Landschaftswasser- und StofhaushaltSkript

Legende: grün = Frage/Antwort gelb = nachlesen rot = sehr wahrscheinlich klausurrelevant

InhaltsverzeichnisToDo ............................................................................................................................................................................ 2

14.04.2010 – Sitzung 1 ............................................................................................................................................... 3

1.0 Einführung ............................................................................................................................................................................................. 3

21.04.2010 – Sitzung 2 ............................................................................................................................................... 5

2.0 Landschaftswasserhaushalt ............................................................................................................................................................. 5

2.6 Abfuss .................................................................................................................................................................................................... 5

28.04.2010 – Sitzung 3 ............................................................................................................................................... 8

1. Faktoren .................................................................................................................................................................................................... 8

2. Prozesse .................................................................................................................................................................................................... 9

3. Merkmale ................................................................................................................................................................................................. 9

4. Bodenhorizonte ................................................................................................................................................................................... 14

05.05.2010 – Sitzung 4 ............................................................................................................................................ 17

2.1 Niederschlag ...................................................................................................................................................................................... 17

2.7 Grundwasser (Teil 2 – Breuer) ....................................................................................................................................................... 18

2.7.1 Uferfltration .................................................................................................................................................................................... 20

12.05.2010 – Sitzung 5 ............................................................................................................................................ 22

2.2 Kapillarität ........................................................................................................................................................................................... 22

19.05.2010 – Sitzung 6 ............................................................................................................................................ 26

2.3 Das Potentialkonzept ...................................................................................................................................................................... 26

26.05.2010 – Sitzung 7 ............................................................................................................................................ 29

2.8 Gewässerstruktur und Gewässergüte ........................................................................................................................................ 29

02.06.2010 – Sitzung 8 ............................................................................................................................................ 33

2.4 Energiehaushalt ................................................................................................................................................................................ 33

2.5 Verdunstung ....................................................................................................................................................................................... 34

2.9 Wasserbilanzen .................................................................................................................................................................................. 34

30.06.2010 – Sitzung 9 ............................................................................................................................................ 36

3.0 Landschaftsstofhaushalt ............................................................................................................................................................... 36

3.1 Stoftransport ..................................................................................................................................................................................... 36

4.0 Wärmehaushalt ................................................................................................................................................................................. 38

07.07.2010 – Sitzung 10 .......................................................................................................................................... 39

5.0 Gashaushalt ........................................................................................................................................................................................ 39

6.0 Erosion .................................................................................................................................................................................................. 40

Fragestunde ............................................................................................................................................................. 41

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14.04.2010 – Sitzung 1• Gliederung der VL

◦ Einführung◦ Landschaftswasserhaushalt◦ Landschaftsstofhaushalt◦ Wärmehaushalt◦ Gashaushalt◦ Erosion◦ Fragen

1.0 Einführung

• Wasserhaushalt global◦ über dem Meer:

▪ Evaporation: 502 800 km3

▪ Precipitation: 458 000 km3

◦ über dem Land:▪ Evapotranspiration: 65 200 km3

▪ Precipitation: 110 000 km3

▪ River-Runof: 42 600 km3

▪ Groundwater-Flow: 2 200 km3

◦ über Binnenseen:▪ Precipitation: 9000 km3

▪ Evaporation: 9000 km3

◦ Gesamt: Transport von Luftfeuchte• Abfuss im urbanen Raum:

◦ Evaporation von Dächern, Straßen, Böden (unproduktiv)◦ Transpiration+Interzeption von Pfanzen (produktiv)◦ Oberfächenabfuss (auch in Kanalisation)◦ Versickerung, kapillarer Aufstieg

• Stofbilanzierung◦ Einkauf: Mineraldünger, Saatgut, Tiere, Futtermittel, Stroh◦ Verkauf: Getreide, Raps, Milch, Fleisch, Tiere, Stroh◦ Bilanzsaldo: Einkauf minus Verkauf

• Wasservorrat der Erde◦ Gesamt: 1 400 x 1015 m³ ◦ davon 2,75% Süßwasser

▪ 2,15% Gletscher- und Polareis▪ 0,6% Flüsse, Seen, Grundwasser

• Wasserverfügbarkeit (verfügbares erneuerbares Süßwasser je Einwohner)◦ erheblicher Wassermangel: < 1 000 m³/a

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◦ Wasserknappheit: < 1 700 m³/a◦ BRD: 4 000 bis 5 000 m³/a◦ Weltbevölkerung 2000: 6,1 Mrd. Menschen: Knappheit. 3%, erheblicher Mangel: 5%◦ Weltbevlkerung 2050: 9,4 Mrd. Menschen: Knappheit: 18%, erheblicher Mangel: 24%

• Virtual Water• Virtueller Wasserhandel

◦ Verkauf von wasserintensiven Produkten in Gebiete mit Wassermangel◦ Pro:

▪ fexibles Instrument bei kurzfristigen Wasserdefziten (Dürren)▪ Vermedung unpopulärer, regulatorischer Maßnahmen

◦ Contra:▪ Abhängigkeit bei Grundnahrungsmitteln▪ Lebensmitteltransport → hoher Energieverbrauch▪ leitet nicht zum Wassersparen an▪ Existenz bäuerlicher Bevölkerung gefährdet

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21.04.2010 – Sitzung 2

2.0 Landschaftswasserhaushalt

• [F2.1] Was ist ein Gewässereinzugsgebiet?• [F2.2] Nennen Sie die Glieder der Wasserhaushaltsgleichung.• [F2.3] Berechnen Sie die mittlere Nitratfracht aus der Konzentration und der

Abfussmenge für den Rhein. (Abfuss: 2330 m³/s, Konzentration 2 mg N/l◦ 2 mg/l = 2 g/m³ (* 2 330)

= 4 660 g/s (*60*60*24*365)= 146 958 t N

◦ NO3 : N = 4,4= 646 615 t NO3

• Wasserhaushaltsgleichung [A2.2]◦ NKB=ET IAV◦ N = Niederschlag, K = kapillarer Aufstieg, B = Beregnung◦ E = Evaporation, T = Transpiration, I = Interzeption,

A = Abfuss, V = Vorratsänderung

• Einzugsgebiete [A2.1]◦ Grenze eines Einzugsgebietes durch hydrologische Wasserscheide gekennzeichnet◦ Weser, Elbe, Rhein, Donau

• Nitrat-Gehalt in verschiedenen Flüssen◦ kontinuierlich gesunken, Werte zwischen 1 und 3 mg/l für das Jahr 2000

• Wasserhaushaltskomponenten◦ oberirdische und unterirdische Grenze des Einzugsgebietes◦ Verdunstung, Niederschlag◦ Infltration, Versickerung◦ Erosion, Oberfächenabfuss, gelöste Stofe◦ Pfanzenaufnahme, Streufall◦ Gebietsauslass/Pegel

• Niederschlag:◦ gemessen in mm (entspricht l/m²)◦ auch Nebel ist Niederschlag, wenn er z.B. von Pfanzen „ausgekämmt“ wird◦ Messhöhe für Niederschlagsmesser: 1 m◦ Abwasserkanal ↔ Kanalisation (Regenwasser) getrennt

▪ Hochwassergefahr wegen Versiegelung• [F2.4] Wie setzt sich der Abfuss zusammen?• [F2.5] Woraus besteht eine Abfussganglinie?• [F2.6] Abfussmessverfahren

2.6 Abfluss

• Abfussganglinie

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◦ Trockenwetterabfuss▪ Abfuss nach ca. 4 Tagen ohne Efektivniederschlag, der aus grundwasserbürtigem

Wasser gebildet wird.◦ Hochwasserscheitel◦ Gesamtabfuss

▪ Basisabfuss + Direktabfuss◦ efektiver Niederschlag

▪ abfusswirksamer Anteil des Niederschlags▪ speist Oberfächenabfuss und Zwischenabfuss (Direktabfuss)

◦ Einfuss der Form des Einzugsgebietes auf die Abfussganglinie▪ Einzugsgebiet lang und schmal: Abfussganglinie fach und lang▪ Einzugsgebiet rundlich: Hochwasserscheitel früher und extremer

◦ Abfuss → Q → [m³/s]▪ Wasservolumen pro Zeiteinheit und defniertem Flussquerschnitt

◦ Abfussspende → q → [m3 * s-1 * km-2]▪ Quotient aus Abfuss und Oberfäche des Einzugsgebietes

