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Die von bodenbildenden Prozessen geprägte Grenzzone zwischen der Lithosphäre (Gesteinsschicht) und der Biosphäre mit der
Atmosphäre.

Die vadose Zone ist der Raum zwischen Erdoberfläche und dem
Grundwasserbereich ("vados" lateinisch für flach).


"mit Wasser ungesättigte Zone zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser, Bodenwasser"

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

- Filter, Puffer und Reaktor

- Abbau von toxischen Chemikalien

- Reinigung von Wasser

- Regulation der Zusammensetzung der Atmosphäre

Raum (Durchwurzelbarkeit)

Nahrung (Nährstoffvorrat und -verfügbarkeit)

Wasser (Wasserrückhalt und - leitung)

Luft (Gaspermeabilität)

Leben (Bodenbiologie)

• Trinkwasserreinhaltung
• Landwirtschaftliche Produktion
• Grundwasserschutz
• Oberflächenwasserschutz
• Klima und Wetterregulierung
• Abflussbildung und Hochwasserschutz
• Globaler Kohlenstoffhaushaltsregulierung

Interzeption: Verdunstung von der Blattoberfläche (= Differenz zwischen Freiland- und Bestandsniederschlag)

Transpiration: Verdunstung an der Erdoberfläche

Bodenmatrix
Gemisch von mineralischen Partikeln und organischer Substanz

Bodenlösung
Wasser mit darin gelösten Salzen und organischer Substanz, Bodenmikrolebewesen, sowie Kolloiden.

N: 650↓
ET: 510↑
→ D: +150
150 = 650 – 510

Bodentyp: Böden mit gleichartigen pedogenen Merkmalen, Zusammenfassung von Böden mit gleichen charakteristischen Horizonten und Horizontabfolgen

Bodenart: Korngrößenverteilung oder Körnungsart, Textur

Winterhalbjahr: ca. 40 %Sommerhalbjahr: ca. 60 %

Winterhalbjahr: ca. 10 %Sommerhalbjahr: ca. 90 %

Wochen....Jahre

Über die Massen- und Volumenanteile...

Porosität
epsilon = Volumen Poren / Gesamtvolumen

Volumetrischer Wassergehalt
Theta = Volumen Wasser / Gesamtvolumen

Wassersättigungsgrad
S = Volumen Wasser / Volumen Poren  = Theta / epsilon

rho boden = masse fest / Volumen gesamt

Einheit: 1/m

=>Masse des bei 105 °C getrockneten Bodens bezogen auf das Gesamtvolumen

epsilon = (1 - rho boden / rho fest )

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

zwischen 0,1 (vulkanische Aschen) und 2,75 (Lehm, Schluff, Kies)

Silikate (Insel-, Ketten-, Schicht-, Gerüst-)

Quarz

Kalk

Tonminerale

Eisen- und Alu- Oxide / Hydroxide

Kalifeldspat  (orthoklas)

Natronfeldspat  (Albit)

Kalkfeldspat (Anorthit)

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.

Sand 2000 - 63µm

Schluff 63 - 2µm

Ton < 2µm

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

S Sand
U Schluff
T Ton
L  Lehm

- Siebung

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

- Fingerprobe

1 – 1,5 g cm-3

locker: bis 1,1 g cm-3

dicht: ab 1,5 g cm-3

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 %

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

...

...

...

...

...

....

...

zu den wirklichen Poren äquivalente kreiszylindrische Kapillaren bei vollständiger Benetzung mit Äquivalent-Porendurchmesser

Poren-Klasse                              Porendurchmesser (μm)
weite Grobporen                              >50
enge Grobporen                              50...10
Mittelporen                                     10...0,2
Feinporen                                         <0,2

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

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)

Differenz zwischen Welkepunktkapazität und Feldkapazität

nFK = FK - WWK

Wassermenge, die ein Boden gegen die Schwerkraft zurückhalten kann und nur so fets sorbiert ist, dass es wasserverfügbar ist.

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)

Sand: 2-10 Vol%
Schluff: 20-30 Vol%
Ton: 10-15 Vol%
Geschiebelehm: 10-20 Vol%

extrem hoch: Schwarzerde → Schluff mit geringer Feldkapazität, tief durchwurzelbar

extrem niedrig: Podsol → Sand mit geringer nutzbarer Feldkapazität, Ortstein (Bsh) behindert Durchwurzelung

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

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

Antwort

Benetzungswinkel
hydrophil: < 90° (voll: 0°)
hydrophob: >90°(voll 90°)

Antwort

Antwort

Antwort

h=2,96*cos(45°)=2,96*0,71=2,09m

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

1 cm WS = 1 hPa
-10 kPa = -100 cm WS

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

Summe aus Gravitationspotential und Matrixpotential

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)

Antwort

Antwort

- nicht zu große und nicht zu kleine Poren
- laminares Fließen

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

Antwort

- 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

Gravitationspotential + Matrixpotential

spezifische Wasserkapazität: Ableitung der Retentionskurve

C stern = delta großTheta / delta h

spez. Wasserkapazität entspricht der Feldkapazität eines best. Materials

nichtlinear bei ungesättigten Fließen , da K Funktion vom Wassergehalt

  schnell: hohen Wassergehalten → Leitfähigkeit höher

langsam: trocken

- Piezometer
- Tensiometer
- Gipsblock
- Psychrometer
- embedded heat dissipation sensor (TDR, umhüllter Wassergehatssensor)

