Matrixpotenzials
Stellt man eine Säule mit trockenem Boden in ein Wasserbad, so steigt Wasser von unten in die Bodensäule auf, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dies ist dann der Fall, wenn das Gesamtpotenzial in der Bodensäule an allen Punkten gleich groß ist. Ein Wasserfluss tritt nur dann auf, wenn Potenzialunterschiede entstehen. Dann fließt das Wasser stets vom Ort höheren zum Ort niedrigeren Potenzials, also von der feuchten zur trockenen Zone. In der Natur werden Veränderungen des Potenzials im Boden durch infiltrierende Niederschläge sowie durch Wasserentnahme von Pflanzenwurzeln erzeugt.
Abb. 5-5 | Potenzialverteilung in einer Bodensäule, in der sich das Bodenwasser im Gleichgewicht befindet (nach Ehlers 1996) mit z = Tiefe [cm]; θ = Wassergehalt [Vol.-%]; Ψm = Matrixpotenzial [hPa]; ΨH = Gesamtpotenzial [hPa].
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Messung des Matrixpotenzials
Zur Bestimmung des Matrixpotenzials werden pF-Meter, häufiger jedoch Tensiometer in den Boden eingesetzt. Bei den pF-Metern handelt es sich um ein thermisches Messverfahren, mit dem ein über eine Keramiksonde erfasster Wärmeimpuls einer Wasserspannung zugeordnet werden kann. Die Wasserspannung wird im Bereich von pF = 0–7 erfasst.
Ein Tensiometer besteht zumeist aus einer porösen keramischen Kerze, die mit einem Druckaufnehmer verbunden ist. Die keramische Zelle bzw. das Tensiometer ist mit Wasser gefüllt. Die Zelle gibt über ihre Poren so lange Wasser in den unmittelbar umgebenden Boden ab, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Matrixpotenzial am Boden und dem Unterdruck im Tensiometer eingestellt hat. Dieser Unterdruck wird mittels des Druckaufnehmers gemessen. Als Einheit des Drucks werden hPa oder cm Wassersäule verwendet. Je nach Länge des Rohrs können Tensiometer in unterschiedlichen Tiefen eingebaut werden. Zum Einbringen der Tensiometer werden zunächst Bohrungen bis in die vorgesehene Tiefe durchgeführt, dann werden die Tensiometer in das Bohrloch vorsichtig nachgeschoben. Damit der Niederschlag ungestört auf die Bodenoberfläche fallen kann, hat es sich bewährt, die Tensiometer schräg in den Boden einzubauen. Das Matrixpotenzial errechnet sich wie folgt:
▶ Matrixpotenzial [cm] = gemessener Druck [cm] + Wassersäule im Tensiometer [cm]
▶ Der Messbereich der Tensiometer mit Keramikspitzen ist auf ein Matrixpotenzial bis –900 cm bzw. hPa begrenzt.
Auswertung von Tensiometermessungen
Die Auswertung basiert auf der Berechnung des hydraulischen Potenzials unter Einbeziehung einer Bezugshöhe, also entweder der Bodenoberfläche oder des Grundwasserstands. Das Vorzeichen des hydraulischen Potenzials zeigt die Fließrichtung des Wassers an, während die Zahl selbst Ausdruck der treibenden Kraft ist. Das Beispiel in Abb. 5-6 zeigt, wie Tensiometermessungen ausgewertet werden können.
Als Bezugshöhe wird die Bodenoberfläche bestimmt; dort ist Ψz = 0. Messpunkte unterhalb der Geländeoberfläche haben daher ein abnehmendes Gravitationspotenzial. Die Werte in Abb. 5-6 stehen in Tab. 5-6 und wurden zur Berechnung des Gesamtpotenzials nach Gl. 5.12 für die Punkte A und B verwendet.
Abb. 5-6 | Messungen von Wasserspannungen im Boden zur Berechnung des Gesamtpotenzials und des hydraulischen Gradienten.
