Messung der zeitlichen und räumlichen Änderung von Wassergehalten in Stechzylindern Messung hydraulischer Eigenschaften von Böden.

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1 Messung der zeitlichen und räumlichen Änderung von Wassergehalten in Stechzylindern Messung hydraulischer Eigenschaften von Böden Sven Glawion 16. April 2014

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3 Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und eigenhändig sowie ohne unerlaubte fremde Hilfe und ausschließlich unter Verwendung der aufgeführten Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe. Berlin, den 16. April

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5 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Material und Methode Charakterisierung der Substrate Messverfahren Auswertung Gravimetrische Ermittelung der Wassergehalte Schichtweise Abgetragene Zylinder Statische pf Werte HYPROP-Messung Ermittelung der Wassergehalte in drei verschiedenen Tiefen mit TDR- Sonden Bewertung der Ergebnisse Verdunstung Fehlerabschätzung der TDR-Messung Gradient der TDR-Wassergehalte Hydraulische Eigenschaften Vergleich der verschiedenen Verfahren Vergleich der TDR Daten mit Schichtweise abgetragenen Zylindern Vergleich der dynamischen pf Kurve mit statischen pf Werten Fazit Literatur 38 A. Korngrößenverteilung & pf-werte 39 B. TDR-Messung 41 C. Hyprop Messung 44 5

6 Abbildungsverzeichnis 2.1. Aufbau der Zylinder zur Messung der Wassergehaltsverteilung mittels TDR-Sonden Abnahme der Wassergehalte der untersuchten Substrate im Verdunstungsexperiment (gravimetrisch bestimmt) Verlauf von Tension und θ grav des Mittelsandes (ms-w2) im HYPROP- Experiment Verlauf von Tension und θ grav des Feinsandes (fs-w1) im HYPROP- Experiment Verlauf der Tension und vom θ grav des schluffigen Sandes (Su-w1) im HYPROP-Experiment Verlauf von Tension und θ grav des Lehms (Ls4-w1) im HYPROP- Experiment Verlauf der Tension und von θ grav des Löss (Ut4-w2) im HYPROP- Experiment Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (msw1) Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Feinsandes (fs-w1) Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des schluffigen Sand (Su2-w1) Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ w,grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ w,tdr des Lehm (Ls4-w1) Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Löss (Ut4-w4) Verdunstungshöhen E real des ms, Ls4 und Ut4 in mm/d über θ grav Darstellung der Genauigkeit der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte Fehler der relativen Wassergehalte Differenz der Wassergehalte zwischen der oberen und der unteren TDR-Sonde Wasserretentionscharakteristik θ(h) Darstellung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit ku(pf) bzw. ku(θ). 33 6

7 Abbildungsverzeichnis Darstellung der mittels TDR-Sonden und durch schichtweises Abtragen gravimetrisch ermittelten Wassergehalte zu verschiedenen Zeiten. 34 B.1. Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Su-w1) 41 B.2. Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (msw2) B.3. Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Ls4- w2) B.4. Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (fs-w2) 43 B.5. Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Ut4- w3) C.1. Verlauf von Tension und θ grav des Mittelsandes (ms-w1) im HYPROP- Experiment C.2. Verlauf von Tension und θ grav des Feinsandes (fs-w2) im HYPROP- Experiment C.3. Verlauf der Tension und θ grav des schluffigen Sandes (Su-w2) im HYPROP- Experiment C.4. Verlauf von Tension und θ grav des Lehms (Ls4-w2) im HYPROP- Experiment C.5. Verlauf der Tension und θ grav des Löss (Ut4-w1) im HYPROP-Experiment 46

8 Tabellenverzeichnis 2.1. Charakterisierung der Bodenart der untersuchten Substrate Residualwassergehalte und Dauer der Verdunstung Wassergehalte schichtweise abgetragene Zylinder (Ls4) Wassergehalte schichtweise abgetragene Zylinder (ms) Wassergehalte der Substrate in statischer pf Kurve Vergleich dynamischer zu statischer pf Werte (ms, Ls4) Qualitative Bewertung von Gradient und Leitfähigkeit A.1. Charakterisierung der Bodenart der untersuchten Substrate A.2. statische pf-werte

9 Definitionen und Abkürzungen DF Dichte Festsubstanz [g/cm 3 ] E r reale Evaporation [mm/d] E p potentielle Evaporation [mm/d] GPV Gesamtporenvolumen [cm 3 /cm 3 100% h Matrixpotential [hpa] ku ungesättigte Wasserleitfähigkeit [cm/d] kf gesättigte Wasserleitfähigkeit [cm/d] pf Saugspannung [log [hpa]] TDR Time Domain Reflection TRD Trockenrohdichte [g/cm 3 ] Vol.% Volumetrischer Wassergehalt [cm3/cm3 100%] θ Volumetrischer Wassergehalt [cm3/cm3] θ grav Volumetrischer Wassergehalt gravimetrisch ermittelt [cm3/cm3] Volumetrischer Wassergehalt mittels TDR Sonden ermittelt [cm3/cm3] θ tdr 9