◦ Abfusshöhe → [mm / a]◦ hydrologisches Jahr: 1. November bis 31. Oktober

• Berechnung der Abfussspende [m³ / d / ha]◦ Abfussgeschwindigkeit: 3m/s◦ EZG-Größe: 80 km²◦ a=3 m, b=0.4 m, c=2.6 m (a Oberseite Flussquerschnitt, b Tiefe Flussquerschnitt, c

Unterseite Flussquerschnitt)◦ Fläche Flussquerschnitt: A = b * ((a + c)/2) = 0.4 * ((3 + 2,6)/2) = 0,4 * 2,8 = 1,12 m²◦ m³ pro s: 1,12 * 3 = 3,36 m³/s◦ 3,36 * 60 * 60 * 24 = 290 304 m³/d◦ 80 km² = 8000 ha◦ 290 304 / 8000 = 36,288 m³/d/ha

• [A2.6] Abfussmessung◦ Pegel: Lattenpegel (Ablesen um 7:00 Uhr), mechanische Schwimmerpegel,

Kapazitätssensor, Drucksensor, Ultraschallsensor◦ Querschnittsbestimmung: Lamellenverfahren, Ultraschall, ADCP◦ Abfussgeschwindigkeit: Messfügel, magnetisch-induktiv, Radar (side looking Radar),

ADCP (Acoustic Doppler Current Profler), Ultraschall◦ integrierte Verfahren (bei kleineren Bächen): Messrinne, Messwehre, Tracerverfahren

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(Salz, Uranin, Rhodamin B)◦ Wasserstands-Abfuss-Beziehung (W/Q)

▪ Voraussetzung: Abfussquerschnitt stabil◦ Ganglinie (Q/t)

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28.04.2010 – Sitzung 3• Sylvie.Drahorad@umwelt.uni-giessen.de • Exkursion: 9.6. und 16.6. von 9.15-16.00 Uhr• Prüfungsfragenkatalog (3 davon in der Klausur)

◦ [F3.1] [OK] Nennen Sie bodenbildende Prozesse.▪ Verwitterung, Zersetzung, Mineralneubildung, Humifzierung, Salzverlagerung

(Salze: Na-, K-, Mg-, Ca-, Chloride, …), Tonverlagerung, Carbonatisierung, Podsolierung, Kalkverlagerung, Vergleyung, Pseudovergleyung, Verbraunung

◦ [F3.2] [OK] Welche Auswirkungen hat die Bodenart auf die Bodeneigenschaften?◦ [F3.3] [OK] Welche Faktoren bewirken die pedogene Diversität von Landschaften?◦ [F3.4] In welchem Zusammenhang stehen Bodentyp und Relief?◦ [F3.5] Nennen Sie typische Ausgangsgesteine Mittelhessens.◦ [F3.6] Welche Bodeneigenschaften resultieren aus den jeweiligen

Ausgangsgesteinen?◦ [F3.7] Warum sind Sedimente von großer Bedeutung für die Bodenbildung/die

Landnutzung?◦ [F3.8] Warum fnden sich auf Kuppen im Mittelgebirge Forststandorte?

(Geologie/Bodentyp)?◦ [F3.9] Nennen Sie typische Böden der Mittelgebirge◦ [F3.10] Wie unterscheiden Sie sich bezüglich Horizontfolge, Reliefposition und

Nutzungseignung?◦ [F3.11] Nennen Sie die 3 Klassen der semiterrestrischen Böden, was haben diese

gemeinsam?• Böden

◦ Boden ist endlich◦ Was ist ein Boden?◦ Wo fnden sich Böden in der Landschaft?

• Diversität und Multifunktionalität von Böden erkennen und schützen.

1. Faktoren

• Wie entsteht ein Boden?◦ Ausgangsgestein → Klima und Organismen wirken auf Stein → mit Zeit entwickelt sich

dann ein Boden◦ daher Problem: Bodenentwicklung dauert so lange, dass verseuchte Böden nicht

ersetzt werden können◦ Festgestein → Ranker → Braunerde◦ Sediment (Löss) → Para-Rendzina → Braunerde → Parabraunerde → (sekundärer

Pseudogley)◦ Funktionsgleichung der Pedogenese: B = f ( G, K, O, R, M) * Z

▪ Faktoren: G = Gestein, K = Klima, O = Organismen, R = Relief, M = Mensch, Z = Zeit◦ Kausalkette der Pedogenese: Faktoren ↔ Prozesse ↔ Merkmale

▪ Faktoren: Gestein, Klima, Vegetation, Mensch, Zeit

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▪ Prozesse: Transformation (Umwandlung), Translokation (Verlagerung/Durchmischung)

▪ Merkmale: Mineralkörper, Humuskörper, Bodenkörper, Pedon

2. Prozesse

• Translokationsprozesse◦ Ton-Verlagerung (pH 5-7)◦ Verlagerung organischer Substanzen

▪ Humus-Verarmungs- bzw. Humus-Anreicherungs-Horizonte• Podsol

◦ Verlagerung von Si, Al, Fe, Mn◦ Turbation

▪ Bioturbation, Hydroturbation, Kryoturbation◦ Oberfächenverlagerung

▪ Erosion, Defation• Faktoren und Prozesse (siehe oben) verursachen Merkmale (siehe unten)

3. Merkmale

• pedogene Merkmale (Bodenmerkmale, Merkmale oft anhand der Farbe erkennbar)◦ Lithogen (Ausgangsgestein): Mineralbestand, Körnung, Bodenstruktur und Farbe

▪ Merkmale der mineralischen Bodenkomponente▪ Körnung

• > 63 mm: Stein• 2 - 63 mm: Grus (Kantig)/Kies (rund)• 63 – 2000 µm: Sand• 2 – 63 µm: Schluf• < 2 µm: Ton• Korngrößen → verschiedene Bodenfunktionen• physikalisch: Verdichtbarkeit, Tragfähigkeit, Quellung/Schrumpfung• chemisch: Ionenbindung, Austausch• je kleiner die Körnung, desto kleiner Porendurchmesser

▪ Porengrößen• weite Grobporen: > 50µm• enge Grobporen: 10 – 50 µm

◦ Sickerwasser• Mittelporen: 0,2 – 10 µm

◦ pfanzenverfügbares Wasser• Feinporen: < 0,2 µm

◦ Totwasser◦ Phytogen (pfanzliches Ausgangsmaterial): Humusgehalt, Humusfarbe (Humus =

Gesamtheit der toten, organischen Substanz eines Bodens)◦ Klimatogen (klimatisch bedingt): z.B. Verarmungs-/Anreicherungshorizonte

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◦ Hydrogen (Redox- und Difusionsprozesse im stagnierenden Grund- und Stauwasser)▪ Pseudogley, Gley▪ Reduktions- und Oxidationserscheinungen

◦ Anthropogen (menschl. Tätigkeit)▪ Olluvium▪ Ackerkrume, Pfugsohle, Aufschüttungen

• Wasserhaushalt: Wasserspannung ↔ Wassergehalt◦ T = Tonboden: speichert viel Wasser◦ WP = Welkepunkt: 4,2 pF◦ FK = Feldkapazität: die Menge Wasser, die ein zunächst wassergesättigter Boden nach 3

bis 4 Tagen noch gegen die Schwerkraft halten kann◦ > 4,2 pF: nicht verfügbares Adsorptions- und Kapillarwasser◦ Haftwasser

▪ < 0,2 µm Porendurchmesser: nicht verfügbares Adsorptions- und Kapillarwasser▪ 0,2 – 10 µm: verfügbares Adsorptions- und Kapillarwasser

◦ Sickerwasser▪ 10 – 50 µm: langsam bewegliches▪ > 50 µm: schnell bewegliches

• Bodenart◦ Lehm = Gemenge aus Sand, Ton und Schluf◦ Einfuss auf Standorteigenschaften [A3.2]

hoher ... Wasserspeicher-vermögen

Nährstofhalte-vermögen

Bearbeitbarkeit Durchlässigkeit Durchlüftung Erwärmung

Schlufanteil hoch mittel mittel mittel/gering mittel

Sandanteil gering gering leicht hoch intensiv schnell

Tongehalt hoch hoch schwer gering schlecht langsam

• Bodendiversität (pedogene Diversität) [A3.3]◦ je nach geologischer, topographischer, klimatischer Situation

• Wie hängen Böden und Landschaft zusammen?◦ Böden als Quelle und Senke

▪ vertikale Eintragungs- und Austragungsprozesse zwischen Pedosphäre, Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre

▪ Nitrat (NO3), CO2, PAK (organisch → ?)▪ Verhalten von Schadstofen um

Boden• kein geschlossenes System →

Output• Bodenhorizonte

◦ … sind keine Schichten◦ … entstehen durch Pedogenese◦ … spiegeln Merkmale, Prozesse,

Faktoren wieder

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◦ … Bereiche des Bodens mit einheitlichen Merkmalen◦ … kennzeichnen in ihrer vertikalen Folge einen Bodentyp

• Gesteine …◦ Ausgangsmaterial für Bodenbildung◦ … bestehen aus Mineralen◦ … unterschiedliche Minerale und Korngrößen, je nach Entstehung◦ nach Entstehung eingeteilt (Magmatite, Metamorphite, Sedimentgesteine)◦ nährstofarme: fest (Sandstein, Granit, Gneis), Windsedimente (Flugsand),

Flusssedimente (Quarzsand)◦ nährstofreiche: fest (Basalt, Gabbro, Diabas), Windsedimente (Löss → Mittelhessen),

Flusssedimente (Schichtsilikate)◦ Magmatite: Kristallisation von Magma unterirdisch (Plutonit, Tiefengestein) oder

oberirdisch (Vulkanit, Ergussgesein)◦ Sedimentgesteine: Sedimentation und Verfestigung◦ Metamorphite: Umwandlung von Gesteinen unter hohen Drücken und

Temperaturen• Minerale

◦ homogen, kristallin, bestimmte chemische Zusammensetzung, im allgemeinen anorganisch, natürlich vorkommend

◦ Si, Al, O dominieren◦ 4 * O → Tetraeder◦ SiO2 → stabil◦ Granit (Gestein):

▪ Feldspat, Quarz, Glimmer▪ Silikate: Feldspat, Glimmer▪ Quarz: SiO2 (> 65%)▪ saures Gestein

◦ Basalt (Gestein):▪ reich an Mg, Ca▪ u.a. Pyroxene, Olivine▪ basisches Gestein, SiO2 (< 52%)

• Ausgangssubstrate und Bodenvielfalt

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• reliktisch: Überbleibsel• fossil: begraben• die rezenten (neu, frisch) Böden Mitteleuropas

◦ aus pleistozänen und holozänen Lockersedimenten◦ auf Festgestein zum Teil noch Bodenbildung vorhanden◦ unter Tropischen Bedingungen im Tertiär gebildet◦ die meisten felen im Pleistozänen der Erosion zum Opfer◦ Ausgangssubstrate der rezenten Bodenbildung

▪ Ablagerungen der Meere und Flüsse im Gezeitenbereich (Tidale Sedimente)• marine Ablagerungen (stark salzhaltig)• brackische Ablagerungen• perimarine Ablagerungen: Süßwasserdesimente im Gezeitenrückstaubereich

von Flüssen▪ Fluß- und Bachablagerungen: fuviale Sedimente

• Flussbettablagerungen: geschichtet, Schotter, feinkörnige Ablagerungen• Hochfutablagerungen• glazifuviale Ablagerungen (Schmelzwasserablagerungen)

▪ See- und Beckenablagerungen = lakustrische Ablagerungen• Mudden (organische oder mit organischem Material durchsetzte Sedimente →

Warmzseiten, Holozän)• Beckenablagerungen (stehende Gewässer, humusarm bis -frei, tonig bis

schlufg, teils sandig → kaltzeitlich)▪ äolische Ablagerungen

• Schlufgehalt: 70 bis 80%, Kalkgehalt: 8 bis 15%• gut sortiert, kaum geschichtet• meist Pleistozän• Beispiele: Flugsand, Sandlöß, Löß, Lößlehm

▪ vulkanische Lockermassen (Pyroklastika)• vulkanische Asche• Bims(tuf) → Entstehung im Spätpleistozän, vor etwa 11 000 Jahren

▪ glazigene Ablagerungen (Pleistozän, in den Alpen: Holozän)• Norddeutschland• Süddeutschland

▪ reliktische (fossile) Verwitterungsbildungen aus Festgestein (Tertiär, teils noch älter)• Gesteinszersatz• Gesteinsverwitterungslehme

▪ Hangablagerungen• entstanden durch Fallen• Hangschutt• Fließerde• Kolluvium (Holozän) → setzt menschliche Nutzung voraus

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• periglaziäre Lagen◦ Basislage (1. Eiszeit), Mittellage, Hauptlage,

Festgestein, Auensedimente◦ unterschiedlich mächtig, unterschiedliche

Böden je Lagendicke◦ wichtige Bodenausgangssubstrate◦ in Ausprägung und Mächtigkeit entscheidend

für Standorte in Mittelgebirgen◦ Mittellage: hohe Lößbeimengung → hohe nFK → Ackernutzung

• ausgewählte Gesteine Mittelhessens [A3.5]◦ Devon/Karbon: Grauwacken, Tonschiefer,

Quarzite◦ Trias: Bundsandstein (Marburg)

▪ sandreich, schlechte Wasserspeicherkapazität, nährstofarm

◦ Tertiär (Paläogen+Neogen): vulkanische Gesteine (Basalt)

◦ Quartär▪ Pleistozän: Frostschutt, Flussschotter, Löss▪ Holozän: Auenlehme

• Bodeneigenschaften◦ Forst (Oberhang): LH = Hauptlage → LB =

Basislage → Aufockerungszone (Hakenschlagen) → Festgestein

◦ Brache und Grünland (obere Mittelhanglagen)

◦ Ackernutzung (Mittel- und Unterhänge): LH (z.T. erodiert) → LM = Mittellage → LB

• Geologie Hessens◦ Mittelgebirgsraum mit kleinräumign Wechseln von Becken, Senken, Hochgebieten◦ kleinere/größere Einsenkungen: Wetterau, Amöneburger Becken, Giessener Becken

• Sie kennen nun …◦ Faktoren (G, K, O, R, M, Z)◦ Prozesse (Translokation, …)◦ Bodenmerkmale◦ → treten in Bodenhorizonten in Erscheinung

4. Bodenhorizonte

• Horizonte sind keine Schichten (geologisch entstanden)• durch Prozesse der Pedogenese entstandene, annähernd mit einheitlichen Merkmalen

ausgestattete Bereiche des Bodens• Bodenprofl: vertikale Abfolge von Horizonten → Bodentypen• Benennung

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◦ Haupthorizonte durch große Buchstaben gekennzeichnet (A, B, C, L, H, …)◦ durch kleine Buchstaben näher defniert◦ durch Schrägstriche getrennt: Ap/Al/Bt/lcC → Parabraunerde aus Löss

• Klassifkationen◦ nach Faktoren, Prozesse, Merkmalen◦ Deutschland: Mischung aus allen dreien, Schwerpunkt Prozesse◦ Russland: Faktoren, Klimazonen◦ USA: Merkmale◦ 4 Abteilungen (terrestrische Böden, semiterrestrische Böden, subhydrische, Moore),

21 Klassen, 56 Typen, Subtypen, Varietäten, Subvarietäten• Bodentypen (terrestrische)

◦ Klasse F = O/C Böden◦ Klasse O = terrestrische Rohböden◦ Klasse R = Ah/C Böden außer Schwarzerden

▪ RR = Rendzina (Ah/Cc)▪ RZ = Pararendzina (Ah/eC)

◦ Klasse T = Schwarzerden◦ Klasse D = Pelosole◦ Klasse B = Braunerden

▪ BB = Braunerde (Ah/Bv/C)◦ Klasse L = Lessivés

▪ LL = Parabraunerde (Ah/Al/Bt/(Bv/)C)◦ Klasse P = Podsole◦ Klasse C = Terrae calcis◦ Klasse V = Fersiallitische und ferrallitische Paläoböden◦ Klasse S = Stauwasserböden / Staunässeböden◦ Klasse X = Reduktosole◦ Klasse Y = Terrestrische Anthropogene Böden

• Bodentypen (semiterrestrische) unter Grundwassereinfuss◦ Klasse A = Auenböden◦ Klasse G = Gleye

▪ GG = Gley (Ah/Go/Gr)◦ Klasse M = Marschen

• Ranker (Ah/mC) [klausurrelevant]◦ Wo: Kuppen und Oberhänge in Mittelgebirgen◦ Nutzung: Wald◦ fachgründig, carbonatfreies Festgestein

• Rendzina (Ah/cC) [klausurrelevant]◦ Wo: Kuppen und Oberhänge auf Kalkstein◦ Nutzung: Wald◦ fachgründig, aus Carbonatgestein

