Universität für Bodenkultur WienDepartment für Wasser-Atmosphäre-Umwelt
Bodenwasserbewegung
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22
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)
Einteilung des Wassers im Boden
7Bildquelle: www.fachdokumente.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/10038/abb2_13.gif; nach Busch und Luckner (1974)
Einteilung des Wassers im Boden
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.
10
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
Universität für Bodenkultur WienDepartment für Wasser-Atmosphäre-Umwelt
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
BodenauslassBodenauslass
grobkörniger Sandgrobkörniger Sand
feinkörniger Sandfeinkörniger Sand
11
22
12
linke Kammerlinke Kammer rechte Kammerrechte Kammer
Zufluss Zufluss von obenvon oben
seitlicher seitlicher ZuflussZufluss(beim aktuellen Versuchsdurch-gang geschlos-sen und nicht genutzt)
1616
seitlicher seitlicher ZuflussZufluss
BodenauslassBodenauslassgrobkörniger Sandgrobkörniger Sand
feinkörniger Sandfeinkörniger Sand
11
22
21
linke Kammerlinke Kammer rechte Kammerrechte Kammer
1
1
1
1
2
2
2
2
Variation I Variation I
1717
VersuchsaufbauVariation IIVariation II
ZuflussZufluss
BodenauslassBodenauslass
1
2
2
21
grobkörniger Sandgrobkörniger Sand
feinkörniger Sandfeinkörniger Sand
11
22
2
1
1
2 1
linke Kammerlinke Kammer rechte Kammerrechte Kammer
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
Universität für Bodenkultur WienDepartment für Wasser-Atmosphäre-Umwelt
Simulation mit HYDRUSBeispiele
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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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