10 1. Einleitung Im Verdunstungsexperiment werden entweder ungestörte, im Feld entnommene Stechzylinder oder im Labor gepackte Zylinder unter Laborbedingungen verdunstet. Während des Experiments können verschiedene Bodenpysikalische Größen wie die Wärmeleitfähigkeit (Trinks 2010) oder die Saugspannnung im sich dynamisch verändernden Boden gemessen werden. Eine auf dem Verdunstungsexperiment aufbauende Methode zur Bestimmung der Retentionsfunktion und ungesättigten Wasserleitfähigkeit von Böden ist die Verdunstungsmethode nach Schindler (Schindler 1980). Dabei wird die Gewichtsabnahme und die Tension in zwei verschiedenen Tiefen kontinuierlich gemessen. Die Tension zum Wassergehalt ergibt sich aus dem Mittel der Messwerte der beiden Tensiometer. Die ungesättigte Wasserleitfähigkeit kann aus der Differenz der Messwerte der beiden Tensiometer und dem Abstand zwischen den beiden Tensiometern mit dem Darcy-Buckingham-Gesetz bestimmt werden. Voraussetzung dafür ist, dass der Wassergehalt in der mittleren Ebene des Zylinders dem mittlerem Wassergehalt der Probe entspricht und sich die Veränderung der Wassergehalte linearisieren lässt.(peters und Durner 2008) Die Verteilung der Wassergehalte in Stechzylindern während eines Verdunstungsexperimentes soll mit der Time Domain Reflection (TDR) Methode in drei verschiedenen Tiefen gemessen werden. Der mittlere Wassergehalt der Proben wird gravimetrische bestimmt. Zeitgleich werden die Retentionsfunktion und die ungesättigte Wasserleitfähigkeit im Hyprop Verfahren bestimmt. Fragestellungen dieser Arbeit Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Messung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Wassergehalte in gepackten Stechzylindern im Verdunstungsexperiment. Folgende Aspekte wurden im einzelnen untersucht: 1. Ist die Time Domain Reflection (TDR) Methode zur Messung der absoluten Wassergehalte und der relative Veränderung der Wassergehalte innerhalb von Stechzylindern im Verdunstungsexperiment geeignet? 2. Entspricht der Wassergehalt in der mittleren Ebene des Stechzylinders dem mittlerem gravimetrischem Wassergehalt? 3. Liegt beim Verdunstungsexperiment mit Stechzylindern über dem gesamten Wassergehaltsbereich über die Höhe des Stechzylinders eine lineare Wassergehaltsverteilung vor? 10

11 KAPITEL 1. EINLEITUNG Welchen Einfluss haben die Bodentextur und die hydraulischen Eigenschaften des Bodens auf die Wassergehaltsverteilung und den Verlauf des Verdunstungsexperiments?

12 2. Material und Methode 2.1. Charakterisierung der Substrate Für die Messungen wurden fünf verschiedene humus- und kalkfreie Substrate gewählt. Sie weisen jeweils unterschiedliche Korngrößenverteilungen und unterschiedliche hydraulische Eigenschaften auf. Die Charakteristik der untersuchten Substrate ist in Tabelle 2.1 dargestellt. Tabelle 2.1.: Charakterisierung der Bodenart der untersuchten Substrate Substrat T U S TRD GPV ms fs Su Ls Ut Messverfahren Es wurden zwei verschiedene Größen an Stechzylindern verwendet. Für die HYPROP- Messung wurden Stechzylinder mit 8 cm Durchmesser, 5 cm Höhe und 250 cm 3 Volumen und für die TDR-Messung Stechzylindern mit 9.8 cm Durchmesser, 5 cm Höhe und 375 cm 3 Volumen verwendet. Die Zylinder wurden Schichtweise auf eine Ziellagerungsdichte von 1.50 g/cm 3 gepackt und kapillar aufgesättigt. Anschließend wurden die Sonden installiert. Nach Einstellung des Gleichgewichtszustandes in den Proben wurden diese zeitgleich unter Laborbedingungen frei verdunstet. Bei Verdunstungsraten kleiner 5 g/d bei den mit TDR-Sonden bestückten Zylindern bzw. erreichen des Lufteintrittspunktes des oberen Tensiometers bei der HYPROP-Messung wurde das Experiment beendet. Die Proben wurden bei 105 C getrocknet und die Wassergehalte zurückgerechnet. Die Messung der Wassergehaltsverteilung lief zeitgleich zur HYPROP-Messung TDR-Messung Die Verteilung der Wassergehalte in den Zylindern während des Verdunstungsexperimentes wurde in drei verschiedenen Tiefen über die über die Time Domain Reflection 12

13 KAPITEL 2. MATERIAL UND METHODE 13 (TDR) Methode ermittelt. Bei der Messung des Wassergehaltes über die Time Domain Reflection (TDR) wird die Dielektrizität des Bodens gemessen. Diese kann über folgende Kalibrierfunktion (Skierucha 2000) direkt in Korrelation mit dem Volumetrischen Wassergehalt θ gesetzt werden: ɛ ρ θ tdr = (2.1) ρ Wobei ɛ die mit den TDR-Sonden gemessenen Dielektrizität und ρ die Trockenrohdichte des Substrates sind. Die Sonden wurden in Zylinder mit 375 cm 3 Volumen und 5 cm Höhe in 1.25 cm, 2.50 cm und 3.75 cm Tiefe installiert. Der Aufbau der Zylinder ist in Abb. 2.1 Schematisch dargestellt. Abbildung 2.1.: Aufbau der Zylinder zur Messung der Wassergehaltsverteilung mittels TDR-Sonden HYPROP Verfahren Die dynamische Retentionsfunktion wurde mit dem HYPROP-Verfahren nach Schindler (Schindler 1980) ermittelt. Die verwendeten Zylinder weisen eine Volumen von 250 cm3 und 5 cm Höhe auf und die Tensiometer wurden auf 1.25 cm und 3.75 cm Tiefe installiert Bestimmung der statischen pf-werte Die statischen pf-werte wurden nach DIN ISO (Deutsches Institut für Normung e. V. 2012) ermittelt Schichtweise abgetragene Zylinder Die Zylinder wurden im feldfrischem Zustand in Zylinder der Größe 375 cm 3 auf eine Lagerungsdichte von 1.56 g/cm 3 (ms) und 1.63 g/cm 3 (Ls4) gepackt. Zu defi-

