Wasserbewegungen im Boden

Wasserbewegungen im Boden

Ursache: Potentialunterschiede

Bewegung des Wassers immer von Stellen höheren Potentials (höherer potentieller Energie) zu Stellen niedrigen Potentials
Bewegung bis zum Einstellen eines Gleichgewichtes zwischen den Potentialen

Potentiale

Def.:

Arbeit, die notwendig ist, um eine Menge Wasser von einem gegebenen Punkt eines Kraftfeldes zu einem Bezugspunkt zu transportieren.

y = m (Menge) + b ( Beschleunigung) + h (Höhe)

bzw. bei der Bezugseinheit Volumen: y = r (Dichte) + b + h

Gravitationspotential yg
- Einfluss der Gravitation auf die Wasserbewegung
- Arbeit, die aufgewendet werden muss, um eine bestimmte Menge Wasser von einem Bezugsniveau auf eine bestimmte Höhe anzuheben
- Bezugsniveau für Gesamtpotential wird stets so gewählt, dass das Gravitationspotential ein positives Vorzeichen erhält und somit von der freien Wasseroberfläche nach oben gerichtet zunehmende Beträge erhält.

Matrixpotential / Kapillarpotential ym

Einfluss der Bodenmatrix
Adsorptionskraft + Kapillarkraft
je trockener der Boden, desto größer beide Kräfte
da entgegengesetzt zum gravitationspotential negatives Vorzeichen
als Druck aufgefasst = hydrostatischer Druck
negatives Vorzeichen unberücksichtigt = Saugspannung

osmotisches Potential yg

Einfluss gelöster Salze
Arbeit, die aufgewendet werden muss, um eine Menge Wasser, durch eine semipermeable Membran aus der Bodenlösung zu ziehen

Gaspotential yg

Einfluss eines Luftdruckgradienten
wenn Luftdruck im Boden nicht mit dem übereinstimmt der an der Bezugsniveau gewählten Ebene herrscht

Gesamtpotential

y = yz + ym + yg + yo

Kombination von Teilpotentialen

da Bestimmung des Gesamtpotentials neu und umständlich - Verwendung des hydraulischen Potentials, in dem die wichtigsten Potentiale zusammengefasst sind:

y = yz + ym + ...

Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential

Porengröße und -volumen bestimmen Wassergehalt bei bestimmten Matrixpotential des Bodens, daher ist der Verlauf der Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential bzw. Wasserspannung für jeden Horizont charakteristisch jeder Boden weist daher charakteristische pf- Kurve auf

Ursache: unterschiedliche Porengrößenverteilung

in Sandböden - Poren mit einheitlichen Durchmesser,
überwiegender Anteil Grobporen - Wasser nur schwach gebunden,
restlicher Anteil mit zunehmender Bindungsstärke (Adsorptionswasser)
in Schluffböden20% Mittelporen in Tonböden 30% Feinporen, d.h. abnehmende Größe der Körnung bedeutet Zunahme der adsorbierenden Oberfläche, also zunehmende Bindungsstärke

Gefüge

Quellung oder Schrumpfung bedeutet Veränderung des Porenvolumen und der Porengrößenverteilung
bei Quellung- Abnahme der Grobporen, Zunahme der Mittel- v.a. aber der Feinporen
bei Schrumpfung- Zunahme der Grobporen, Abnahme der Mittel- v.a. aber der Feinporen

Hystensis

Richtung der Wassergehaltsänderung
für Be- und Entwässerung ergeben sich verschiedene pf- Kurven; Ursache dafür: gegensätzliche Wirkung von Porenengpässen, unterschiedliche Luftinklusion, Veränderung der Benetzbarkeit und die durch Schrumpfung bewirkten. nur tw. reversiblen Gefügeänderungen

Wasserbewegungen in flüssiger Phase

Niederschläge und Evatranspiration verhindern Einstellen eines Potentialgleichgewichtes

Folge: Wasserbewegung in Richtung niedrigsten Potential

Einflussfaktoren:

antreibendes Potentialgefälle
Wasserleitfähigkeit des Bodens

Darcy- Gleichung

Q =k dY/dl

l: Fließstrecke

d y: Potentialgradient

Bedingung: laminares Fließen, stationärer Fluss

Wasserleitfähigkeit

Einflussfaktoren: Anzahl, Größe und Form der Poren durch die das Wasser fließt

Hagen -Poiseulilische Gleichung:

Q = pr⁴dy / 8hl

h= Viskosität

Da Q vom Radius der Poren abhängt, besteht ein Zusammenhang zur Porengrößenverteilung, d.h. dem Anteil an Grob-, Mittel- und Feinporen.

Diese lassen sich wiederum auf Körnung und Gefüge zurückführen.

Im Oberboden, 1-6dm Tiefe, kaum Einfluss des Tongehaltes; hier überwiegen gefügebedingte Sekundärporen, wie z.B. Schrumpfrisse, Wurmgänge, Wurzelröhren. Sekundärporen weisen einen Durchmesser von > 60 mm auf, sind also größer noch als Grobporen. Sekundärporenreiche Böden weisen daher körnungsunabhängig gleiche Werte der Wasserleitfähigkeit auf.

Im Unterboden,8 -12 dm Tiefe, bestimmen körnungsbedingte Primärporen die Wasserleitfähigkeit. Der Tongehalt hat einen deutlichen Einfluss an der Wasserleitfähigkeit: je größer er ist, desto geringer die Durchmesser der Poren - desto geringer die Wasserleitfähigkeit.

Einen weiteren Einfluss nimmt der Humusgehalt der Böden, da Humus einen hohen Anteil an Poren aufweist.

Wassergehalt des Bodens

Im gesättigten Zustand, wenn also alle Poren mit Wasser gefüllt sind, besteht für alle Bodenarten die höchste Wasserleitfähigkeit. Sandböden mit ihrem hohen Anteil an Grobporen, weisen die höchste Wasserleitfähigkeit auf, gefolgt von Tonböden, da hier Sekundärporen auftreten. Ein großer Durchmesser der Poren führt aber zur schnellen Entwässerung.

Das bedeutet mit steigender Trockenheit nimmt die Wasserspannung zu. Nur noch ein Teil der Poren ist mit Wasser gefüllt und daher an der Perkolation (Abwärtsbewegung des Wassers) beteiligt. Grob- und Sekundärporen füllen sich mit Luft und der Durchmesser verringert sich.

D.h. der Fließquerschnitt wird reduziert und somit die Menge an durchströmenden Wasser.

Da im Tonboden der Anteil an Feinporen überwiegt, ist hier das größte Porenvolumen zu finden, in dem noch Wasser enthalten ist. Damit ist im Bereich stärkerer Austrocknung der Fließquerschnitt in Tonböden am größten und damit auch seine Wasserleitfähigkeit.

Schluffböden, mit ihrem hohen Anteil an Mittelporen und niedrigen Anteil an Fein- und Grobporen zeigen im gesättigten und ungesättigten Zustand die geringste Wasserleitfähigkeit. Im Bereich der in terrestrischen Böden am häufigsten vorkommt, besitzen sie jedoch eine optimale Wasserleitfähigkeit. Das macht u.a. ihre hohe Bedeutung für landwirtschaftliche Nutzung aus.

Viskosität, osmotisches Potential

Mit dem Salzgehalt ändert sich die Viskosität des Wasser und damit die Wasserleitfähigkeit lt.Hagen -Poiseulilischer Gleichung.

Mit der Salz- bzw. Ionenkonzentration hängt aber ebenfalls das osmotische Potential zusammen. Fließt salzarmes Wasser durch Böden höherer Salz- bzw. Ionenkonzentration (tonmineralreiche Böden), findet eine Wasseranreicherung in der Salzzone der Bodenteilchen zu Lasten angrenzender Bereiche statt. Ist mit der Perkolation ein Entsalzungsvorgang verbunden, nimmt die Wasserleitfähigkeit ab. Diese Veränderungen sind bei Na-Ionen im Wasser und an Tonmineralen am stärksten, Ca-Ionen nehmen einen deutlich geringeren Einfluss.