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

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Präsentation zum Thema: "Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre- Umwelt Bodenwasserbewegung © Loiskandl, Schalko, Scholl, Strauss-Sieberth."—  Präsentation transkript:

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

2 22 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: https://www.soils.org/publications/soils-glossary Einleitung Was ist ein Boden?

3 33 Wasserkreislauf

4 4 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 Bodenwasser Bodenwasser ist … Quelle: Gusev und Novak (2007) ©USDA NRCS

5 5 Einteilung des Wassers im Boden Lufteintrittspunkt

6 6 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 – ver- glichen mit dem atmosphärischen Luftdruck – unter gleichem oder größerem Druck steht. (vgl. ÖNORM B 2400) Einteilung des Wassers im Boden

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

8 8 Bodenwasserbewegung Potenzialkonzept 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 Gesamt- potenzial g Schwerkraft- potenzial (Gravitations~) o osmotisches Potenzial (Lösungs~) p Druck- potenzial (Tensiometer~) Quelle: IBG Bulletin Nr. 49, 1976) ++= Anm.: Bei diesen Energieinhalten wird der kinetische Anteil aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit vernachlässigt.

9 9 Schwerkraftpotenzial g (Gravitations~) …gegen die Schwerkraft vom Standardsystem S 0 über die Bodenoberfläche zum System S 1 zu heben. osmotisches Potenzial o (Lösungs~) …aus dem System S 1 in das System S 2 zu bewegen (nur wirksam, falls eine halbdurchlässige Membran vorhanden). Druckpotenzial p (Tensiometer~) …vom System S 2 in den betrachteten Punkt im Boden bei dem dort herrschenden Wasser- gehalt zu bewegen. …ist die erforderliche Arbeit, um eine infinitesimale Menge Wasser reversibel und isothermal… Gesamtpotenzial ψ t = ψ g + ψ o + ψ p g = g h Es gilt: h = h 1 - h 0 (Höhendifferenz zw. S 0 und S 1 ) V W - spezifisches Volumen der Bodenwasserlösung Potenzialkonzept p umfasst alle Effekte, die der Boden auf das Wasser ausübt, mit Ausnahme von g und o. Dazu zählen z.B. Matrix- und Gasdruckpotenzial.

10 10 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 2 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 2 = h 1 ; T 2 = T 1 = T 0 ; p 2 = p 1 = p 0. Potenzialkonzept

11 11 Literatur 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) https://www.soils.org/publications/soils-glossary/ Bodenphysik Hillel, D. (1998): Environmental Soil Physics. Academic Press, USA. HYDRUS Radcliffe, D. and Šimůnek, J. (2010): Soil physics with HYDRUS. CRC Press. – Boca Raton, Fla. Unterlagen und Informationen

12 Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre- Umwelt Experiment: Bodenwasserbewegung im 2-Schicht-Bodenmodell

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

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

15 15 GrundmodellBodenauslass grobkörniger Sand feinkörniger Sand linke Kammer rechte Kammer Zufluss von oben seitlicher Zufluss seitlicher Zufluss (beim aktuellen Versuchsdurch- gang geschlos- sen und nicht genutzt)

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

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

18 18 Versuchsablauf Durchführung des 2-Schicht-Bodenmodell Variation IIs Beginn: Uhr Wasserzufuhr: ca. 2 l in 14 Minuten Nach 2,5 Stunden sind bereits 400 ml Wasser durch den Bodenauslass der Box abgeflossen 00:00:00 00:00:15 00:01:00 00:02:30 00:05:0000:06:00 00:07:00 00:10:00 00:14:00 00:16:00 Ende

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

20 20 Simulation -HYDRUS 1D und 2D/3D: Softwarepaket für die Simulation des Wasser-, Wärme- und Stofftransports im Boden (Link)Link HYDRUS 34 cm Modellaufbau GrundmodellVariation I

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

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

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

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

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

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


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