Durchflussmenge im aktuellen Regelintervall entsprechend der korrigierten Soll-Durchflussmenge gesteuert.By means of the method, the flow rate of a lysimeter for a current control interval is calculated and controlled. The process is performed by detecting an actual flow rate (actual flow rate) of a control interval and comparing it with a predetermined flow rate (target flow rate) for that control interval. The desired flow rate can be predetermined, for example, or can be detected from a reference lysimeter. Subsequently, the target flow rate for a following, i. H. corrected for the now current, control interval by the difference of the target flow rate and the actual flow rate of the previous control interval. Thus, a corrected target flow rate for the current control interval is calculated and the flow rate in the current control interval is controlled according to the corrected target flow rate.

Dieses Verfahren erlaubt die Steuerung eines Lysimeters, bevorzugt eines Grundwasserlysimeters, nach Durchflussmengen, und damit nach einem stabilen Parameter, der einer geringen zeitlichen Variabilität unterliegt. Der Begriff ”Durchfluss” bzw. ”Durchflussmenge” bezeichnet die Gesamtmenge an Wasser, die dem Bodenmonolithen pro Zeiteinheit zugeführt bzw. aus dem Monolithen abgeführt wird. Die Steuerung des Durchflusses erfolgt durch aktives Zuführen bzw. Ablassen von Wasser. Bei einer Steuerung nach Durchfluss wird eine Wasserhaushaltskomponente als Steuergröße verwendet, die von den hydraulischen Verhältnissen eines grundwassernahen Standorts bestimmt wird. Sie hat keinen ausgeprägten Tagesgang und keine direkte Rückkopplung mit den anderen Komponenten der Wasserhaushaltsgleichung. Damit können sich alle anderen Komponenten entsprechend der oberen Randbedingungen (z. B. Niederschlag, potentielle Verdunstung, Vegetation) entwickeln, und das Modell ”Lysimeter” kann sich der Realität weiter annähern als das beim Prinzip der herkömmlichen Grundwassersteuerung möglich ist. Somit sind eine wesentlich exaktere Steuerung des Lysimeters und eine zuverlässigere Analyse aller Wasserhaushaltsparameter möglich.This method allows the control of a lysimeter, preferably a groundwater lysimeter, by flow rates, and thus a stable parameter subject to little temporal variability. The term "flow" or "flow rate" refers to the total amount of water that is supplied to the soil monolith per unit time or discharged from the monolith. The control of the flow through active feeding or discharging water. In a flow control, a water balance component is used as the control variable determined by the hydraulic conditions of a groundwater near site. It has no pronounced daily routine and no direct feedback with the other components of the water balance equation. This allows all other components to develop according to the upper boundary conditions (eg precipitation, potential evaporation, vegetation), and the model "lysimeter" can approach reality more than is possible with the principle of conventional groundwater control. Thus, a much more precise control of the lysimeter and a more reliable analysis of all water balance parameters are possible.

Darüber hinaus erlaubt das Verfahren erstmals ein Lysimeter nach frei definierten Zu- und Abflussmengen zu steuern, wodurch weitreichende Simulationen ermöglicht werden. Zum Beispiel ist es möglich, Grundwasserstandsänderungen, die durch eine Zeitreihensteuerung vorbestimmt sind, bei der die Wasserstände zu vordefinierten Zeitpunkten abgesenkt oder erhöht werden automatisch durchzuführen. Ebenso sind Vergleiche zwischen Varianten mit unterschiedlichen Ausgangswasserständen möglich. Durch die Steuerung nach Durchfluss können sich alle Wasserhaushaltsgrößen realitätsnäher entwickeln als dies mit der bisherigen Grundwassersteuerung möglich war. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, bestimmte hydrologische Zusammenhänge im Lysimeter realitätsnah nachzubilden und exakte Erkenntnisse über den Wasser- und Stoffhaushalt eines Standorts zu gewinnen. Zudem ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, das Verhalten des Standorts unter verschiedenen Bedingungen, z. B. unterschiedlicher Flächennutzung oder unterschiedlicher Grundwasserstände, zu simulieren.In addition, the method allows for the first time to control a lysimeter according to freely defined inflow and outflow quantities, which enables far-reaching simulations. For example, it is possible to automatically perform groundwater level changes that are predetermined by a time series control in which the water levels are lowered or increased at predefined times. Similarly, comparisons between variants with different output water levels are possible. Due to the flow control, all water household variables can develop more realistically than was possible with previous groundwater control. The method according to the invention thus makes it possible to simulate realistically certain hydrological relationships in the lysimeter and to obtain exact information about the water and material balance of a site. In addition, it allows the invention Method, the behavior of the site under different conditions, eg. B. different land use or different groundwater levels to simulate.

Bei der Steuerung eines Lysimeters nach Durchfluss müssen sehr geringe Wassermengen dem Bodenmonolithen zu- bzw. aus dem Monolithen abgeführt werden. Dies kann zu hohen relativen Abweichungen in der Zu- und Abflussmenge führen (siehe 3), da die Wassermengen häufig innerhalb der Mess- und Regelungenauigkeit der Zu- und Abflusssteuerung eines Lysimeters liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren löst dieses Problem, indem die Abweichungen der Ist-Durchflussmenge von der Soll-Durchflussmenge vorangegangener Regelintervalle in einem aktuellen Regelintervall berücksichtigt werden. Hierzu wird zunächst die tatsächliche Durchflussmenge des vorherigen Regelintervalls erfasst. Dies kann beispielsweise durch eine unmittelbare Messung mittels eines Durchflusssensors am Zu- bzw. Ablauf des Bodenmonolithen erfolgen. Alternativ kann ein Drucksensor im Ausgleichsbehälter angebracht werden, der die Zu- bzw. Abflussmenge durch die Veränderung der Wassermenge im Ausgleichsbehälter ermittelt. Auf Basis der erfassten Durchflussmenge (Ist-Durchflussmenge) wird überprüft, ob und gegebenenfalls um wie viel diese von der vorgegebenen Soll-Durchflussmenge für das vorherige Regelintervall abweicht. Anschließend wird die Soll-Durchflussmenge des aktuellen Regelintervalls um die ermittelte Abweichung des vorherigen Regelintervalls korrigiert. Entstehen Abweichungen der Ist-Durchflussmenge von der Soll-Durchflussmenge durch Ungenauigkeiten in der technischen Steuerung des Ab- bzw. Zuflusses zum Bodenmonolithen, werden diese im nächsten Regelintervall durch Korrektur der Soll-Durchflussmenge ausgeglichen. Dadurch wird eine stete Korrektur der Durchflussmenge erreicht und der Gesamtfehler über mehrere Regelintervalle minimiert. Insbesondere wird vermieden, dass sich die Abweichungen in der Durchflussmenge mit jedem Regelintervall summieren. Im Ergebnis wird eine fast vollständige Annäherung der Tagessummen der Ist-Durchflussmenge an die Soll-Durchflussmenge beobachtet (4). Die kontinuierliche Korrektur erlaubt zudem kurze Regelintervalle, welche durch besonders geringe Durchflussmengen gekennzeichnet sind. Dies ermöglicht zeitlich hochaufgelöste Simulationsexperimente, welche durch bisherige Grundwassersteuerungen nicht möglich sind.In the control of a lysimeter after flow very small amounts of water to the soil monolith on or have to be removed from the monolith. This can lead to high relative deviations in the inflow and outflow quantities (see 3 ), since the amounts of water are often within the measurement and control inaccuracy of the inflow and outflow control of a lysimeter. The method according to the invention solves this problem by taking into account the deviations of the actual flow rate from the set flow rate of preceding control intervals in a current control interval. For this purpose, the actual flow rate of the previous control interval is first detected. This can be done for example by an immediate measurement by means of a flow sensor at the inlet and outlet of the soil monolith. Alternatively, a pressure sensor can be installed in the expansion tank, which determines the inflow and outflow quantity by changing the amount of water in the expansion tank. On the basis of the detected flow rate (actual flow rate), it is checked whether and, if so, by how much this deviates from the specified target flow rate for the previous control interval. Subsequently, the set flow rate of the current control interval is corrected by the determined deviation of the previous control interval. If deviations of the actual flow rate from the target flow rate occur due to inaccuracies in the technical control of the inflow or outflow to the soil monolith, these are compensated in the next control interval by correcting the target flow rate. This achieves a constant correction of the flow rate and minimizes the total error over several control intervals. In particular, it is avoided that the deviations in the flow rate add up with each control interval. As a result, an almost complete approximation of the daily totals of the actual flow rate to the target flow rate is observed ( 4 ). The continuous correction also allows short control intervals, which are characterized by particularly low flow rates. This allows temporally high-resolution simulation experiments, which are not possible by previous groundwater controls.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Differenz zwischen der Summe der Ist-Durchflussmengen und der Summe der Soll-Durchflussmengen von mindestens 5, bevorzugt mindestens 10, ferner bevorzugt mindestens 20 vorangegangener Regelintervalle ermittelt. Je stärker sich die Soll-Durchflussmenge der Regelungsungenauigkeit der Zu- und Abflusssteuerung annähert, desto höher ist die Gefahr der Akkumulation von Abweichungen in aufeinanderfolgenden Regelintervallen. Daher ist es vor allem bei besonders geringen Durchflussmengen (z. B. < 100 ml je Regelintervall) vorteilhaft, mehr als ein vorangehendes Regelintervall in die Korrektur mit einzubeziehen. Um mehrere Regelintervalle in die Korrektur mit einzubeziehen, wird die Summe aller Soll-Durchflussmengen (sollDF) und die Summe aller Ist-Durchflussmengen (istDF) aus den vorangegangenen Regelintervallen errechnet, und anschließend die Gesamtabweichung als Differenz der Summen ermittelt. Die Soll-Durchflussmenge des aktuellen Regelintervalls wird dann entsprechend dieser Differenz korrigiert: korrDF(akt) = sollDF(akt) + [ΣsollDF(vorang) – ΣistDF(vorang)] (B) In a preferred embodiment, the difference between the sum of the actual flow rates and the sum of the desired flow rates of at least 5, preferably at least 10, further preferably at least 20 previous control intervals determined. The more the desired flow rate approximates the control inaccuracy of the inflow and outflow control, the higher the risk of the accumulation of deviations in successive regular intervals. Therefore, it is advantageous, especially for very low flow rates (eg <100 ml per control interval), to include more than one preceding control interval in the correction. In order to include several control intervals in the correction, the sum of all set flow rates (sollDF) and the sum of all actual flow rates (istDF) from the previous control intervals is calculated, and then the total deviation is determined as the difference of the totals. The target flow rate of the current control interval is then corrected according to this difference: korrDF (act) = sollDF (act) + [ΣsollDF (previous) - ΣistDF (previous) ] (B)