14 MESSVERFAHREN nierten mittleren Wassergehalten wurden die Zylinder in Schichten von jeweils 1 cm abgetragen und der Wassergehalt der ganzen Schicht gravimetrisch bestimmt. Es wurde mit nur einer Wiederholung gearbeitet Gravimetrischer Wassergehalt Der mittlere Wassergehalt der HYPROP-Messung und der TDR-Messung wurde gravimetrisch ermittelt. Die Proben wurden nach Ende der Messung bei 105 C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, der Residualwassergehalt ermittelt und auf die volumetrischen Wassergehalte zurück gerechnet.

15 3. Auswertung 3.1. Gravimetrische Ermittelung der Wassergehalte Die gravimetrische Ermittelung des Wassergehaltes ist die zuverlässigste Methode zur Bestimmung des mittleren Wassergehaltes einer Probe im Verdunstungsexperiment. Abb. 3.1 zeigt die volumetrischen Wassergehalte θ grav der gemessenen Substrate im Vergleich. 0.5 Ut4-w3 Su2-w1 Ls4-w1 fs-w1 ms-w Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.1.: Abnahme der Wassergehalte der untersuchten Substrate im Verdunstungsexperiment (gravimetrisch bestimmt) Die Sande (ms, fs, Su2) zeigen bis 10 Vol.% eine lineare Abnahme des Wassergehaltes und verlaufen nahezu parallel. Danach verändert sich die Verdunstung kaum mehr. Der Wassergehalt des Lehms nimmt bis 20 Vol.% (48h) linear ab, danach ist die Abnahme geringer als bei den Sanden. Ab 15 Vol.% verläuft der Lehm parallel zum Löss. Der Löss weist über den gesamten Zeitraum keine eindeutig erkennbare lineare Abnahme des Wassergehalts auf und die Verdunstung ist immer geringer als bei den anderen Substraten. Die Dauer der Verdunstung und die Residualwassergehalte sind in Tabelle 3.1 dargestellt. 15

16 SCHICHTWEISE ABGETRAGENE ZYLINDER Tabelle 3.1.: Residualwassergehalte und Dauer der Verdunstung ms fs Su2 Ls4 Ut4 Residualwassergehalt [Vol.%] Verdunstungsdauer [h] Schichtweise Abgetragene Zylinder Die Ergebnisse der Schichtweise abgetragenen Zylinder sind in den Tabellen 3.2 und 3.3 dargestellt. Tabelle 3.2.: Wassergehalte schichtweise abgetragene Zylinder (Ls4) Tiefe [cm] 42h 65h 114h 170h Tabelle 3.3.: Wassergehalte schichtweise abgetragene Zylinder (ms) Tiefe [cm] 48h 84h 108h 140h

17 KAPITEL 3. AUSWERTUNG Statische pf Werte Von allen Substraten wurden zu den pf-stufen 1.5, 1.8, 2.0, 2.5, 3.0 und 4.2 die Wassergehalte ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3.4 dargestellt. Tabelle 3.4.: Wassergehalte der Substrate in statischer pf Kurve Substrat pf-stufe ms fs Su2 Ls4 Ut

18 HYPROP-MESSUNG 3.4. HYPROP-Messung Mittelsand (ms) Abb. 3.2 zeigt den Verlauf der Tension und des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav des Mittelsand Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.25 cm theta gravimetrisch 0.5 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.2.: Verlauf von Tension und θ grav HYPROP-Experiment des Mittelsandes (ms-w2) im Nach Beginn der Messung verändert sich die Tension in den ersten 90 Stunden auf beiden Tiefen kaum. Beide Tensiometer steigen nach 90 Stunden nach Ende der linearen Verdunstung merklich an. Das obere Tensiometer steigt nach 96 Stunden nach Ende der lienaren Verdunstung steil an. Das obere Tensiometer erreicht den Siedepunkt bei 2200 hpa (110 h) und den Lufteintrittspunkt nach 120 Stunden. Das untere Tensiometer erreicht den Siedepunkt bei 1700 hpa (130 h) und den Lufteintrittspunkt nach 160 Stunden. Es bildet sich ein starker Gradient zwischen den beiden Tensiometern aus.

19 KAPITEL 3. AUSWERTUNG 19 Feinsand (fs) Abb. 3.3 zeigt den Verlauf der Tension und des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav des Feinsandes Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.25 cm Theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.3.: Verlauf von Tension und θ grav des Feinsandes (fs-w1) im HYPROP- Experiment Nach beginn der Messung bis 120 Stunden verändert sich die Tension auf beiden Tiefen kaum. Das obere Tensiometer steigt nach 120 Stunden nach Ende der linearen Verdunstung an und es bildet sich ein steiler Gradient aus. Nach weiteren 24 Stunden erreicht das obere Tensiometer bei 1300 hpa (144 h) den Siedepunkt und den Lufteintrittspunkt nach 160 Stunden.

