Hydrologie 3 Flashcards
vadose Zone
die ungesättigte oder vadose Zone, in der die Poren nur teilweise mit Wasser aufgefüllt sind.
phreatische Zone
die gesättigte oder phreatische Zone, die eigent- liche Grundwasserzone + der Hauptspeicher des Wassers im Untergrund.
vadose veratische Zone (grafisch)
Infiltration
Infiltration ist das Eindringen von Wasser in den Boden nach Niederschlägen, Beregnung oder Überstauung.
Infiltrationsrate
Wasser, welches je Zeiteinheit versickert, gekenn- zeichnet [mm/s oder l/s]. Die maximal mögliche Infiltrationsrate ist die Infiltrationskapazität.
Infiltrometer
Das Eindringen von Wasser in den Boden kann mit Hilfe von Infiltrometern (z.B. Doppelring-Infiltrometer) bestimmt werden. Dazu wird ein Doppelring auf die Erd- oberfläche aufgesetzt und angedrückt. In den Ring wird Wasser eingefüllt.
Die Abnahme des Wasserstandes im inneren Doppelring entspricht der Infiltrations- höhe bzw. -rate [mm/h]. Die Übertragung auf größere EZG bedarf der Korrektur, da pedologische Faktoren (Bodenart, etc.) stark variieren können.
Perkolation
Perkolation beschreibt die Abwärtsbewegung von Sickerwasser im Boden durch das Überwiegen der Gravitation gegenüber den bindenden Kräften.
Verschiedene Typen von Bodenwasser (Perkolation)
Haftwasser
Sickerwasser
Kapilarwasser
Haftwasser
ist Wasser, das in Poren kleiner als 10 μm durch die Oberflächenspannung (Adhäsions- bzw. Kohäsionskräfte) haftet und nicht tiefer versickert.
Sickerwasser
ist Wasser, das sich durch Bindungskräfte nicht beeinflusst unter Einwirkung der Schwer- kraft abwärts bewegt
Kapilarwasser
ist Wasser, das in den Bodenkapillaren (Poren bis maximal 0,2 μm) durch Adhäsions- und Kohäsionskräfte festgehalten wird.
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Wasserspannung/Saugspanung
Die Wasserspannung/Saugspannung bezeichnet dabei die hydraulische Verfüg- barkeit des Bodenwassers und wird in [mm] Wassersäule oder [bar] bzw. [Pa] gemessen.
Wasserspannungskurve (grafik)
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Der Verlauf der Beziehung zwischen dem Wassergehalt und der Wasserspannung wird als Wasserspannungskurve oder Bodenwassercharaktristik bezeichnet.
pF-Wert
Der pF-Wert ist der dekadische Logarithmus des Betrags der Saugspannung eines Bodens und kennzeichnet die Energie, mit der das Bodenwasser entgegen der Schwerkraft in der Bodenmatrix gehalten wird.
Welkepunkt WP (grafisch)
Welkepunkt (WP)
Beim Welkepunkt WP kann eine Pflanze kein Wasser mehr aus dem Boden auf- nehmen.
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permanenten Welkepunkt (PWP)
Beim permanenten Welkepunkt (PWP)
sind alle wasserführenden Bodenporen ausgetrocknet. Er liegt bei einem
pF-Wert = 4,2. Dies entspricht einer Saugspannung von ca. 60 m Wasser-
säule. Im Boden ist dann das Wasser
stärker an Bodenpartikel gebunden, als
die Pflanzen im Mittel an Saugspannung entwickeln können um Wasser aufzunehmen
Feldkapazität (FK)
(oder Speicherfeuchte)
… ist die Wassermenge, die ein Boden an seinem Standort maximal gegen die Schwerkraft zurückhalten kann. Dies entspricht einem pF-Wert = 1,8. Es handelt sich um das sog. Haftwasser.
nutzbare Feldkapazität (nFK)
Aus den beiden Werten der Feld- kapazität und des permanenten Welkepunktes ergibt sich das in einem Boden vorhandene pflan- zenverfügbar Wasser, die so genannte nutzbare Feldkapazität (nFK) oder auch Bodenwasser- vorrat.
pF=1,8 ≤ nutzbare Feldkapazität ≤ pF=4,2
chraffiert = häufigste Feldkapazität
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Faktoren für nutzbare Feldkapazität
- Korngrößenverteilung
- Bodengefüge
- Gehalt anorganischem Substrat
- Größenspektrum der Bodenporen
Bindungsstärke
Matrikpotenzial
Sand < Schluff < Ton
Korngrößen
0,063 < Sand < 2,0
0,002 < Schluff < 0,063
0,0002 < Ton < 0,002
Wasserspannungskurve (pF-Kurve) Grafik
Bodenwasserhaushalt
Bodenwasserbilanz
Unter dem Bodenwasserhaushalt versteht man die Veränderungen des Boden- wassergehaltes im zeitlichen Verlauf; dies wird auch als Bodenwasserbilanz bezeichnet.