In einer Ausführung mittels eines Computerprogramms kann ”sollDF(akt)” durch den korrDF(akt) unmittelbar überschrieben werden. Je nach Programmschritt bezeichnet ”sollDF” daher die Soll-Durchflussmenge vor bzw. nach einer Korrektur (vgl. 2).In an embodiment by means of a computer program, "sollDF (akt) " can be overwritten directly by the korrDF (akt) . Depending on the program step, "sollDF" therefore denotes the set flow rate before or after a correction (cf. 2 ).

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Differenz aus der Summe der Ist-Durchflussmengen und der Summe der Soll-Durchflussmengen aller vorangegangener Regelintervalle eines Tages, bevorzugt des Tages des aktuellen Regelintervalls, ermittelt. Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Korrektur unter Berücksichtigung aller vorangegangener Regelintervalle eines Tages besonders geeignet ist, um die durch die Steuerungs- und Messungenauigkeit verursachten Abweichungen zuverlässig auszugleichen. Beispielsweise können alle Regelintervalle ab 0:00 Uhr in die Korrektur mit einbezogen werden. In diesem Fall erfolgt das erste Regelintervall (0:00 Uhr) anhand des vorgegebenen, nicht korrigierten Werts für die Soll-Durchflussmenge. Für das zweite Regelintervall wird die Soll-Durchflussmenge um die Differenz der Soll-Durchflussmenge (sollDF(1)) und der Ist-Durchflussmenge (istDF(1)) des ersten Regelintervalls korrigiert. Für das dritte Regelintervall wird dessen Soll-Durchflussmenge dann um die Differenz der Summe der Ist-Durchflussmengen und der Summe der Soll-Durchflussmengen des ersten und zweiten Regelintervalls korrigiert. Die Regelung über den weiteren Tag wird in dieser Weise fortgesetzt: korrDF(akt) = sollDF(akt) + [ΣsollDF(1)-(akt-1) – ΣistDF(1)-(akt-1)]. (C) In a preferred embodiment, the difference from the sum of the actual flow rates and the sum of the target flow rates of all preceding control intervals of a day, preferably the day of the current control interval, determined. The inventors have found that a correction, taking into account all previous one-day control intervals, is particularly suitable for reliably compensating for the deviations caused by the control and measurement inaccuracy. For example, all rule intervals can be included in the correction from 0:00. In this case, the first control interval (0:00 o'clock) is based on the preset, uncorrected value for the target flow rate. For the second control interval, the target flow rate is corrected by the difference between the target flow rate (sollDF (1) ) and the actual flow rate (istDF (1) ) of the first control interval. For the third control interval whose target flow rate is then corrected by the difference of the sum of the actual flow rates and the sum of the target flow rates of the first and second control interval. The regulation for the rest of the day will be continued in this way: korrDF (act) = sollDF (act) + [ΣsetDFDF (1) - (act-1) - ΣistDF (1) - (act-1) ]. (C)

