Praxisvergleich von 13 Sensor-Typen zur Wassergehaltsund Wasserspannungsbestimmung in Böden

Praxisvergleich von 13 Sensor-Typen zur Wassergehaltsund Wasserspannungsbestimmung in Böden Wolfgang Durner Hella Rosenkranz, Wenkui He, Christoph Knoblauch, Katharina H. E. Meurer

Wasserdynamik in Böden Vorhersagen Landwirtschaftliche Fragestellungen Grund- und Oberflächenwasserschutz Abschätzung der Auswirkungen von Systemänderungen Prozessverständnis Einzelne Prozesse verstehen Modelle entwickeln, überprüfen und verbessern Messungen! Folie 2

Gelände einer Gärtnerei in Norddeutschland (Wolfenbüttel) Standort 2 Monate vor Einbau der Sensoren wurde bis 25 cm Tiefe gefräst vegetationsfrei schluffiger Lehm Folie 3

Übersicht Sensoren Wassergehaltssensoren Wasserspannungs- Sensoren Datalogging Folie 4

Sensoren-Anordnung Folie 5

SENSOREN Folie 6

Wassergehaltssensor Trase TDR TDR-Sensor, 0 100% VWC 15 cm lang, 2000 cm³ Messvolumen Genauigkeit ± 2% unkalibriert direct push Logging auf DT85 Folie 7

Wassergehaltssensor IMKO TrimePico 64 TDR-Sensor Range: 0 to 100% VWC Accuracy: ±1% (0... 40%); ±2% (40... 70%) Temperatur 1,5 C absolut, ±0,5 C relativ 16 cm, Messvolumen > 1250 cm³ direct push Logger DT85 Folie 8

Wassergehaltssensor DeltaT ThetaProbe ML2x FDR-Sensor, 0 100% VWC 6 cm lang, ~500 cm³ Messvolumen Genauigkeit ± 5% unkalibriert direct push Logging auf DT85 Folie 9

Wassergehaltssensor Decagon EC-5 Kapazitiver Sensor Range: 0 to saturation Accuracy: ±4% VWC lowest cost 5 cm lang, 300 cm³ Messvolumen direct push Em50 DataLogger Folie 10

Wassergehaltssensor Decagon 10HS Kapazitiver Sensor Range: 0 to 57% VWC Accuracy: ±3% VWC 10 cm lang, 1000 cm³ Messvolumen direct push Em50 DataLogger Folie 11

Wassergehaltssensor Decagon 5TM Kapazitiver Sensor Range: 0 to 100% VWC (?) Accuracy: ±3% VWC Temperaturmessung (±1 C, Auflösung 0.1 C) 5 cm lang direct push Em50 Datalogger Folie 12

Wasserspannungssensor UMS-T4 Feld-Tensiometer Range: bis -850 hpa (pf 2.9) Accuracy: ±5 hpa% 5 cm Kerzenlänge; 15 bar Keramik Einpressung in vorgebohrtes Loch DT 85 Logger Folie 13

Wasserspannungssensor UMS-T8 Langzeit-Feld-Tensiometer mit Wiederbefüllung und Füllindikator Range: bis -850 hpa (pf 2.9) Accuracy: ±5 hpa Temperaturmessung (±0.2 C) 5 cm Kerzenlänge; 15 bar Keramik Einpressung in vorgebohrtes Loch DT 85 Logger Folie 14

Wasserspannungssensor UMS-T5 Tensiometer für Laboreinsatz (!) Range: bis -850 hpa (pf 2.9) und darüber hinaus (T5x bis -2000 hpa) Accuracy: ±5 hpa% 0.5 cm Kerzenlänge; 9 bar Keramik Einpressung in vorgebohrtes Loch DT85 Logger Folie 15

Wasserspannungssensor Decagon MPS1 und MPS-2 Matrix-Sensor -10 to -500 kpa (pf 1.71 to pf 3.71) Ca. 3.5 cm Scheibendurchmesser Messvolumen unbekannt Einbettung in natives Bodenmaterial Lt. Werbung sorgenfrei : plug and read Em50 Logger Folie 16

Wasserspannungssensor UMS SIS Granularer Matrix-Sensor -50 bis -2000 kpa 5 cm Kerzenlänge Messvolumen unbekannt Einbau durch direct push nach Verschmierung der Ports mit nativem Bodenmaterial; DT85 Logger Folie 17

EINBAU Folie 18

Einbau Folie 19

Einbautechnik und -orientierung Folie 20

Sektoren Nord und Süd: horizontaler Einbau Sektoren West und Ost: vertikaler Einbau Folie 21

Einbau Folie 22

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Einbau Folie 25

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Wässerung Folie 30

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ERGEBNISSE WASSERGEHALTSMESSUNG Folie 32

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Ergebnisse Wassergehaltsmessung Die unterschiedliche Einbauorientierung führte nicht zu Differenzen in den Messergebnissen. Im Norden höhere Wassergehalte Folie 34

Frühe Phase: 10HS Folie 35

Wassergehalte Nordsektor Folie 36

Wassergehalte Südsektor Folie 37

Ground Truth: Vergleich mit Stechzylindermessungen volumetrischer Bodenwassergehalt [Vol-%] Nord Ost Süd West Sensor Feld Labor Feld Labor Feld Labor Feld Labor TDR 29,9 26,4 28,2 28,3 29,7 26,9 29,0 28,5 10HS 24,0 27,3 26,3-26,7 27,6 25,0 25,2 TrimePico64 31,8 27,4 32,0 25,1 31,4 25,5 30,2 27,2 ThetaProbe 29,4 29,6 28,2 26,0 31,2 26,8 29,7 24,9 5TM 26,0 25,5 23,0 26,3 24,4 25,6 24,7 22,2 EC-5 27,5 28,2 26,5 23,7 26,9 25,5 22,3 25,4 Folie 38

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Fazit Wassergehaltssensoren TrimePico64 Relativ starke Tageschwankungen (Temperaturbedingt?). Ungenaue Temperaturanzeigen (!) Starke Überschätzung der Referenzgehalte TRASE-TDR Vermutlich durch Multiplexing verursachte Ausreißer, welche die Gesamtauswertung zerschießen. Leichte Überschätzung der Referenzwerte ThetaProbe Teilweise Ausreißer in Messreihe Überschätzung der Referenzgehalte Folie 40

Fazit Wassergehaltssensoren Kapazitive Sonden im Mittel beste Übereinstimmung mit den Referenzwerten (!) Gutmütiges, robustes Verhalten Keine signifikanten Unterschiede zwischen 10HS, 5TM und EC5 Der EC5 zeigt die geringste mittlere Abweichungen von den Referenzwerten (kann Zufall sein: n = 4!) Der 10HS zeigt die geringste relative Streuung zwischen den vier Sektoren Folie 41

ERGEBNISSE TENSIONSMESSUNG Folie 42

Tension [hpa] Tensionen Frühphase: T8 vs. T5 (offsetbereinigt) vs. MPS 250 200 150 100 50 T8-1 T8-2 T8-3 T8-4 T5-1 T5-2 T5-3 T5-4 MPS1 MPS2 MPS3 MPS4 0 30.6 2.7 4.7 6.7 8.7 10.7 12.7 Folie 43

Tensionen: 1. Periode Folie 44

Tensionen: 2. Periode Folie 45

Tension(hPa) Tensionen: 3. Periode 600 500 400 300 T4_W T5_W T8n_W T8o_W MPS1_W MPS2_W SIS_W 200 100 0 1.10 3.10 5.10 7.10 9.10 11.10 13.10 15.10 Folie 46

Fazit Tensionssensoren SIS Richtige Trends, im Grunde robuster Verlauf In den Absolutwerten völlig daneben. Rekalibrierung a posteriori möglich, aber nicht a priori. T4, T8 Im feuchten Bereich unter Beachtung der Offsetkorrektur fast perfekte Übereinstimmung Im trockenen Bereich auffächern, Gesamtspannweite ca. Faktor 2 Folie 48

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Fazit Tensionssensoren MPS Konnten ihre potentielle Stärke nicht ausspielen da nach Einbau der Boden nicht mehr wesentlich austrocknete Resultate noch unklar In Einzelfällen Springen der Werte T5 Die positive Überraschung: Hervorragend! Folie 50

IN SITU RETENTIONSKURVE Folie 51

Wassergehalt [cm³/cm³] Frühe Phase: Tensiometer vs. 10HS 0,295 0,290 0,285 0,280 0,275 0,270 0,265 0,260 0,255 0,250 0,245 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tension [hpa] Folie 52

PROBLEMZONEN Folie 53

Kontaktprobleme? Folie 54

Biologie (1) Folie 55

Biologie (2) Folie 56

Biologie (3) Folie 57

http://www.anuno.de/assets/images FAZIT Folie 58

Fazit Ergebnisse sind vorläufig, und müssen einer weiteren Validierung unterzogen werden Studie brachte wertvolle Einblicke in Praxis Fehler der ersten Runde waren Zu späte Verfügbarkeit aller Sensoren Abschattung ungleichmäßig Vegetationsvermeidung ohne Einsatz von Herbiziden Folie 59

Vielen Dank 16. Juni 2010 Henrike Schelle XMSO und EVA Seite 60 Folie 60