Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre- Umwelt Bodenwasserbewegung © Loiskandl, Schalko, Scholl, Strauss-Sieberth

Universität für Bodenkultur WienDepartment für Wasser-Atmosphäre-Umwelt

Bodenwasserbewegung

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Das nicht verfestigte Material unmittelbar an der Erdoberfläche, das als natürlicher Standort für terrestrische Pflanzen dient.

Die nicht verfestige mineralische oder organische Substanz an der Erdoberfläche, die beeinflusst wird von Umwelteinflüssen: Ausgangsmaterial, Klima, Makro- und Mikroorganismen und Topographie

Quelle: https://www.soils.org/publications/soils-glossary

Einleitung

Was ist ein Boden?

33

Wasserkreislauf

4

das aktivste Bindeglied im kontinentalen

Wasseraustausch

ein Element des globalen Klimasystems

der wichtigste Faktor für die Existenz und

Entwicklung der Pflanzenbedeckung

entscheidend für den Stofftransport und

die Stoffumsetzung im Boden

Bodenwasser

Bodenwasser ist …

Quelle: Gusev und Novak (2007)

©USDA NRCS

5

Einteilung des Wassers im Boden

Lufteintrittspunkt

6

Haftwasserist das gesamte, in Ruhe befindliche und entgegen der Schwerkraft über dem Kapillarsaum gehaltene Bodenwasser der vadosen Zone:

Adsorptionswasserwird direkt an die Oberfläche der Teilchen durch Adsorptionskräfte und osmotische Kräfte angelagert(=Hydratationswasser und osmotisch gebundenes Wasser)

Kapillarwasserwird in den kapillaren Zwischenräumen durch Oberflächenspannung ( Menisken) festgehalten.

Grundwasserist das Wasser, das die Hohlräume des Bodens lückenlos ausfüllt und – ver-glichen mit dem atmosphärischen Luftdruck – unter gleichem oder größerem Druck steht. (vgl. ÖNORM B 2400)


7Bildquelle: www.fachdokumente.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/10038/abb2_13.gif; nach Busch und Luckner (1974)


8

Bodenwasserbewegung

Potenzialkonzept

Das Gesamtpotenzial des Wassers im Boden bei der Temperatur To entspricht

jener Arbeit pro Masseneinheit reinen Wassers in J/kg, welche erforderlich ist,

um eine infinitesimale Menge Wassers reversibel und isothermal aus einem

Standardsystem So in das Wasser im Boden im betrachteten Punkt zu bewegen.

Es kommt zur einer Wasserbewegung im Boden, wenn Unterschiede im

Energieinhalt ∆E (=Potenzial ) vorhanden sind.

Wasser bewegt sich immer vom höheren zum niederen Potenzial.

t

Gesamt-potenzial

g

Schwerkraft-potenzial

(Gravitations~)

o

osmotischesPotenzial

(Lösungs~)

p

Druck-potenzial

(Tensiometer~)

Quelle: IBG Bulletin Nr. 49, 1976)

+ +=

Anm.: Bei diesen Energieinhalten wird der kinetische Anteil aufgrund der geringen

Fließgeschwindigkeit vernachlässigt.

9

Schwerkraftpotenzial g

(Gravitations~)

…gegen die Schwerkraft vom Standardsystem S0

über die Bodenoberfläche zum System S1 zu heben.

osmotisches Potenzial o

(Lösungs~)

…aus dem System S1 in

das System S2 zu bewegen

(nur wirksam, falls eine halbdurchlässige

Membran vorhanden).

Druckpotenzial p

(Tensiometer~)

…vom System S2 in den

betrachteten Punkt im Boden bei dem dort

herrschenden Wasser-gehalt zu bewegen.

…ist die erforderliche Arbeit,um eine infinitesimale Menge Wasser reversibel und isothermal…

Gesamtpotenzial ψt = ψg + ψo + ψp

g = g h

Es gilt: h = h1 - h0

(Höhendifferenz zw. S0 und S1)

wo

o

V dp

p

p

o

Vdp VW - spezifisches Volumen der

Bodenwasserlösung

Potenzialkonzept

p umfasst alle Effekte, die der

Boden auf das Wasser ausübt, mit Ausnahme von g und o. Dazu

zählen z.B.Matrix- und Gasdruckpotenzial.

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Definitionen der Systeme

Das Standardsystem S0 ist definiert als ein Behälter mit

reinem(d.h. keine Beeinflussung des Wasser durch gelöste Salze o = 0),

freiem Wasser(d.h. keine Beeinflussung des Wasser durch den Boden - Kapillarität)

mit der Temperatur T0

in der Höhenlage h0

bei einem atmosphärischen Druck p0.

Das System S1 ist ebenfalls definiert als ein Behälter mit reinem, freiem Wasser,

der sich jedoch in der Höhenlage h1 befindet. Es gilt: T1 = T0; p1 = p0.

Das System S2 ist definiert als ein Behälter mit einer Lösung der gleichen

Zusammensetzung wie die Bodenflüssigkeit im betrachteten Punkt, die einen

osmotischen Druck besitzt. Es gilt: h2 = h1; T2 = T1 = T0; p2 = p1 = p0.