Am darauffolgenden Tag wird das erste Regelintervall wiederum ohne Korrektur durchgeführt. Selbst bei Regelintervallen von nur einer Stunde und Durchflussmengen von 50 bis 100 ml pro Regelintervall werden die Abweichungen hierdurch ausreichend minimiert, um exakte Ergebnisse zu erlangen. On the following day, the first rule interval is again performed without correction. Even at regular intervals of only one hour and flow rates of 50 to 100 ml per control interval, the deviations are thereby minimized sufficiently to obtain exact results.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Regelintervall ein stündliches Regelintervall. Grundsätzlich sind Regelintervalle von mehreren Stunden ausreichend, allerdings erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren besonders geringe Durchflussmengen, so dass selbst Regelintervalle von lediglich einer Stunde möglich sind. Dies ermöglicht zeitlich hoch aufgelöste Messungen der Wasser- und Stoffhaushaltsgrößen. Es erweitert damit den Anwendungsbereich des Lysimeters für kurz- und mittelfristige Prozesse, da viele Wasserhaushaltsgrößen einen ausgeprägten Tagesgang aufweisen, der hierdurch ausreichend widergespiegelt werden kann.In a preferred embodiment, the rule interval is an hourly rule interval. Basically, control intervals of several hours are sufficient, but the inventive method allows particularly low flow rates, so that even rule intervals of only one hour are possible. This allows temporally high-resolution measurements of the water and mass balance. It thus expands the scope of the lysimeter for short- and medium-term processes, since many water household variables have a pronounced daily cycle which can be sufficiently reflected in this way.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Mengen der Soll-Durchflussmengen und die Zeitpunkte durch eine Zeitreihe (gleichbedeutend mit ”Zeitlinie” im Quellcode) vorgegeben. Dadurch werden die Einsatzmöglichkeiten eines Lysimeters erweitert. So bedarf es aufgrund der unterschiedlichen Nutzungsinteressen auf Niederungsstandorten, z. B. der Landwirtschaft oder des Umweltschutzes, aber auch durch die zunehmende Klimaveränderung, einer flexibleren Steuerung der Grundwasserstände als der bisher üblichen Winter/Sommerstauregulierung. Um die Auswirkungen kurzfristiger Änderungen der Grundwasserstände zu analysieren, kann eine derartig flexible Steuerung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Lysimeter simuliert werden. Hierzu wird das Lysimeter anhand vorgegebener Zeitreihen nach Durchfluss gesteuert. Anhand der Zeitreihen wird im Vorfeld festgelegt, zu welchem Zeitpunkt wie viel Wasser dem Bodenmonolithen zugeführt oder entnommen wird. Dadurch ist eine künstliche Steuerung des Lysimeters möglich, die unabhängig von den tatsächlichen Witterungsbedingungen erfolgt. Somit können auch die Auswirkungen unterschiedlicher oberer Randbedingungen unter identischen Zeitreihen beobachtet werden und es lassen sich Informationen über die Änderungen der Wasser- und Stoffhaushaltsparameter in Reaktion auf eine flexible Grundwassersteuerung ermitteln.In a preferred embodiment, the amounts of the target flow rates and the times are given by a time series (synonymous with "timeline" in the source code). This expands the possible uses of a lysimeter. So it requires due to the different interests in lowland locations, z. As the agriculture or environmental protection, but also by the increasing climate change, a more flexible control of groundwater levels than the usual winter / Sommerstauregulierung. In order to analyze the effects of short-term changes in the groundwater levels, such a flexible control can be simulated with the aid of the method according to the invention in a lysimeter. For this purpose, the lysimeter is controlled according to given time series according to flow. Based on the time series it is determined in advance, at what time how much water is added to or taken from the soil monolith. This allows artificial control of the lysimeter, independent of the actual weather conditions. Thus, the effects of different upper boundary conditions can be observed under identical time series and information about the changes of the water and mass balance parameters in response to a flexible groundwater control can be determined.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Soll-Durchflussmenge durch die Ist-Durchflussmenge eines Referenzlysimeters vorgegeben. Bei dem Referenzlysimeter handelt es sich um ein herkömmliches Grundwasserlysimeter, in welchem der Grundwasserstand anhand von Messungen im lysimeternahen Umfeld nachgebildet wird. Der Grundwasserstand im Referenzlysimeter zusammen mit den oberen Randbedingungen wie Niederschlag und Verdunstung bestimmen den tatsächlichen Zu- bzw. Abfluss, zusammen genommen den Durchfluss, im Referenzlysimeter. Die im Referenzlysimeter ermittelte Durchflussmenge wird wiederum als Steuergröße für ein anderes Lysimeter, mit welchem die Simulation durchgeführt wird, verwendet. Dadurch können die Auswirkungen unterschiedlich hoher Grundwasserstände, z. B. ein zeitlich späterer Wechsel von Winter- auf Sommerstauziel, auf den Wasser- und Stoffhaushalt realitätsnäher als mit herkömmlichen Lysimetern untersucht werden.In a preferred embodiment, the desired flow rate is predetermined by the actual flow rate of a reference lysimeter. The reference lysimeter is a conventional groundwater lysimeter in which the groundwater level is simulated by measurements in an environment close to lysimeters. The groundwater level in the reference lysimeter together with the upper boundary conditions such as precipitation and evaporation determine the actual inflow and outflow, together the flow, in the reference lysimeter. The flow rate determined in the reference lysimeter is again used as the control variable for another lysimeter with which the simulation is carried out. As a result, the effects of different groundwater levels, z. For example, a later change from winter to summer damming target, to the water and mass balance closer to reality than with conventional lysimeters.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Erfassen der Ist-Durchflussmenge in mindestens einem vorangegangenen Regelintervall, die Schritte Messen eines Pegelstands in einem Ausgleichsbehälter zu Beginn des Regelintervalls, Messen eines Pegelstands im Ausgleichsbehälter am Ende des Regelintervalls, und Ermitteln der tatsächlichen Durchflussmenge als Differenz der Pegelstände zu Beginn und am Ende des Regelintervalls. Typischerweise erfolgt die Steuerung von Zufluss und Abfluss in den Bodenmonolithen eines Lysimeters über einen Ausgleichsbehälter (auch als Referenzgefäß bezeichnet). Dieser wird entsprechend der Soll-Durchflussmenge gefüllt oder geleert, wobei der Zufluss zum Lysimeter geschlossen bleibt. Anschließend wird der Zufluss geöffnet, so dass es zu einem Ausgleich nach dem Prinzip kommunizierender Röhren kommt, wobei je nach vorgegebener Durchflussmenge Wasser vom Ausgleichsbehälter in den Monolithen fließt oder umgekehrt. Die Öffnung der Verbindung zwischen Ausgleichsbehälter und Lysimeter bezeichnet den Beginn und die Schließung der Verbindung das Ende eines Regelintervalls. In der Zeit dazwischen, in der die Verbindung zum Monolithen geschlossen ist, wird der Ausgleichsbehälter entsprechend der Soll-Durchflussmenge des kommenden, d. h. aktuellen, Regelintervalls befüllt bzw. entleert. Die tatsächliche Durchflussmenge (Ist-Durchflussmenge) des Bodenmonolithen ergibt sich folglich aus der Differenz des Pegelstands im Ausgleichsbehälter zwischen Beginn (d. h. unmittelbar vor Öffnen der Verbindung zwischen Ausgleichsbehälter und Bodenmonolith) und Ende des Regelintervalls (d. h. unmittelbar vor Schließen der Verbindung zwischen Ausgleichsbehälter und Bodenmonolith).In a preferred embodiment, detecting the actual flow rate in at least one previous control interval comprises the steps of measuring a level in a surge tank at the beginning of the control interval, measuring a level in the surge tank at the end of the control interval, and determining the actual flow rate as the difference in water levels Beginning and end of the rule interval. Typically, the control of inflow and outflow in the bottom monoliths of a lysimeter is via a surge tank (also referred to as a reference vessel). This is filled or emptied according to the set flow rate, while the inflow to the lysimeter remains closed. Subsequently, the inflow is opened, so that it comes to a compensation according to the principle of communicating tubes, wherein depending on the predetermined flow rate of water from the expansion tank flows into the monolith or vice versa. The opening of the connection between the expansion tank and the lysimeter designates the beginning and the closing of the connection the end of a control interval. In the time between, in which the connection to the monolith is closed, the surge tank is according to the target flow rate of the coming, d. H. current, rule interval filled or emptied. The actual flow rate (actual flow rate) of the soil monolith is therefore the difference between the level in the surge tank between the beginning (ie just before opening the connection between reservoir and soil monolith) and end of the control interval (ie immediately before the connection between reservoir and soil monolith). ,

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Steuern der Durchflussmenge in dem aktuellen Regelintervall die Schritte Messen eines aktuellen Pegelstands (Ist-Pegelstand) in einem Ausgleichsbehälter, Ermitteln eines erwünschten Pegelstands (Soll-Pegelstand) aus einer Differenz des Ist-Pegelstands und der korrigierten Durchflussmenge, und Einstellen des Pegelstands auf den Soll-Pegelstand. Nach Abschluss eines jeden Regelintervalls ist die Verbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Bodenmonolithen geschlossen. Während dieser Zeit wird der Pegel im Ausgleichsbehälter für das nächste Regelintervall angepasst. Dazu wird der Pegel im Ausgleichsbehälter für eine positive Soll-Durchflussmenge (Zufluss zum Bodenmonolithen) um die korrigierte Durchflussmenge erhöht und für eine negative Soll-Durchflussmenge (Abfluss aus Bodenmonolithen) um die korrigierte Durchflussmenge gesenkt. Die Durchflussmenge kann sich nach statischen Vorgaben (z. B. Zeitreihe) oder nach flexiblen Vorgaben (z. B. Referenzlysimeter) richten. Um Abweichungen der Ist-Durchflussmenge von der Soll-Durchflussmenge auszugleichen, wird der Ist-Pegelstand im Ausgleichsbehälter entsprechend der korrigierten Durchflussmenge angepasst.In a preferred embodiment, controlling the flow rate in the current control interval comprises the steps of measuring a current level (actual level) in a surge tank, determining a desired water level (target water level) from a difference of the actual water level and the corrected flow rate, and Setting the water level to the nominal level. After completion of each control interval, the connection between the surge tank and the ground monolith is established closed. During this time, the level in the expansion tank is adjusted for the next control interval. To do this, the level in the surge tank for a positive target flow rate (inflow to the ground monolith) is increased by the corrected flow rate and reduced by the corrected flow rate for a negative target flow rate (outflow from ground monoliths). The flow rate can be based on static specifications (eg time series) or flexible specifications (eg reference lysimeter). To compensate for deviations of the actual flow rate from the target flow rate, the actual level in the surge tank is adjusted according to the corrected flow rate.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm aufweisend einen Programmcode, welcher die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Lysimeteranlage umsetzt.In a further aspect, the invention relates to a computer program comprising a program code, which converts the steps of the method according to the invention to a lysimeter system.