Sie setzt sich aus dem Zustrom QZUund demAbstromQAB sowie dem boden-
abhängigen Speicherterm ΔS zusammen.
+QZU - QAB ± ∆S = 0
Der Zustrom QZU setzt sich dabei aus den Termen Infiltrations- und Perkolations-
wasser, Interflow und aufsteigendem Kapillarwasser zusammen.
Der Abstrom QAB setzt sich aus dem Sickerwasser, der Verdunstung und dem pflanzlichen Wasserverbrauch zusammen.
Bodenwasserhaushalt Beispiel
Def.: Grundwasser
Grundwasser ist unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde (Poren, Klüf- te, etc.) zusammenhängend ausfüllt (gesättigte Zone) und unter gleichem Druck wie oder größerem Druck als die Atmosphäre steht. Seine Fließbewegung ist vorwiegend horizontal und nur durch die Schwerkraft bestimmt (nach DIN 4049).
Die Menge an Grundwasser ist in den einzelnen Schichten sehr verschieden. Man findet Grundwasser in wasserführenden, porösen Schichten, die nach unten durch wasserundurchlässige Schichten begrenzt werden. Diese nicht oder wenig durchlässi- gen Schichten verhindern ein Versickern des Grundwassers in größere Tiefen.
Warum ist Grundwasser wichtig
- • größter verfügbarer Süßwasserspeicher der Erde: 94 % der globalen Ressource • 24 % der globalen Wasserversorgung basieren auf GW
- • entscheidende Steuergröße des Wasserkreislaufs (Speicherfunktion)
- • ca. 50 % des GW liegen innerhalb der obersten 800 m unter der Erdoberfläche • an vielen Stellen der Erde ist GW die einzige Süßwasserquelle
- • oftmals mit guter Qualität zu fördern (Trinkwasser)
- • benötigt sorgfältigen Umgang wegen Gefährdungen durch Kontaminationen
Aquifer
Grundwasserleiter (Aquifer) sind lockere oder feste Schichten im Untergrund, in denen Grundwasser zirkulieren kann.
Aquiclude
Davon abgegrenzt werden Grundwassernicht- leiter (Aquiclude).
Aquitarde
Häufiger sind Geringleiter, so genannte Aquitarde.
Grundwasserstockwerke (grafisch)
Liegen mehrere Aquifere durch Aquiclude oder Aquitarde hydraulisch voneinander getrennt übereinander, spricht man von Grundwasserstockwerken.
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Porengrundwasserleiter
… bestehen aus Locker- und Festgestein, dessen Porenraum vom GW durchflossen wird. Grund- wasser zirkuliert nur über Poren bzw. wird nur in Poren gespeichert. Die Wasserleitfähigkeit von Sand beträgt z.B. bis 300 cm/d; bei Lehm- und Ton dagegen nur 3-30 cm/d; die Folge sind bei Sand häufig geringe Verweilzeiten im Untergrund.
Kluftgrundwasserleiter
… bestehen aus Festgestein, das durchflusswirksame Klüfte und Gesteinsfugen enthält. Die Klüfte besitzen unterschiedliche Trennflächengefüge und verschiedene Öffnungsweiten. Es gibt kristalline Kluftaquifere, solche aus Kalken, Dolomiten oder aus Sandstein. Vor allem kristalline Kluftaquifere sind Speicher mit hohen Verweilzeiten des GW im Untergrund.
