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Alle Oberthemen / Geologie / Wasser- und Stoffhaushalt von Böden

Wasser- und Stoffhaushalt von Böden (120 Karten)

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Was versteht man in der Bodenkunde unter „Boden“ bzw. „Pedosphäre?
Die von bodenbildenden Prozessen geprägte Grenzzone zwischen der Lithosphäre (Gesteinsschicht) und der Biosphäre mit der
Atmosphäre.
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Was versteht man unter der „Vadosen Zone“?
Die vadose Zone ist der Raum zwischen Erdoberfläche und dem
Grundwasserbereich ("vados" lateinisch für flach).


"mit Wasser ungesättigte Zone zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser, Bodenwasser"
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Wie lautet die Bodenwasserhaushaltsgleichung?
N-I = E + T + R + D + ΔS

N = Niederschlag (Regen, Schnee, Tau, Reif)
I = Interzeptioni
E = Evaporation
T = Transpiration
R = Oberflächenabfluss
D= Tiefenversickerung
ΔS = Speicheränderung im Boden
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Nennen Sie vier typische Bodenfunktionen!
- Filter, Puffer und Reaktor

- Abbau von toxischen Chemikalien

- Reinigung von Wasser

- Regulation der Zusammensetzung der Atmosphäre
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welche Größen bestimmen die „Bodenfruchtbarkeit“?
Raum (Durchwurzelbarkeit)

Nahrung (Nährstoffvorrat und -verfügbarkeit)

Wasser (Wasserrückhalt und - leitung)

Luft (Gaspermeabilität)

Leben (Bodenbiologie)
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Nennen Sie fünf wichtige „Ecosystem Services“ der Ungesättigten Zone!
• Trinkwasserreinhaltung
• Landwirtschaftliche Produktion
• Grundwasserschutz
• Oberflächenwasserschutz
• Klima und Wetterregulierung
• Abflussbildung und Hochwasserschutz
• Globaler Kohlenstoffhaushaltsregulierung
Tags: Wasser- und Stofftransport in der Vadosen Zone
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Erklären Sie den Unterschied zwischen Interzeption und Transpiration!
Interzeption: Verdunstung von der Blattoberfläche (= Differenz zwischen Freiland- und Bestandsniederschlag)

Transpiration: Verdunstung an der Erdoberfläche
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Was versteht man unter den Begriffen „Bodenmatrix“ und „Bodenlösung“?
Bodenmatrix
Gemisch von mineralischen Partikeln und organischer Substanz

Bodenlösung
Wasser mit darin gelösten Salzen und organischer Substanz, Bodenmikrolebewesen, sowie Kolloiden.
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Wie lautet die langjährige klimatische Wasserbilanz für Südniedersachsen (Göttingen)?
N: 650↓
ET: 510↑
→ D: +150
150 = 650 – 510
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Was versteht man unter „Bodentyp“, was unter „Bodenart“?
Bodentyp: Böden mit gleichartigen pedogenen Merkmalen, Zusammenfassung von Böden mit gleichen charakteristischen Horizonten und Horizontabfolgen

Bodenart: Korngrößenverteilung oder Körnungsart, Textur
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Wieviel Prozent des Jahresniederschlags in Südniedersachsen fällt im langjährigen Mittel im Winterhalbjahr (Okt.-März), wie viel im Sommerhalbjahr (April-September)?
Winterhalbjahr: ca. 40 %Sommerhalbjahr: ca. 60 %
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Wieviel Prozent der Verdunstung erfolgt im Winterhalbjahr, wie viel im Sommerhalbjahr?
Winterhalbjahr: ca. 10 %Sommerhalbjahr: ca. 90 %
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In welcher typischen Zeitskala liegt die Aufenthaltszeit von Wasser in der ungesättigten Zone, das dem Grundwasser zugeführt wird?
Wochen....Jahre
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Über welche statistischen Funktionen lassen sich „Partikelgrößenverteilung“ und „Porengrößenverteilung“ charakterisieren?
Über die Massen- und Volumenanteile...
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Definieren Sie die Begriffe Porosität, volumetrischer Wassergehalt, Wassersättigungsgrad!
Porosität
epsilon = Volumen Poren / Gesamtvolumen

Volumetrischer Wassergehalt
Theta = Volumen Wasser / Gesamtvolumen

Wassersättigungsgrad
S = Volumen Wasser / Volumen Poren  = Theta / epsilon
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Wie ist die Lagerungsdichte definiert, welche Einheit hat sie?
rho boden = masse fest / Volumen gesamt

Einheit: 1/m

=>Masse des bei 105 °C getrockneten Bodens bezogen auf das Gesamtvolumen
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Wie errechnet sich aus der Dichte der Festphase und der Lagerungsdichte die Porosität?
epsilon = (1 - rho boden / rho fest )
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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In welchem Bereich liegen die reellen Dichten für die bodenmineralogischen Bestandteile „Organische Substanz“, „Ton“, „Quarz“, „Calzit“?
Organische Substanz  1,3 bis 1,5

