Bodenkundliches Praktikum I - Bodenkunde und Bodenphysik ...

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40 Lagerungsdichte, Porosität, Feldkapazität, Porengrößenverteilung hinaus spielt auch die Vorgeschichte der Be- und Entwässerungsvorgänge eine Rolle, so dass unter instationären, natürlichen Randbedingungen nicht eine, sondern eine unendlich große Anzahl von θ(ψ)-Beziehungen vorliegen. Der Begriff "Retentionskurve" impliziert, dass bei der Bestimmung der θ(ψ)-Charakteristik nur ein ganz spezieller Ast der hysteretischen Beziehung gemessen wird: die sogenannte 6. Erstentwässerungskurve. Zwar ist mit der vorliegenden Messtechnik denkbar, auch einen Bewässerungsast zu messen (indem die Proben wieder von hohen auf niedrigere Druckstufen umgesetzt werden, und gewährleistet ist, dass aus den keramischen Platten Wasser in die Proben fließen kann). Auf diese Messung wird jedoch in der Regel verzichtet. Die Hysterese wird in Simulationen entweder ignoriert oder durch möglichst einfache Modelle abgebildet. Tatsächlich sind die bestehenden Modelle und Methoden jedoch noch mit gravierenden Mängeln behaftet, und es besteht auf diesem Sektor noch erheblicher Forschungsbedarf. Ergebniskorrektur. Bei grobkörnigen Materialien und relativ hohen Proben führt die Zuordnung einer mittleren Tension zu einem mittleren Wassergehalt zu einer Glättung der wahren (auf einen Punkt definierten) Retentionsfunktion, was sich vor allem im Bereich des Lufteintrittspunktes als systematischer Fehler äußert. Es ist möglich, diesen Fehler nachträglich herauszurechnen (Dane et al., 1999). 7. Ungestörtheit der Probe: Für die Gültigkeit der Ergebnisse im Bereich nahe Sättigung ist es wichtig, einen ungestörten Bodenausschnitt zu beproben. Der Kollaps der größten Poren aufgrund von Sackungen wird sich in der Retentionsfunktion allerdings nur marginal auswirken, da möglicherweise nur ein sehr geringes Porenvolumen betroffen ist. Wird die Retentionsfunktion allerdings benutzt, um – wie in vielen Fällen üblich – daraus den Verlauf der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion vorherzusagen, so spielen kleinste Nuancen im Verlauf nahe Sättigung bereits eine erhebliche Rolle. Dieses Problem stellt sich dagegen nicht bei den höheren Druckstufen, bei denen Poren im Mittel- und Feinporenbereich entwässert werden. Da diese Poren texturbedingt sind, können (und sollen) höhere Druckstufen (ab –300 cm) an gestörten Proben im Drucktopf gemessen werden. Wichtiger als die Ungestörtheit ist nun, dass die Proben möglichst flach sind (z.B. 5 mm), um eine schnelle Gleichgewichtseinstellung zu gewährleisten (vgl. nächster Abschnitt). Saugspannungen im Bereich pF 2,5 - 4,2 Im Bereich 2.5 < pF < 4.2 können Gleichgewichtswassergehalte erreicht werden, indem man feuchtes Bodenmaterial in einem Drucktopf ("pressure membrane apparatus") bringt, bei dem die Gasphase unter einem Überdruck ha steht, während die Wasserphase über eine feinporige Keramik in Kontakt zu atmosphärischem Umgebungsdruck entwässern kann (Abb. 11). Zu beachten ist hierbei: 1. Als Bodenmaterial sollte gut angefeuchteter, auf 2 mm gesiebter Feinboden verwendet werden. 2. Eine Bodenmenge von etwa einem Teelöffel wird in kleine Ringe, auf der Keramik liegende Ringe eingebracht und an der Keramik etwas festgepresst, so dass ein guter Kontakt zwischen Boden und Keramik gewährleistet ist. Wenn die Ringe nicht mit eingravierten Kennungen versehen sind, so ist eine sorgfältige Protokollierung der Probenzuordnung notwendig. 3. Wenn alle Proben auf der Keramik aufgebracht sind (kann auch in mehreren Etagen geschehen), wird der Drucktopf verschlossen und unter Druck gesetzt. ACHTUNG: aus Sicherheitsgründen darf dies nur unter Anleitung und im Beisein einer Betreuungsperson geschehen! 4. Der Druck wird über eine Zeit von einigen Tagen aufrechterhalten (zwischendurch prüfen!). Nach dieser Zeit hofft man, dass die Gleichgewichtseinstellung erfolgt ist. Der Druck wird nun abgelassen, der Drucktopf wieder geöffnet, die Proben von der
Lagerungsdichte, Porosität, Feldkapazität, Porengrößenverteilung 41 5. keramischen Platte entfernt und in saubere beschriftete Alu-Döschen überführt. Diese werden gewogen, 24 h im Trockenschrank bei 105°C getrocknet, dann entnommen, im Exsikkator abgekühlt, und erneut gewogen. Der Wassergehalt errechnet sich zunächst als gravimetrischer Wassergehalt aus dem Massenverhältnis des im Boden vorhandenen Wassers gegen das trockene Bodengewicht. Die Umrechnung in den volumetrischen Wassergehalt erfolgt unter Verwendung der mittleren Lagerungsdichte ρb für den Standort gemäß V W ρ W −W θ ⋅ Wasser Wasser Wasser feucht trocken b = = = (12) Vgesamt WBoden ρb Wtrocken ρWasser Berechnungsbeispiel: Gewicht Probe feucht (g) Wfeucht 4.20 Gewicht Probe trocken (g) Wtrocken 4.00 Gravimetrischer Wassergehalt (g/g) θgrav 0.05 Dichte von Wasser bei 20°C (g/cm³) ρWasser ~ 1.00 Mittlere Lagerungsdichte (g/cm³) ρb 1.50 Volumetrischer Wassergehalt (cm³/cm³) θ 0.075 Saugspannungen > pF 4,2 (wird im Praktikum nicht durchgeführt) Dieses Verfahren basiert, im Gegensatz zu den bisher beschriebenen, auf chemischer Grundlage. Die Wasseraffinität konzentrierter Schwefelsäure ermöglicht die weitere Entwässerung von Bodenproben. Die Einstellung der gewünschten pF-Werte erfolgt über die Konzentration der zur Gleichgewichtseinstellung vorgelegten Schwefelsäure: 3.3 Vol.-% H2SO4 -> pF 4,5 10 Vol.-% " -> pF 4,7 30 Vol.-% " -> pF 5,6 50 Vol.-% " -> pF 6,1 Nach dem Dampfdruckausgleich zwischen Probe und konzentrierter Schwefelsäure wird die Probe wie oben beschrieben zur Bestimmung des Wasserverlusts getrocknet und gewogen. Stechzylinder mit Bodenprobe wassergefüllter Raum 15 bar ρ Manometer keramische Platte Abb. 11: Überdruckmethode zur Messung der Retentionskurve (Abb. aus Huwe, 1999).
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