Inhalt

1  Einleitung  2

2  Arten des unterirdischen Wassers  2

3  Bodenwasserbewegung in der ungesättigten Zone und Einflussfaktoren  

   4

3.1  Porengröße  4

3.2  Potentiale  5

3.3  Kapillarer Aufstieg  6

3.4  Bodenwassercharakteristik (pf-Kurve)  6

4  Bodenwasserhaushalt  8

5  Grundwasser  9

5.1  Grundwasserleiter bzw. Grundwasserstauer  9

5.2  ungespanntes und gespanntes Grundwasser  10

6  Faktoren der Grundwasserneubildung  11

7  Grundwasserbewegung  13

7.1  Dynamik des Grundwassers das Darcy Gesetz  13

7.2  jährliche Schwankungen des Grundwassers  14

7.3  Retention- Rückhaltevermögen  15

7.4  Grundwasserzehrung  16

8  Vorfluter und die Abflussarten  16

9  Die Abflussarten und ihre Bedeutung für das Gerinne  17

10  Zusammenfassung  18

11  Literaturliste  19

1

1 Einleitung

Die folgende Hausarbeit soll das Verhalten des Wassers in der Pedosphäre vom Eintritt bis zum Austritt am Vorfluter darstellen. Dieser wichtige Teil des Wasserkreislaufes beinhaltet die Bewegung des Wassers im Boden und ein Schwerpunkt liegt auf der Dynamik des Grundwassers. Weiterhin sollen die Ursachen für die Wasserbewegung im Boden geklärt werden und der Einfluss der Böden als Wasserspeicher, Wasserleiter und des k-Wertes. Bei der hydrologischen Betrachtung des Erdreiches, wird dieses in die Wasser gesättigte und die Wasser ungesättigte Zone unterteil. Wie der Name es vermuten lässt, ist der Boden in der Aertionszone oder der ungesättigten Zone nicht vollständig vom Wasser gesättigt, sondern die Bodenmatrix ist auch mit Luft gefüllt. Erst in der gesättigten Zone oder Saturationszone ist der komplette Hohlraumanteil vollständig mit Wasser gefüllt bzw. gesättigt. In diesem Fall wird von Grundwasser gesprochen. Die Grundwasseroberfläche bildet die Grenze zwischen den beiden Zonen (JORDAN, H. & H.-J. WEDER 1995:30).

Abb.1 Unterirdisches Wasser im Grundwasserleiter (JORDAN, H. & H.-J. WEDER 1995:30)

2 Arten des unterirdischen Wassers

Nach einem Niederschlagereignis oder bei beginnender Schneeschmelze, tritt Wasser mit dem Boden in Kontakt oder wird von der Vegetation gespeichert. Ein T eil fällt der

Evapotranspiration zum Opfer und ein anderer Teil fließt direkt oberirdisch in den nächsten

2

Vorfluter (Bach,See,Fluss oder Meer) ab. Der andere, wichtige Teil dringt in den Boden durch Versickerung ein (STRAHLER, A. & A. STRAHLER 1999:203).

Dieser Prozess wird Infiltration genannt und danach unterliegt das Wasser unterschiedlichen Kräften und tritt in verschiedenen Formen auf. Das Sicker- oder Gravitationswasser unterliegt der Schwer- und Kapillarkraft und versickert durch weite (große) Poren im Boden und bildet beim Erreichen der Grundwasseroberfläche Grundwasser (MARCINEK, J. & E. ROSENKRANZ 1996:238).