Weiterhin offfenbart ist ein Computerprogramm aufweisend einen Programmcode, um einen Computer zu veranlassen, die Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Das Verfahren zum Steuern eines Lysimeters kann computergestützt ausgeführt werden. Dazu wird ein Programmcode verwendet, der einen Computer veranlasst, eine Lysimeteranlage gemäß dem Verfahren zu steuern. Der Programmcode kann eine Serie von Computerbefehlen umfassen, welche das Erfassen der tatsächlichen Durchflussmenge veranlassen, anschließend die Differenz zwischen der Ist-Durchflussmenge und der Soll-Durchflussmenge ermitteln und entsprechend der Differenz die Soll-Durchflussmenge des aktuellen Regelintervalls korrigieren. Schließlich kann die Pumpe, die dem Ausgleichsbehälter die nötige Wassermenge zu- oder abführt, durch den Programmcode gesteuert werden. Beispielsweise können die Schritte gemäß des Ablaufdiagramms der 2 durch Computerbefehle umgesetzt werden. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Medium enthalten oder unmittelbar in die Steuerungsanlage des Lysimeters integriert sein.Also disclosed is a computer program comprising program code for causing a computer to perform the steps of the disclosed method when the computer program is run on a computer. The method of controlling a lysimeter may be computerized. For this purpose, a program code is used which causes a computer to control a lysimeter system according to the method. The program code may include a series of computer commands that cause the actual flow rate to be detected, then determine the difference between the actual flow rate and the target flow rate and correct the target flow rate of the current control interval according to the difference. Finally, the pump which supplies or discharges the necessary amount of water to the expansion tank can be controlled by the program code. For example, the steps according to the flowchart of the 2 be implemented by computer commands. The computer program may be contained on a computer-readable medium or integrated directly into the control system of the lysimeter.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt aufweisend einen Programmcode, welcher die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Lysimeteranlage umsetzt.In a further aspect, the invention relates to a computer program product comprising a program code, which converts the steps of the method according to the invention to a lysimeter system.

Weiterhin offfenbart ist ein Computerprogrammprodukt zum Steuern eines Lysimeters mit einem Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode umfasst: einen ersten ausführbaren Teil, der derart ausgestaltet ist, dass eine Ist-Durchflussmenge in mindestens einem vorangegangenen Regelintervall bestimmt wird, einen zweiten ausführbaren Teil, der derart ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen der Ist-Durchflussmenge und einer Soll-Durchflussmenge für den einen oder die mehreren vorangegangenen Regelintervalle ermittelt wird, und eine Soll-Durchflussmenge für das mindestens eine aktuelle Regelintervall um die Differenz korrigiert wird, und einen dritten ausführbaren Teil, der derart ausgestaltet ist, dass die Durchflussmenge für das aktuelle Regelintervall entsprechend der korrigierten Durchflussmenge gesteuert wird.Also disclosed is a computer program product for controlling a lysimeter with program code, characterized in that the program code comprises: a first executable portion configured to determine an actual flow rate in at least one previous rule interval, a second executable portion is configured such that a difference between the actual flow rate and a target flow rate for the one or more preceding control intervals is determined, and a target flow rate for the at least one current control interval is corrected by the difference, and a third executable part configured to control the flow rate for the current control interval according to the corrected flow rate.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Lysimeteranlage mit Regelungssystem, wobei das Regelungssystem die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umsetzt.In a further aspect, the invention relates to a lysimeter system with a control system, wherein the control system implements the steps of the method according to the invention.

Weiterhin offfenbart ist ein Steuerungssystem für ein Lysimeter, aufweisend mindestens eine Messeinheit zum Erfassen einer Ist-Durchflussmenge, eine Berechnungseinheit, und mindestens eine Regulierungseinheit zum Steuern der Durchflussmenge eines aktuellen Regelintervalls entsprechend einer korrigierten Durchflussmenge, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit eine Differenz aus der Ist-Durchflussmenge und einer Soll-Durchflussmenge für mindestens ein vorangegangenes Regelintervall ermittelt, und die korrigierte Durchflussmenge berechnet, indem eine Soll-Durchflussmenge für das aktuelle Regelintervall um die Differenz korrigiert wird. Das Steuerungssystem dient zur Anlagensteuerung eines Lysimeters, gegebenenfalls einer Lysimeterstation mit mehreren Lysimetern. Es ist ausgebildet um ein Lysimeter anhand der Steuerungsgröße der Durchflussmenge in einzelnen Regelintervallen zu steuern. Dabei wird die Soll-Durchflussmenge eines aktuellen Regelintervalls stets um die Differenz der Soll- und Ist-Durchflussmenge mindestens eines vorangegangenen Regelintervalls korrigiert. Hierzu umfasst das Steuerungssystem mindestens eine Messeinheit, die geeignet ist die tatsächliche Durchflussmenge, das heißt den tatsächlichen Zu- bzw. Abfluss zu bzw. vom Bodenmonolithen des Lysimeters zu ermitteln. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor am Ausgleichsbehältnis des Lysimeters handeln, der über die Druckveränderung im Ausgleichsbehälter die Menge an Wasser, die dem Bodenmonolithen zu- bzw. abgeführt wird, ermittelt. Des Weiteren umfasst das Steuerungssystem eine Berechnungseinheit, welche den von der Messeinheit erfassten Wert mit der vorgegebenen Soll-Durchflussmenge des mindestens einen vorangegangenen Regelintervalls vergleicht und gegebenenfalls die Differenz errechnet. Anschließend korrigiert die Berechnungseinheit die Soll-Durchflussmenge eines aktuellen Regelintervalls um die errechnete Differenz des mindestens einen vorangegangenen Regelintervalls. Dieser Wert wird der Regulierungseinheit des Steuerungssystems zugeführt, welche den Zu- oder Abfluss zum Bodenmonolithen entsprechend der korrigierten Durchflussmenge steuert. Beispielsweise kann die Regeleinheit die Pumpe, welche den Ausgleichsbehälter füllt bzw. leert, aktivieren, um so den Pegelstand im Ausgleichsbehälter entsprechend der korrigierten Soll-Durchflussmenge anzupassen. Sobald der Pegelstand im Ausgleichsbehälter den errechneten Wert erreicht hat, öffnet die Regulierungseinheit die Verbindung zwischen Ausgleichsbehälter und Bodenmonolith, so dass es zu einem Austausch zwischen Ausgleichsbehälter und Bodenmonolithen nach dem Prinzip kommunizierender Röhren kommt.Furthermore, a control system for a lysimeter, comprising at least one measuring unit for detecting an actual flow rate, a calculation unit, and at least one regulating unit for controlling the flow rate of a current control interval corresponding to a corrected flow rate, characterized in that the calculation unit is a difference from the actual Flow rate and a target flow rate for at least one previous control interval determined, and the corrected flow rate calculated by a target flow rate for the current control interval is corrected by the difference. The control system is used for system control of a lysimeter, optionally a lysimeter station with several lysimeters. It is designed to control a lysimeter based on the control variable of the flow rate in individual control intervals. The target flow rate of a current control interval is always corrected by the difference between the setpoint and actual flow rates of at least one previous control interval. For this purpose, the control system comprises at least one measuring unit which is suitable for determining the actual flow rate, that is to say the actual inflow or outflow to or from the bottom monolith of the lysimeter. This may be, for example, a pressure sensor on the compensating container of the lysimeter, which determines the amount of water that is added to or removed from the soil monolith via the pressure change in the compensating container. Furthermore, the control system comprises a calculation unit which compares the value detected by the measuring unit with the predetermined set flow rate of the at least one preceding control interval and, if appropriate, calculates the difference. Subsequently, the calculation unit corrects the target flow rate of a current control interval by the calculated difference of the at least one preceding control interval. This value is fed to the regulation unit of the control system, which controls the inflow or outflow to the soil monolith in accordance with the corrected flow rate. For example, the Control unit, the pump, which fills the expansion tank or empty, activate, so as to adjust the level in the expansion tank according to the corrected target flow rate. As soon as the level in the expansion tank has reached the calculated value, the regulating unit opens the connection between the expansion tank and the soil monolith, so that an exchange between the expansion tank and the ground monolith follows the principle of communicating pipes.