Ton                               2,2 bis 2,6

Quarz                          2,5 bis 2,8

Calzit                            2,6 bis 2,8
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welche typischen Lagerungsdichten besitzen Böden?
zwischen 0,1 (vulkanische Aschen) und 2,75 (Lehm, Schluff, Kies)
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welche Mineralkomponenten bestimmen die Lithosphäre?
Silikate (Insel-, Ketten-, Schicht-, Gerüst-)

Quarz

Kalk

Tonminerale

Eisen- und Alu- Oxide / Hydroxide
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Nennen Sie drei wichtige Feldspat Minerale!
Kalifeldspat  (orthoklas)

Natronfeldspat  (Albit)

Kalkfeldspat (Anorthit)
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Was versteht man unter »Feinboden«, was unter »Bodenskelett«?
Zu Bodenskelette zählen Blöcke, Geröll, Steine, Kies und Grus.
Also mit Korngrößen im Milimeterbereich.

Feinböden haben Korngrößen im mikrometerbereich. Darunter zählen Sand, Schluff und Ton.
Tags: Böden als poröses Medium: Phasen, mineralische Zusammensetzung
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Die Feinbodenfraktion wird in drei Körnungsklassen eingeteilt. Geben Sie diese Körnungsklassen unter Nennung ihrer (im deutschen Raum gültigen) Korngrößen­bereiche an.
Sand 2000 - 63µm

Schluff 63 - 2µm

Ton < 2µm
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Nach welchen Kriterien werden Bodenart/Unterbodenart definiert? Nach welcher Literaturquelle richtet sich die deutsche Bodenartenklassifikation?
Korngrößenverteilung

Bodenart: Kennzeichnung des mineralischen Feinbodens nach seiner Zusammensetzung der Kornfraktionen Ton, Schluff und Sand (z.B. toniger Lehm)

Unterbodenart: Korngrößengemisch, Berücksichtigung prozentualer Anteile der Körnungsarten, differenzierter (z.B. schwach toniger Lehm)


Literaturquelle: Albrecht Thaer (1811): Über die Wertschätzung des Bodens. Berlin
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welches sind die vier Hauptbodenarten?
S Sand
U Schluff
T Ton
L  Lehm
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Aus welchen Mess- und Auswertungsmethoden leiten Sie die Bodenart ab? Welche Faktoren beeinflussen die Lagerungsdichte eines natürlichen Bodens, und in welcher Weise?
- Siebung

- Sedimentationsanalyse nach dem Gesetz von Stokes (1845) → Aräometer

- Fingerprobe
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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In welchem Wertebereich liegen Lagerungsdichten für typische Acker-Oberböden?
1 – 1,5 g cm-3
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Bis zu welcher Lagerungsdichte gelten Böden als „locker“, ab welcher Lagerungsdichte als „dicht“?
locker: bis 1,1 g cm-3

dicht: ab 1,5 g cm-3
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welchen Porositäten entsprechen die genannten Lagerungsdichte-Werte 1.2 g cm-3, 1.35 g cm-3, 1.65 g cm-3, wenn die Festsubstanz im Wesentlichen aus Quarz besteht?
PV = Porenvolumen / Gesamtvolumen

Lagerungsdichte 1.2 g cm-3 → Porosität = 1- 1,2/2,65 = 0,55 = 55 %
Lagerungsdichte 1.35 g cm-3 → Porosität = 1- 1,35/2,65 = 0,49 = 49 %
Lagerungsdichte 1.65 g cm-3 → Porosität = 1- 1,65/2,65 = 0,38 = 38 %
Tags: Böden als poröses Medium: Festphase und Porenraum
Quelle: Prof. Dr. Wolfgang Durner
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Welche Faktoren beeinflussen die Lagerungsdichte eines natürlichen Bodens, und in welcher Weise?
Mineralogie: abhängig von der Dichte der vorkommenden Minerale (je höher die Dichte, desto höher die Lagerungsdichte)

Kornform: rund/ sphärisch → Lagerungsdichte hochplattig → Lagerungsdichte niedrig

