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

Transkript

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

2 Einleitung Was ist ein Boden? 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:

3 Wasserkreislauf 3

4 Bodenwasser Bodenwasser ist 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 Quelle: Gusev und Novak (007) USDA NRCS 4

5 Einteilung des Wassers im Boden Lufteintrittspunkt 5

6 Einteilung des Wassers im Boden Haftwasser ist das gesamte, in Ruhe befindliche und entgegen der Schwerkraft über dem Kapillarsaum gehaltene Bodenwasser der vadosen Zone: Adsorptionswasser wird direkt an die Oberfläche der Teilchen durch Adsorptionskräfte und osmotische Kräfte angelagert (=Hydratationswasser und osmotisch gebundenes Wasser) Kapillarwasser wird in den kapillaren Zwischenräumen durch Oberflächenspannung ( Menisken) festgehalten. Grundwasser ist das Wasser, das die Hohlräume des Bodens lückenlos ausfüllt und verglichen mit dem atmosphärischen Luftdruck unter gleichem oder größerem Druck steht. (vgl. ÖNORM B 400) 6

7 Einteilung des Wassers im Boden Bildquelle: nach Busch und Luckner (1974) 7

8 Potenzialkonzept Bodenwasserbewegung Das Gesamtpotenzial des Wassers im Boden bei der Temperatur T o entspricht jener Arbeit pro Masseneinheit reinen Wassers in J/kg, welche erforderlich ist, um eine infinitesimale Menge Wassers reversibel und isothermal aus einem Standardsystem S o 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 = g o + + p Gesamtpotenzial Schwerkraftpotenzial (Gravitations~) osmotisches Potenzial (Lösungs~) Druckpotenzial (Tensiometer~) Anm.: Bei diesen Energieinhalten wird der kinetische Anteil aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit vernachlässigt. 8 Quelle: IBG Bulletin Nr. 49, 1976)

9 Potenzialkonzept Gesamtpotenzial ψ t = ψ g + ψ o + ψ p Schwerkraftpotenzial g (Gravitations~) osmotisches Potenzial o (Lösungs~) Druckpotenzial p (Tensiometer~) ist die erforderliche Arbeit, um eine infinitesimale Menge Wasser reversibel und isothermal gegen die Schwerkraft vom Standardsystem S 0 über die Bodenoberfläche zum System S 1 zu heben. aus dem System S 1 in das System S zu bewegen (nur wirksam, falls eine halbdurchlässige Membran vorhanden). vom System S in den betrachteten Punkt im Boden bei dem dort herrschenden Wassergehalt zu bewegen. g = g h o V wdp o p umfasst alle Effekte, die der Boden auf das Wasser ausübt, mit Ausnahme von g und o. Dazu zählen z.b. Matrix- und Gasdruckpotenzial. Es gilt: h = h 1 - h 0 (Höhendifferenz zw. S 0 und S 1 ) V W - spezifisches Volumen der Bodenwasserlösung Vdp p p o 9

10 Potenzialkonzept Definitionen der Systeme Das Standardsystem S 0 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 T 0 in der Höhenlage h 0 bei einem atmosphärischen Druck p 0. Das System S 1 ist ebenfalls definiert als ein Behälter mit reinem, freiem Wasser, der sich jedoch in der Höhenlage h 1 befindet. Es gilt: T 1 = T 0 ; p 1 = p 0. Das System S ist definiert als ein Behälter mit einer Lösung der gleichen Zusammensetzung wie die Bodenflüssigkeit im betrachteten Punkt, die einen osmotischen Druck besitzt. Es gilt: h = h 1 ; T = T 1 = T 0 ; p = p 1 = p 0. 10

11 Literatur Unterlagen und Informationen Vorlesungen an der BOKU zu diesem Thema: Bodenphysik Simulation in Vadose Zone Environment Bodenphysik (Vertiefung) Filterfunktion des Bodens - Stofftransport in Experiment und Computersimulation Glossar der wichtigsten Begriffe der Bodenwissenschaft (SSSA) Bodenphysik Hillel, D. (1998): Environmental Soil Physics. Academic Press, USA. HYDRUS Radcliffe, D. and Šimůnek, J. (010): Soil physics with HYDRUS. CRC Press. Boca Raton, Fla. 11

