Bodenwasserbewegung © Loiskandl, Schalko, Scholl, Strauss-Sieberth

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

Wasserkreislauf 3

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

Einteilung des Wassers im Boden Lufteintrittspunkt

Einteilung des Wassers im Boden 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 Bildquelle: www.fachdokumente.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/10038/abb2_13.gif; nach Busch und Luckner (1974)

Bodenwasserbewegung Potenzialkonzept Das Gesamtpotenzial des Wassers im Boden bei der Temperatur To entspricht jener Arbeit pro Masseneinheit reinen Wassers in J/kg, welche erforderlich ist, um eine infinitesimale Menge Wassers reversibel und isothermal aus einem Standardsystem So 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~) Anm.: Bei diesen Energieinhalten wird der kinetische Anteil aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit vernachlässigt. Quelle: IBG Bulletin Nr. 49, 1976)

Gesamtpotenzial ψt = ψg + ψo + ψp Potenzialkonzept Gesamtpotenzial ψt = ψg + ψo + ψp Schwerkraftpotenzial g (Gravitations~) …gegen die Schwerkraft vom Standardsystem S0 über die Bodenoberfläche zum System S1 zu heben. osmotisches Potenzial o (Lösungs~) …aus dem System S1 in das System S2 zu bewegen (nur wirksam, falls eine halbdurchlässige Membran vorhanden). Druckpotenzial p (Tensiometer~) …vom System S2 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… p umfasst alle Effekte, die der Boden auf das Wasser ausübt, mit Ausnahme von g und o. Dazu zählen z.B. Matrix- und Gasdruckpotenzial. g = g  h Es gilt: h = h1 - h0 (Höhendifferenz zw. S0 und S1) VW - spezifisches Volumen der Bodenwasserlösung

Potenzialkonzept Definitionen der Systeme Das Standardsystem S0 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 T0 in der Höhenlage h0 bei einem atmosphärischen Druck p0. Das System S1 ist ebenfalls definiert als ein Behälter mit reinem, freiem Wasser, der sich jedoch in der Höhenlage h1 befindet. Es gilt: T1 = T0; p1 = p0. Das System S2 ist definiert als ein Behälter mit einer Lösung der gleichen Zusammensetzung wie die Bodenflüssigkeit im betrachteten Punkt, die einen osmotischen Druck besitzt. Es gilt: h2 = h1; T2 = T1 = T0; p2 = p1 = p0.

Literatur Unterlagen und Informationen Vorlesungen an der BOKU zu diesem Thema: 815.101 Bodenphysik 815.311 Simulation in Vadose Zone Environment 815.316 Bodenphysik (Vertiefung) 911.302 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. BOKU Kongress 11

Experiment: Bodenwasserbewegung im 2-Schicht-Bodenmodell

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

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

Grundmodell 2 1 1 2 Zufluss von oben linke Kammer rechte Kammer seitlicher Zufluss (beim aktuellen Versuchsdurch-gang geschlos-sen und nicht genutzt) linke Kammer rechte Kammer 2 1 Bodenauslass grobkörniger Sand feinkörniger Sand 1 2

Variation I 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2 rechte Kammer linke Kammer seitlicher Zufluss 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 grobkörniger Sand feinkörniger Sand 1 Bodenauslass 2 16

Versuchsaufbau Variation II Zufluss 1 2 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 linke Kammer rechte Kammer 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 grobkörniger Sand feinkörniger Sand 1 Bodenauslass 2 17

Ende Versuchsablauf 00:06:00 00:14:00 00:16:00 00:07:00 00:10:00 00:02:30 00:05:00 00:01:00 00:00:00 00:00:15 Versuchsablauf Durchführung des 2-Schicht-Bodenmodell Variation IIs Beginn: 1515 Uhr Wasserzufuhr: ca. 2 l in 14 Minuten Nach 2,5 Stunden sind bereits 400 ml Wasser durch den Bodenauslass der Box abgeflossen Ende 18 BOKU Kongress 18

Simulation mit HYDRUS Beispiele

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

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

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

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

Zusammenfassung und Diskussion

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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt Institut für Hydraulik und landeskulturelle Wasserwirtschaft Muthgasse 18, 1190 Wien E-Mail: willibald.loiskandl@boku.ac.at http://www.wau.boku.ac.at/ihlw.html