• Waldböden

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◦ 29 % der Fläche Deutschlands◦ wichtige ökologische Faktoren

▪ Filter- und Puferfunktion, Reinigung des Niederschlagswassers → Grundwasser!▪ Ausgleichsfunktion (Zwischenspeicherung), Hochwasser- und Erosionsschutz▪ Produktionsfunktion → Holz▪ Lebensraum für Pfanzen▪ Speicherung von CO2

• Pararendzina (Ah/eC) [klausurrelevant]◦ geringe Entwicklungstiefe, Carbonatgehalt 2-75 Masse %◦ Wo: u.a. auf erodierten Hängen und Kuppen in Lösslandschaften◦ Nutzung: Acker

• Braunerde (Ah/Bv/C) [klausurrelevant]◦ Wie: durch Verwitterung verbraunter Unterböden◦ in Mittelgebirgen vorherrschend◦ Nutzung: Acker, Grünland, Wald

• Parabraunerde (Ah/Al/Bt/C) [klausurrelevant]◦ Tonverarmungs- und Anreicherungshorizont◦ Nutzung: Acker

• Gley (Ah/Go/Gr) [klausurrelevant] (liegt im Wasser, oben kein Wasser, unten Wasser)◦ grundwassergeprägt, in Niederungen/Auen◦ Nutzung: Grünland

• Vega (aAh/aM/aG) [klausurrelevant]◦ Auenboden mit tiefem Grundwasserstand◦ Nutzung: Acker

• Pseudogley (Ah/Sw/Sd) [klausurrelevant] (Wasser über dichter Schicht)◦ Staunässeboden mit dichtem Staukörper im Untergrund◦ Plateaulagen◦ Nutzung: Grünland

• Ackerböden◦ Produktionsfunktion◦ Erosionsgefährdung, Verdichtungsgefährdung◦ difuse Quelle für Einträge ins Grundwasser (nFK)/in Oberfächengewässer (runof)

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05.05.2010 – Sitzung 4Teil 1 – Frede

• Nachtrag von letzter Stunde: „Berechnen Sie die mittlere Nitratfracht aus der Konzentration und der Abfussmenge für den Rhein (Abfuss 2330 m3/s, Konzentration 2 mg N/l)“◦ 646.615 t NO3

2.1 Niederschlag

• Fragen:◦ [F4.1] Welche Niederschlagsformen gibt es?◦ [F4.2] Unterschied Bestandes-Niederschlag und Freiland-Niederschlag◦ [F4.3] Welche Messfehler treten bei der Niederschlagsmessung auf?◦ [F4.4] Wie misst man den Gebietsniederschlag?

• [1] Niederschlagsformen◦ füssig

▪ Tau▪ Nebel (Kondensation bei feuchtgesättigter Luft, Teilchen bleiben in Schwebe)▪ Nieselregen (0,1-0,5 mm bei 0,25-2 m/s)▪ Regen (0,5 – 5 mm bei 2-9 m/s)

◦ fest▪ Reif▪ Hagel: gefrorene Regentropfen▪ Schneefocken: bis mehrere cm bei 1-2 m/s, ab -12°C kondensiert Wasserdampf

direkt zu kleinen Eiskristallen (Resublimation)▪ Graupel: unregelmäßig geformte, lufthaltige Teilchen mit 2-5 mm

• [3] Niederschlagsmessung◦ aufzustellen in 1 m Höhe◦ Hellmann-Regenmesser: Öfnung: 200 cm², 1 mm = 1 l/m2

◦ Messung von Nebelniederschlag (Drahtzylinder als Nebelfänger)◦ Fehler: Tropfen trefen auf Rand des Regenmessers und springen raus, Niederschlag

bleibt am Regenmesser haften und bildet keine messbare Menge• [2] Freilandniederschlag ↔ Bestandsniederschlag

◦ Interzeption zwischen Blättern◦ BFI = Blattfächenindex◦ Freilandniederschlag NF → Kronendurchlass NT (Wasser tropft durch Krone hindurch),

Stammablauf → Bestandesniederschlag NB

▪ NB = NT + NS

▪ Interzeption = NF – NB

◦ Kronendurchlass in % des Niederschlags▪ Buschvegetation: ca. 75%▪ Eiche/Buche: ca. 72%

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▪ Buche: ca. 65%▪ Fichte: ca. 55% → immergrün

• Nebel◦ Nebelfänger (z.B. Namib-Wüste)

• Schnee◦ 10 cm Pulverschnee → wieviel Liter Wasser pro Hektar?◦ Schnee: Dichte: 0,1-0,6 g/ccm (Kubikzentimeter)

▪ 10 cm → 100 mm * 0,1 → 10 mm oder 10l/m2 Äquivalent in Wasser, 100.000 Liter/ha▪ 1 ha = 10.000 m², Regen: Dichte von 1g/ccm

• Berechnung des Gebietsniederschlags◦ Thiessen-Verfahren◦ Hpysometrisches Verfahren (entlang Höhenlinien)

• Messfehler◦ Aufstellhöhe◦ Aufstellort (Tropfbereich eines Baumes, Hausecke mit Turbulenzen, …)◦ Schneewehen◦ Interzeptionsverluste◦ Auswertungsfehler

2.7 Grundwasser (Teil 2 – Breuer)

• Grundwasser◦ Aquifer = Grundwasserspeicher◦ gesättigte ↔ ungesättigte Zone (Grundwasserfurabstand = Abstand von Oberfäche

zur gesättigten Zone)◦ minus: Transpiration, Evaporation, Oberfächenabfuss, Kanalisation, Zwischenabfuss,

Speicherung◦ plus: Niederschlag

• Grundwasserneubildung◦ Sickerwassermenge, die Grundwasseroberfäche erreicht◦ entscheidend: Infltration von Niederschlags- und Oberfächenwasser,

Evapotranspiration, Bodenfeuchtespeicherung (Bodenart), Abfussbildung in ungesättigter Zone

◦ vorwiegend im Winter• Messung der Grundwasserneubildung

◦ Wasserbilanz◦ Lysimeter◦ Wasserwerksmethode

▪ Auspumpen eines Grundwasserbrunnens▪ Messung wie lange es dauert bis der entstandene Trichter wieder ausgeglichen ist

• Messung des Grundwasserstandes◦ an Grundwassermessstelle (Informationen: Koordinaten, m ü. NN)◦ mit Kabellichtlot, Grundwasserpfeife, Drucksensor, Kapazitätssensor

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• Grundwasserfießrichtung◦ Ausrechnung des Potenzials = Fließrichtung◦ mit Hilfe der gemessenen Grundwasserstände

• Aquifer = mit Wasser gefüllter Leiter◦ aufgesetzter Aquifer auf Tonlinsen im Boden

• Aquiclude = Grundwassernichtleiter• Aquitarde = fächenhaft weit verbreiteter Geringleiter• Stockwerksbildung

◦ Trennung mehrerer übereinanderliegender Aquifere durch Aquiclude oder Aquitarde• ungespanntes und gespanntes Grundwasser

• Grundwasserleiter◦ Lockergesteins-Poren-Grundwasserleiter

▪ meist runde Hohlräume, aus Zeiten der Sedimentation▪ Geröll, Schotter, Sand, Kies

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▪ von großer Bedeutung, da an Erdoberfäche weit verteilt, wasserdurchlässig und gut erforscht

◦ Festgesteins-Kluft-Grundwasserleiter▪ Fugen, Spalten, … durch Gebirgsentspannung, Magmaerstarrung,

Sedimentationsunterbrechungen▪ Sandsteine, Basalt, Gneis, Granit▪ für Wassergewinnung dort von Bedeutung, wo porige Gesteine fehlen

◦ Karst▪ Klüfte, Spalten, Dolinen durch Lösungsvorgänge entstanden▪ Dolomitsteine, Gips▪ für Wassergewinnung nur in besonderen Fällen genutzt

• Grundwasserqualität◦ bedingt durch Ursprungsgestein◦ z.B. Wasserhärte von Wasser aus Gipsmergelgestein deutlich höher als bei Quarzit

• Quelltypen◦ Klassifkationsmöglichkeit:

▪ absteigende Quellen: freies Grundwasser▪ aufsteigende Quellen: artesisches Grundwasser