12 Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre- Umwelt Experiment: Bodenwasserbewegung im -Schicht-Bodenmodell

13 Versuchsaufbau seitlicher Zufluss Versuchsgefäß mit zwei Kammern Abflussbestimmung Bodenauslass grobkörniger Sand feinkörniger Sand Optional: Waage zur Bestimmung der Gewichtsveränderungen 13

14 Versuchsaufbau linke Kammer rechte Kammer Befüllung des Versuchsgefäßes Bodengewicht linke Kammer : 3500 g Bodengewicht rechte Kammer : 3589 g 14

15 Grundmodell Zufluss von oben linke Kammer rechte Kammer 1 seitlicher Zufluss (beim aktuellen Versuchsdurchgang geschlossen und nicht genutzt) Bodenauslass 1 grobkörniger Sand feinkörniger Sand 15

16 Variation I linke Kammer 1 rechte Kammer seitlicher Zufluss Bodenauslass 1 grobkörniger Sand feinkörniger Sand 16

17 Variation II Versuchsaufbau Zufluss linke Kammer 1 rechte Kammer Bodenauslass 1 grobkörniger Sand feinkörniger Sand 17

18 Versuchsablauf Durchführung des -Schicht-Bodenmodell Variation IIs Beginn: Uhr Wasserzufuhr: ca. l in 14 Minuten Nach,5 Stunden sind bereits 400 ml Wasser durch den Bodenauslass der Box abgeflossen Ende 00:00:15 00:0:30 00:07:00 00:16:00 00:10:00 00:05:00 00:14:00 00:06:00 00:00:00 00:01:

19 Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre- Umwelt Simulation mit HYDRUS Beispiele

20 HYDRUS Simulation - HYDRUS 1D und D/3D: Softwarepaket für die Simulation des Wasser-, Wärme- und Stofftransports im Boden (Link) Grundmodell Modellaufbau Modellaufbau Variation I (Variation I),5 cm 3 cm,5 cm 10 cm 8 cm 34 cm 34 cm 7 cm cm 7 cm 0

21 HYDRUS Animationen Grundmodell (vgl. Folie 15) Wasserzufuhr: 1 Liter in 15 min; Simulationsdauer: 15 min; Animation: 50 Prints linke Kammer: feinkörniger Sand rechte Kammer: grobkörniger Sand Wasseranteil θ (-) Zum Abspielen der Filme klicken Sie bitte auf die linke und/ oder die rechte Kammer. 1

22 Dateneingabe Beispiel Variation I rechte Kammer (vgl. Folie 16)

23 HYDRUS Animationen Variation I (vgl. Folie 16) Wasserzufuhr: 1 Liter in 15 min; Simulationsdauer: 15 min; Animation: 50 Prints linke Kammer rechte Kammer Wasseranteil θ (-) Zum Abspielen der Filme klicken Sie bitte auf die linke und/ oder die rechte Kammer. 3

24 University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna Department of Water, Atmosphere and Environment Zusammenfassung und Diskussion

25 Zusammenfassung und Diskussion Wasserbewegung im Boden und Potenzialtheorie Welche Theorie beschreibt die Wasserbewegung im Boden? Aus welchen Komponenten setzt sich das Gesamtpotenzial zusammen? Für welche Bereiche ist die Wasserbewegung im Boden von essentieller Bedeutung? Welcher praktische Nutzen lässt sich aus der Simulation der Wasserbewegung im Boden ableiten? Denkanstöße: Umweltschutz Nachhaltigkeit Ressourcenschutz Ernährungssicherheit Landschaftsschutz Bodenschutz Grundwassersicherheit 5

26 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt Institut für Hydraulik und landeskulturelle Wasserwirtschaft Muthgasse 18, 1190 Wien 6