Sortierung: unsortiert/ gestufte Korngrößen → L. hochsortiert→L. gering

Verdichtung: verdichtet → L. hochgelockert → L. gering
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Wie ist die typische chemische Zusammensetzung des Bodenwassers (2.4, 2.49)
...
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Was versteht man unter „Polarität“ des Wassermoleküls (2.53)
...
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Worin begründen sich die guten Lösungsmitteleigenschaften von Wasser ? (2.60)
...
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Was versteht man unter „Kohäsion, was unter Adhäsion“ ?(2.63)
...
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Wie ist die Oberflächenspannung von Wasser definiert, was ist ihre Einheit, und welchen Wert hat sie bei Standardbedingungen? (2.64)
...
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Welchen Zusammenhang beschriebt das Young-Laplace-Gesetz, wie lautet es ? (2.68)
....
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Welches sind die Hauptkomponenten der Bodenluft, wie unterscheidet sie sich typischerweise von der Gaszusammensetzung der freien Atmosphäre ? (2.70ff)
...
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Wie sind „Äquivalent-Porengrößen“ im Boden definiert?
zu den wirklichen Poren äquivalente kreiszylindrische Kapillaren bei vollständiger Benetzung mit Äquivalent-Porendurchmesser
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In welche Größenklassen werden Poren im Boden eingeteilt? (Nennung der Klassen mit Angabe von ... bis).
Poren-Klasse                              Porendurchmesser (μm)
weite Grobporen                              >50
enge Grobporen                              50...10
Mittelporen                                     10...0,2
Feinporen                                         <0,2
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Was versteht man allgemein unter „Feldkapazität“. Wie wird sie operational definiert?
Feldkapazität: Wassergehalt der unteren Porengrenze, bis zur welcher der Boden Wasser gegen die Schwerkraft speichern kann; Wassergehalt, der sich zwei Tage nach einer vollständigen Aufsättigung als Folge der natürlichen Drainung einstellt
ausgedrückt in Vol.-% bezogen auf ofentrockenen Boden (105 °C), bezieht sich auf einen Tiefenbereich bzw.  ein Bodenprofil


Ermittlung: Entwässerung einer vorher gesättigten Probe mit Unterdruck

Wassergehalt bei pF 1,8 bis 2,5 (pF=log cmWS (hPa) → 2,5: grundwasserfern
i.d. R.:  FK = großTheta pF = 1,8
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Was versteht man unter „permanentem Welkepunkt“, was unter „Welkepunkt­wasser­kapazität“. Wie wird sie operational definiert, wie messtechnisch ermittelt?
Permanenter Welkepunkt PWP: Matrixpotential, bei dem die Pflanzen dem Boden kein Wasser mehr entziehen können; Matrixpotential, bei dem Wasser im Boden so schlecht verfügbar, das viele Kulturarten zu welken beginnen (ursprünglich bestimmt an Sonnenblumen im Gefäßversuch → keine Naturkonstante, Konvention)

PWP: Matrixpotential bei pF 4,2, bei pF 4,2 wasser nur noch in Feinporen gebunden + dünne Filme an Grop- und Mittelporen

Welkepunktwasserkapazität WWK: Wassergehalt beim PWP → „Totwasser“

WWK = großThetapF = 4,2

Besimmung durch Überdruckmethoden (Drucktopf)
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Was versteht man unter „nutzbarer Feldkapazität“?
Differenz zwischen Welkepunktkapazität und Feldkapazität

nFK = FK - WWK
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Was versteht man unter dem Begriff "pflanzenverfügbares Wasser"?
Wassermenge, die ein Boden gegen die Schwerkraft zurückhalten kann und nur so fets sorbiert ist, dass es wasserverfügbar ist.
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Wie ist die „nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums“, nFKWe, definiert?
nFKWe = nFK * deltaZw

deltaZw : tiefste Lage der horizontalen Wasserscheide im Boden für eine bestimmte Kulturart

nFKWe: Maß für die effektiv nutzbare Wassermenge an einem Standort (mm = l m-2)
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Nennen Sie für die Bodenarten Sand, Schluff, Ton, und Geschiebelehm typische Werte­bereiche für die nutzbare Feldkapazität!
Sand: 2-10 Vol%
Schluff: 20-30 Vol%
Ton: 10-15 Vol%
Geschiebelehm: 10-20 Vol%
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In welchen Bodentypen(!) treten extrem hohe, in welchen Böden extrem niedrige nutzbare Feldkapazitäten des effektiven Wurzelraums auf? Begründen Sie ihre Antwort.
extrem hoch: Schwarzerde → Schluff mit geringer Feldkapazität, tief durchwurzelbar

extrem niedrig: Podsol → Sand mit geringer nutzbarer Feldkapazität, Ortstein (Bsh) behindert Durchwurzelung
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Berechnen Sie, ausgehend von einer Durchwurzelung mit Getreide, typische Werte der nFKWe für Schwarzerde und Podsol!
Schwarzerde: 20 % * 2m3 = 0,4 m3 = 400 l  → 400 l/m² = 400 mm
Podsol: 10 % * 0,5 m³ = 0,050 m³ = 50 l → 50 l/m² = 50 mm
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Wie ist die Oberflächenspannung von Wasser definiert, was ist ihre Einheit, was ihr typischer Wert bei 20 °C ?
Oberflächenspannung σwa = Energie E, die zur Vergrößerung ΔO einer Wasser – Luft – Grenzfläche aufgewendet werden muss