◦ Spalten- oder Störungsquelle◦ Stauquelle◦ Verengungsquelle◦ Schichtquelle

• Aufgabe◦ Quelle: 100 m3/d = 100.000 l/d = 36.500.000 l/a◦ Jahresniederschlag: 1000 mm/a◦ Abfuss: 130 mm/a◦ Evapotranspiration: 370 mm/a◦ → 500 mm/a → 500 l/m2/a◦ → 365 * 100 = 36 500 m3/a◦ 36.500.000 / 500 = 73000 (m²)

2.7.1 Uferfiltration

• Uferfltrat = Wasser, das in unmittelbarer Nähe zu Oberfächengewässern aus dem GW entnommen wird und somit zu einem großen Teil aus diesem besteht

• Zusammenhang zwischen Grundwasserkörper und Flusswasser◦ rechter Winkel: Gleichgewicht zwischen Fluss- und Grundwasser◦ spitzer Winkel: Grundwasserkörper speist Fluss◦ stumpfer Winkel: Fluss speist Grundwasserkörper

• Trockenwetterabfuss und Uferfltration◦ Trockenwetterabfuss (Flusspegel < GW-Pegel): Grundwasserkörper speist Fluss◦ Hochwasser (Flusspegel > GW-Pegel): Fluss speist Grundwasserkörper

• künstliche Grundwasseranreicherung durch Sickerbecken

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◦ Sickerbecken mit Sandboden (austauschbar, um die Filterfähigkeit des Bodens nicht zu überlasten)

• Brunnengalerie = Gewinnung von Uferfltrat• Bedeutung des Uferfltrats

◦ Anteil von Uferfltration an der Wassergewinnung in Deutschland: 5,2 % (2001)◦ 70% des Berliner Trinkwassers aus Spree und Havel

• Uferfltrat WasserqualitätFluss Limmat Uferfltrat Einheit

Keimzahl < 29 000 < 640 pro ml

O2 10,1 5,2 g/m³

Biomasse < 7 < 0,02 g/m³

19

12.05.2010 – Sitzung 5

2.2 Kapillarität

• Fragen◦ [F5.1] Wie ändert sich die Porenverteilung bei Verdichtung?◦ [F5.2] Was ist „efektive Durchwurzelungstiefe“, „Flurabstand“ und „Grenzfurabstand“?

• Porenmaterial wird nie ganz dicht◦ Erosion durch Oberfächenabfuss

• Berechnung des Gesamtporenvolumens◦ 1. Stechzylinderentnahme (100 cm³)◦ 2. Trocknung, Gewichtsbestimmung (150 g/100 cm³)◦ 3. Dichte des Bodenkörpers TD (1,5 g/cm³)◦ 4. Dichte der Festsubstanz D (2,65 g/cm³)◦ 5. TD/D = 0,57 = 57 %◦ 6. Porenvolumen = 43 %

• Struktur des Porenraums◦ Primärporen (zwischen Körnern, bestimmt durch Pckungsdichte)◦ Sekundärporen (unabhängig von Körnern)

• Körner◦ Korndurchmesser (Durchmesser eines Korns an seiner dicksten Stelle) ↔

Äquivalentdurchmesser (Durchmesser eines Kornes mit dem selben Volumen)◦ Korngrößenanalyse durch Schweretrennung (Atterberg-Analyse)

▪ Durchmischung der Körner in Wasser▪ Absinken der Körner (sortiert)

◦ Korngrößenklassen▪ im Boden: 2000 µm bis < 2 µm▪ Sand (grobkörnig): 2000 – 63 µm▪ Schluf (mittel): 63 – 2 µm▪ Ton (feinkörnig): < 2 µm

◦ Packungsmöglichkeit: kubisch (locker) → hexagonal (dicht, Kugelpore geht verloren)• Verhältnis Korngröße ↔ Porenvolumen

◦ Würfel mit Kantenlänge 2 R: 8 R3

◦ Kugel mit Durchmesser 2 R: 4,18 R3 (4/3 * pi * R3)◦ Porenvolumen: 3,82 R3 → Würfelvolumen minus Kugelvolumen

• Verhältnis Korngröße ↔ Porendurchmesser◦ Kugel-Durchmesser: D◦ Kanalporendurchmesser: 0,4 D◦ Kugelporendurchmesser: 0,7 D◦ Bsp.: Dschluff =30,Rschluff=15, r=0,41⋅15=6,D Kanalpore=12◦ Kanalpore ca. 1/3 des Korndurchmessers

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• Porenvolumen in Abhängigkeit von der Packungsdichtelockerste Packung dichteste Packung

Gesamtporenvolumen 48 % - 22 26 %

Kugelporen 21 % - 19 2 %

Kanalporen 11 % - 9 2 %

Restporen 16 % + 6 22 %

◦ zu 5.1: Kanalporen gehen zurück• Korn- und Porendurchmesser

Korndurchmesser Porendurchmesser

Ton < 2 µm < 0,7 µm

Schluf 2 – 63 µm 0,7 – 20 µm

Sand 63 – 2000 µm 20 – 670 µm

• Äquivalentpore◦ Vereinfachung komplizierter Poren◦ engste Stelle = Referenzpunkt

• Warum ist der Tropfen kugelförmig?◦ Jeder Körper will kleinste Oberfäche annehmen, diese ist bei einer Kugel am

kleinsten◦ Oberfächenspannung:

▪ K=2⋅l⋅ oder = K2⋅l

▪ Was sind l, sigma und K?▪ Wasser: 72⋅10−5N cm−1 , Quecksilber:

420⋅10−5 N cm−1

◦ Teilchen werden aufgrund der Atomstruktur nach innen gezogen

◦ energiegeladene Grenzschicht• Kapillardruck → nicht wichtig

◦ Oberfäche ( F ): A= F⋅◦ Volumen ( V ): A=V⋅P

◦ P=2r

◦ Was ist Sigma? Was ist A?• kapillare Steighöhe

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◦

◦ Annahme: r = R → Formeln unwichtig

P=2R

K=P (K = Gewicht der Wassersäule)

◦ h=3000d

→ wichtig!

◦ Wasser steigt kapillar höchstens 10 m auf◦ Aufstieg so langsam, dass Kohäsionskräfte/Aufstieg nicht wahrnehmbar

• Funktion kapillarporöser Körper (keramischer Platten)◦ luftundurchlässig und wasserdurchlässig ↔ luftdurchlässig

• pF-Wert = Matrixpotential = die Energie, mit der das Bodenwasser entgegen der Schwerkraft in der Bodenmatrix gehalten wird

• Feldkapazität = die Menge Wasser, die als Haftwasser im Boden zurückgehalten wird, nachdem das durch Schwerkraft bewegbare Wasser abgefossen ist

• nutzbare Feldkapazität = Teil der Feldkapazität, der durch Pfanzen genutzt werden kann → nFK = FK – PWP

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• physikalische Eigenschaft von Böden

nutzbare FeldkapazitätpF: 4,2 – 1,8

FeldkapazitätpF: 1,8

Permanenter Welkepunkt, pF: 4,2

Sand (S) 8 10 2

Schluf (L) 24 37 12

Ton (T) 10 42 32

23

19.05.2010 – Sitzung 6Teil 1 – FredeNachtrag Kapillarität

• Fragen:◦ [F6.1] Der Grenzfurabstand der Zuckerrüben (efektive Durchwurzelungstiefe: 100

cm) beträgt 250 cm. Um welche Bodenart handelt es sich?▪ h = 3000/Porendurchmesser

150 = 3000/PorendurchmesserPorendurchmesser = 3000/150 = 2020 * 3 = 60 µm

◦ [F6.2] 140 cm über dem Grundwasserspiegel beträgt die Saugspannung -180cmWS100 cm über dem Grundwasserspiegel beträgt die Saugspannung -80cmWSIn welche Richtung fießt das Wasser?

◦ [F6.3] Was ist der Unterschied zwischen der gesättigten und der ungesättigten Leitfähigkeit?▪ ungesättigte nimmt ab, wenn Wasser entzogen wird▪ ungesättigte: eine Funktion, gesättigte: ein Wert pro Substrat

• efektive Durchwurzelungstiefe:◦ bestimmt aus PWP, FK, Wassergehaltsminimum am Ende eines niederschlagsarmen

Sommers◦ Feld- und Luftkapazitätenv

• Flurabstand: Abstand von der Oberfäche bis zum freien Grundwasserspiegel• Grenzfurabstand: Tiefe, bis zu der ein Grundwasserspiegel Einfuss auf die Verdunstung

und den Ertrag hat• Wassersättigung und Stabilität: Bruch-/Plastizitäts-/Klebe-/Fließ-Grenze → je nach Vol.%

Wassergehalt• Porendurchmesser * 3 = Korngröße• Bodenstabilität in Abhängigkeit vom Wassergehalt (Menisken?)