BeispieleExamples

1. Grundwasserlysimeterstation1st groundwater lysimeter station

1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Lysimeterstation 1 mit zwei wägbaren Grundwasserlysimetern 2. Jedes Grundwasserlysimeter 2 weist einen Bodenmonolithen 3, ein Ausgleichsbehälter 4, einen Versorgungsbrunnen 5, eine Pumpe 9, mindestens eine Wägezelle 10 und eine Regeleinheit 11 auf. Der Bodenmonolith 3 ist derart in die umgebene Fläche eingeschlossen, dass sein Oberflächenbewuchs 7 eine mit der Umgebung einheitliche Grasnarbe bildet. Der Ausgleichsbehälter 4 weist einen Drucksensor 12 auf, mit dem der Pegelstand im Inneren des Ausgleichsbehälters 4 ermittelt wird. Die Regeleinheit 11 steuert den Zu- bzw. Ablauf 15 zwischen dem Bodenmonolithen 3 und dem Ausgleichsbehälter 4. Der Grundwasserspiegel 6 wird im Bodenmonolithen 3 nachgebildet. Die Schicht 14 ist eine Schicht aus gut durchlässigem Filterkies, um eine gute hydraulische Verbindung zwischen dem Bodenmonolithen und dem Ausgleichbehälter zu gewährleisten. 1 shows a possible embodiment of a lysimeter station 1 with two weighable groundwater lysimeters 2 , Every groundwater lysimeter 2 has a soil monolith 3 , a surge tank 4 , a supply well 5 , a pump 9 , at least one load cell 10 and a control unit 11 on. The soil monolith 3 is enclosed in the surrounding area such that its surface growth 7 forms a uniform with the environment turf. The expansion tank 4 has a pressure sensor 12 on, with the level in the interior of the expansion tank 4 is determined. The control unit 11 controls the inflow and outflow 15 between the soil monolith 3 and the expansion tank 4 , The groundwater level 6 becomes in the soil monolith 3 simulated. The layer 14 is a layer of well-drained filter gravel to ensure a good hydraulic connection between the soil monolith and the surge tank.

Für die Untersuchungen zu den Wirkungszusammenhängen zwischen modifizierten Grundwassersteuerungsoptionen und Wasserhaushaltsgrößen wurde eine Grundwasserlysimeterstation 1 mit vier wägbaren Grundwasserlysimetern 2 basierend auf der in der DE 199 07 462 C1 beschriebenen Anlage genutzt. Die vier Bodenmonolithe 3 wurden als ungestörte Bodensäulen am Standort gestochen, haben eine Querschnittsfläche von jeweils 1 m2 und sind 2 m mächtig. Jeder Bodenmonolith ist über einen Ab- und Zufluss 15 mit einem Ausgleichsbehälter 4 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 4 wird durch einen Versorgungsbrunnen 5 gespeist. Die Zuführung bzw. Abführung von Wasser erfolgt über eine Pumpe 9. Durch Steuerung des Wasserstands (H) 16 im Ausgleichsbehälter 4 und anschließende Öffnung des Zu-/Abflusses 15 mittels einer Regeleinheit 11 wird der Grundwasserstand 6 im Bodenmonolithen 3 gesteuert.A groundwater lysimeter station was used to investigate the interrelations between modified groundwater control options and water balance 1 with four weighable groundwater lysimeters 2 based on in the DE 199 07 462 C1 used described plant. The four soil monoliths 3 were stung as undisturbed soil columns at the site, have a cross-sectional area of 1 m 2 each and are 2 m thick. Each soil monolith is over a drain and a tributary 15 with a surge tank 4 connected. The expansion tank 4 is through a supply well 5 fed. The supply or discharge of water via a pump 9 , By controlling the water level (H) 16 in the expansion tank 4 and subsequent opening of the inflow / outflow 15 by means of a control unit 11 becomes the groundwater level 6 in the soil monolith 3 controlled.

Auf der die Station 1 umgebenden Fläche wird der Grundwasserstand in einem Grundwasserbeobachtungsrohr 17, und an jedem Lysimeter im Ausgleichsbehälter 4 mittels Drucksensor 12 gemessen. Ein Niederschlagssammler 13 misst den Niederschlag. Alle Messgrößen werden von Datenloggern 8 aufgezeichnet.On the the station 1 surrounding area is the groundwater level in a groundwater observation pipe 17 , and at each lysimeter in the expansion tank 4 by means of pressure sensor 12 measured. A rainfall collector 13 measures the precipitation. All measured variables are from data loggers 8th recorded.

Die Verdunstungsmessung mit wägbaren Lysimetern basiert auf der allgemeinen Wasserhaushaltsgleichung ΔS = P – ETa + Qzu – Qab (D) wobei ΔS die Speicheränderung, P der Niederschlag, ETa die tatsächliche Verdunstung, Qzu der Grundwasserzufluss zum Lysimeter und Qab der Grundwasserabfluss aus dem Lysimeter sind. Speicheränderung sowie Zu- und Abflüsse werden direkt gemessen. Die Speicheränderung entspricht der gewogenen Masseänderung in einem Zeitintervall. Sie wird für jede Bodensäule mit 3 Präzisions-Scherstab-Wägezellen 10 gemessen. Der Wasserzu- bzw. -abfluss wird über einen Ausgleichsbehälter 4 vorgenommen, welcher als kommunizierende Röhre mit dem Monolithen 3 durch den Zu-/Abfluss 15 verbunden ist. Über die Messung der Wasserstandsänderung im Ausgleichsbehälter 4 multipliziert mit der Grundfläche des Behälters kann das zugeführte oder abgegebene Volumen berechnet werden. Die Verdunstung für ein Zeitintervall ergibt sich als Restgröße aus Gleichung (D).The evaporation measurement with weighable lysimeters is based on the general water balance equation ΔS = P - ETa + Qzu - Qab (D) where ΔS is the storage change, P the precipitation, ETa the actual evaporation, Qzu the groundwater inflow to the lysimeter and Qab the groundwater outflow from the lysimeter. Storage changes as well as inflows and outflows are measured directly. The memory change corresponds to the weighted mass change in a time interval. It is used for every floor column with 3 precision shearbar load cells 10 measured. The water inflow and outflow is via a surge tank 4 made, which as a communicating tube with the monolith 3 through the inflow / outflow 15 connected is. About the measurement of the water level change in the expansion tank 4 multiplied by the base area of the container, the supplied or dispensed volume can be calculated. The evaporation for a time interval results as a residual from equation (D).

Um die Simulation komplexer Steuerungsoptionen zu ermöglichen, wurde das Grundwasserlysimeter 2 gegenüber dem ursprünglichen Bautyp ( DE 199 07 462 C1 ) erweitert. Bei diesem konnte ausschließlich ein gemessener Grundwasserstand, z. B. der Grundwasserstand der Referenzfläche, im Lysimeter nachgeführt werden. Im Gegensatz dazu können mit der hier beschriebenen Anlage sowohl der Grundwasserstand, als auch der Zu- oder Abfluss als Regelgröße genutzt werden. Weiterhin können die Regelgrößen wahlweise von einem Messwert eines beliebigen anderen Lysimeters der Anlage oder vom Referenzmessplatz übernommen oder als feste Zeitreihe vorgegeben werden.To enable the simulation of complex control options, the groundwater lysimeter became 2 compared to the original type ( DE 199 07 462 C1 ) expanded. In this could only a measured groundwater level, z. B. the groundwater level of the reference surface, be tracked in the lysimeter. In contrast to this, both the groundwater level and the inflow or outflow can be used as a controlled variable with the system described here. Furthermore, the controlled variables can optionally be taken from a measured value of any other lysimeter of the plant or from the reference measuring station or specified as a fixed time series.