deltaE = σwa * ΔO

σwa = 0,0725 J/qm = 0,0725 N/m
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In welcher Weise trägt die Grenzflächenspannung von Wasser zum Kapillareffekt bei? (Beantwortung am Besten mit Hilfe einer Gleichung).
Antwort
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Wie groß ist der Wasser-Benetzungswinkel bei einem voll hydrophilen Medium, wie groß bei einem voll hydrophoben Medium?
Benetzungswinkel
hydrophil: < 90° (voll: 0°)
hydrophob: >90°(voll 90°)
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Wie hoch steigt Wasser in einer voll benetzenden Kapillare von 10 µm Durchmesser?
Antwort
52
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Wie hoch steigt Wasser in einer ovalen Pore von 10 µm Länge und 4 µm Breite?
Antwort
53
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Wie hoch steigt Wasser zwischen zwei voll benetzenden Glasplatten mit 10 µm Abstand?
Antwort
54
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Wie ändert sich diese Höhe, wenn der Benetzungswinkel Wasser-Kapillare 45° ist?
h=2,96*cos(45°)=2,96*0,71=2,09m
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Wie ist das »Bodenwasserpotential« (=Gesamtpotential) definiert?
Arbeit, die benötigt wird, um ein infinitesimales Wasservolumen von einem Referenzzustand zum Zielpunkt zu bringen

Summe aller durch die verschiedenen im Boden auftretenden Kräfte hervorgehobenen Teilpotenziale
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In welchen typischen Einheiten wird das Bodenwasserpotential angegeben (mind. zwei alternative Angaben)
Typ Symbol Name SI-Einheit
Energie/Masse mTChem. PotentialJ/kg
Energie/Volumen ψTBodenwasserpotential Pa
Energie/Gewicht htDruckhöhe m
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Welcher exakten Druckhöhe h (in cm) entspricht ein Matrixpotential von  -10kPa?
1 cm WS = 1 hPa
-10 kPa = -100 cm WS
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Aus welchen Potentialanteilen setzt sich das Gesamtpotential des Bodenwassers zusammen?
Gravitationspotential (Lagepotential) ψg: Energie aufgrund der Lage im Schwerefeld der Erde 

Matrixpotential : Summe aller Kräfte, die durch Boden-Wasser-Wechselwirkungen hervorgerufen werden, Adsorption und Kapillarkräfte


Hydrostatisches Potential ψH: hervorgerufen durch den Druck einer auflastenden Wassersäule
Auflastpotential ψA: hervorgerufen durch den Druck einer auflastenden (schwimmenden) Matrix → normalerweise vernachlässigbar (Ausnahem: sehr feine Tonteilchen)

Pneumatisches Potential : hervorgerufen durch Druck, der über Gasphase übertragen wird → normalerweise vernachlässigbar

Osmotisches Potential : Potentialerniedrigung aufgrund von gelösten Ionen in der Bodenlösung → muss nicht beachtet werden, da keine semipermeable Membran
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Wie ist das »hydraulische Potential« definiert?
Summe aus Gravitationspotential und Matrixpotential
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Formulieren Sie das Darcy-Gesetz in der originalen Differenzen-Form (Darcy, 1856), und benennen Sie alle Variablen unter Angabe typischer Einheiten.
q: Darcy-Fluss [m s-1]
K: hydraulische Leitfähigkeit [m s-1]
ΔH:  Differenz des hydraulischen Potential / Potentialhöhe [cm/m]
Δz: Fließstrecke [cm/m] (vertikale Koordinaten nach unten positiv)
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Formulieren Sie das Darcy-Buckingham-Gesetz als Differentialgleichung in der Form für den eindimensionalen gesättigt/ungesättigten Wassertransport unter Ausweisung des Matrixpotentials in Form der Druckhöhe als antreibender Größe. Benennen Sie alle Variablen unter Angabe typischer Einheiten.
Antwort
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Formulieren Sie das Darcy-Gesetz für den allgemeinen 3D-Fall unter Berücksichtigung anisotroper Verhältnisse. Benennen Sie alle Variablen, klassifizieren Sie alle Variablen als Skalar, Vektor oder Matrix, und geben Sie typische Einheiten für die Variablen an.
Antwort
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Nennen Sie Gültigkeitsannahmen für das Darcy-Gesetz.
- nicht zu große und nicht zu kleine Poren
- laminares Fließen
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In einem homogenen Bodenprofil wurden in 30 (A) und 80 (B) cm Tiefe zu vier Terminen folgende Matrixpotentiale (cm) gemessen:

     Termin 1 Termin 2 Termin 3 Termin 4
Tiefe 1 A 165 195 142 125
Tiefe 2 B 115 125 142 16-5


a)Berechnen Sie für alle Termine die Fließrichtung.
b)Berechnen Sie für alle Termine den Gradienten des hydraulischen Potentials.
c)Ordnen Sie den Terminen die folgenden hydraulischen Situationen zu: „unit gradient“, hydrostatisches Gleichgewicht, Infiltration, kapillarer Aufstieg.
d)größte/geringste Wasserfluss
a)Termin 1: kein Fließen, horizontal
Termin 2: nach oben
Termin 3: nach unten
Termin 4: nach oben

b)Termin 1: 0
Termin 2: (-70+50)/-50=0,4
Termin 3: 50/50=1
Termin 4: (-120+50)/-50=1,4

c)Termin 1: hydrostatisches GG
Termin 2:  kapillarer Aufstieg
Termin 3: unit gradient, Infiltration
Termin 4: kapillarer Aufstieg

d) größte Wasserfluss Termin 4, geringste: Termin 1
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Leiten Sie auf Basis des Darcy-Buckingham-Gesetzes und des Kontinuitätsgesetzes die Richards-Gleichung für den Wassertransport in ungesättigten porösen Medien in der sogenannten Druckform her.
Antwort
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Nennen Sie die Gültigkeitsvoraussetzungen für die Richardsgleichung.
- kein Wassertransport in Gasphase → gilt nicht für austrockene Böden
- Kontinuität und Mobilität der Bodenluft (wenn sehr feucht→ Luftkissen)
- keine Deformation der Festphase (Quellen und Schrumpfen)
- keine thermische du osmotische Gradienten
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Welche konstitutiven Beziehungen benötigen Sie zur Lösung der Richards-Gleichung?
Gravitationspotential + Matrixpotential
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Was versteht man unter „spezifischer Wasserkapazität“ eines porösen Mediums, und wie errechnet sich diese Größe aus der Wasser-Retentionskurve?
spezifische Wasserkapazität: Ableitung der Retentionskurve

C stern = delta großTheta / delta h

spez. Wasserkapazität entspricht der Feldkapazität eines best. Materials
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Weshalb bezeichnet man die Richardsgleichung als „nichtlinear“?
nichtlinear bei ungesättigten Fließen , da K Funktion vom Wassergehalt
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Die Eindringgeschwindigkeit und Reichweite einer Feuchte- oder Austrocknungsfront von der Bodenoberfläche in den Boden hängt von einer Größe ab, die wir als „Diffusivität“ Dw bezeichnen. Schätzen Sie ab und begründen Sie, unter welchen Feuchtebedingungen eine Front besonders schnell und wenig gepuffert, und unter welchen Bedingungen eine Front besonders langsam und gut gepuffert im Boden unterwegs sein wird.
  schnell: hohen Wassergehalten → Leitfähigkeit höher

langsam: trocken
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Welche Geräte zur Messung des Bodenwasserpotentials kennen Sie?
- Piezometer
- Tensiometer
- Gipsblock
- Psychrometer
- embedded heat dissipation sensor (TDR, umhüllter Wassergehatssensor)
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Wie funktioniert ein Tensiometer?
bestehen aus einer keramische, porösen Zelle, die mit einem Manometer in Verbindung steht
Zelle und freier Raum zum Manometer mit Wasser gefüllt
je trockener der Boden, desto mehr Wasser müsste aus dem Tensiometer in den Boden fließen → Druckabnahme, die gemessen wird (0 bei Grundwasser)
Prinzip: Druckausgleich
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Nenne die Vor- und Nachteile eines Tensiometers!
Vorteile: hohe Genauigkeit (Drucktensiometer)

Nachteile:
- mechanische Messung (U-Manometer) temperaturabh., träge
- Einstichtensiometer fehlerhaft (Zusatzvolumen, schlechte Abdichtung)
- Druckaufnehmer-Tensiometer:
        - Werte ggf. temperaturabhängig
        - nur in feuchten Messbereich einsetzbar
        - wartungsintensiv, teuer
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Welche Teilpotentiale misst ein Tensiometer? Unter welchen Bedingungen ist das Tensiometerpotential identisch zum Matrix­potential?
- Matrixpotential, pneumatisches Potential, hydrostatisches Potential, Auflastpotential

- Tensiometerpotential=Matrixpotential
     - Matrix rigide
     - Auflastdruck=Luftdruck
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Wie groß ist der Messbereich eines Tensiometers? Ist der theoretische Messbereich abhängig von der topographischen Einbaulage und vom Wetter?
- Druckaufnehmer-Tensiometer: 0 bis 85 kPa,
bis 800/900 cm WS (sonst fließt Wasser raus), max