20 HYPROP-MESSUNG schluffiger Sand (Su2) Abb.3.4 zeigt den Verlauf zeigt den Verlauf der Tension und des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav des schluffigen Sand Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.25 cm Theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.4.: Verlauf der Tension und vom θ grav des schluffigen Sandes (Su-w1) im HYPROP-Experiment Die Tension steigt bei beiden Tensiometern die ersten 72 Stunden nach Beginn der Messung kaum. Nach 72 Stunden bei einem Wassergehalt von 10 Vol.% steigen beide Tensiometer gleichzeitig an und erreichen nach 96 Stunden kurz nacheinander bei 1400 bzw hpa den Siedepunkt. Das obere Tensiometer erreichte den Lufteintrittspunkt nach 120 h. Es bildet sich nur ein sehr schwacher Gradient zwischen den Tensiometern aus.

21 KAPITEL 3. AUSWERTUNG 21 Lehm (Ls4) Abb. 3.5 zeigt den Verlauf der Tension und des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav des sandigen Lehms Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.25 cm Theta gravimetrisch 0.5 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.5.: Verlauf von Tension und θ grav des Lehms (Ls4-w1) im HYPROP- Experiment Beide Tensiometer steigen die ersten 24 Stunden nach Beginn der Messung kaum an. Nach 24 Stunden bei 20 Vol% bildet sich ein schwacher Gradient, nach 36 Stunden nimmt der Gradient stark zu. Das oberen Tensiometer erreicht den Siedepunkt nach 48 Stunden bei 2400 hpa und den Lufteintrittspunkt nach 50 Stunden.

22 HYPROP-MESSUNG Löss (Ut4) Abb.3.6 zeigt den Verlauf der Tension des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav des Löss Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.25 cm Theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.6.: Verlauf der Tension und von θ grav des Löss (Ut4-w2) im HYPROP- Experiment Beide Tensiometer steigen die ersten 24 Stunden nach Beginn der Messung bis zu einem Wassergehalt von 20 Vol.% konstant an. Danach bildet sich ein gleichbleibend mäßiger Gradient aus. Das obere Tensiometer erreicht den Siedepunkt nach 36 Stunden bei 1300 hpa und den Lufteintrittspunkt nach 65 Stunden. Das untere Tensiometer erreicht den Siedepunkt nach 48 Stunden bei 1500 hpa und den Lufteintrittspunkt nach 84 Stunden.

23 KAPITEL 3. AUSWERTUNG Ermittelung der Wassergehalte in drei verschiedenen Tiefen mit TDR-Sonden Gleichzeitig zur gravimetrischen Ermittelung des mittleren Wassergehaltes in den Proben wurden die Wassergehalte auf den Tiefen 1.25 cm, 2.5 cm und 3.75 cm mit TDR-Sonden ermittelt. Mittelsand (ms) Abb. 3.7 zeigt den Verlauf der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr und den gravimetrischen Wassergehalt θ grav des Mittelsands cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.7.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (ms-w1) Der Wassergehalt der mittleren TDR-Sonde folgt weitgehend dem gravimetrischen Wassergehalt, der Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes ist dabei jedoch deutlich glatter. Ein deutlich erkennbarer Gradient zwischen den drei Tensiometern bildet sich unmittelbar nach Start des Experiments aus. Nach 60 Stunden bei einem Wassergehalt von 15 Vol.% ist kein Gradient mehr erkennbar. Der Wassergehalt wird von den TDR-Sonden bei Wassergehalten kleiner 10 Vol.% unterschätzt.

24 3.5. ERMITTELUNG DER WASSERGEHALTE IN DREI VERSCHIEDENEN 24 TIEFEN MIT TDR-SONDEN Feinsand (fs) Abb zeigt den Verlauf der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr und den gravimetrischen Wassergehalt θ grav des Feinsands (fs) cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.8.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Feinsandes (fsw1) Es bildet sich nur während der ersten 24 Stunden ein schwacher Gradient aus zwischen den drei TDR-Sonden aus. Die mittlere TDR-Sonde folgt dem gravimetrischen Wassergehalt bis zu einem Wassergehalt von 10 Vol.% gut, danach wird der Wassergehalt von den TDR-Sonden geringfügig überschätzt.

25 KAPITEL 3. AUSWERTUNG 25 Schluffiger Sand (Su2) Abb. 3.9 zeigt den Verlauf der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr und den gravimetrischen Wassergehalt θ grav des schluffigen Sand cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.9.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des schluffigen Sand (Su2-w1) Bis zu einem Wassergehalt von 15 Vol.% (72h) folgen die TDR-Sonden dem gravimetrischen Wassergehalt nicht und der Wassergehalt wird von den TDR-Sonden deutlich über- bzw. unterschätzt. Dieses Verhalten trat in der Form nur beim schluffigen Sand auf. Ab Wassergehalten kleiner 15 Vol.% wird dieser von den TDR-Sonden gut wiedergegeben, ab Wassergehalten kleiner 10 Vol.% wird der Wassergehalt von den TDR-Sonden überschätzt. Bis zu einem Wassergehalt von 25 Vol.% ist ein schwacher Gradient erkennbar.

26 3.5. ERMITTELUNG DER WASSERGEHALTE IN DREI VERSCHIEDENEN 26 TIEFEN MIT TDR-SONDEN Lehm (Ls4) Abb zeigt den verlauf der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr und den gravimetrischen Wassergehalt θ grav des Lehm cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.10.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ w,grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ w,tdr des Lehm (Ls4-w1) Ab einem Wassergehalt kleiner 25 Vol.% folgt die mittlere TDR-Sonde θtdr 2.5cm dem gravimetrischen Wassergehalt gut. Ein erkennbarer Gradient bildet sich nach 24 Stunden bei Wassergehalten von 25 Vol.% aus. Bei Wassergehalten kleiner 10 Vol.% ist kein Gradient mehr erkennbar und alle drei Sonden verlaufen parallel. Bei Wassergehalten größer 20 Vol.% wird der Wassergehalt mit den TDR-Sonden unterschätzt, für Wassergehalte kleiner 10 Vol.% überschätzt.

