German Title: Röntgenabschwachung zur Untersuchung der Dynamik von Wasser in porösen Medien

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Abstract

The flow of water in an unsaturated porous medium is described by Richards' equation. It is based on the assumption that the air in the pores is arbitrarily mobile and able to disappear from the pore space at any time. To solve Richards' equation a parameterization of the relationship between the water content and the matric potential is necessary: the soil-water characteristic. There are several models that describe this curve. Their parameters are typically determined from dynamic outflow experiments. A experimental setup was designed, that allows measurements of X-ray attenuation data and tomographic images during the outflow experiment. With this setup experiments were done to test the validity of Richards' equation for different boundary conditions. Therefore, the measured vertical distribution of water was compared with simulated distributions. The differences found show that the continuity of the air phase is not given at all points, and heterogeneity may prevent the determined effective parameters from being objective. Additionally, methods are introduced to analyze the rough internal structure of samples using X-ray computed tomography.

Translation of abstract (German)

Der Fluss von Wasser in einem ungesättigten porösen Medium wird von der Richards' Gleichung beschrieben. Diese gilt für den Fall, dass die Luft in den Poren beliebig mobil ist und jederzeit aus dem Porenraum entweichen kann. Ausserdem benötigt man zur Lösung der Richards' Gleichung eine Parametrisierung für die Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential, die Boden-Wasser Charakteristik. Verschiedene Modelle beschreiben diese Kurve, deren Parameter in der Regel durch inverse Modellierung dynamischer Ausflussexperimente bestimmt werden können. Es wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, Ausflussexperimente an porösen Medien durchzuführen, an denen gleichzeitig Röntgenabschwächungsprofile und tomographische Bilder gemessen werden können. Mit diesem Aufbau wurden Experimente durchgeführt, mit denen die Gültigkeit der Richards' Gleichung bei verschiedenen Randbedingungen überprüft werden konnte. Dazu wurden in der Probe gemessene vertikale Wasserverteilungen mit Vorhersagen von Simulationen verglichen. Anhand der gefundenen Abweichungen konnte gezeigt werden, dass die Kontinuität der Luftphase nicht immer gegeben ist, und Heterogenitäten die Objektivität der gefunden effektiven Parameter verhindern können. Ausserdem werden Methoden gezeigt, wie mit Hilfe von Röntgentomographie die grobe innere Struktur von Proben analysiert werden kann.