- Druckdifferenz: patm-pw: 1 atm → theoretisches Messbereichlimit bei 2,8

- da Messbereich druckabhängig, hat Luftdruck Einfluss → abhängig von topografischer Einbaulage und Wetter
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Wie werden „äquivalente poröse Medien“ als Messgerät für das Matrixpotential eingesetzt? Welche Potentialkomponenten werden damit erfasst? Was sind die Vor- und Nachteile dieser Geräte?
ipsblöcke und Wquitensor
Potential = f (Sensorfeuchte)
Messung einer Größe, die vom Wassergehalt in einem Sensor bestimmt wird
Wassergehalt = f (Matrixpotential)
Nachteile
träge
strake Hysterese
löst sich auf, kurze Lebensdauer
temperaturabhängig
Eichkurve instabil, ungenau
Messwerte abh. von Bodeneigenschaften
Vorteile
preisgünstig
für Dauermessung geeignet

embedded heat dissipation sensor
mit poröser Matrix umhüllter Wassergehaltssensor
Wassergehalt=f(Wärmeableitung)
Wärmeableitung diffusiver Prozess
Diffusionskoeffizient Funktion des Wassergehalts
schnelle Ableitung im feuchten Medium
langsame Ableitung in trockenen Boden
Matrixpotential wird über Eichkurve ermittelt
Vorteil: konfektionierter, relativ weiter Messbereich (10 bis 1000 kPa)
Nachteile
individuelle Kalibrierung notwendig
T- und p-Korrektur notwendig
neue Technik
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Nach welchem Prinzip funktioniert die Messung des Matrixpotentials durch ein Psychrometer?
- Potential= f(Luftfeuchte)
- Messung des Taupunkts
- Rückrechnung auf potential mit Kelvin-Gleichung
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Was sind die Vor- und Nachteile eines Psychrometer?
Vorteile
- geeignet für sehr trockenen Messbereich
- misst Gesamtpotential

Nachteile
- sehr anfällig gegenüber Temperaturschwankungen
- schmutzanfällig
- für feuchten Boden nicht geeignet
- sehr wartungsintensiv
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Wie ist der „volumetrische Wassergehalt“ im Boden definiert (Gleichung)?
großTheta = Vw / V

Vw: Volumen des Wassers, was durch Trocknung bei 105°C entfernbar ist [m³]
V: Volumen des Bodenkörpers [m³]
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Welche Messverfahren kennen Sie zur Messung des Bodenwassergehaltes?
- direkt: gravimetrische Bestimmung
- TDR (Time Domain Reflektrometrie)
- kapazitative Messung
- Neutronensonde
- γ-Strahlung-Abschwächung
- Wärmeimpuls-Dissipation
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Sie entnehmen unmittelbar nach einer Infiltration eine gestörte Bodenprobe, z.B. mit Schaufel und Plastiksack. Wie können sie daraus den volumetrischen Wassergehalt im Boden ermitteln?
- Gewicht im feuchten Zustand bestimmen
- trocknen: 24 h, 105°C
- Wassergehalt=Differenz der Massen
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Erläutern Sie das Prinzip der Bestimmung des Bodenwassergehaltes durch die Time-Domain-Reflektometrie-Technik.
- Wassergehalt = f(Dielektrizitätskonstante εw)
- Messung der Laufzeit der Ausbreitung einer EM-Welle
- Reflexion eines elektrischen Pulses wird von dem umgebenden - Medium umso stärker verzögert, je höher die Dielktrizitätszahl ist
- Wasser hat eine weitaus höherer DEZ (80) als die anderen Bestandteile (<5)
- Unterschiede des Wassergehalts durch Änderung der                - Reflexionsgeschwindigkeit des elektrischen Pulses erfassbar
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Welche Vor- und Nachteile hat die Methode der Time-Domain-Reflektometrie-Technik?
Vorteile
- keine hohen sicherheitstechnischen Anforderungen
- für breiten Messbereich geeignet
- Genauigkeit: ± 2 %Vol, reltive G.: 0,5%

Nachteile
- systematisch zu hoher Wassergehalt gemessen, da Verdrängung des Bodens
- Aufbau wichtig, geeignete Gerätegeometrie
- temperaturabhängig, bei Kälte Reflexion langsamer
- sehr teuer
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Erläutern Sie das Prinzip der Bestimmung des Bodenwassergehaltes durch die Neutronensonden-Technik.
- Wassergehalt = f(Strahlungsdichte langsamer Neutronen)
- Emmitierung von schnellen Neutronen
- Abbremsung der Neutronen primär durch Kollision mit H-Atomen (Masse Neutron und H gleichwertig)
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Welche Vor- und Nachteile hat die Methode der Neutronensonden-Technik?
Vorteil
- mit ein Messrohr kann ein ganzes Profil aufgenommen werden

Nachteile
- Radioaktivität
- Eichung
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Erläutern Sie das Prinzip der Bestimmung des Bodenwassergehaltes durch die heat-dissipation-Technik.
- Sensor wird aufgeheizt (direkt im Boden ohne Matrix)
- Abkühlung wird gemessen
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Welche Vor- und Nachteile hat die Methode der heat-dissipation-Technik?
Vorteil
- weiter Messbereich