27 KAPITEL 3. AUSWERTUNG 27 Löss (Ut4) Abb zeigt den Verlauf der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr und den gravimetrischen Wassergehalt θ grav des Löss cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung 3.11.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Löss (Ut4-w4) Der mit TDR-Sonden ermittelte Wassergehalt θ tdr wird von den TDR-Sonden für Wassergehalte größer als 30 Vol.% unterschätzt, bei geringeren Wassergehalten folgen die TDR-Sonden dem gravimetrischen Wassergehalt gut. Ein erkennbarer Gradient bildet sich während des gesamten Experiments nicht aus.

28 4. Bewertung der Ergebnisse 4.1. Verdunstung Abb. 4.1 stellt die Verdunstungshöhen für den Mittelsand (ms), den Lehm (Ls4) und den Löss (Ut4) dar. Die reale Verdunstung E real in mm/d wurde über den gravimetrisch ermittelten Wassergehalt θ grav aufgetragen. 5 4 Evaporation [mm/d] ms Ls4 Ut4 Abbildung 4.1.: Verdunstungshöhen E real des ms, Ls4 und Ut4 in mm/d über θ grav Bei den sandigen Substraten (fs, ms, Su2) beträgt die gemessene reale Verdunstung E real in einem weiten Bereich 4 mm/d und entspricht damit der potentiellen Verdunstung E pot, wie sie unter den klimatischen Bedingungen des Labors vorliegt. Erst bei Wassergehalten kleiner 10 Vol.% ist die reale Verdunstung limitiert und nimmt linear ab. Die Verdunstung des Feinsands und des schluffigen Sands verläuft parallel, daher wurde auf eine grafische Darstellung Verzichtet. Die Verdunstung des Lehms ist zu Anfang gleich der potentiellen Verdunstung E pot und nimmt danach linear ab. Die Verdunstung des Lösses ist von Beginn an kleiner als die potentielle Verdunstung E pot, ab einem Wassergehalt kleiner 20 Vol.% verläuft sie wie die des Lehms. 28

29 KAPITEL 4. BEWERTUNG DER ERGEBNISSE Fehlerabschätzung der TDR-Messung Fehler in der absoluten Bestimmung der Wassergehalte Die Abb. 4.2a zeigt die mit der mittleren TDR-Sonde auf 2.5 cm Tiefe ermittelten Wassergehalte θ tdr über dem gravimetrischen Wassergehalt θ grav. Die Abb. 4.2b zeigt den über die drei TDR-Sonden gebildeten Mittelwert θ tdr über dem gravimetrischen Wassergehalt θ grav. theta tdr theta tdr ms Ls4 Su2 Ut4 ms Ls4 Su2 Ut4 theta grav (a) θ tdr der Sonde auf 2.5cm Tiefe über θ grav theta grav (b) Mittelwert θ tdr über θ grav Abbildung 4.2.: Darstellung der Genauigkeit der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte Die mit den TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte weichen in einem Bereich von ±5 Vol. % von dem gravimetrischen Wassergehalt θ grav ab. Die Standartabweichung einer einzelnen Sonde liegt zwischen 4 Vol.% bis 4 Vol.% (Stoffregen 1998). In den Vorversuchen wurde mit einer Sonde im gleichen Substrat gemessen und diese mehrfach umgesetzt. Die hierbei gemessenen Abweichungen waren mit bis zu 2 Vol. % erheblich größer. Der größte Fehler tritt somit vermutlich beim Einbau der Sonde auf. Die Mittelwerte aus den drei Sonden verlaufen im Vergleich zu den einzelnen Sonden deutlich glatter. Eine deutliche Überschätzung des Wassergehalt findet sich nur beim schluffigen Sand (Su2). Die Wassergehalte des Lösses und des Lehms werden bei hohen Wassergehalten unterschätzt. Die der beiden Reinsande (ms, fs) werden durch den Mittelwert gut wiedergegeben. Im trockenen Bereich kleiner 10 Vol.% werden die Wassergehalte von allen untersuchten Substraten überschätzt. Der Mittelwert der Sonden weist insgesamt trotzdem noch deutliche Abweichungen vom gravimetrischen Wassergehalt θ tdr auf. Eine einzelne TDR-Sonde ist nicht ausreichend, um den absoluten Wassergehalt zuverlässig zu ermitteln. Es muss mit mehreren Wiederholungen gearbeitet werden. Die Unsicherheit des TDR-Verfahrens ist dann aber insgesamt immer noch größer als bei der gravimetrischen Ermittelung der Wassergehalte.

30 FEHLERABSCHÄTZUNG DER TDR-MESSUNG Fehler der relativen Veränderung der Wassergehalte Im Gegensatz zur Bestimmung des absoluten Wassergehalt mit TDR-Sonden, der mit großen Unsicherheiten behaftet ist, wird die relative Änderung des Wassergehaltes durch TDR-Sonden gut wiedergegeben. Abb. 4.3 zeigt die Änderung θ des gravimetrischen Wassergehalt θ grav über den mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalt θ tdr jeweils über 6 Stunden delta theta tdr delta theta grav Abbildung 4.3.: Fehler der relativen Wassergehalte Ls4 ms Die relative Änderung der mit TDR-Sonden gemessenen Wassergehalte folgt der Veränderung des gravimetrisch ermittelten Wassergehalts gut. Einzelne Sonden können dann immer noch deutlich fehlerhafte Werte liefern, sind aber mit Abweichungen von bis zu 10 Vol.% zum gravimetrischen Wassergehalt leicht erkennbar. Die TDR-Sonden sind für Messung der Differenzen der Wassergehalte im Zylinder geeignet.