2. Steuerungsverfahren 2. Control procedure

Um den Durchfluss, d. h. den Zu- bzw. Abfluss des Lysimeters 2 als Regelgröße nutzen zu können, wurde ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Durchführung dieses Verfahrens entwickelt. Die Schritte des Verfahrens sind beispielhaft in 2 dargestellt.To the flow, ie the inflow or outflow of the lysimeter 2 As a controlled variable, a method and a computer program for the implementation of this method has been developed. The steps of the method are exemplary in 2 shown.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Durchflusssteuerung eines Lysimeters 2 nach Zeitreihe oder gemessenem Durchfluss eines anderen Lysimeters 2. Das Verfahren wird im ersten Fall anhand von Durchflussmengen, die durch eine Zeitreihe vorgegeben sind, ausgeführt. Zunächst wird ein Ist-Pegelstand (istP) 100 im Ausgleichsbehälter 4 erfasst und anhand dessen der Ist-Durchfluss (dfSumDL) 105 seit der letzten Regelung bestimmt. Dies erfolgt durch Berechnung der Pegelstandsdifferenz (dfRegPegel) 104 des zuletzt gemessenen Pegelstands (letztePegel) 103 und dem istP 100. Der End-Pegelstand (endP) 102 entspricht dem istP 100 nach jeder Regelung und geht als letztePegel 103 in die Berechnung der dfSumDL 105 ein. Der Start-Pegelstand (startP) 101 entspricht dem istP 100 vor der Regelung und wird als solcher gespeichert. Des Weiteren wird die Soll-Durchflussmenge (sollDF) aus der Zeitreihe ausgelesen 108. Bei Bedarf kann ein konstanter Wert (Offset 107) dazu addiert oder abgezogen werden 109. Der sich ergebende Soll-Durchfluss 110 wird noch einmal auf Einhaltung der technischen Grenzwerte des Systems 106 geprüft, bevor er weiter verwendet wird. Anschließend wird die Summe der Soll-Durchflussmengen (dfSumTagsoll) 111 aller vorangehender Regelintervalle eines Tages, das heißt ab 0:00 Uhr, berechnet. Ebenso wird die Summe der Ist-Durchflussmengen (dfSumTagist) 112 aller vorangehender Regelintervalle eines Tages errechnet, um anschließend die sollDF des aktuellen Regelintervalls 113 als Differenz von dfSumTagsoll 111 und dfSumTagist 112 zu berechnen. Anschließend wird diese sollDF mit der Speicherkennlinie 114 korrigiert, um eine bessere Abschätzung der in den Ausgleichsbehälter 4 hinein oder hinaus zu pumpenden Wassermenge vorzunehmen. Im Schritt 115 wird die Durchflussmenge in eine Wasserstandsänderung im Ausgleichsbehälter (difP) umgerechnet. Nachdem difP noch einmal auf Einhaltung der Durchflussgrenzwerte 116 geprüft wurde, wird der Soll-Pegelstand (sollP) 117 aus istP und difP errechnet und gegen den Pegelgrenzwert 118 geprüft 119. In der Pumpensteuerung 120 wird der bestehende istP gemessen, mit dem sollP verglichen und dementsprechend Wasser aus dem Versorgungsbrunnen 5 in den Ausgleichsbehälter 4 gepumpt bzw. aus diesem abgeführt. Währenddessen hält die Regeleinheit 11 die Verbindung zwischen Bodenmonolithen 3 und Ausgleichsbehälter 4 geschlossen. Sobald der Pumpvorgang beendet ist, öffnet die Regeleinheit 11 die Verbindung für das aktuelle Regelintervall. 2 shows a flow chart for flow control of a lysimeter 2 according to time series or measured flow of another lysimeter 2 , The method is carried out in the first case on the basis of flow rates which are predetermined by a time series. First, an actual level (istP) 100 in the expansion tank 4 and based on which the actual flow rate (dfSumDL) 105 determined since the last regulation. This is done by calculating the level difference (dfRegPegel) 104 Last measured water level (last level) 103 and that is P 100 , The end level (endP) 102 corresponds to istP 100 after each regulation and goes as last level 103 in the calculation of dfSumDL 105 one. The start level (startP) 101 corresponds to istP 100 before the scheme and is stored as such. Furthermore, the set flow rate (sollDF) is read from the time series 108 , If necessary, a constant value (offset 107 ) are added or subtracted 109 , The resulting target flow 110 will once again be in compliance with the technical limits of the system 106 tested before continuing to use. Then the sum of the target flow rates (dfSumTagsoll) 111 of all preceding rule intervals of a day, that is calculated from 0:00 o'clock. Similarly, the sum of the actual flow rates (dfSumTagist) 112 of all preceding rule intervals of a day, and then the sollDF of the current rule interval 113 as difference of dfSumTagsoll 111 and dfSumTagist 112 to calculate. Subsequently, this sollDF with the memory characteristic 114 corrected to better estimate the in the expansion tank 4 into or out of pumping water. In step 115 the flow rate is converted into a water level change in the expansion tank (difP). After difP again to comply with the flow limits 116 was checked, the nominal level (sollP) 117 is calculated from istP and difP and against the level limit 118 checked 119 , In the pump control 120 The existing P is measured, compared to the P o and, accordingly, water from the supply well 5 in the expansion tank 4 pumped or removed from this. Meanwhile, the control unit stops 11 the connection between soil monoliths 3 and expansion tank 4 closed. As soon as the pumping process is finished, the control unit opens 11 the connection for the current rule interval.

Bei Verwendung von Messwerten eines Referenzlysimeters erfolgt die Steuerung nach dem gleichen Ablauf, nur dass der Soll-Durchfluss 108 nicht aus einer vordefinierten Zeitreihe gelesen wird, sondern der gemessene Ist-Durchfluss des aktuellen Regelintervalls des Referenzlysimeters ist.When using readings from a reference lysimeter, the control will follow the same procedure, except that the target flow will be 108 is not read from a predefined time series but is the measured actual flow of the current control interval of the reference lysimeter.

3. Wirkung höherer Winterstauziele mit zeitlich späterer Absenkung im Frühjahr auf den Wasserhaushalt3. Effect of higher winter damming targets with later reduction in spring on the water balance

Die Untersuchungen erfolgten in zwei aufeinanderfolgenden Jahren (2012 und 2013) mittels drei Lysimetern, die nach unterschiedlichen Methoden gesteuert wurden. Lysimeter Nr. 1 wurde nach dem gemessenen Grundwasserstand der umgebenden Fläche reguliert. Es spiegelt damit die gegenwärtig praktizierte Wasserbewirtschaftung der Fläche wieder und diente als Referenzlysimeter. Auf den Lysimetern Nr. 3 und Nr. 4 wurde ein höherer und zeitlich verlängerter Winterstau simuliert, indem bis zum 15. April jedes Jahres der Wasserstand auf konstante Werte eingestellt wurde. In Lysimeter Nr. 3 waren dies 4 cm unter Flur und 8 cm Überstau in Lysimeter 4. Damit sich die Grundwasserstände frei in Abhängigkeit der Randbedingungen entwickeln können, wurde ab 15. April auf eine Durchflussregelung umgestellt. Dabei diente der in Lysimeter Nr. 1 (Referenzlysimeter) gemessene Wert des Zuflusses als Regelgröße (Soll-Durchflussmenge) für die Lysimeter Nr. 3 und Nr. 4. Abfluss aus beiden Lysimetern, z. B. nach Niederschlagsereignissen, wurde nicht zugelassen. Dies entspricht der Zielstellung der Anpassungsoption, nämlich den Wasserspeicher der Fläche stärker auszunutzen. Der Versuch endete jeweils, wenn der Grundwasserstand von Lysimeter Nr. 4 den von Lysimeter Nr. 1 erreicht hatte. Mit diesem Versuchskonzept kann die Wirkung des höheren und zeitlich verlängerten Winterstaus auf Verdunstung, Speicherentnahme und die Entwicklung des GW-Stands bewertet werden.The studies were carried out in two consecutive years (2012 and 2013) using three lysimeters controlled by different methods. Lysimeter No. 1 was regulated according to the measured groundwater level of the surrounding area. It thus reflects the currently practiced water management of the area and served as a reference lysimeter. Lysimeters no. 3 and no. 4 were used to simulate a higher and prolonged winter congestion by adjusting the water level to constant values by April 15 of each year. In Lysimeter No. 3, these were 4 cm below the floor and 8 cm overflow in Lysimeter 4. So that the groundwater levels can develop freely depending on the boundary conditions, a flow control was changed from 15 April. The value of the inflow measured in lysimeter no. 1 (reference lysimeter) was used as a controlled variable (target flow rate) for the lysimeters no. 3 and no. 4. outflow from both lysimeters, eg. After rainfall events, was not allowed. This corresponds to the objective of the adaptation option, namely to make greater use of the water reservoir of the area. The experiment ended when the groundwater level of Lysimeter No. 4 had reached that of Lysimeter No. 1. With this experimental concept, the effect of higher and prolonged winter congestion on evaporation, storage removal and the development of GW status can be assessed.

