Inhaltsverzeichnis:

Einf  ührung.  3

I.  Bindungsarten des Wassers im Boden.  4

a.  Adsorptionswasser.  4

b.  Kapillarwasser und kapillare Hysterese.  6

II.  Wasserpotenzialmodell und Wasserspannungskurve.  8

a.  Gravitationspotenzial Ψz.  9

b.  Matrixpotenzial Ψm.  10

c.  hydraulisches Potenzial ΨH.  10

d.  Wasserspannungskurve.  11

III.  Wasserbewegung im Boden.  13

a.  Wasserbewegung in gasförmiger Phase.  13

b.  Wasserbewegung in flüssiger Phase.  15

c.  Veränderungen der Wasserbewegung an Schichtgrenzen.  19

IV.  Jahresgang des Bodenwasserhaushalt.  21

a.  Bodenwasserhaushaltsgleichung.  21

b.  Jahresgang arider und humider Gebiete.  21

Fazit.   24

Literaturverzeichnis.   25

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Einführung

In einem Bodenkörper tritt Wasser in verschiedenen Verteilungen auf und es bewegt sich je nach Zustand auch auf verschiedenste Arten. Grundlegend kann man zwei mit Wasser erfüllte Bereiche im Boden voneinander abgrenzen. Im phreatischen Bereich sind die Bodenhorizonte dauerhaft vollständig von Wasser erfüllt und die Bewegung folgt dem Gefälle in Richtung eines tiefsten Punktes, etwa zu einem Gerinne oder einer Wasserfläche hin. Man spricht dann vom Grundwasser, welches jedoch nicht Teil dieser Arbeit sein soll. Der Aufsatz behandelt vielmehr die Bodenbereiche die nicht dauerhaft von Wasser durchsetzt sind, den sog. vadosen Bereich. Die Bewegungen erfolgen hier nicht nur als Folge der Schwerkraft sondern sind maßgeblich von verschiedenen Bindungskräften und Potenzialgradienten beeinflusst. Die Arten der Wasserbindung und das Potenzialmodell des Bodenwassers werden in Teil I und II genauer behandelt.

Je nach Wasserhaushalt im Boden finden Ortsveränderungen auf unterschiedliche Weise statt, je nachdem ob das Bodenwasser überwiegend in dampfförmiger Phase vorherrscht oder die Bewegung in flüssiger Phase abläuft. Im Fall von flüssiger Wasserbewegung kann noch differenziert werden ob die Bodenporen vollständig mit Wasser ausgefüllt sind oder ob diese noch lufterfüllte Bereiche aufweisen, man unterscheidet also zwischen gesättigter und ungesättigter Wasserbewegung. In der Dampfphase ist die Bewegung stets ungesättigt. Inhomogenitäten im Bodenprofil führen außerdem zu Veränderungen im gleichmäßigen Wasserfluss, je nachdem wie sich die Wasserleitfähigkeit der überlagernden Horizonte unterscheidet.

Die Gesamtbetrachtung des Bodenwassers erfolgt abschließend im letzten Teil der Arbeit. Je nach Form der Zuflüsse und Verluste von Wasser in den Boden ergibt sich ein Jahresgang des Bodenwasserhaushalts wobei sich aride von humiden Erdteilen stark unterscheiden, ausgehend von den unterschiedlichen Zuständen und Bewegungsformen des Wassers im Boden. Zunächst ist jedoch wichtig sich vor Augen zu führen wie Wasser überhaupt entgegen der Schwerkraft im Boden gehalten bzw. bewegt werden kann.