2.3 Das Potentialkonzept

• Pfanzen leisten bis zu 15 bar Unterdruck zum Aufnehmen von Wasser• Potential = „freie Energie“ → Arbeit, die notwendig ist um eine Einheitsmenge Wasser von

einem Punkt eines Kraftfeldes zu einem Bezugspunkt zu transportieren◦ Arbeit, die notwendig ist, um eine Einheit Wasser von einer freien Wasseroberfäche

(Grundwasser) auf eine bestimmte Höhe im Porensystem zu heben• potentielle Energie: E pot=m⋅b⋅h (m = Masse in kg, b = Beschleunigung in (m*s)2, h

= Höhe in m) bzw. Potential des Wassers =m⋅g⋅h (m = Masse des Wassers, g = Erdbeschleunigung, h = Höhe über einer Wasseroberfäche als Bezugsniveau)

• Messung der Saugspannung (Tensiometer)◦ hohle Keramik-Kerze mit kapillarem Kontakt zum Boden◦ luftdichter Schlauch angeschlossen, Messgerät mit Bimetall◦ Messung in cmWS (Zentimeter Wassersäule)

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• Diagramm cmWS – cm Bodensäule◦ Schwerkrafteinfuss = Gravitationspotential/Schwerkraftpotential → Z

◦ vom Hohen zum Niedrigen Potential = der Schwerkraft folgen = „Bestreben einen kleineren Wert anzunehmen“

◦ graphische Darstellung des Einfusses der Schwerkraft◦ Matrixpotential/Saugspannungspotential m : um Wasser gegen die Schwerkraft

zu halten◦ hydraulisches Potential: (Maß für die Energieverhältnisse des Wassers)◦ andere Potentiale: Druckpotential, osmotisches Potential

• Salzanreicherung stellt in Europa kein Problem dar, da der Boden im Winter ausgewaschen wird (anders in ariden Gebieten!)

• Hydraulisches Potential◦ Einfuss der Schwerkraft immer gleich◦ Saugspannung je nach Wassergehalt unterschiedlich

• [F6.2]

0 = m

+ Z

Poben-40 -180 +140

Punten+20 -80 +100

◦ → Das Wasser fießt von unten nach oben (zum niedrigeren Potential)• Gesetz nach DARCY

◦ q=−K⋅i , wobei q = Durchfussmenge/Zeit (cm3*cm-2*t-1), k = hydraulische Leitfähigkeit (cm*t-1), i = hydraulischer Gradient

◦ für gesättigtes Fließen: q=−K f⋅h l

, wobei k = gesättigte Leitfähigkeit (cm*d-1),

h l

= hydraulischer Gradient → unwichtig

◦ gesättigte: Boden Wassergesättigt → ein Wert

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◦ ungesättigt: je nach Sättigung unterschiedlich → Funktion, ungesättigte Leitfähigkeit nimmt ab, je weniger Wasser vorhanden (Wasser fießt langsam)

• Spezifscher Widerstand◦ Kies in der Leitung → Widerstand◦ spezifscher Widerstand =

DruckdifferenzDurchflussmenge und Zeit

⋅QuerschnittLänge

= cm⋅tcm3⋅

cm2

cm= t

cm◦ k f → Leitfähigkeitswert

▪ charakteristisch für jeden Boden

▪ es gilt: k f=1

spezifische Widerstand▪ kf-Werte: Ton: < 10 cm/Tag, Schluf: 10 – 100 cm/Tag, Sand: 100 – 1000 cm/Tag

◦ k u=qi→ Leitfähigkeitswert im ungesättigten Boden

◦ Leitfähigkeitsfunktionen

◦ Porensprung von feinen zu groben Poren: Wasser sickert nicht durch▪ Beispiel: Stroh auf dem Acker wird untergepfügt, lockeres Material, Wasser staut

sich an der Oberfäche▪ Weg durch Boden wird lang, weil Wasser um grobe Poren „herumfießen“ muss

26

26.05.2010 – Sitzung 7

2.8 Gewässerstruktur und Gewässergüte

• [A7.1] Gewässergüte = ökologischer Zustand im Gewässer selbst (Wasserqualität)• [A7.1] Gewässerstrukturgüte = Lebensraum am Gewässer, ökologischer Zustand im

Bereich, der das Gewässer prägt• Bedeutung hoher Gewässer(struktur)güte

◦ ökologische Funktionsfähigkeit sichern und verbessern◦ Fließgewässer als Lebensraum für Tiere und Pfanzen◦ Erhaltung von Ökosystemfunktionen (Hochwasserschutz, Wasserversorgung,

Biodiversität)◦ → ökonomisch, ökologisch → optimale Mischung aus beidem wünschenswert◦ Landschaftsbild (ästhetisches Empfnden)

▪ naturnaher Auen-/Gewässerbereich wünschenswerter• Wasserqualität

◦ Belastungsquellen▪ Punktquellen (eindeutig identifzierbar)

• Rohreinleitungen, Kläranlagen, Industrie, Kanalisation▪ difuse Einträge (fächenhafter Eintrag)

• Luft, Niederschlag, Erosion, Oberfächenabfuss• Pestizide, Versickern (Nitrat), Erosion (Phosphat)

• [A7.2] Parameter (physikalisch, chemisch)◦ Temperatur◦ Sauerstofgehalt◦ pH-Wert◦ Salzgehalt◦ Nährstofe (Nitrat, Phosphat): klassische Einfüsse aus der Landwirtschaft◦ Pharmazeutika: Probleme durch Medikamentreste (hormonell)

▪ z.B. durch die Pille: männliche Arten in Gewässern „verweiblichen“▪ Krankenhäuser als große Gewässerverunreiniger (bezogen auf Medikamente)

◦ Urangehalt• [A7.2] biologische Parameter

◦ Saprobienindex (Zeigearten) DIN 38410▪ erlaubt Rückschlüsse auf Sauerstofversorgung und Sauerstofkonzentration▪ Köcherfiegenlarven (mit/ohne Köcher)

◦ Plankton◦ benthische Algen → Benthos = Gesamtheit aller in der Bodenzone eines Gewässers

vorkommenden Lebewesen◦ Makrophyten (Wasserpfanzen)◦ benthische Fauna◦ Fische

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• Beispiele für biologische Indikatoren◦ Steinfiegenlarve (Gkl I), Köcherfiegenlarve (Gkl II), Cilia (Gkl III)

• [A7.3] Gewässergüteklassen◦ unbelastet bis sehr gering belastet → oligosaprob → I◦ gering belastet → oligo-betamesoprob → I - II◦ mäßig belastet → betamesoprob → II◦ kritisch belastet → beta- alphamesosaprob → II - III◦ stark verschmutzt → alphamesosaprob → III◦ sehr stark verschmutzt → alpha- mesopolysaprob → III - IV◦ übermäßig verschmutzt → polysaprob → IV

• [A7.3] Probleme der Bewertung◦ Neobiota (Einwanderung neuer Arten)

▪ durch Zusammenschluss europäischer Wasserwege▪ Verdrängung der heimischen Flora/Fauna▪ Erschwerung der Bewertung durch Saprobiensytem

• Gewässerstrukturgüte◦ Merkmale

▪ Abfuss(dynamik)▪ Struktur des Gewässerbetts (Flachwasserbereiche, ausgebaggert, …)▪ Strömungsvarianz

• gerade, betonierte, ausgebaggerte Bereiche mit wenig Strömungsvaianz• mäanderreiche Auenbereiche mit starker Strömungsvarianz → dort mehr Arten

▪ Substrate• Material der Bachsohle (betoniert, Sand, Kies, natürliches Substrat)

▪ Struktur des Uferbereichs• anschließende Ufervegetation (natürlich, andere Arten, Bebauung,

Puferzonen)• wichtig beim Hochwasserschutz

◦ „Messung“ der Gewässerstruktur▪ Laufentwicklung (Krümmung, Beweglichkeit)▪ Längsprofl (natürlich Längsproflelemente, anthropogene Wanderbarrieren)▪ Sohlenstruktur (Art/Verteilung der Substrate, Sohlenverbau)▪ Querprofl (Proflform, Profltiefe, Breitenentwicklung)▪ Uferstruktur (naturraumtypischer Bewuchs, Uferverbau, naturraumtypische