Die Wirkung eines erhöhten und zeitlich verlängerten Winterstaus auf die Wasserbilanzwerte und die sich in der Folge entwickelnden Grundwasserstände zeigt der Vergleich von Lysimeter Nr. 1 mit Lysimeter Nr. 3 und Nr. 4 im April/Mai. Am 15. April starteten die drei Lysimeter jeweils mit unterschiedlichen Wasserständen (5). In beiden Jahren hatten die Lysimeter Nr. 3 und Nr. 4 mit den höheren Wasserständen eine höhere Verdunstung als das Referenzlysimeter (Tabelle 1). Tabelle 1: Durchschnittliche Wasserbilanzwerte im Zeitraum 15.4. bis 24.5.2012 und 15.4. bis 23.5.2013 in mm/d (Dietrich et al. 2014) Jahr Lysimeter Niederschlag Zufluss Speicherentnahme Verdunstung 2012 1 3 4 0,8 0,8 0,8 1,5 1,6 1,3 1,2 1,9 2,8 3,5 4,3 4,9 2013 1 3 4 0,6 0,6 0,6 0,8 0,9 0,9 1,0 0,8 1,7 2,5 2,4 3,5 The effect of an increased and prolonged winter congestion on the water balance values and the subsequently developing groundwater levels is shown by the comparison of Lysimeter No. 1 with Lysimeter No. 3 and No. 4 in April / May. On April 15, the three lysimeters started each with different water levels ( 5 ). In both years, lysimeters # 3 and # 4 with higher water levels had higher evaporation than the reference lysimeter (Table 1). Table 1: Average water balance values during the period 15.4. until 24.5.2012 and 15.4. until 23.5.2013 in mm / d (Dietrich et al., 2014) year lysimeters precipitation inflow storage offtake evaporation 2012 1 3 4 0.8 0.8 0.8 1.5 1.6 1.3 1.2 1.9 2.8 3.5 4.3 4.9 2013 1 3 4 0.6 0.6 0.6 0.8 0.9 0.9 1.0 0.8 1.7 2.5 2.4 3.5

Allerdings waren die meteorologischen Randbedingungen beider Jahre sehr unterschiedlich. Die mittlere Gras-Referenz-Verdunstung nach FAO Methode (Fond and Agriculture Organisation of the United Nations) betrug im betrachteten Zeitraum von 2012 3,1 mm/d, in 2013 jedoch nur 2,5 mm/d. Auch war die Vegetation im wärmeren Frühjahr 2012 schon wesentlich weiter entwickelt als im relativ kühlen Frühjahr 2013. Folglich war auch die mittlere gemessene Verdunstung 2013 1,4 mm/d niedriger als 2012, was zu einem insgesamt langsameren Absinken der Grundwasserstände führte. Solange die Wasserstände in Lysimeter Nr. 4 über Gelände lagen, sanken sie trotz höherer Verdunstung nur langsam ab (durchschnittlich 0,4 mm/d 2012, 0,2 cm/d 2013). Grund hierfür war die höhere Speicherkapazität des Überstaus gegenüber einer Fläche mit flurnahen Grundwasserständen, da das dort speicherbare Wasservolumen auf das entwässerbare Porenvolumen des Bodens begrenzt ist. Sobald die Wasserstände unter die Geländeoberfläche absanken, fielen sie sehr schnell (durchschnittlich 3,8 cm/d 2012, 2,8 mm/d 2013) und erreichten innerhalb weniger Tage den Grundwasserstand des Referenzlysimeters. Die durchschnittlichen Absenkraten des Referenzlysimeters lagen in allen Zeitabschnitten relativ gleichmäßig zwischen 0,8 und 1,1 cm/d. Niederschlagsereignisse führten bei allen Varianten immer zu leichten Anstiegen der Grundwasserstände. Während in Lysimeter Nr. 1 auch ein Abfluss aus dem Lysimeter gebildet werden konnte, um den gemessenen Flächenwasserstand nachzufahren, war dieses in den beiden anderen Lysimetern durch die Steuerungsvorgaben ausgeschlossen und der Niederschlag wurde in jedem Fall dem Speichervorrat zugeführt. Die Mittelwerte der Wasserbilanzgrößen in Tabelle 1 verdeutlichen sowohl die Unterschiede zwischen den beiden Untersuchungsjahren als auch die Gemeinsamkeiten im Verhalten der Varianten bzgl. der Wasserhaushaltsgrößen. Durch die höhere Verdunstung aller Varianten im Jahr 2012 kam es zu größeren Entnahmen aus Zufluss und Speicher, wobei die Varianten mit höherer Verdunstung und höheren Wasserständen ihr Wasser hauptsächlich aus dem Speichervorrat entnahmen. 2013 waren die Werte insgesamt niedriger, die Speicherentnahme hatte bei der Variante mit der höchsten Verdunstung aber auch wieder die größte Bedeutung. 6 veranschaulicht die Anteile der einzelnen Wasserbilanzgrößen an der Verdunstung jedes einzelnen Lysimeters in ihrer zeitlichen Entwicklung während beider Messperioden. Der durchgeführte Versuch zeigt, dass durch den höheren und zeitlich verlängerten Winterstau das Absinken der Grundwasserstände hinausgezögert werden kann. Jedoch sind 20 und auch 35 Tage in 2012 nur ein relativ kurzer Zeitraum, der nicht bis in den Frühsommer reicht, der Zeit, in der es häufiger zu Trockenstresssituationen und Wassermangel kommt. 2013 dauerte es für die Variante mit dem niedrigeren Startwert 30 Tage (Lysimeter Nr. 3) und 37 Tage bei der Überstauvariante (Lysimeter Nr. 4). Bei Fortschreibung der beiden Entwicklungen hätte der Grundwasserstand von Variante Nr. 4 wahrscheinlich nach einer weiteren Woche das Niveau des Referenzlysimeters erreicht. Die Unterschiede zwischen beiden Jahren sind auf die unterschiedlichen meteorologischen Randbedingungen zurückzuführen.However, the meteorological conditions of both years were very different. The mean grass reference evaporation according to the FAO method (Fund and Agriculture Organization of the United Nations) was 3.1 mm / d in 2012, but only 2.5 mm / d in 2013. Also, the vegetation was much more developed in the warmer spring of 2012 than in the relatively cool spring of 2013. Consequently, the mean measured evaporation in 2013 was 1.4 mm / d lower than in 2012, which led to an overall slower drop in groundwater levels. As long as the water levels in lysimeter no. 4 were above ground, they dropped slowly despite higher evaporation (average 0.4 mm / d in 2012, 0.2 cm / d in 2013). The reason for this was the higher storage capacity of the overflow compared to an area with near-ground groundwater levels, since the water volume that can be stored there is limited to the drainable pore volume of the soil. As soon as the water levels dropped below the terrain surface, they fell very fast (average 3.8 cm / d in 2012, 2.8 mm / d in 2013) and reached the groundwater level of the reference lysimeter within a few days. The average withdrawal rates of the reference lysimeter were relatively uniform between 0.8 and 1.1 cm / d at all time intervals. Precipitation events always led to slight increases in groundwater levels in all variants. While in lysimeter no. 1 an outflow from the lysimeter could be formed in order to follow the measured surface water level, this was excluded in the other two lysimeters due to the control specifications and the precipitation was in each case supplied to the storage. The mean values of the water balances in Table 1 illustrate both the differences between the two years of investigation and the similarities in the behavior of the variants with regard to the water balance. Due to the higher evaporation of all variants in 2012, there were larger withdrawals from inflow and storage, with the variants with higher evaporation and higher water levels taking their water mainly from the storage. In 2013, the values were lower overall, but the removal of storage was again the most important factor for the version with the highest evaporation. 6 illustrates the proportions of the individual water balance quantities in the evaporation of each individual lysimeter in their time evolution during both measurement periods. The conducted experiment shows that the higher and prolonged winter congestion can delay the sinking of groundwater levels. However, 20 and even 35 days in 2012 are only a relatively short period of time that does not last until early summer, the time when drought and drought are more common. In 2013, it took 30 days for the variant with the lower starting value (Lysimeter No. 3) and 37 days for the overflow variant (Lysimeter No. 4). If the two developments were continued, the groundwater level of variant no. 4 would probably have reached the level of the reference lysimeter after another week. The differences between the two years are due to the different meteorological conditions.

4. Programmcode4. Program code

Im Folgenden ist der Quelltext für einen Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder gegeben.In the following, the source code for a program code for carrying out the method according to the invention is given again.