31 KAPITEL 4. BEWERTUNG DER ERGEBNISSE Gradient der TDR-Wassergehalte Abb. 4.4 stellt die Differenz der Wassergehalte zwischen der oberen und der unteren TDR-Sonde dar. 4 Differenz theta obere - untere Sonde Ls4 ms Ut4 Su2 fs theta gravimetrisch Abbildung 4.4.: Differenz der Wassergehalte zwischen der oberen und der unteren TDR-Sonde Der Mittelsand (ms), der Feinsand (fs) und der Lehm (Ls4) zeigen sehr ausgeprägte Differenzen. Der Mittelsand weist über einen weiten Bereich die höchste Differenz auf, das Maximum wird bei 25 Vol.% im Bereich der linearen Verdunstung erreicht. Der Lehm (Ls4) weist die größte Differenz bei 20 Vol.% auf. Der schluffige Sand (Su2) und der Löss (Ut4) hingegen weisen beide nur sehr gering ausgebildete Differenzen auf und zeigen im gesamten Verlauf keine großen Inhomogenitäten im Wassergehalt.

32 HYDRAULISCHE EIGENSCHAFTEN 4.4. Hydraulische Eigenschaften Die Abb. 4.5 zeigt die mit dem HYPROP-Verfahren ermittelten Retentionsfunktion. 0.5 Ut4 Ls4 Su2 fs ms pf Wert [log [hpa]] Abbildung 4.5.: Wasserretentionscharakteristik θ(h) Der Feinsand (fs) und der Mittelsand (ms) zeigen beide für die Substrate typische Verläufe mit einem frühen Lufteintrittspunkt und einem steilen Abfallen der Kurve. Ab einem pf-wert größer 2 zeigen beide Substrate keine wesentliche Veränderung mehr. Der Lehm (Ls4) und der Löss (Ut4) zeigen beide keinen Lufteintrittspunkt und ein flaches Abfallen der Kurven. Der schluffige Sand (Su2) zeigt einen späteren Lufteintrittspunkt und ein flacheres Abfallen der Kurve als die beiden reinen Sande (ms, fs). Weiterhin weist er auch bei höheren pf Werten noch einen merklichen Residualwassergehalt auf.

33 KAPITEL 4. BEWERTUNG DER ERGEBNISSE 33 Die Abb. 4.6 zeigt jeweils die mit dem Hyprop Verfahren ermittelte ungesättigte Wasserleitfähigkeit (ku) log [cm/d] 2 3 log [cm/d] Ut4 Ls4 Su2 fs ms pf (a) ku über pf 4 5 (b) ku über θ Ut4 Ls4 Su2 fs ms Abbildung 4.6.: Darstellung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit ku(pf) bzw. ku(θ) Entsprechend der Substratcharakteristik und des Messverfahrens konnten nur im Bereichen von bis 01 cm/d die Leitfähigkeiten gemessen werden. Die Leitfähigkeiten der reinen Sande (ms, fs) fällt schnell ab. Der Lehm (Ls4) liegt in der Leitfähigkeit darüber. Der schluffige Sand (Su2) und der Löss (Ut4) weisen die höchsten Leitfähigkeiten auf, die des schluffigen Sand fällt am schwächsten. Der Bereich in dem ku-werte mit dem HYPROP-Verfahren ermittelt werden können, wird dadurch eingeschränkt, dass gefordert wird, dass sich zwischen den beiden Tensiometern ein Gradient hpa größer als 5 hpa ausgebildet hat. Bei den sandigen Substraten bildet sich ein ausreichender Gradient erst bei Wassergehalten unter 5 Vol. % aus.

34 5. Vergleich der verschiedenen Verfahren Im Folgenden sollen die Ergebnisse der verschiedenen Messverfahren in Bezug zueinander gesetzt und eine Abschätzung gemacht werden, ob die Ergebnisse der Messverfahren realistisch sind. Zuerst werden dazu die Messwerte der TDR-Sonden überprüft, anschließend die Messwerte des HYPROP-Verfahrens Vergleich der TDR Daten mit Schichtweise abgetragenen Zylindern Abb. 5.1 zeigt die mittels TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte und die durch schichtweises Abtragen ermittelten Wassergehalte über die Tiefe des Zylinders bei vier verschiedenen Wassergehalten. Die Zuordnung erfolgte nach dem mittlerem Wassergehalt und nicht nach Zeiten h 84h 108h 140h 1 42h 65h 114h 170h Tiefe [cm] 2 3 Tiefe [cm] (a) Mittelsand (ms) 5 (b) Lehm (Ls4) Abbildung 5.1.: Darstellung der mittels TDR-Sonden und durch schichtweises Abtragen gravimetrisch ermittelten Wassergehalte zu verschiedenen Zeiten Die Gradienten der Wassergehalte der Schichtweise abgetragenen Zylinder sind in 34

