Comparison of 2D and 3D modeling for deriving effective hydraulic properties of stony soils

Stone, gravel or rock fragments that are embedded in a matrix of fine soil have a substantial effect on effective soil hydraulic and transport properties. Understanding the role of stones in soils is important not only for soil water transport processes such as infiltration, evaporation and redistribution, but also for related solute transport processes. A variety of models has been proposed in the past to predict the systematic effect of varying amounts of stones on effective saturated conductivity and water retention of a soil-stone mixture. Respective studies for unsaturated hydraulic conductivity are still missing. To test the accuracy and validity of such predictive models, and to expand them to unsaturated conductivity, the investigation of virtual porous media, which can be obtained by numerical forward modeling of water and solute transport in soil-stone mixtures is the method of choice. Furthermore, to test the postulate that effective homogeneous properties exist and can replace the heterogeneous system, the ability of a 1D model with assumed homogeneous soil properties to match “observed” state variables and fluxes of a higher-dimensional heterogeneous model under a variety of conditions is a necessary requirement. With few exceptions, such heterogeneous modeling studies have hitherto been performed only for simplified cases, i.e., either under fully saturated conditions, or with a reduced dimensionality, i.e., 2D simulations of soil/stone mixtures. In this work, we use the simulation tool HYDRUS-2D3D to investigate the systematic differences that occur when modeling partially unsaturated transient water in stony soils, based on the Richards equation. Specifically, we compare truly 3D with 2D simulations and discuss the implications for effective 1D hydraulic properties

Quantifizierung von kapillarem Fluss, Filmfluss und Dampffluss durch inverse Simulation transienter Verdunstungsexperimente

Die Evaporation aus dem unbewachsenen Boden ist eine wichtige Komponente im Wasserhaushalt und der Energiebilanz der Erdoberfläche, insbesondere in ariden und semiariden Gebieten mit geringer Vegetationsdichte. Die Modellierung des Wasserflusses in trockenen Böden und die Vorhersage von realer Evaporation und Grundwasserneubildung stellen eine ständige Herausforderung für die Bodenhydrologie dar und erfordern angemessene Modellkonzepte und Parametrisierungen der bodenhydraulischen Funktionen. Während die Berücksichtigung des Wasserdampftransports in trockenen porösen Medien inzwischen häufig erfolgt, steckt die Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion im mittleren Wasserspannungsbereich noch immer in den Kinderschuhen und basiert in den meisten Fällen weiterhin auf der Anwendung von Kapillarbündelmodellen und wenigen Datensätzen aus der Literatur mit teilweise eingeschränkter Qualität. Prozesse wie Film- und Eckenfluss wurden zwar an Hand einiger weniger Datensätze untersucht, werden jedoch in der Modellierung von Wasser- und Energieflüssen kaum berücksichtigt. In diesem Beitrag zeigen wir Daten aus transienten Verdunstungsversuchen an großen gepackten Bodensäulen mit erweiterter Instrumentierung in den trockenen Bereich, die mit der Methode der inversen Modellierung prozessbasiert ausgewertet wurden. Es wird untersucht, welche Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeit zu einer korrekten Beschreibung der Zeitreihen der Wasserspannung führt. Die Analyse wird durch gekoppelte Simulationen des Wasser-, Dampf- und Wärmetransports erweitert. Die Ergebnisse zeigen eindeutig das Scheitern klassischer Parametrisierungen der bodenhydraulischen Funktionen im mittleren und trockenen Bereich. Eine korrekte Beschreibung der Messdaten war nur durch Hinzunahme einer weiteren Komponente in der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion möglich, deren physikalische Ursache wahrscheinlich der Film- und Eckenfluss ist

Die integrale Suspensions-Druck-Methode (ISP) -- ein neues Verfahren zur präzisen und automatisierten Schlämmkornanalyse

Die Schlämmkornanalyse ist ein Verfahren, um die Partikelgrößenverteilung von Böden in der Schluff- und Tonfraktion zu bestimmen. Hierbei wird auf Grundlage des Stokes'schen Gesetzes die Partikelgröße aus der Absetzgeschwindigkeit in einer wässrigen Suspension abgeleitet. Bisher gab es zwei etablierte Methoden zur Schlämmkornanalyse: das Pipettverfahren und das Aräometerverfahren. Beide Verfahren beruhen darauf, die zeitliche Änderung der Partikelkonzentration oder Dichte der Suspension in einer bestimmten Tiefe innerhalb der Suspension zu messen. Wir haben eine neuen Methode entwickelt, die auf einer Druckmessung in der Suspension in einer ausgewählten Tiefe basiert. Dieser Druck ist ein integrales Maß für alle Partikel in Suspension oberhalb der Meßtiefe. Wir simulieren die Druckabnahme aufgrund des Absetzens von Partikeln als Funktion der Partikelgrößenverteilung und versuchen durch Variation der Verteilungsparameter eine bestmögliche Anpassung an die Messdaten zu erreichen (inverse Simulation mit globaler Optimierung). Die neue Methode liefert die Partikelgrößenverteilung in sehr hoher Auflösung. Die experimentelle Realisierung vermeidet im Gegensatz zu Pipett- und Aräometermethode jegliche Störung durch den Messvorgang. Eine Sensitivitätsanalyse für verschiedenen Materialien zeigt, dass das Verfahren die Schlufffraktionen präzise bestimmt. Bei Vorgabe von Sandfraktionen aus der Siebung ist entsprechend auch die Schätzung der Tonfraktion sehr genau