Nachteil
- Druck-und temperaturabhängig
- substratspezifisch
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Wie ist der pF-Wert definiert?
dekadischer Logarithmus der Wasserspannung bzw. des Matrixpotentials im Boden

pF=log |cmWS, hPa|
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Welchen ungefähren Wasserspannungen entsprechen die pF-Werte 1,8; 2,5 und 4,2?
pF 1,8 → -101,8 ≈ -63 cmWS (60)
pF 2,5 → -102,5 ≈ -316 cmWS (300)
pF 4,2 → -104,2 ≈ -15849 cmWS (16000)
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Wasser in einem lufttrockenen Boden besitzt etwa ein Matrixpotential von -100 MPa. Welchem ungefähren pF-Wert entspricht dies?
-100 MPa = -104 hPa→ pF-Wert: 4
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Skizzieren Sie typische Retentionskurven q gegen pF für Vertreter der reinen Hauptbodenarten a) Sand, b) Schluff, c) Ton d) Lehm (auf vollständige Achsen­beschriftungen achten!)
Antwort
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Welches sind die zwei am meisten verbreiteten empirischen Funktionsgleichungen zur Beschreibung der Retentionskurve, q (h)?
Brooks & Coorey, 1864


van Genuchten, 1980
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Was versteht man unter dem Begriff »Lufteintrittspunkt«?
Wendepunkt (wasserspannung), wenn Wassergehalt beginnt, steil abzufallen, keine 100%ige Sättigung
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Die van Genuchten-Gleichung umfasst in der üblicherweise verwendeten Form (mit der Nebenbedingung m = 1-1/n) 4 freie Parameter: qs , qr, a, und n. Mit welchen physikalischen Kenngrößen des porösen Systems Boden hängen diese Parameter zusammen?
θs: gesättigter Wassergehalt
θr: Restwassergehalt
α: hängt mit Lufteintrittspunkt zusammen
n: Breite des Porenvolumen
95
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Was versteht man unter „Hysterese“ der Retentionsfunktion?
bei Bewässerung und Entwässerung unterschiedliche Retentionskurven
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Welches sind die Ursachen für Hysterese bei der Retentionsfunktion?
- gegensätzliche Porenengpässe (Bottle near- Effekt: Lauft kann oben nicht entweichen →  Druck reicht nicht aus, um Pore zu füllen)

- unterschiedliche Luftinklusionen (Lufteinschlüsse)

- unterschiedliche Benetzbarkeit, Benetzungswinkel bei Befeuchtung und Austrocknung

- durch Schrumpfung bewirkte Gefügeänderungen
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Zeichnen Sie eine hysteretische Retentionsfunktion für einen Sand (unter Angabe der Benetzungsrichtung für die gezeichneten Kurven).
Antwort
98
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Wie ermittelt man traditionellerweise die Funktionskoeffizienten einer Retentions­funktion?
- Sandbecken mit hängender Wassersäule
- Keramische Platten mit Unterdruck
- Drucktopfmethoden
- Aquilibrierung mit Luftfeuchte
         → Simulation verschiedener Wasserspannungen → Ermitlung des Wassergehalts
99
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Welche Arten von Böden können gut mit der Brooks&Corey-Retentionsfunktion, welche besser mit der van Genuchten-Funktion beschrieben werden.
Brooks und Corey: Sand
van Genuchten: Ton, schluff
100
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Zeichnen Sie für den Fall eines hydrostatischen Gleichgewichts Tiefenprofile der Größen (a) Matrixpotential, (b) Hydraulisches Potential (c) Wassergehalt für ein 4 Meter hohes Bodenprofil, das am unteren Rand mit Grundwasser in Verbindung steht. Benennen Sie die Bodenart, für die Sie das Profil gezeichnet haben.
Antwort
101
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Geben Sie in der Einheit cm d-1 typische gesättigten Wasserleitfähigkeiten für folgende Bodenarten an: Sand, Schluff, Ton.
Feinsand: 200-400cm/d

Mittelsand: 250-700cm/d                                                          

Grobsand: bis 2100 cm/d

Schluff:5-30cm/d                                                                       

Ton: 2-4 cm/d
102
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Welchem funktionalen Verlauf folgt der hydraulische Potentialgradient gegen die Zeit in einem „falling head“-Experiment?
=> exponentielle Abfall
103
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0
Was versteht man unter einer »effektiven Leitfähigkeit«?
effektive Leitfähigkeit = harmonisches Mittel der einzelnen Leitfähigkeiten (der Horizonte)
104
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Berechnen Sie die effektive gesättigte Leitfähigkeit Ks_eff einer Bodensäule von 100 cm Höhe, die aus zwei gleichmächtigen Schichten mit den Einzelleitfähigkeiten 1 cm d-1 und 100 cm d-1 aufgebaut ist.
harmonisches Mittel: 2/Keff=1/100+1/1 → Keff=2/ (1/100+1)≈2 cm d-1
105
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Welches sind die Gründe für den rapiden Abfall der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit mit abnehmendem Wassergehalt?
- Abnahme des wasserleitenden, wassergesättigten Querschnitt