Potenzialkonzept

11

Literatur

Vorlesungen an der BOKU zu diesem Thema:815.101 Bodenphysik815.311 Simulation in Vadose Zone Environment815.316 Bodenphysik (Vertiefung)911.302 Filterfunktion des Bodens - Stofftransport in Experiment und Computersimulation

Glossar der wichtigsten Begriffe der Bodenwissenschaft (SSSA)https://www.soils.org/publications/soils-glossary/

BodenphysikHillel, D. (1998): Environmental Soil Physics. Academic Press, USA.

HYDRUSRadcliffe, D. and Šimůnek, J. (2010): Soil physics with HYDRUS. CRC Press. – Boca Raton, Fla.

Unterlagen und Informationen


Experiment:Bodenwasserbewegung im

2-Schicht-Bodenmodell

1313

Versuchsaufbau

Versuchsgefäß mit Versuchsgefäß mit zwei Kammernzwei Kammern

Optional: Waage zur Optional: Waage zur Bestimmung der Bestimmung der

GewichtsveränderungenGewichtsveränderungen

grobkörniger Sandgrobkörniger Sand

feinkörniger Sandfeinkörniger Sand

AbflussbestimmungAbflussbestimmung

seitlicher Zuflussseitlicher Zufluss

BodenauslassBodenauslass

1414

Versuchsaufbau

Befüllung des VersuchsgefäßesBefüllung des Versuchsgefäßes

BodengewichtBodengewichtlinke Kammerlinke Kammer: 3500 g: 3500 g

BodengewichtBodengewichtrechte Kammerrechte Kammer: 3589 g: 3589 g

linke Kammerlinke Kammer rechte Kammerrechte Kammer

15

Grundmodell




11

22

12


Zufluss Zufluss von obenvon oben

seitlicher seitlicher ZuflussZufluss(beim aktuellen Versuchsdurch-gang geschlos-sen und nicht genutzt)

1616

seitlicher seitlicher ZuflussZufluss

BodenauslassBodenauslassgrobkörniger Sandgrobkörniger Sand


11

22

21


1

1

1

1

2

2

2

2

Variation I Variation I

1717

VersuchsaufbauVariation IIVariation II

ZuflussZufluss


1

2

2

21



11

22

2

1

1

2 1


1 1 1 2 2 2

1818

Versuchsablauf

Durchführung des 2-Schicht-Bodenmodell Variation IIs

Beginn: 1515 Uhr

Wasserzufuhr: ca. 2 l in 14 Minuten

Nach 2,5 Stunden sind bereits 400 ml Wasser durch den Bodenauslass der Box abgeflossen

00:00:0000:00:1500:01:0000:02:3000:05:0000:06:0000:07:0000:10:0000:14:0000:16:00

EndeEnde


Simulation mit HYDRUSBeispiele

20

Simulation- HYDRUS 1D und 2D/3D: Softwarepaket für die Simulation des Wasser-, Wärme- und

Stofftransports im Boden (Link)

HYDRUS

10 cm

8 cm

7 cm

7 cm

2 cm

34 cm

22,5 cm 22,5 cm3 cm

Modellaufbau (Variation I)

34 cm

ModellaufbauGrundmodell Variation I

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HYDRUS – AnimationenGrundmodell (vgl. Folie 15)

Wasserzufuhr: 1 Liter in 15 min; Simulationsdauer: 15 min; Animation: 50 Prints

rechte Kammer: grobkörniger Sand

Zum Abspielen der Filme klicken Sie bitte auf die linke und/ oder die rechte Kammer.

linke Kammer: feinkörniger Sand

Wasseranteil θ (-)

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Dateneingabe – Beispiel

Variation I – rechte Kammer (vgl. Folie 16)

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HYDRUS – AnimationenVariation I (vgl. Folie 16) Wasserzufuhr: 1 Liter in 15 min; Simulationsdauer: 15 min; Animation: 50 Prints

linke Kammer rechte Kammer

Zum Abspielen der Filme klicken Sie bitte auf die linke und/ oder die rechte Kammer.

Wasseranteil θ (-)

University of Natural Resources and Life Sciences, ViennaDepartment of Water, Atmosphere and Environment

Zusammenfassung und Diskussion

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Zusammenfassung und Diskussion

Wasserbewegung im Boden und Potenzialtheorie

Welcher praktische Nutzen lässt sich aus der Simulation der Wasserbewegung im Boden ableiten?

Welche Theorie beschreibt die Wasserbewegung im Boden?

Für welche Bereiche ist die Wasserbewegung im Boden von essentieller Bedeutung?

Aus welchen Komponenten setzt sich

das Gesamtpotenzial zusammen?

Denkanstöße:

Umweltschutz … Nachhaltigkeit … Ressourcenschutz … Ernährungssicherheit … Landschaftsschutz … Bodenschutz …Grundwassersicherheit …

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Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt

Institut für Hydraulik und landeskulturelle WasserwirtschaftMuthgasse 18, 1190 Wien

E-Mail: [email protected]

http://www.wau.boku.ac.at/ihlw.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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