Prediction of absolute unsaturated hydraulic conductivity – comparison of four different capillary bundle models

To model water, solute, and energy transport in porous media, it is essential to have accurate information about the soil hydraulic properties (SHPs), i.e., the water retention curve (WRC) and the soil hydraulic conductivity curve (HCC). It is important to have reliable data to parameterize these models, but equally critical is the selection of appropriate SHP models. While various expressions for the WRC are frequently compared, the capillary conductivity model proposed by Mualem (1976a) is widely used but rarely compared to alternatives. The objective of this study was to compare four different capillary bundle models in terms of their ability to accurately predict the HCC without scaling the conductivity function by a measured conductivity value. The four capillary bundle models include two simple models proposed by Burdine (1953) and Alexander and Skaggs (1986), which assume a bundle of parallel capillaries with tortuous flow paths, and two more sophisticated models based on statistical cut-and-random-rejoin approaches, namely those proposed by Childs and Collis-George (1950) and the aforementioned model of Mualem (1976a). To examine how the choice of the WRC parameterization affects the adequacy of different capillary bundle models, we utilized four different capillary saturation models in combination with each of the conductivity prediction models, resulting in 16 SHP model schemes. All schemes were calibrated using 12 carefully selected data sets that provided water retention and hydraulic conductivity data over a wide saturation range. Subsequently, the calibrated models were tested and rated by their ability to predict the hydraulic conductivity of 23 independent data sets of soils with varying textures. The statistical cut-and-random-rejoin models, particularly the Mualem (1976a) model, outperformed the simpler capillary bundle models in terms of predictive accuracy. This was independent of the specific WRC model used. Our findings suggest that the widespread use of the Mualem model is justified.</p

Prüfung von Perkolations- und Elutionsversuchen zur Schadstofffreisetzung aus mineralischen Ersatzbaustoffen

In einem groß angelegten Ringversuch wurden die DIN-Normen DIN 19528 und DIN 19529 verifiziert. In dieser Arbeit haben wir die darin vorgesehenen Experimente durchgeführt, das Versuchsprogramm erweitert und die Ergebnisse mittels verschiedener mathematischer Verfahren ausgewertet. Schüttelversuche, wie in DIN 19529 vorgesehen, haben wir durch Ansätze mit weiteren Wasser-/Feststoffverhältnissen erweitert. Diese Ergebnisse wurden zur Ermittlung der das Verteilungsverhalten bestimmenden Parameter mittels MuBaX (Iden und Durner, 2007) ausgewertet. Die Säulenversuche nach DIN 19528 wurden ebenfalls in ihrer zeitlichen Dauer erweitert und durch Fließunterbrechungen ergänzt. Für die Abschätzung der kurz- bis mittelfristigen Freisetzungen wurden reproduzierbare und zwischen den unterschiedlichen Methoden vergleichbare Ergebnisse erzielt

Interdependence of sequential cytotoxic T lymphocyte and natural killer cell cytotoxicity against melanoma cells

Cytotoxic T lymphocytes (CTL) and natural killer (NK) cells recognize and eliminate cancer cells. However, immune evasion, downregulation of immune function by the tumour microenvironment and resistance of cancer cells are major problems. Although CTL and NK cells are both important to eliminate cancer, most studies address them individually. We quantified sequential primary human CTL and NK cell cytotoxicity against the melanoma cell line SK-Mel-5. At high effector-to-target ratios, NK cells or melan-A (MART-1)-specific CTL eliminated all SK-Mel-5 cells within 24 h, indicating that SK-Mel-5 cells are not resistant initially. However, at lower effector-to-target ratios, which resemble numbers of the immune contexture in human cancer, a substantial number of SK-Mel-5 cells survived. Pre-exposure to CTL induced resistance in surviving SK-Mel-5 cells to subsequent CTL or NK cell cytotoxicity, and pre-exposure to NK cells induced resistance in surviving SK-Mel-5 cells to NK cells. Higher human leucocyte antigen class I expression or interleukin-6 levels were correlated with resistance to NK cells, whereas reduction in MART-1 antigen expression was correlated with reduced CTL cytotoxicity. The CTL cytotoxicity was rescued beyond control levels by exogenous MART-1 antigen. In contrast to the other three combinations, CTL cytotoxicity against SK-Mel-5 cells was enhanced following NK cell pre-exposure. Our assay allows quantification of sequential CTL and NK cell cytotoxicity and might guide strategies for efficient CTL–NK cell anti-melanoma therapies

