Wasserspannungskurve


Wasserspannungskurve

Die Bodenwasserspannung oder Saugspannung beschreibt die Energieverhältnisse im Porenwasser. Die Bodenwasserspannung hängt vom Füllungsgrad des Porenraums mit Wasser ab, daher wird diese als Zustandsvariable verwendet, um die hydraulische Verfügbarkeit des Bodenwassers zu charakterisieren. Der Zusammenhang zwischen Bodenwasserspannung und Bodenfeuchte ist charakteristisch für die Porengrößenverteilung und letztlich für die Wasserspeicherfähigkeit unterschiedlicher Böden.

Wasserspannungskurve

Inhaltsverzeichnis

Saugspannung

Die Saugspannung, physikalisch eine mechanische Spannung, resultiert aus der Kapillarität des Korngerüsts im Boden, und der Oberflächenspannung des benetzenden Fluids. Mikroskopisch lässt sich die Bodenwasserspannung als eine Diskontinuität des Phasendruckes zwischen der benetzenden und der nicht benetzenden Phase herleiten. Je trockener der Boden ist, desto kleiner sind die benetzten Porenradien und desto größer ist die Saugspannung. Entsprechend größer ist die Kraft, mit der das Wasser an die Oberflächen der Bodenteilchen gebunden ist. Bezugspunkt ist in der Bodenphysik häufig die Grundwasseroberfläche. Konventionsgemäß herrschen unterhalb der Grundwasseroberfläche positive Druckkräfte. Porenwasserdrücke, die oberhalb des Grundwasserspiegels gemessen werden, werden negativ, d. h. als „Sog“ dargestellt.

Potentialkonzept

Potentiale werden in der Dimension einer Energie ausgedrückt. Zur Charakterisierung des Energiezustandes werden Potentiale häufig auf ein spezifisches Volumen, eine Masse oder auf ein Gewicht bezogen. In der Grundwasserhydraulik und der Bodenphysik werden sie fast immer auf das Gewicht normiert, wodurch sich für Potentiale formal die Dimension einer Länge ergibt. Anschaulich entspricht die Saugspannung von einem Meter dem Zug den eine 1 m lange Wassersäule auf eine Membran ausüben würde. Mit dem Matrixpotential wird somit die inhärente Energie (z. B. Hubarbeit) ausgedrückt, die das Wasser entgegen der Schwerkraft in der Bodenmatrix hält. Das Matrixpotential wird in der Bodenkunde als dekadischer Logarithmus des Betrags der Bodenwasserspannung, analog dem pH-Wert, als pF-Wert angegeben.

Wasserspannungskurve

Zwischen der Wasserspannung und der Wassermenge (ausgedrückt als volumetrischer oder gravimetrischer Wassergehalt) im Boden besteht eine charakteristische Beziehung, die als Wasserspannungskurve die Wasserspeichereigenschaften des Bodens beschreibt. In der Abbildung sind die funktionalen Verläufe der Matrixpotentiale für Sand, Lehm, Ton und Torf aufgetragen. Anhand des Verlaufes der Kurve kann die Porengrößenverteilung eines Bodens sowie die Menge des pflanzenverfügbaren Wassers je nach Wassergehalt ermittelt werden.

Hysterese

Zwischen der Entwässerung (Desorption) eines gesättigten Bodens und der Bewässerung eines trockenen Bodens gibt es Unterschiede im Verlauf der Wasserspannungskurve eines Bodens, die eine typische Hysterese darstellen. Somit ergeben sich für den gleichen Füllungsgrad (Wassergehalt) unterschiedliche energetische Niveaus (Matrixpotentiale), je nach Vorgeschichte der Be- oder Entwässerung. Die Ursachen dafür sind komplex und nicht restlos geklärt. Eine Ursache ist jedoch, dass bei der Desorption zuerst die groben Poren entwässert werden, dann die feinen Poren, während sich bei der langsamen Bewässerung zuerst die feinen Poren durch Kapillareffekte zu füllen beginnen. Auch verhält sich die eingeschlossene Luft in beiden Fällen anders.

Messgrößen und Messung

Die Bodenwasserspannung wird in mm Wassersäule oder mm Quecksilbersäule abgelesen oder als negativer Druck in hPa angegeben. Als Messgeräte dienen Druckmesseinrichtungen bestehend aus wassergefüllten permeablen Keramiken, die mit dem Bodenwasser in hydraulischem Kontakt stehen Tensiometer. Druckmessdosen messen den Wasserdruck im Tensiometer, wobei angenommen wird, dass dieser im Gleichgewicht mit dem Porenwasser ist.

Umrechnungsbeispiele

Im hydrostatischen Zustand entspricht ein Grundwasserstand von 60 cm unter der Bodenoberfläche zum Beispiel einer Bodenwasserspannung von −60 hPa oder einem pF-Wert von 1,8. Der pF-Wert 4,2 des permanenten Welkepunktes PWP entspricht einer Bodenwasserspannung von −1,5 MPa

Siehe auch

Quellen

  • F. Scheffer, P. Schachtschabel (2002): Lehrbuch der Bodenkunde, S.151 - 185, Spektrum Akademischer Verlag. 15. Auflage, ISBN 3-827-41324-9
  • Karl Heinrich Hartge: Einführung in die Bodenphysik, S. 132-140, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-89681-6

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