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I. Bindungsarten des Wassers im Boden

Dringt Wasser in den Boden ein stößt bei ausreichender Menge ein Teil davon als Sickerwasser bis zum Grundwasserspiegel vor. Das Wasser welches in der Bodenmatrix oberhalb des Grundwassers verbleibt wird als Haftwasser bezeichnet. Dieses entgegen der Schwerkraft gehaltene Wasser wird entweder durch Kapillarwirkung im Bodenporensystem hervorgerufen oder das Wasser wird als Adsorptionswasser an einzelne Bodenpartikel gebunden.

a. Adsorptionswasser

Adsorption wird durch molekulare oder elektrische Bindung der Wasserdipole an die Bodenteilchen hervorgerufen. Das Bodenmaterial kann dabei noch erhebliche Mengen Wasser enthalten, fühlt sich jedoch vollkommen trocken an weil die Wasserhüllen um die einzelnen Partikel nur etwa 1nm Schichtdicke aufweisen. Bei der Bindung kann ein Temperaturanstieg im Boden gemessen werden der dadurch zustande kommt dass die kinetische Energie die das Wasser aufweist wenn es sich zum Bodenmaterial hin bewegt im Moment der Adsorption als Benetzungswärme frei wird. Diese Bindungsenergie muss dem Boden als Wärmeenergie wieder zugeführt werden um Wasser zu entfernen, also um das Substrat wieder zu trocknen (SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 2002). Um nun Wasser vollständig von der Bodenmatrix abzulösen muss die Bindungsenergie am Teilchen den Wert Null annehmen, demzufolge werden die Energiebeträge bei der Adsorption negativ. Der Wassergehalt eines Bodens variiert mit der Korngrößenverteilung der Matrix und der Art der vorherrschenden Bodenbestandteile. Feinkörnige Böden (Tone) können mehr Wasser binden da die einzelnen Teilchen eine größere Gesamtoberfläche bieten an denen Wasser anhaften kann. Außerdem können die in Tonböden in stärkerem Maße enthaltenen Tonminerale durch Ionenaustausch zusätzlich Wasser binden (Quellung). Neben Bodeneigenschaften spielt der Wasserdampfdruck der umgebenden Luft eine entscheidende Rolle. Dieser ist direkt über der Grundwasseroberfläche nahezu gesättigt und nimmt mit wachsendem Abstand dazu ab. Steigt der Wasserdampfgehalt der Bodenluft jedoch an, wird aus ihr zusätzlich Wasser an Bodenteilchen angelagert bis ein Gleichgewicht eingestellt ist. Auf diese Weise im Boden gebundenes Wasser wird als hygroskopisches Wasser bezeichnet.

Beim Adsorptionswasser können zwei Bindungsformen unterschieden werden, je nachdem ob Moleküle der beteiligten Medien miteinander interagieren oder sich Ionen der Stoffe aufgrund

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unterschiedlicher Ladungen anziehen. Die molekulare Bindung des Wassers wirkt über eine kurze Distanz und entsteht durch die Bindung der Wasserdipole mit den O-Atomen der festen Bodenoberfläche. Dabei sind die Molekularkräfte zwischen Bodenteilchen und Wasser (Adhäsion) größer als die innere molekulare Bindung zwischen den Dipolen des Wassers (Kohäsion). Die Wassermoleküle im Inneren weisen in alle Richtungen gleiche Molekularkräfte auf und heben sich somit auf, an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft sind diese jedoch ins Innere des flüssigen Mediums gerichtet und bedingen so die Oberflächenspannung des Wassers. Je stärker nun die Adhäsionskräfte zwischen fester Bodenoberfläche und Wasser wirken desto geringer wird seine Oberflächenspannung, und desto stärker haftet das Wasser am Bodenteilchen (Abb.1 - links). Medien mit sehr hoher Oberflächenspannung, wie z.B. Quecksilber, haben eine große innere Bindung die nur schwer durch Adhäsionskräfte überwunden werden kann. Ein Tropfen behält daher auch beim Kontakt mit festen Oberflächen meist seine Form ohne sie zu benetzen (Abb.1 - rechts).