35 KAPITEL 5. VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN VERFAHREN 35 guter Näherung linear. Die Gradienten werden mit der Zeit flacher und die Wassergehalte nehmen auf allen Tiefen stetig ab. Der Mittelsand (ms) weist bis auf die erste Messung bei 20 Vol.% eine gute Übereinstimmung auf. Der Lehm (Ls4) weist im feuchten Bereich größere Unterschiede auf, aber im trockenen Bereich eine gute Übereinstimmung. Die Messergebnisse der schichtweise abgetragenen Zylinder weisen in der Verteilung der Wassergehalte Gradienten ähnlich denen der mit TDR-Sonden gemessenen auf. Die Gradienten sind bei beiden Messmethoden linear Vergleich der dynamischen pf Kurve mit statischen pf Werten Ergänzend zu den dynamischen pf-werten des HYPROP Verfahrens wurden statische pf-werte ermittelt. Die Tab. 5.1 zeigt die mit dem HYPROP Verfahren ermittelten pf-werte im Vergleich zu den statisch ermittelten Werten für den lehmigen Sand (Ls4) und den Mittelsand (ms). Tabelle 5.1.: Vergleich dynamischer zu statischer pf Werte (ms, Ls4) ms pf statisch HYPROP statisch HYPROP Die Werte für den Mittelsand (ms) sind bei beiden Messverfahren über den gesamten Messbereich nahezu identisch. Die dynamische pf-kurve des sandigen Lehms zeigt bei den pf-stufen 2 und 2.5 eine Differenz zwischen den Messverfahren. Die dynamische pf Kurve des Lehm (Ls4) zeigt in diesem Bereich eine Änderung der Steigung (vergl. Abb. 4.5). Die Werte aus dem HYPROP-Verfahren sind mit den Werten der statischen pf- Messung vergleichbar und es ist eine kontinuierliche Erfassung der pf-werte und der ungesättigten Wasserleitfähigkeit möglich. Es können jedoch systembedingt keine pf-werte deutlich größer als pf 3 ermittelt werden, da die verwendeten Tensiometer im Laboralltag reproduzierbare Messwerte nur im Bereich bis 2500hPa liefern. Weiterhin stimmen die dynamischen pf-werte im Bereich 1.5 bis 2.5 weitgehend mit den statischen pf-werten überein. Das HYPROP-Verfahren liefert damit in diesem Bereich für die untersuchten Substrate vergleichbare Werte. Einschränkend ist hierbei, dass keine Daten im trockenem Bereich (pf deutlich größer 3) gewonnen werden können. Ls4

36 6. Fazit Die Verteilung der Wassergehalte in verschiedenen Tiefen konnte mit den TDR- Verfahren zufriedenstellend gemessen werden. Es konnten die Gradienten der Wassergehalte bestimmt und gezeigt werden, dass diese durchgehend linear verlaufen und der Wassergehalt in der Mitte des Zylinders dem mittlerem Wassergehalt entspricht. 1.) Bewertung der TDR-Messung Das TDR-Verfahren ist geeignet um die Wassergehaltsverteilung in den Zylindern zu messen. Die relativen Veränderungen der Wassergehalte werden gut wieder gegeben. Die Messung des absoluten Wassergehaltes mit einer einzelnen Sonde ist im Vergleich zur gravimetrischen Bestimmung der Wassergehalte deutlich fehlerbehaftet. Der Mittelwert aus mehreren Sonden gibt für den Feinsand und den Mittelsand über den gesamten Messbereich vergleichbare Werte und für den Lehm und den Schluff ab Wassergehalten kleiner 20 Vol.% vergleichbare Werte. Der schluffige Sand zeigt durchgehend eine deutliche Überschätzung der Wassergehalte. Um mit dem TDR-Verfahren zur gravimetrischen Bestimmung vergleichbare Werte zu erhalten, muss immer mit mehreren Wiederholungen gearbeitet werden und für jedes Substrat einzeln überprüft werden, wie groß der Fehler der TDR-Sonden bei bestimmten Wassergehalten ist. 2.) Wassergehalt in der mittleren Ebene Der Wassergehalt auf der mittleren Ebene des Zylinders entspricht weitestgehend dem mittleren Wassergehalt des Zylinders. Einschränkungen hiervon müssen beim schluffigem Sand gemacht werden. Hier wurde der Wassergehalt mit den TDR-Sonden deutlich überschätzt und es ist keine eindeutige Aussage möglich. 3.) Linearität der Verteilung der Wassergehalte Das Substrat hat einen starken Einfluss auf die Ausbildung des Gradienten. Die reinen Sande (ms, fs) und der Lehm (Ls4) weisen sehr deutlich ausgebildete Gradienten auf. Sie entwickeln sich bei den reinen Sanden und dem Lehm bei deutlich unterschiedlichen Wassergehalten und pf-stufen. Der Löss (Ut4) und der schluffige Sand (Su2) bilden beide keine ausgeprägten Gradienten aus. Der schluffige Sand weist eine Verdunstung wie die reinen Sande und eine Wassergehaltsverteilung wie der Schluff auf. Der Wassergehalt in der mittleren Eben weicht nur geringfügig vom mittleren Wassergehalt ab. 36