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Weitere ReferenzenFurther references

  • Dietrich, O., Fahle, M., Steidl, J. (2014): Anpassung des Wassermanagements in stauregulierten Niederungsgebieten an zunehmende Wetterextreme – Möglichkeiten und Grenzen der Einflussnahme auf Wasserhaushaltsgrößen. In: Kaden, S., Dietrich, O., Theobald, S. (Hrsg.) (2014): Wassermanagement im Klimawandel – Möglichkeiten und Grenzen von Anpassungsmaßnahmen. Band 3 KLIMMZUG Klimawandel in Regionen zukunftsfähig gestalten. Oekom Verlag, München. S. 161–189.Dietrich, O., Fahle, M., Steidl, J. (2014): Adaptation of Water Management in Stauregulated Lowland Areas to Increasing Weather Extremes - Possibilities and Limitations of Influencing Water Resources. In: Kaden, S., Dietrich, O., Theobald, S. (ed.) (2014): Water Management in Climate Change - Possibilities and Limits of Adaptation Measures. Volume 3 KLIMMZUG Making climate change sustainable in regions. Oekom Verlag, Munich. Pp. 161-189.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lysimeterstationlysimeter
22
GrundwasserlysimeterGrundwasserlysimeter
33
Bodenmonolithsoil monolith
44
Ausgleichsbehältersurge tank
55
Versorgungsbrunnensupply wells
66
GrundwasserstandGroundwater level
77
Oberflächenbewuchssurface growth
88th
Datenloggerdata logger
99
Pumpepump
1010
Wägezelleload cell
1111
Regeleinheitcontrol unit
1212
Drucksensorpressure sensor
1313
NiederschlagssammlerPrecipitation collector
1414
Filterkiesfilter gravel
1515
Zu-/AbflussSupply / drain
1616
Wasserstand im AusgleichsbehälterWater level in the expansion tank
1717
GrundwasserbeobachtungsrohrGroundwater observation pipe
100100
Erfassen Ist-PegelstandAcquire actual level
101101
Start-PegelstandStart-water level
102102
End-PegelstandEnd-water level
103103
zuletzt gemessener Pegelstandlast measured level
104104
Berechnen der Pegelstandsänderung aus zuletzt gemessenem Pegelstand und Ist-PegelstandCalculate the level change from the last measured level and the actual level
105105
Berechnung der Ist-Durchflussmenge aus der PegelstandsänderungCalculation of the actual flow rate from the level change
106106
Vorgabe von DurchflussgrenzwertenSpecification of flow limit values
107107
Vorgabe eines konstanten Wertes für Zuschlag (positiver Wert) oder Abzug (negativer Wert) zum Soll-WertSpecification of a constant value for surcharge (positive value) or deduction (negative value) for the target value
108108
Auslesen der Soll-Durchflussmenge aus Zeitreihe oder Übernahme einer Soll-Durchflussmenge von einem ReferenzlysimeterReading out the set flow rate from time series or transfer of a set flow rate from a reference lysimeter
109109
Addition eines konstanten Wertes zur Soll-DurchflussmengeAddition of a constant value to the target flow rate
110110
Berechnung der Soll-Durchflussmenge nach möglichem Zuschlag oder Abzug eines konstanten Wertes und Prüfung auf GrenzwerteinhaltungCalculation of the target flow rate after possible addition or subtraction of a constant value and check for limit value compliance
111111
Summieren der Soll-Durchflussmengen vorangegangener Regelintervalle (dfSumTagsoll)Summing the target flow rates of previous control intervals (dfSumTagsoll)
112112
Summieren der Ist-Durchflussmengen vorangegangener Regelintervalle(dfSumTagist)Sum the actual flow rates of previous control intervals (dfSumTagist)
113113
Berechnen der Soll-Durchflussmenge aus der Differenz der aufsummierten Soll- und Ist-Durchflüsse eines Tages (dfSumTagsoll) und (dfSumTagist)Calculate the target flow rate from the difference between the summed target and actual flows of a day (dfSumTagsoll) and (dfSumTagist)
114114
Korrigieren der Soll-Durchflussmenge mit der Speicherkennlinie des BodenmonolithenCorrecting the target flow rate with the storage curve of the soil monolith
115115
Berechnen der erforderlichen Pegelstandsdifferenz im AusgleichsbehälterCalculate the required level difference in the expansion tank
116116
Vorgabe von DurchflussgrenzwertenSpecification of flow limit values
117117
Prüfen der Soll-Durchflussmenge auf Grenzwerteinhaltung und Umrechnung in einen Soll-PegelstandChecking the set flow rate for limit value compliance and conversion to a setpoint level
118118
Vorgabe von PegelgrenzwertenSpecification of level limits
119119
Prüfen des Soll-Pegelstandes gegen PegelgrenzwerteChecking the nominal level against level limits
120120
Ausführen der Pumpensteuerung zur Realisierung der vorgegebenen DurchflussmengenExecution of the pump control to realize the predetermined flow rates

Claims (7)

Verfahren zum Regeln eines Wasserzulaufs oder eines Wasserablaufs eines Lysimeters in einem Regelintervall, wobei das Lysimeter einen Bodenmonolithen (3) in einem Behälter, einen Ausgleichsbehälter (4) und einen Zu- oder Abfluss (15) als Verbindung zwischen dem Behälter und dem Ausgleichsbehälter (4) aufweist, wobei der Ausgleichsbehälter (4) entsprechend einer Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge gefüllt oder geleert wird, wobei anschließend der Zu- oder Abfluss (15) geöffnet wird, wobei anschließend nach Schließen des Zu- oder Abflusses (15) ein Pegelstand im Ausgleichsbehälter (4) gemessen wird, und aus einer Differenz der Pegelstände vor Öffnen und nach Schließen des Zu- oder Abflusses (15) die zu- oder abgeflossene Wassermenge als Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge und der Ist-Zufluss- oder -Abflussmenge ermittelt wird, und wobei für das nachfolgende Regelintervall die Soll-Zufluss- oder -Abflussmenge unter Berücksichtigung der ermittelten Differenz korrigiert wird.Method for controlling a water inlet or a water outlet of a lysimeter at a regular interval, wherein the lysimeter comprises a soil monolith ( 3 ) in a container, a surge tank ( 4 ) and an inflow or outflow ( 15 ) as a connection between the container and the expansion tank ( 4 ), wherein the expansion tank ( 4 ) is filled or emptied according to a desired inflow or outflow quantity, the inflow or outflow ( 15 ) is opened, and then after closing the inflow or outflow ( 15 ) a level in the expansion tank ( 4 ) and a difference between the levels before opening and after closing the inflow or outflow ( 15 ) the inflowing or outflowing amount of water is determined as an actual inflow or outflow quantity, wherein a difference between the setpoint inflow or outflow quantity and the actual inflow or outflow quantity is determined, and wherein for the subsequent control interval the setpoint Inflow or outflow quantity is corrected taking into account the difference determined. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenz aus der Summe der Ist-Zufluss- oder -Abflussmengen und der Summe der Soll-Zufluss- oder -Abflussmengen von mindestens 5, bevorzugt mindestens 10, ferner bevorzugt mindestens 20 vorangegangener Regelintervalle ermittelt wird.The method of claim 1, wherein the difference of the sum of the actual inflow or outflow amounts and the sum of the desired inflow or outflow amounts of at least 5, preferably at least 10, further preferably at least 20 previous control intervals is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Differenz aus der Summe der Ist-Zufluss- oder -Abflussmengen und der Summe der Soll-Zufluss- oder -Abflussmengen aller vorangegangener Regelintervalle eines Tages, bevorzugt des Tages des aktuellen Regelintervalls, ermittelt wird.The method of claim 1 or 2, wherein the difference of the sum of the actual inflow or outflow amounts and the sum of the target inflow or outflow amounts of all previous control intervals of a day, preferably the day of the current control interval is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mengen der Soll-Zufluss- oder -Abflussmengen und die Zeitpunkte durch eine Zeitreihe vorgegeben werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the amounts of the target inflow or outflow quantities and the times are given by a time series. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Soll-Zufluss- oder -Abflussmengen durch die Ist-Zufluss- oder -Abflussmengen eines Referenzlysimeters vorgegeben werden.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the desired inflow or outflow quantities are predetermined by the actual inflow or outflow quantities of a reference lysimeter. Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt aufweisend einen Programmcode, welches oder welcher die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 an einer Lysimeteranlage umsetzt.Computer program or computer program product comprising a program code which implements the steps of the method according to one of claims 1 to 5 on a lysimeter system. Lysimeteranlage mit Regelungssystem, wobei das Regelungssystem die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 umsetzt.Lysimeteranlage with control system, wherein the control system implements the steps of the method according to one of claims 1 to 5.
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