Ausprägung)▪ Gewässerumfeld (Vorland, Gewässerrandstreifen)▪ Morphologie/Strukturen: Altarme, Prallhang/Gleithang, Sand-/Kiesbänke,

Uferabbrüche, Kolke, Totholz◦ Strukturgüteklassen

▪ (1) naturnah, (2) bedingt naturnah, (3) mäßig beeinträchtigt, (4) deutlich beeinträchtigt, (5) merklich geschädigt, (6) stark geschädigt, (7) übermäßig geschädigt

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• Morphologie / Substrate

• Flussordnungszahl◦ klassische Ordnung (1 – 2 – 3), Strahler (3 – 2 – 1), Shreve (4 – 2 – 1)◦ morphometrische Analyse und Einordnung◦ Aussage über Grad der Verzweigung

• Sanierung, Renaturierung und Strukturänderung◦ EU-Wasserrahmenrichtline (WRRL)

▪ Ziel: Erreichen eines guten Zustandes bei Oberfächen- und Grundwasser▪ ABER: „guter Zustand“ wird von EU-Staaten defniert▪ in Deutschland: Gewässergüte II (mäßig belastet)▪ bezieht sich auf Wasserqualität und Gewässerstruktur▪ Umsetzung bei Gewässerstruktur abhängig von fnanziellen Mitteln und

Verhältnismäßigkeit• [A7.4] Leitbild = Referenzzustand

◦ potentiell natürlicher, anthropogen unbeeinfusster Zustand eines Gewässers◦ aus fachlicher Sicht maximal mögliches Sanierungskonzept◦ Kosten-Nutzungsbetrachtung nicht berücksichtigt

• [A7.4] Entwicklungsziel◦ realisierbarer Zustand, unter sozioökonomischen Verhältnissen, möglichst naturnah◦ Kosten-Nutzungsbetrachtung berücksichtigt

• Ist-Zustand◦ aktueller Gewässerzustand◦ Diferenz zu Entwicklungsziel: Sanierungsbedarf

• Spezifsche Leitbilder◦ FG = Fließgewässer

• Beispiele

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◦ ökologische Durchlässigkeit▪ Wehr ↔ Sohlrampe

◦ Reaktivierung von Furkationsrinnen (Lahntal)• Beispiel Renaturierung Lahn

◦ Vorgehen▪ Freilanderhebung + Quellenstudium → Ist-Zustand▪ Leitbildanalyse + sachliche, rechtliche Vorgaben → Entwicklungsziel▪ Defzitanalyse → Maßnahmen

◦ Ist-Zustand: Flussregulierung, Einbettgerinne, Entkopplung von Aue und Fluss, alte Hochfutmulde im Relief vorhanden, Sohlenerosion, auentypische Pfanzengemeinschaften

◦ Entwicklungsziele: lokaler/regionaler Hochwasserschutz, Wiederherstellung einer mittellauftypischen Auenlandschaft

◦ Retentionsraumgewinn: 200 000 m³• Probleme

◦ Leitbilder nicht umsetzbar/erwünscht◦ Braucht Eigendynamik Starthilfe?◦ Ganzheitlicher Ansatz◦ verändertes Leitbild durch historische Entwicklung

• Beispiel Wieseck◦ natürlicher Verlauf ≠ heutiger Verlauf

• Fragen◦ [F7.1] Was ist der Unterschied zwischen Gewässergüte und Gewässerstrukturgüte◦ [F7.2] Welche Faktoren bestimmen Gewässergüte und Gewässertrukturgüte?◦ [F7.3] Wie kann die Gewässergüte bestimmt werden, was sind Vor- und Nachteile?◦ [F7.4] Was ist der Unterschied zwischen Leitbild und Entwicklungsziel, wo sind die

Grenzen bei der Umsetzung?

30

02.06.2010 – Sitzung 8• Fragen

◦ [F8.1] Wieviel % der eingestrahlten Energie steht für Verdunstung zur Verfügung?◦ [F8.2] Was verstehen Sie unter Glashausefekt?◦ [F8.3] Was ist potentielle Verdunstung?◦ [F8.4] Wie kann ich potentielle Verdunstung berechnen/messen?◦ [F8.5] Was besagt der Transpirationskoefzient/der WUE?

2.4 Energiehaushalt

• Ausstrahlung eines schwarzen Körpers◦ Wien'sches Verschiebungsgesetz

▪ Wellenlänge des Strahlungsmaximums

▪ max=T

, T = Temperatur

◦ Stefan-Boltzmann-Gleichung▪ gibt Strahlungsleistung in Abhängigkeit von Temperatur an

▪ J =⋅T 4 , J = Strahlungsstrom◦ Plank'sches Gesetz

▪ Verteilung der Wellenlängen eines Schwarzkörpers bei einer bestimmten Temperatur

▪ Ausstrahlung der Erde (14°C = 287 K) langwellig▪ Ausstrahlung der Sonne (5778 K) kurzwellig

• Spektrum der elektromagnetischen Wellen• Energiehaushalt der Erde und der Atmosphäre

• [F8.1] 24 % der Energie stehen zur Verfügung → latenter Wärmestrom (Wasserdampf → Verdunstung!)

31

2.5 Verdunstung

• Verdunstungsenergie (50. Breitengrad): 1.591.800 KJ / m² (entspricht 655 l / m²)• potentielle Evapotranspiration ( ET pot )

◦ Verdunstung von niedrigem, grünen Pfanzenbewuchs in vollem Wachstum, vollständig beschattet, von gleicher Höhe, mit Wasser im Überschuss

◦ beteiligte Größen: Windgeschwindigkeit, Sättigungsdefzit, Temperatur, Strahlung◦ Messung [F8.4]

▪ Lysimeter (Lösungsmesser)▪ Class A Pan

◦ Berechnung von ET pot aus Sättigungsdefzit [F8.4]▪ nach Haude: ET pot= f⋅e s−ea , in mm/d, es = Sättigungsdampfdruck,

ea= aktueller Dampfdruck, f = Haude-Faktor (monatsspezifsch)

▪ nach Thornthwaite: ET pot=1,610tla

(nicht klausurrelevant)

• Sättigungsdefzit◦ Verdunstung ist eine Funktion des Dampfdruckgradienten und der örtlichen

Windgeschwindigkeit → DALTON-Gleichung◦ Verdunstung hängt davon ab, inwieweit der sich bildende Wasserdampf abgeführt

werden kann• Sättigungsdampfdruckkurve• aktuelle Verdunstung, Zusammenhang wischen Verdunstung und Ertrag• Stomata

◦ Stofströme (Folie)◦ mehr CO2 in Gewächshäusern → schnelleres Pfanzenwachstum

• Photosyntheseleistung

◦ Transpiration: T=e

rar s

◦ Photosynthese: …

◦ P=AT e

▪ je höher Transpiration desto höher der Ertrag → nicht immer gültig▪ wieviel mm Wasser werden an der Blattoberfäche durch Verdunstung

abgegeben, um 1g Trockenmasse zu produzieren▪ je niedriger der Wert, desto ökonomischer der Wasserhaushalt

• [F8.5] Transpirationskoefzient = kg Wasser / kg Trockenmasse• [F8.5] WUE = Water Use Efciency = kg Trockenmasse / kg Wasser

2.9 Wasserbilanzen

• [F8.6] Warum ist die Sickerwasserspende in einem Sandboden höher als in einem Lössboden?

• Verdunstung und Niederschlag im Umkreis Gießen

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◦ mehr Verdunstung als Niederschlag → Aufüllen des Defzits durch GW

N=ETIAs±V ← nFK mm/dm

Löss 650=500150±0 25 % 25 mm/dm

Sommer 350=45050−150Winter 300=50100150

Sand 650=350300±0 10 % 10 mm/dm

Sommer 350 = 200 + 100 - 50

Winter 300 = 50 + 200 + 50

• [A8.6] Weil der Sandboden eine geringere nutzbare Speicherkapazität hat.• Hauptsickerperiode im Winter

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30.06.2010 – Sitzung 9• Fragen

◦ [F9.1] Vor einem Starkregen von 30 mm befndet sich eine Nitratfront in einem Sandboden in 30 cm Tiefe. Wie tief wird sie verlagert.