37 KAPITEL 6. FAZIT 37 4.) Einfluss der Bodentextur Tabelle 6.1 stellt die Ausbildung der Gradienten in qualitativer Wertung gegenüber. Ein + bedeutet einen stark ausgebildeten Gradiente und einen schwach ausgebildeten Gradienten. Tabelle 6.1.: Qualitative Bewertung von Gradient und Leitfähigkeit ms fs Su2 Ls4 Ut4 Gradient Eine hohe Leitfähigkeit bedeutet nicht das ein Anstieg der Tension an der Oberfläche von Substraten so weiter gegeben werden kann. Die beiden reinen Sande (ms, fs) weisen bis 10 Vol. % Wassergehalt potentielle Verdunstung auf. In diesem Bereich bildet sich zwischen den beiden Tensiometern nur ein sehr kleiner Gradient aus, so dass die ungesättigte Leitfähigkeit in diesem Bereich sehr groß, aber nur mit großen Unsicherheiten bestimmbar ist. Aus der Retentionsfunktion ist erkennbar, dass sich auch bei kleinen Unterschieden in der Tension ein messbarer Gradient in der Wassergehaltsverteilung ausbildet. Ab Wassergehalten kleiner 10 Vol.% bildet sich dann ein starker Gradient in den Wassergehalten aus und die ungesättigte Wasserleitfähigkeit geht gleichzeitig stark zurück. Der schluffige Sand (Su2) weist während der gesamten Zeit der Verdunstung eine extrem hohe Leitfähigkeit auf. Eine leichte Abnahme der Verdunstung E r tritt ab dem Zeitpunkt auf, ab dem die Tension leicht ansteigt. Trotz der im Vergleich zum Ut4 und Ls4 steileren Retentionsfunktion bildet sich kein Gradient in der Wassergehaltsverteilung aus. Die hohe Leitfähigkeit scheint der Ausbildung eines Gradienten in der Wassergehaltsverteilung entgegenzuwirken. Der Ut4 weist ähnlich wie der schluffige Sand eine hohe ungesättigte Wasserleitfähigkeit ku, eine flache Steigung der Retentionsfunktion und somit auch keinen Gradienten in der Wassergehaltsverteilung auf. Die Tension steigt im Gegensatz zu dem schluffigen Sand aber von Beginn an kontinuierlich, was die Limitierung der Verdunstung erklärt. Der Ls4 weist eine mittlere ungesättigte Leitfähigkeit ku und die Ausbildung eines Gradienten in der Wassergehaltsverteilung auf. Der Gradient in der Wassergehaltsverteilung bildet sich im Vergleich den beiden reinen Sanden erst relativ spät. Ab diesem Zeitpunkt ist die Tension hoch genug um die Verdunstung zu limitieren, und die Leitfähigkeit reicht nicht mehr aus, um die Ausbildung eines Gradienten zu verhindern.

38 7. Literatur Deutsches Institut für Normung e. V. (2012). DIN ISO 11274, Bodenbeschaffenheit - Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens - Laborverfahren. In: DIN Peters, A. und W. Durner (2008). Symplified evaporation method for determining soil hydraulic properties. In: Journal of Hydrology 356, S Schindler, U. (1980). Ein Schnellverfahren zur Messung der Wasserleitfähigkeit im teilgesättigten Boden an Stechzylinderproben. In: Arch. Acker- u. Pflanzenbau u. Bodenkd. Berlin 24.4, S Skierucha, W. (2000). Accuracy of soil moisture measurement by TDR Technique. In: International Agrophysics 14, S Skierucha, W., A. Wilczek und R.T. Walczak (2006). Recent software improvements in moisture (TDR Method), matric pressure, electrical conductivity and temperature meters of porous media. In: Int. Agrophysics 20, S Stoffregen, Heinz (1998). Hydraulische Eigenschaften deponiespezifischer Materialien uner Berücksichtigung von Temperaturveränderungen. In: Bodenökologie und Bodengenese 32. Trinks, Steffen (2010). Einfluss des Wasser- und Wärmehaushalts von Böden auf den Betrieb erdverlegter Energiekabel. In: Bodenökologie und Bodengenese

39 A. Korngrößenverteilung & pf-werte Tabelle A.1.: Charakterisierung der Bodenart der untersuchten Substrate Substrat T U S fu mu gu fs ms gs ms fs Su Ls Ut

40 40 Tabelle A.2.: statische pf-werte Substart pf 0 pf 1.5 pf 1.8 pf 2.0 pf 2.5 pf 3.0 pf 4.2 TRD DF Ut4 ungestört Ut4 gepackt Ut4 gepackt fs ungestört fs gepackt fs gepackt Su2 ungestört Su2 gepackt Su2 gepackt Ls4 ungestört Ls4 gepackt Ls4 gepackt ms ungestört ms gepackt ms gepackt ms gepackt

41 B. TDR-Messung cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung B.1.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Su-w1) 41

42 cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung B.2.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (ms-w2) cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung B.3.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Ls4-w2)

43 ANHANG B. TDR-MESSUNG cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung B.4.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (fsw2) cm 2.50cm 3.75cm theta Zeit in Stunden [h] Abbildung B.5.: Zeitlicher Verlauf des gravimetrischen Wassergehaltes θ grav und der mit TDR-Sonden ermittelten Wassergehalte θ tdr des Mittelsand (Ut4-w3)

44 C. Hyprop Messung Tensiometer 1.75 cm Tensiometer 3.75 cm theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung C.1.: Verlauf von Tension und θ grav HYPROP-Experiment des Mittelsandes (ms-w1) im 44

45 ANHANG C. HYPROP MESSUNG Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.75 cm theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung C.2.: Verlauf von Tension und θ grav des Feinsandes (fs-w2) im HYPROP- Experiment Tensiometer 1.25 cm Tensiometer 3.25 cm theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung C.3.: Verlauf der Tension und θ grav des schluffigen Sandes (Su-w2) im HYPROP-Experiment

46 Tensiometer 3.75 cm Tensiometer 1.75 cm Theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung C.4.: Verlauf von Tension und θ grav des Lehms (Ls4-w2) im HYPROP- Experiment Tensiometer 1.75 cm Tensiometer 3.75 cm theta gravimetrisch 2000 Tension [hpa] Zeit in Stunden [h] Abbildung C.5.: Verlauf der Tension und θ grav Experiment des Löss (Ut4-w1) im HYPROP-