(Abb.1: Oberflächenspannung - Quelle: Kuntze/Roeschmann/Schwerdtfeger 1994, 165)

Eine weitere Form der adsorptiven Bindung entsteht durch Ionenbindung zwischen verschieden geladenen Ionen des Wassers mit Gegenionen der festen Bodenoberfläche. Dies sind überwiegend negativ geladene Bodenpartikel wie etwa Tonminerale oder Metalloxide die mit den positiv geladenen H-Ionen des Wassers eine Bindung eingehen. Auch hierbei muss die Adhäsion zwischen Wasser und Boden größer sein als die innere Kohäsion des Wassers. Die Wasserdipole sind um das Bodenteilchen gleichmäßig ausgerichtet und die Bindungsenergie ist größer als bei der molekularen Adsorption. Mit wachsendem Abstand zum Festkörper nimmt diese Bindungsenergie ab, und auch die geordnete Ausrichtung der Dipole gerät mehr und mehr durcheinander. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist können drei

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Bindungsbereiche unterschieden werden. Das sehr stark gebundene Schwarmwasser, das darum angeordnete hygroskopische Wasser und die die Einheit der äußeren Bereiche mit weiter abnehmender Bindung bis zum Wert Null. Nur die äußersten Schichten der Wasserhüllen um die Teilchen sind so schwach gebunden um von Pflanzenwurzeln von diesen abgelöst zu werden (pflanzenverfügbar).

(Abb.2: Ionenbindung an einem Bodenteilchen - Quelle: Kuntze/Roeschmann/Schwerdtfeger 1994, 163)

b. Kapillarwasser und kapillare Hysterese

Die Wasserbindung an einzelnen Bodenkolloiden ist nicht allein für den Verbleib von Haftwasser im Boden verantwortlich. Im Komplex berühren sich die Teilchen und das adsorptive Wasser schließt sich in den Winkeln der Berührungsstellen als Manschetten- bzw. Porenwinkelwasser zusammen (Abb.3 - 2). Das Wasser krümmt sich an der Grenzschicht zur Bodenluft unter Wirkung der Oberflächenspannung zu einem Meniskus, der Dampfdruck wird erniedrigt und es muss höhere Energie aufgewendet werden um es zu entfernen. Die Krümmung der Menisken variiert mit dem Wassergehalt des Bodens. Steigt dieser an werden sie flacher und die Oberflächenspannung nimmt ab, bei sinkendem Wassergehalt krümmen sie sich immer mehr und die Spannung an der Oberfläche steigt an. Weiteren Wasserverlusten an die Luft soll damit entgegengewirkt werden. Berühren sich die Teilchen so dass Hohlräume dazwischen umschlossen werden kann man sich vereinfacht die Entstehung von Kapillaren vorstellen. Das Porenwinkelwasser erfüllt den gesamten Porenraum als Kapillarwasser oder auch Porensaugwasser (Abb.3 - 3).

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(Abb.3: Wasserbindung an Bodenkörner - Quelle: Kuntze/Roeschmann/Schwerdtfeger 1994, 163)

Wie bei der Adsorption wirkt auch in den Kapillaren die Adhäsion zwischen dem flüssigen und dem festen Medium stärker als die Kohäsion des Wassers. An der Wasseroberfläche des kapillaren Wassers bildet sich ein konkaver Meniskus aus, und es wird in der Kapillare entgegen der Schwerkraft gehalten. Die Wirkung dieses Kräfteunterschieds, die zum Aufsteigen oder Absinken des Wassers in der Kapillare führt, ist ihre jeweilige Kapillarität. Sie wird von inneren Faktoren, wie etwa Wasserangebot, beeinflusst, jedoch auch von äußeren Wirkungen wie beispielsweise dem herrschenden Luftdruck (Abb.4).

(Abb.4: Kapillarwirkung - R=Radius, h=Höhe, Pa=Luftdruck - Quelle: Baumgartner/Liebscher 1996, 61)

Die maximale Steighöhe kann mit der Formel h = 2 • σ ⁄ ρ • R • g ausgedrückt werden, wobei σ = Oberflächenspannung, ρ = Wasserdichte, R = Kapillarradius und g = Schwerebeschleunigung (BAUMGARTNER/LIEBSCHER 1996). Entscheidend ist hier der Kapillarradius im Nenner der Gleichung. Nimmt er ab steigt der Wert für h, das Bodenwasser kann in einem Porensystem mit kleineren Porendurchmessern also höher ansteigen als in einem groben Netz von Bodenporen. Dies macht sich unmittelbar in den Bereichen über der

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