Test des neuen PARIO-Gerätes zur automatisierten Schlämmkornanalyse auf Basis der ISP-Methode

Die Partikelgrößenverteilung ("particle size distribution", PSD) kennzeichnet eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Böden. Das Referenzverfahren zur Bestimmung des PSD beruht auf der durch Gravitation bedingten Sedimentation von Partikeln in einer anfänglich homogenen Suspension. Herkömmliche Methoden messen manuell (i) den Auftrieb eines schwimmenden Körpers in der Suspension zu verschiedenen Zeiten (Aräometer-Methode) oder (ii) die Feststoffmasse in extrahierten Suspensionsvolumina zu vorgegebenen Zeiten (Pipett-Methode). Beide Verfahren führen zu einer Störung des Sedimentationsprozesses und liefern nur wenige diskrete Daten der PSD. Durner et al. (2017) haben kürzlich eine neue automatisierte Methode zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Böden und Sedimenten aus Gravitationssedimentation enwickelt. Das "Integrale Suspensiondruckverfahren" (ISP) schätzt kontinuierliche Partikelgrößenverteilungen aus Sedimentationsexperimenten, indem die zeitliche Entwicklung des Suspensionsdrucks bei einer bestimmten Meßtiefe in einem Sedimentationszylinder aufgezeichnet wird. Das Verfahren erfordert keine manuelle Interaktion nach dem Start und somit keine spezialisierte Ausbildung des Laborpersonals und vermeidet jegliche Störung des Sedimentationsprozesses. Die Technik zur Durchführung dieser Experimente wurde von der Firma UMS AG, München, entwickelt und steht als Instrument mit der Bezeichnung PARIO zur Verfügung, das von der METER Group AG gehandelt wird. In diesem Vortrag wird die grundlegende Funktionsweise von PARIO aufgezeigt und Schlüsselkomponenten und Parameter der Technologie erläutert

Prediction of the absolute hydraulic conductivity function from soil water retention data

For modeling flow and transport processes in the soil–plant–atmosphere system, knowledge of the unsaturated hydraulic properties in functional form is mandatory. While much data are available for the water retention function, the hydraulic conductivity function often needs to be predicted. The classical approach is to predict the relative conductivity from the retention function and scale it with the measured saturated conductivity, Ks. In this paper we highlight the shortcomings of this approach, namely, that measured Ks values are often highly uncertain and biased, resulting in poor predictions of the unsaturated conductivity function. We propose to reformulate the unsaturated hydraulic conductivity function by replacing the soil-specific Ks as a scaling factor with a generally applicable effective saturated tortuosity parameter τs and predicting total conductivity using only the water retention curve. Using four different unimodal expressions for the water retention curve, a soil-independent general value for τs was derived by fitting the new formulation to 12 data sets containing the relevant information. τs was found to be approximately 0.1. Testing of the new prediction scheme with independent data showed a mean error between the fully predicted conductivity functions and measured data of less than half an order of magnitude. The new scheme can be used when insufficient or no conductivity data are available. The model also helps to predict the saturated conductivity of the soil matrix alone and thus to distinguish between the macropore conductivity and the soil matrix conductivity.</p

Business process modelling to improve incident management process

Business process management (BPM) is an approach focused on the continuous improvement of business processes, providing for this a collection of best practices. These best practices enable the redesign of business processes to meet the desired performance. IT service management (ITSM) defines the management of IT operations as a service. There are several ITSM frameworks available, consisting in best practices that propose standardizing these pro- cesses for the respective operations. By adopting these frameworks, organisations can align IT with their business objectives. Therefore, the objective of this research is to understand how BPM can be used to improve of ITSM processes. An exploratory case study in a multinational company based in Lisbon, Portugal, is conducted for the improvement of the time performance of an inci- dent management process. Data were gained through documentation, archival records, interviews and focus groups with a team involved in IT support service. So far, the as-is process was elicited, and respective incongruences clarified. During the next months the authors intend to identify the main problems and simulate the appropriate BPM heuristics to understand the impact in the busi- ness organisation.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio