Boden- und Landschaftswasserhaushalt - BayCEER
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<strong>Boden</strong>- <strong>und</strong> <strong>Landschaftswasserhaushalt</strong>
<strong>Boden</strong>wasser<br />
Generelle Bedeutung des <strong>Boden</strong>wassers<br />
• <strong>Boden</strong>genese<br />
• Pflanzenwachstum<br />
• Medium für Mikroorganismen <strong>und</strong> <strong>Boden</strong>fauna<br />
• Gr<strong>und</strong>lage für biochemische Prozesse<br />
• Stofftransport<br />
• Gashaushalt<br />
• <strong>Landschaftswasserhaushalt</strong>
Wurzelhaare, Pilzmyzel<br />
Gase<br />
Bakterien<br />
Wasserfilm,<br />
gelöste Ionen,<br />
organische<br />
Säuren,<br />
Enzyme, etc.<br />
Mineralische,<br />
organische<br />
Festsubstanz
<strong>Boden</strong>wasser<br />
Bestimmung: Trocknung bei 105°C (Mineralboden) bzw. 60°C<br />
(organische Horizonte)<br />
Gravimetrischer Wassergehalt:<br />
Wassergehalt<br />
gg<br />
1<br />
Feuchtgewicht Trockengewicht<br />
Trockengewicht<br />
Volumetrischer Wassergehalt:<br />
Wassergehalt<br />
cm<br />
3<br />
cm<br />
3<br />
Wassergehalt<br />
( gg<br />
1<br />
)<br />
Lagerungsdichte<br />
( g<br />
cm<br />
3<br />
)
Chemische <strong>und</strong> physikalische Eigenschaften des<br />
Wassers<br />
Dipol<br />
Kohäsion:<br />
Anziehung zwischen<br />
Wassermolekülen<br />
Adhäsion:<br />
Anziehung zwischen<br />
Wassermolekülen<br />
<strong>und</strong> festen Stoffen
Oberflächenspannung<br />
Flüssigkeiten: Teilchen bewegen sich in alle Richtungen,<br />
Bildung <strong>und</strong> Auflösung von Bindungen<br />
Grenzfläche Wasser-Luft: Krümmung<br />
(Verkleinerung) der Oberfläche<br />
energetisch günstig<br />
H 2 O: 73 N m -1 bei 20°C<br />
Hg : 476 N m -1 bei 20°C
Oberflächenspannung <strong>und</strong> Benetzung<br />
< 90°<br />
> 90°<br />
Benetzungswinkel<br />
(=Kontaktwinkel)<br />
: < 90° Kohäsion < Adhäsion<br />
: > 90° Kohäsion > Adhäsion
Benetzungshemmung eines Waldbodens<br />
Bogner et al. 2008
‣Aufstieg einer Flüssigkeit in<br />
einer Röhre<br />
Kapillarität<br />
hydrophile<br />
hydrophobe<br />
Oberfläche<br />
a)Adhäsion muss größer sein<br />
als die Kohäsion<br />
(Benetzungswinkel < 90°)<br />
b) bei Benetzungswinkeln<br />
> 90° = Kapillardepression<br />
c) Benetzungswinkel = 90°?
Berechnung der kapillaren Aufstiegshöhe<br />
h = 2 cos / r g (cm)<br />
h = Aufstiegshöhe<br />
Oberflächenspannung<br />
Benetzungswinkel<br />
r = Radius der Kapillare<br />
Dichte<br />
g = Erdbeschleunigung<br />
Beispiel:<br />
r = 5 µm:<br />
r = 50 µm:<br />
r = 500 µm:<br />
r = 0,5 cm (5000µm):<br />
Steighöhe 300 cm<br />
Steighöhe 30 cm<br />
Steighöhe 3 cm<br />
Steighöhe 0,3 cm
Kapillarwasser<br />
Ungesättigte Zone<br />
Gesättigte Zone<br />
Kapillarer Aufstieg abhängig von:<br />
• Kapillardurchmesser<br />
• Körnung<br />
Bedeutung der Kapillarität<br />
• bei vollständiger Benetzung<br />
Zuordnung der Porendurchmesser<br />
aus der Höhe der Wassersäule
Wasserbindung im <strong>Boden</strong><br />
Warum <strong>und</strong> wie wird Wasser im <strong>Boden</strong> geb<strong>und</strong>en?<br />
In welche Richtung fließt das Wasser <strong>und</strong> wie kann die<br />
Wasserbewegung beschrieben werden?<br />
Wie viel bzw. wie schnell fließt Wasser im <strong>Boden</strong>?<br />
Wie viel Wasser kann ein <strong>Boden</strong> speichern?
Wasserbindung im <strong>Boden</strong><br />
Abnehmende Bindungskraft<br />
<strong>Boden</strong>wasser:<br />
• Adsorptionswasser (=Hydratationswasser)<br />
• Kapillarwasser<br />
• Gravitationswasser (freies, ungeb<strong>und</strong>enes Wasser)
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
Wasserpotential eines ungesättigten <strong>Boden</strong>s ( ):<br />
‣ Arbeit, die notwendig ist, um eine Einheitsmenge Wasser von einem<br />
Punkt im <strong>Boden</strong> zu einem Bezugspunkt zu transportieren<br />
= m . g . h<br />
m: Masse des Wassers (kg)<br />
g: Erdbeschleunigung (m s -2 )<br />
h: Höhe über einer freien Wasserfläche (m)
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
1. wenn das Wasserpotential auf das Wassergewicht<br />
(m . g) bezogen wird:<br />
= (m . g . h) / (m . g)<br />
= h (Höhe , Angabe allg. in cm Wassersäule)<br />
2. wenn das Wasserpotential auf das Wasservolumen (V)<br />
bezogen wird:<br />
= m . g . h / V (kg m -1 s -2 = N/m 2 = Pa<br />
Umrechnungen: 1mm WS = 9,81 Pa (1 cm WS<br />
1 hPa)
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
Wasserpotential eines <strong>Boden</strong>s ( ):<br />
= z + m + o + g<br />
z = Gravitationspotential<br />
Matrixpotential<br />
m<br />
o<br />
osmotisches Potential<br />
g = Gaspotential<br />
Treibende Kraft der Wasserbewegung: Wasser bewegt<br />
sich immer vom höheren zum niedrigeren Potential !
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
Gravitationspotential ( z ):<br />
• bewirkt die Abwärtsbewegung des Wassers<br />
• Arbeit, die erforderlich ist, um Wasser auf eine bestimmte Höhe anzuheben<br />
• positives Vorzeichen, gemessen als Höhe über dem Gr<strong>und</strong>wasserstand ( z = 0 auf<br />
freier Wasseroberfläche)<br />
Matrixpotential ( m ):<br />
• beruht auf physiko-chemischen Kräften, die von der Festsubstanz (Matrix) auf die<br />
Wasserteilchen im Porenraum ausgehen<br />
• Wasser durch Adsorptions- oder Kapillarkräfte geb<strong>und</strong>en<br />
• negatives Vorzeichen<br />
• Je trockener der <strong>Boden</strong>, desto fester ist das Restwasser geb<strong>und</strong>en <strong>und</strong> desto kleiner<br />
(negativer) ist das Matrixpotential<br />
Hydraulisches Potential ( h ):<br />
Gravitationspotential + Matrixpotential
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotenziale<br />
Osmotisches Potenzial ( o ):<br />
• hohe Salzkonzentrationen - Anreicherung von Wasser<br />
• entspricht der Arbeit die geleistet werden muss, um eine bestimmte Menge an Wasser<br />
durch eine semipermeable Membran aus der <strong>Boden</strong>lösung zu ziehen<br />
• je höher der Salzgehalt, umso negativer wird osmotische Potenzial<br />
• Bedeutung in ariden Gebieten <strong>und</strong> in Salzböden<br />
• Austrocknung von Böden, gedüngte Böden<br />
• negatives Vorzeichen<br />
Gaspotenzial ( g ):<br />
• wenn Luftdruck im <strong>Boden</strong> nicht mit dem Druck auf der Bezugsebene übereinstimmt<br />
• praktisch kaum Bedeutung<br />
• positives Vorzeichen
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
Treibende Kraft der Wasserbewegung: Wasser bewegt<br />
sich immer vom höheren zum niedrigeren Potential !!!<br />
Ausgleich aller Potentialunterschiede: keine<br />
Wasserbewegung im <strong>Boden</strong>
Wasserbindung im <strong>Boden</strong><br />
Gravitationspotential<br />
Matrixpotential<br />
Abnehmende Bindungskraft<br />
<strong>Boden</strong>wasser:<br />
• Adsorptionswasser (Hydratationswasser)<br />
• Kapillarwasser<br />
• Gravitationswasser (= Sickerwasser, freies Wasser)
Wasserbindung im <strong>Boden</strong> - Wasserpotentiale<br />
Bindungskraft des Wassers ist nicht nur vom Wassergehalt abhängig -<br />