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

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

- Matrixpotential, pneumatisches Potential, hydrostatisches Potential, Auflastpotential

- Tensiometerpotential=Matrixpotential
     - Matrix rigide
     - Auflastdruck=Luftdruck

- 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

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

- Potential= f(Luftfeuchte)
- Messung des Taupunkts
- Rückrechnung auf potential mit Kelvin-Gleichung

Vorteile
- geeignet für sehr trockenen Messbereich
- misst Gesamtpotential

Nachteile
- sehr anfällig gegenüber Temperaturschwankungen
- schmutzanfällig
- für feuchten Boden nicht geeignet
- sehr wartungsintensiv

großTheta = Vw / V

Vw: Volumen des Wassers, was durch Trocknung bei 105°C entfernbar ist [m³]
V: Volumen des Bodenkörpers [m³]

- direkt: gravimetrische Bestimmung
- TDR (Time Domain Reflektrometrie)
- kapazitative Messung
- Neutronensonde
- γ-Strahlung-Abschwächung
- Wärmeimpuls-Dissipation

- Gewicht im feuchten Zustand bestimmen
- trocknen: 24 h, 105°C
- Wassergehalt=Differenz der Massen

- 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

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

- Wassergehalt = f(Strahlungsdichte langsamer Neutronen)
- Emmitierung von schnellen Neutronen
- Abbremsung der Neutronen primär durch Kollision mit H-Atomen (Masse Neutron und H gleichwertig)

Vorteil
- mit ein Messrohr kann ein ganzes Profil aufgenommen werden

Nachteile
- Radioaktivität
- Eichung

- Sensor wird aufgeheizt (direkt im Boden ohne Matrix)
- Abkühlung wird gemessen

Vorteil
- weiter Messbereich

Nachteil
- Druck-und temperaturabhängig
- substratspezifisch

dekadischer Logarithmus der Wasserspannung bzw. des Matrixpotentials im Boden

pF=log |cmWS, hPa|

pF 1,8 → -101,8 ≈ -63 cmWS (60)
pF 2,5 → -102,5 ≈ -316 cmWS (300)
pF 4,2 → -104,2 ≈ -15849 cmWS (16000)

-100 MPa = -104 hPa→ pF-Wert: 4

Antwort

Brooks & Coorey, 1864


van Genuchten, 1980

Wendepunkt (wasserspannung), wenn Wassergehalt beginnt, steil abzufallen, keine 100%ige Sättigung

θs: gesättigter Wassergehalt
θr: Restwassergehalt
α: hängt mit Lufteintrittspunkt zusammen
n: Breite des Porenvolumen

bei Bewässerung und Entwässerung unterschiedliche Retentionskurven

- 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

Antwort

- Sandbecken mit hängender Wassersäule
- Keramische Platten mit Unterdruck
- Drucktopfmethoden
- Aquilibrierung mit Luftfeuchte
         → Simulation verschiedener Wasserspannungen → Ermitlung des Wassergehalts

Brooks und Corey: Sand
van Genuchten: Ton, schluff

Antwort

Feinsand: 200-400cm/d

Mittelsand: 250-700cm/d                                                          

Grobsand: bis 2100 cm/d

Schluff:5-30cm/d                                                                       

Ton: 2-4 cm/d

=> exponentielle Abfall

effektive Leitfähigkeit = harmonisches Mittel der einzelnen Leitfähigkeiten (der Horizonte)

harmonisches Mittel: 2/Keff=1/100+1/1 → Keff=2/ (1/100+1)≈2 cm d-1

- 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

Verlängerung des Fließweges durch Gewundenheit des Wassers

Unterdruck-Infiltration an Oberseite der Probe → Matrixpotential am oberen und unteren Rand gleich
als antreibende Kraft für Wasserfluss wirkt nur die Schwerkraft

- Anisotropie: Richtungsabhängigkeit

- Heterogenität: Größe verändert sich im Raum

Leitfähigkeit ist in den unterschiedlichen Richtungen verschieden, Leitfähigkeit in unterschiedliche Richtungskomponenten aufgeteilt

- Schichten mit unterschiedlichen Leitfähigkeit

-Struktur, Anordnung des Substrates , wo die Lf in eine Richtung dominiert → Klüfte, Tiergänge...

Reetdach

hydrostatisches GG: hydraulisches Potenzial an allen Stellen der Bodensäule gleich, keine Wasserbewegung

stationäre Fließverhältnisse: Zuflussrate und Ausflussrate gleich und konstant

- homogener Boden
- konstantes Matrixpotential
- Infiltrationsfront  zeitlich invariant

S: Sorpitivität→ Wasseraufnahmegeschwindigkeit

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

zeitlicher Verlauf der Konzentration am Auslauf eines Bodenkörpers oder in einer gewählten Tiefe

Sand mit höherer Leitfähigkeit als Schluff

- Transport wie Wasser
- keine Wechselwirkung mit Festphase

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

CDE: Konvektions-Dispersions-Gleichung (equation)
ADE:  Advektion-Dispersions-Gleichung  (equation)  → Advektion=Konvektion