Jedoch versickert nicht das gesamte Wasser und ein Teil wird gespeichert bzw. gebunden. Die Bodenbestandteile werden durch das Wasser benetzt und umso feiner die Bodenbestandteile sind umso größer ist die spezifische Oberfläche und desto stärker ist die Benetzung. Das Wasser wird durch die Adsorptionskraft an das Βodenteilchen gebunden ( KUNTZE, H., ROESCHMANN, G. & G. SCHWERDTFEGER 1988:223). Dieses Haft- oder Adhäsionswasser bildet einen dünnen Wasserfilm an den Gesteinskörpern durch Molekularkräfte des Wassers (Dipolcharakter) und wird auch Häutchenwasser genannt (MARCINEK, J. & E. ROSENKRANZ 1996:239). Wenn sich zwei Bodenteilchen die mit Häutchenwasser benetzt sind „berühren“, überlagert sich der Kontaktbereich der Wasserfilme zu Porenwinkel- oder Manschettenwasser. Kommt noch mehr Wasser dazu, wird das Wasser durch die Kapillarkraft an den Wasserfilm gebunden und es wird Kapillar- oder Porensaugwasser genannt (KUNTZE, H., ROESCHMANN, G. & G. SCHWERDTFEGER 1988:224).

Abb.2 Bindungsformen des Bodenwassers (Haftwasser) (KUNTZE, H., ROESCHMANN, G. & G. SCHWERDTFEGER 1988:225)

Mit steigendem Wasserangebot wächst der Wasserfilm am Bodenteilchen, doch kann er nicht mehr als 20 Molekülschichten überschreiten. Am stärksten sind die Adsorptionskräfte in unmittelbarer Nähe der Mineraloberfläche und nimmt mit zunehmender Entfernung von dieser ab. An der Oberfläche der Wasserfilme entsteht durch die Kräfte zwischen den Wassermolekülen die so genannte Oberflächenspannung (DYCK, S. & G. PESCHKE 1995:311). Das Bodenwasser wird daher in 3 Arten unterschieden: das Gravitationswasser welches der Schwerkraft unterliegt und aus der ungesättigten Zone durch weite Poren bis zur Grundwasseroberfläche versickert und das Adsorptionswasser was in Form von Wasserfilmen

3

an der Oberfläche der Teilchen sehr stark gebunden ist. Die letzte Form des Bodenwassers ist das Kapillarwasser, welches in nicht zu großen Poren durch Kapillarkräfte gehalten wird. Jedoch ist die Trennung von den letzten beiden Typen auf Grund der ineinander übergehenden Kräfte schwierig (DYCK, S. & G. PESCHKE 1995:312).

3 Bodenwasserbewegung in der ungesättigten Zone und Einflussfaktoren

3.1 Porengröße

Die Wasserbewegung im Boden kann nur in den Hohlräumen zwischen den Körnern statt finden. Dieser Raum wird auch Porenraum genannt und je unregelmäßiger die Oberflächen der Körner ist, desto sperriger wird die Lagerund und desto größer ist auch das Porenvolumen im Boden (HÖLTING, B. 1980:70).

Die Poren werden in 3 unterschiedliche Größen eingeteilt und besitzen auch eine unterschiedliche Charakteristik im Bezug auf die Leitfähigkeit von Wasser. In den groben Poren (> 10µm)versickert das Wasser schnell und wird schnell weitergeleitet und es findet kaum eine Wasserspeicherung statt. In den mittleren Poren (0,2µm bis 10µm) wird das Wasser in pflanzenverfügbarer Form gegen die Schwerkraft gespeichert. Dies ist in den feinen Poren (<0,2µm) nicht mehr der Fall, denn das Wasser kann hier von Pflanzen nicht mehr entzogen werden, da die Bindung des Wassers an die Bodenbestandteile durch die Adsorptionskraft zu stark ist. Dieser Punkt wird auch als permanenter Welkepunkt (PWP) bezeichnet, da die Pflanzen welken würden, weil sie dieses Wasser nicht nutzen können (BAUMGARTNER, A.& H.-J. LIEBSCHER 1990:381).

In den Fein - und Mittelporen wird Wasser gegen die Schwerkraft zurück gehalten. Dieser Volumenanteil der Poren wird als Feldkapazität (FK)bezeichnet (PAREY, P. 1993:135). Die Feldkapazität beschreibt den Wasseranteil im gesättigten Boden der gegen die Schwerkraft zurück gehalten wird und drückt somit die Speicherkapazität des Bodens aus (STRAHLER, A. & A. STRAHLER 1999:204). Wichtiger für die Pflanzen ist jedoch, die nutzbare Feldkapazität. Denn sie beschreibt den Anteil des Wasser, der nicht so stark durch Adsorptions- oder Kapillarkräfte gebunden ist und damit für die Pflanzen verfügbar ist ( KUNTZE, H., ROESCHMANN, G. & G. SCHWERDTFEGER 1988:234). Die Korngröße und damit das Porenvolumen im Boden bilden somit einen wichtigen Einfluss bei Wasserspeicherung bzw. bei der Leitung von Wasser. Böden mit einem höheren Anteil von kleineren Korngrößen haben eine hohe Porosität und können daher mehr Wasser speichern als ein sandiger Boden mit seinen großen Korngrößen und groben Poren. Dieser leitet dafür das Wasser schneller in die tieferen Schichten bis zum Grundwasser (DYCK, S. & G. PESCHKE 1995:309 f.).

4

Abb.3 Charakteristische Verteilungen von Porengrößen, nach [10], in % (DYCK, S. & G. PESCHKE 1995:309)

Versickerung von Wasser in tiefere Schichten kann nur stattfinden, wenn der Wassergehalt des Bodens die Feldkapazität überschreitet, d.h. das auch die Grobporen teilweise oder ganz mit Wasser gefüllt sind (BAUMGARTNER, A.& H.-J. LIEBSCHER 1990:373).

3.2 Potentiale

Allgemein ist das Potential „definiert als die Arbeit, die notwendig ist, um eine Einheitsmenge (Volumen, Masse oder Gewicht) Wasser von einem gegebenen Punkt eines Kraftfeldes zu einem Bezugspunkt zu transportieren“ ( SCHACHTSCHABEL, P. ET AL. 1989:174). Die Bewegung des Wassers richtet sich immer von dem höheren Potential, d.h. höherer potentieller Energie zu denen des niedrigeren Potentials. Dieser (Arbeits-)Vorgang geht so lange bis sich ein Gleichgewicht eingerichtet hat. Die Wasserbewegung im Boden hält so lange an „bis sich das Gesamtpotential an allen Stellen des Boden den gleichen Wert aufweist“ (SCHACHTSCHABEL, P. ET AL. 1989:174). Mit dem Konzept der Potentiale kann die Wasserbindung und Wasserbewegung im Boden beschrieben werden. Das hydraulische Potential Ψ H ist die Summe aus den (messbaren) Teilpotentialen und annährend das Gesamtpotential und mit ihm w ird die Bodenwasserbewegung beschrieben ( PLAGGE, R. 1991:6). Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

Ψ H = Ψ Z + Ψ M

Das Wasser im Boden unterliegt unterschiedlichen Kräften wie z.B. der Erdanziehungskraft oder der Gravitation. Die Kraft, die sich gegen die Erdanziehung richtet, wird durch das Gravitationspotential Ψ Z beschreiben. „Das Gravitationspotential (...) entspricht der zu leistenden Arbeit, um eine bestimmte Menge Wasser (ausgedrückt in Masse-, Volumen- oder Gewichtseinheiten) von einem Bezugsniveau auf eine bestimmte Höhe anzuheben“ (SCHACHTSCHABEL, P. ET AL. 1989:175).

Das Matrixpotential Ψ M oder Kapillarpotential entspricht der „Bindungsstärke einer Bezugsmenge Wasser an die Bodenmatrix“ (SCHÖNINGER, M. & J. DIETRICH 2001:o.s.). Das Matrixpotential gibt die Arbeit an, die aufgewendet werden muss, „um eine gegebene Wassermenge dem Boden zu entziehen“ (PLAGGE, R. 1991:6).Allgemein kann gesagt werden,

5