wichtig sind die <strong>Boden</strong>eigenschaften<br />
• Körnung<br />
• Porenverteilung<br />
• Organische Substanz<br />
• Kationenbelag<br />
Beziehung zwischen dem Wassergehalt <strong>und</strong> dem Matrixpotential<br />
(Wasserspannung) = charakteristische Eigenschaft eines <strong>Boden</strong>s<br />
Bindungsstärke des Wassers<br />
wird als Logarithmus des<br />
negativen Matrixpotentials<br />
(Saugspannung) angegeben
Beziehung zwischen vol. Wassergehalt <strong>und</strong><br />
Wasserspannung (pF-Kurve)
Beziehung zwischen vol. Wassergehalt <strong>und</strong><br />
Wasserspannung (pF-Kurve)<br />
dient zur Bestimmung der Porung des <strong>Boden</strong>s <strong>und</strong> wichtiger Kenngrößen<br />
des <strong>Boden</strong>wasserhaushaltes<br />
Feldkapazität (FK):<br />
Wassermenge, die ein <strong>Boden</strong><br />
gegen die Schwerkraft halten<br />
kann (pF: 1,8...2,5)<br />
permanenter Welkepunkt<br />
(PWP): Welken bei<br />
Entwässerung: pF: 4,2<br />
nutzbare Feldkapazität (nFK):<br />
FK - PWP
Porenvolumen - Wasserbindung
<strong>Boden</strong>wassergehalt θ (Vol.-%)<br />
Feldkapazität<br />
verfügbares Wasser<br />
permanenter Welkepunkt<br />
nicht verfügbares Wasser<br />
Sand<br />
sandiger<br />
Lehm<br />
Lehm<br />
schluffiger<br />
Lehm<br />
toniger<br />
Lehm<br />
Ton<br />
Korngrössenverteilung
Hysterese der Beziehung zwischen Wassergehalt<br />
<strong>und</strong> Wasserspannung (pF-Kurve)
Wasserbewegung im <strong>Boden</strong><br />
Ursache der Wasserbewegung: Änderung der Potentiale durch<br />
Niederschläge, Transpiration, Evaporation<br />
- gesättigtes Fließen: 2-Phasensystem <strong>Boden</strong>-Wasser<br />
- ungesättigtes Fließen: 3-Phasensystem <strong>Boden</strong>-Wasser-Luft<br />
Beschreibung mit der Gleichung von Darcy:
Wasserbewegung im <strong>Boden</strong><br />
Darcy-Gesetz leitet sich aus dem Gesetz von Hagen <strong>und</strong><br />
Poisseuille für Fließen in zylindrischen Kapillaren ab:<br />
• abhängig von Porung <strong>und</strong> Porenkontinuität (Körnung, Gefüge) <strong>und</strong><br />
dem Wassergehalt - 4. Potenz!<br />
• wichtig Sek<strong>und</strong>ärporen bei Schluff- <strong>und</strong> Tonböden<br />
• bei hohen Wassergehalten: schnelles Fließen<br />
• Leitfähigkeit variiert um mehrere Zehnerpotenzen auf kleinem Raum
Wasserbewegung im <strong>Boden</strong><br />
k: Leitfähigkeitskoeffizient (hydraulische Leitfähigkeit)
<strong>Boden</strong>- <strong>und</strong> <strong>Landschaftswasserhaushalt</strong><br />
kapillarere<br />
Aufstieg<br />
Infiltration<br />
Versickerung<br />
langfristige Wasserhaushaltsgleichung:<br />
Niederschlag = Abfluss + Verdunstung<br />
kurzfristig (bis 10 Jahre):<br />
Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + <strong>Boden</strong>wasservorratsänderung<br />
Abfluss: oberirdisch (Ao) <strong>und</strong> unterirdisch (Au)<br />
Verdunstung: Evaporation, Transpiration, Interzeption
<strong>Boden</strong>- <strong>und</strong> <strong>Landschaftswasserhaushalt</strong><br />
<strong>Boden</strong> ist ein wichtiger<br />
Faktor der<br />
Gr<strong>und</strong>wasserneubildung:<br />
beeinflusst:<br />
•Landschaftsentwicklung<br />
•Trinkwasserspeicher<br />
•Nutzbarkeit<br />
abhängig von:<br />
•Klima<br />
•<strong>Boden</strong>eigenschaften<br />
•Nutzung<br />
•Vegetation
Wie viel pflanzenverfügbares Wasser (mm =<br />
L m -2 ) kann ein <strong>Boden</strong> bis 1m Tiefe<br />
speichern?<br />
Sandboden (gS-Su4): 40 – 270 mm<br />
Schluffboden (Uu-Ut4): 190 – 300 mm<br />
Lehmboden (Ls2-Lu): 100 – 210 mm<br />
Tonboden (Tt-Ts4): 100 – 190 mm<br />
Abhängig von: Textur,<br />
Dichte,<br />
Skelettgehalt,<br />
Humus
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