- die effektive Fließstrecke nimmt zu → Zunahme der Tortuosität der Fließwege

- der Fließwiderstand nimmt zu → Abnahme der durchschnittsgeschwindigkeit in den wassergefüllten Poren
106
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Was versteht man unter »Tortuosität« der Fließwege in einem porösen Medium?
Verlängerung des Fließweges durch Gewundenheit des Wassers
107
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Was versteht man unter einem »unit-gradient-Experiment«?
Unterdruck-Infiltration an Oberseite der Probe → Matrixpotential am oberen und unteren Rand gleich
als antreibende Kraft für Wasserfluss wirkt nur die Schwerkraft

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Was bedeutet »Anisotropie«, was »Heterogenität« einer Größe?
- Anisotropie: Richtungsabhängigkeit

- Heterogenität: Größe verändert sich im Raum
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Was versteht man unter »Anisostropie« der hydraulischen Leitfähigkeit?
Leitfähigkeit ist in den unterschiedlichen Richtungen verschieden, Leitfähigkeit in unterschiedliche Richtungskomponenten aufgeteilt
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Welche Ursachen führen zur Anisotropie der hydraulischen Leitfähigkeit?
- Schichten mit unterschiedlichen Leitfähigkeit

-Struktur, Anordnung des Substrates , wo die Lf in eine Richtung dominiert → Klüfte, Tiergänge...
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Nennen Sie ein technisches System, bei dem die Anisotropie der effektiven hydraulischen Leitfähigkeit eines porösen Systems bewusst genutzt wird.
Reetdach
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Was versteht man unter dem Begriff »hydrostatisches Gleichgewicht«, was unter »stationäre Fließverhältnisse«?
hydrostatisches GG: hydraulisches Potenzial an allen Stellen der Bodensäule gleich, keine Wasserbewegung

stationäre Fließverhältnisse: Zuflussrate und Ausflussrate gleich und konstant
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Nennen Sie die Modellannahmen für eine Beschreibung des Infiltrationsprozesses nach Green und Ampt (1911).
- homogener Boden
- konstantes Matrixpotential
- Infiltrationsfront  zeitlich invariant
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Wie waagerechte Infiltration in einen waagerechten Boden lässt sich nach der Philip-Gleichung beschreiben. Welche Bezeichnung trägt der Koeffizient S, was bringt er zum Ausdruck, und durch welche primären bodenphysikalischen Größen wird er beeinflusst?
S: Sorpitivität→ Wasseraufnahmegeschwindigkeit
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Sie haben im Praktikum bei der Ringinfiltration ca. 50 Liter Wasser in einen feldfrischen sandigen Boden infiltriert. Das Infiltrometer hat eine Fläche von ca. 0.2 m². Schätzen Sie (mit nachvollziehbarem Lösungsweg) grob ab, wie tief die Infiltrationsfront am Ende des Versuches vorgedrungen ist.
Annahme Sand  FK=10% → max. Wassergehalt im Boden
aktuell: 3% →frei:7%
0,05m³=0,07*0,2m²*t
t=0,05/(0,07*0,2)=3,5m
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Was versteht man unter einer „Durchbruchskurve“?
zeitlicher Verlauf der Konzentration am Auslauf eines Bodenkörpers oder in einer gewählten Tiefe
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Wie ist zu erklären, dass bei gleicher Witterung bei einem sandigen Boden mit einer größeren Grundwasserneubildung als bei einem schluffigen Boden zu rechnen ist?
Sand mit höherer Leitfähigkeit als Schluff
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Was versteht man unter einem „idealen Tracer“?
- Transport wie Wasser
- keine Wechselwirkung mit Festphase
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Was versteht man unter einem „Dirac-Impuls“ als Randbedingung beim Tracer­transport?
unendlich kurzer Impuls ( charakterisiert durch Masse, nicht durch Konzentration)

m=m0für t=0 und z=0
c(z,t)=0für t>0 und z=0
q*c(z,t)=0
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Was verbirgt sich hinter den Abkürzungen CDE und ADE?
CDE: Konvektions-Dispersions-Gleichung (equation)
ADE:  Advektion-Dispersions-Gleichung  (equation)  → Advektion=Konvektion
Kartensatzinfo:
Autor: jayne2
Oberthema: Geologie
Thema: Wasser- und Stoffhaushalt von Böden
Schule / Uni: TU Braunschweig
Ort: Braunschweig
Veröffentlicht: 22.04.2010
Tags: Durner SS 2010, Stofftransport, Böden, Wasser
 
Schlagwörter Karten:
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