Tab. 5-6 | Beispiel zur Berechnung des Gesamtpotenzials und des hydraulischen Gradienten.
Der hydraulische Gradient (
Merksatz: Das hydraulische Potenzial beschreibt die Richtung und Kraft der Wasserbewegung im Boden.
Ist an einem Punkt
Da die Wasserbewegung bzw. der Fluss stets vom höheren zum niedrigeren Potenzial verläuft, ist in unserem Beispiel der Fluss des Bodenwassers nach oben gerichtet (= kapillarer Aufstieg), d.h., der Fluss verläuft von Punkt B zu Punkt A, denn –260 cm ist kleiner als –132 cm. Eine Abwärtsbewegung, also Versickerung, würde auftreten, wenn das Gesamtpotenzial (ΨH) von A größer als das von B wäre.
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Messung der Bodenfeuchte
Die Bestimmung der Bodenfeuchte, auch «volumetrischer Wassergehalt» genannt, kann mit dem FDR (Frequency-Domain Reflectometry) und/oder dem TDR-Verfahren (Time-Domain Reflectometry) erfolgen. Mit der TDR-Sonde wird die Laufzeit der elektromagnetischen Welle im Boden gemessen. Die Geschwindigkeit der Welle ist von der Dielektrizitätskonstante (Ɛ0) des Bodens abhängig. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser (Ɛ0 = ~ 81) deutlich größer ist als die von mineralischen Partikeln (Ɛ0 = 2–5) und Luft (Ɛ0 = 1), steigt Ɛ0 des Bodens mit zunehmendem Wassergehalt. Dieses zerstörungsfreie Verfahren hat vor 20 Jahren die früher eingesetzten radioaktiven Methoden wie Neutronensondetechnik oder Gammadoppelsonden weitestgehend abgelöst.
TDR-Messgeräte können aus einem Handmessgerät und einer Messsonde bestehen. Im Messgerät wird eine elektromagnetische Welle erzeugt und über ein Kabel an die Sonde übertragen. Die Welle läuft entlang der zwei Elektroden durch den Boden und wird am Ende der Sonde reflektiert; das Messgerät zeichnet das Reflexionsmuster auf. Dieses wird ausgewertet und die Dielektrizitätskonstante sowie der Wassergehalt berechnet. Durch die TDR-Technik ist es heute auch möglich, den Wassergehaltsverlauf im Boden mittels Logger kontinuierlich in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung aufzuzeichnen. Dadurch können erstmals ereignisabhängige Prozessstudien unter Feldbedingungen zerstörungsfrei durchgeführt werden.
Abb. 5-7 | Links: Beispiel für ein TDR-Handmessgerät (Easytest, Lublin, Polen), rechts: Reflexionsmuster der Welle während einer TDR-Messung in einem Torfboden (80 = 34,2; Wassergehalt 46,4 Vol.-%) (Fotos: Gerd Wessolek).
Wasserspannungs- und Wassergehaltsmessungen können genutzt werden, um die reale Evapotranspiration aus der Wurzelzone und/oder die Versickerung unterhalb des Wurzelraums quantitativ zu ermitteln. Für diesen Zweck müssen die Wassergehalte und die Wasserspannungen des Bodens als Funktion der Tiefe und Zeit vorliegen. Die Wasserspannungen dienen dabei zur Berechnung der Richtung und Größe des hydraulischen Gradienten. In Vegetationszeiten ist häufig in einer bestimmten Bodentiefe der hydraulische Gradient gleich null. Oberhalb dieser Zone ist der Wasserfluss nach oben gerichtet, unterhalb findet ein abwärts gerichteter Wasserfluss statt. Die Grenze selbst stellt daher eine Wasserscheide in der ungesättigten Bodenzone dar.
Ein Beispiel für eine solche Situation und für die Berechnung von hydraulischen Gradienten