3.0 Landschaftsstoffhaushalt

• Bewegung enormer Stofmengen → umweltrelevant• I/O-Analyse• Landwirtschaft als größter Nutzer

◦ exhaustive Ressourcennutzung = Lebensmittelerzeugung◦ Entzug von Nährstofen (Produkte) erfordert Zufuhr von Nährstofen◦ Drei-Felder-Wirtschaft◦ Beispiel Baum: in sich geschlossenes System (herabgefallenes Laub liefert Nährstofe)

• Heidelandschaft als Kunstprodukt◦ da Entzug der Nährstofe durch Entnahme durch Landwirte, die damit ihr Vieh

gefüttert haben, dessen Dung wiederum zum Düngen der eigenen Felder verwendet wurde

• 100 kg/ha mehr in Systeme (BRD) als benötigt → Überschuss der Bilanzen (Input minus Output)

3.1 Stofftransport

• Wenn Stofe im Überschuss sind, wie kommen sie aus dem System heraus?• Kationen werden nicht ausgewaschen (positiv), Tonminerale negativ geladen• Sulfat wird ausgewaschen• Verdrängung in einer Kapillare → Stof der „oben“ in eine Kapillare gelangt ist nicht

identisch zu dem der unten austritt → enormer Zeitfaktor• Boden mit geringem Speichervermögen → Sandboden• Boden mit hohem Speichervermögen → Löss• Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser: 50 mg NO3/l• Piston-Flow

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• Verlagerungstiefe dm=Sickerwasser mm

Wassergehalt mm/dm→ Klausurrelevant

◦ bezieht sich auf ein Jahr?

◦ Sand: 30dm=30010

◦ Löss: 5dm=15030

→ Nährstofe sind länger im Boden verfügbar

◦ Verlagerungsfront:

◦ Beispiel: Gülle darf nicht im Winter ausgebracht werden → versickert zu schnell und ist nicht mehr pfanzenverfügbar im Sommer

• Aufgabe: Verteilung von Tritium (Tchernobyl)

◦ 82dm=Sickerwasser30

◦ 82⋅30=2460mmSickerwasser

◦2460150

=16,4 Jahre (entspricht dem Jahr 1968)

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t

NaCl

4.0 Wärmehaushalt

• Temperatureigenschaft der Böden• Dämpfung des Temperaturgradienten im Boden• Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit

◦ Komponente Wärmek. ( J⋅cm−3⋅K−1 ) Wärmeleitf. ( J⋅cm−1⋅s−1⋅K−1 )◦ Quarz 2,11 0,088◦ Ton 2,49 0,029◦ Humus 2,76 0,0025◦ Wasser 4,19 0,0059◦ Luft 0,0012 0,00025

• q=⋅dTdx

, q = transportierte Wärmemenge, %LAMBDA = Wärmeleitfähigkeit (

J⋅cm−1⋅s−1⋅° C−1 , dT = Temperaturdiferenz (°C), dx = Fließstrecke (cm)

• Wärmehaushalt in Abhängigkeit vom Wassergehalt

◦ starker Anstieg von wegen Menisken, die Leitfähigkeit über Wasser und über weitere Distanzen herstellen

• Landwirt lockert Boden: Volumen steigt an → Wasser verteilt sich auf mehr Volumen → Volumenbezogen weniger Wasser → Temperaturleitfähigkeit ändert sich (steigt z.B. an)

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07.07.2010 – Sitzung 10

5.0 Gashaushalt

• Wie kann der Gasaustausch erfolgen?• Gasumsatz zwischen Boden und Atmosphäre

◦ atmosphärische Luft ↔ Bodenluft ↔ Wasserdampf◦ Wurzel- und Mikroorganismenrespiration

• Gastransport◦ Tortuose Pore in einer Bodensäule◦ Difuser Gastransport

▪ 1. FICK'sches Gesetz

• q=−Ds⋅dcdx

◦ q = Teilchenstromdichte/Fluß ( cm3⋅cm−2⋅t−1 )

◦ Ds = Difusionskoefzient in Luft ( cm2⋅t−1 )◦ dc = Konzentrationskoefzient◦ dx = Wegstrecke (cm)

• Ds=D0⋅1⋅E L

◦ Ds = scheinbarer Difusionskoefzient ( cm2⋅t−1 )◦ t = Tortuosität

◦1

= Kontinuität

◦ E L = luftgefüllter Porenanteil ( cm3⋅cm−3 )• Difusionskoefzient ist Konstante

◦ Luft: 2,03*10-1, Wasser: 2,60*10-5 cm2*sec-1 Difusionskoefzient, Festsubstanz: ca. 10-11

◦ Wasser ist unüberwindbare Hürde• Anzahl der Poren

◦ 1 Pore mit 10% des Gesamtvolumens◦ 2 Poren mit insgesamt 10% des Gesamtvolumens◦ ganz egal ob eine oder zwei Poren◦ bremsende Kraft der vergrößerten Grenzfäche wirkt nur bei Wasser◦ bei Gas spielt Porendurchmesser keine Rolle

• durchgängige Poren nötig (ohne Wasserbarrieren etc.)• Bestimmung der Sauerstof-Difusionskoefzienten

◦ Difusionsmessgefäß▪ 95% ist Difusion▪ [Transportgleichungen] → nicht klausurrelevant▪ Kontinuitätsprinzip (Menge Input gleich Menge Output)

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▪ 2. FICK'sches Gesetz◦ Modellrechnung 1: Verschlämmung◦ Modellrechnung 2: Tiefpfügen bei gleichen Randbedingungen◦ Modellrechnung 3: Difusion in Aggregate verschiedener Größe

▪ Difusion in Aggregate schwierig, je größer der „Klumpen“, desto weniger Sauerstof im Zentrum

◦ Konvektion▪ Massentransport▪ sehr selten, von geringer Bedeutung▪ Wasser von Niederschlag drückt Gas im Boden nach unten

6.0 Erosion

• zwei große Probleme: Erosion, Versalzung• Unterschiede Wasser-/Winderosion

Winderosion Wassererosion

kritische Geschwindigkeiten groß kleiner

Dichteunterschied zw. auslösendem und transportierendem Medium

groß klein

Relief (zeitinvariant) unbedeutend bedeutend

Richtung des Prozesses ungerichtet gerichtet

• Wassererosion◦ Materialien werden transportiert und abgelagert◦ 4 Formen

▪ fächenhafte Erosion (< 2 cm tief )▪ lineare Formen (Rillen < 2 cm, Rinnen < 15 cm, Gräben > 45 cm)▪ Massenversatz (Rutschen in Schollen)▪ Oberfächenabfuss ohne Erosion (Grünland)

◦ 3 Phasen der Wassererosion▪ Herauslösen▪ Transport▪ Sedimentation

◦ Teilprozesse der Oberfächenverschlämmung▪ mechanische Einregelung: „sortieren“ der Partikel, abhängig von

Aufprallenergie, Scherwiderstand, Korngröße, Lagerungsdichte▪ Aggregatzerstörung: abhängig von Aufprallenergie, Aggregatstabilität,

Aggregatgröße▪ Einwaschung: abhängig von Lagerungsdichte, dispergierter Ton, Infltration▪ Ablagerung: abhängig von Oberfächenrauhigkeit, Bodenabtrag im Abfuss,

Abfussgeschwindigkeit◦ Tropfendurchmesser und Niederschlagsintensität

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▪ je größer der Tropfen desto größer Aufprallenergie und -geschwindigkeit (vereinfacht)

▪ NS-Intensität nimmt bei sehr großen Tropfen wieder ab◦ konservierende Bodenbearbeitung

▪ Mulchen (Stroh und Erntereste bleiben zum Schutz vor NS auf Bodenoberfäche)• Winderosion [klausurrelevant]

◦ Windstärkeskala nach Beaufort◦ Erosionsformen

▪ Springen• Teilchen bekommen „Spin“ von Wind, Rotation

▪ Kriechen▪ Schweben

◦ Kräfte an einem Partikel▪ Schub, Hub, Drehmoment, Bindungskräfte, Gewicht

◦ Winderosionsschutz: Windschutzhecke▪ besser als Mauer, da diese Wirbel bildet▪ Prinzip der Hecke: Windgeschwindigkeit reduzieren▪ ca. 10 m hohe Hecke: 100 m Wirkung

FragestundeKlausur: 10 Fragen, 20 Punkte maximalTaschenrechner mitbringen

• Abfussganglinie• hydrologisches Kalenderjahr beginnt im April [nicht klausurrelevant]• Trockenwetterabfuss: 4 Tage kein Regenereignis• Piston Flow: Frontalbewegung eines Stofes durch den Boden, „Kolben“, ohne Beachtung

des eigentlich unregelmäßigen Fließens

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