Karst-Grundwasserleiter
… bestehen aus verkarstungsfähigem Gestein, in welchem sich durchflusswirksame Lösungshohl- räume entwickelt haben. Weil in Karstregionen die Fliessgeschwindigkeit des GW sehr hoch und die Filterwirkung sehr gering ist, ist das Risiko für eine GW-Kontamination sehr hoch.
ungespanntes Grundwasser
- direkter vertikaler Kontakt mit der Atmosphäre
- potenzielle GW-Neubildungszone
- bei EntnahmeAbsenkungstrichter
gespanntes Grundwasser
undurchlässig Schicht im Hangenden verhindert den GW Aufstieg
Wasser steht unter artesischem Druck
Neigung der Grundwasserdruckfläche bestimmt Fließrichtung
schwebendes Grundwasser
- undurchlässige Schicht im Liegenden
- GW-Sättigungszone über der Sperrschicht • Austritt an Quellhorizonten (Schichtquellen)
ungespanntes/gespantes/schwebendes Grundwasser (Grafik)
Porosität
Φ
….. wird als Verhältnis des Volumens aller Hohlräume eines porösen Bodens oder Gesteins zu dessen äußerem Volumen angegeben. (Faktoren: Körnung und Klüftig- keit). Sie ist ein Maß dafür, wie viel Wasser in einem Gesteinskörper gespeichert werden kann. Porosität wird üblicherweise in Prozent oder als Fraktion (Bruchteile von 1 = 100%) angegeben.
Sandstein ca. 30%
Kalk 5 bis 25%
Schieferton kleiner als 10%
Löß 50-55%
Permeabilität K
. gibt Auskunft über die Fließgeschwindigkeit von GW in einem GW-leitenden Gestein. Sie lässt sich aus dem Darcy‘schen Gesetz ableiten und berechnet sich
K = (Q*n*l)/(∆p*A)
K = Permebiltät in m^2
Q = Durchflussmenge m^3/s
n = dynam. Viskosität des FLuids in NS/m^3
l = durchströmte Länge
∆p = Druckdifferenz in N/m^2
A = durchströmte Querschnittsfluache in m^2
Einheit [m^2] oder 1 Darcy
normalerweise Millidarcy (mD)
hydraulische Leitfähigkeit kf
oder Durchlässigkeitsbeiwert/Strömungswiderstand
quantifiziert die Durchlässigkeit des Untergrundes für Wasser
kf = (K*p*g)/n
K = Permeabilitäty in m^2 oder Darcy
p = Dichte des Medium (Wasser = 1000 kg/m^3)
n - dynam Viskosität in Ns/m^2
g = Erdbeschleunigung
Messung der hydraulischen Leitfähigkeit
Pumpversuche empirisch bestimmt. Dabei handelt es sich um einen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführten Feldversuch, bei dem zeitlich befristet mit einer konstant arbeitenden Pumpe Grundwasser über ein Entnahmerohr abgepumpt und nicht im Einflussbereich des Entnahmelochs wieder zur Versickerung gebracht wird.
Die Reaktion des Grundwasserspiegel im Entnahmerohr wird über entsprechende Pegelmessungen als Grundwasserstandsganglinie registriert und graphisch analysiert.
Grundwasserneubildung
Faktoren, wie z.B. Niederschlag, Relief, Vegetation, Verdunstung und geologische Formationen
Hauptlieferant für die Grundwasservorräte ist versickerndes Niederschlagswasser. Es sorgt dafür, dass die GW-Vorkom- men der Speichergesteine im Untergrund aufgefüllt werden.
Besonders hoch ist die Grundwasserneubildung im Winter, da zu dieser Zeit ein großer Teil der Niederschläge im Boden versickert. In den wärmeren Jahreszeiten verdunstet dage- gen ein großer Teil des Niederschlags bereits an der Ober- fläche (Evaporation) oder wird von Pflanzen wieder aufge- nommen (Transpiration).
Die Grundwasserneubildung ist nicht überall gleich. Sie hängt unter anderem von der Niederschlagsmenge und
-verteilung, den Durchlässigkeiten der Böden, dem Bewuchs und dem Relief der Bodenoberfläche sowie dem Grundwasserflurabstand ab.
GW-Haushalt
G = N -A0 - E ± ∆S + QZU - QAB
N = Niederschlag
A = oberirdischer Abfluss
E = Evatranspiration
∆S = Speicherterm
QAB = Abfuhr
Grundwasserneubildung ist dast nur im Winter möglich
Grundwasserreserven
Messung der Grundwassermächitgkeit
Pegelmessung Höhenunterwschied
GW-Beschaffenheit
- chloridhaltige Grundwässer (Auftausalze, chloridhaltiger Dünger)
- sulfathaltige Grundwässer (Gips, Anhydrit, schwefelhaltige Brennstoffe)
- nitrathaltige Grundwässer (stickstoffhaltiger Dünger)
- Grundwasser mit coliformen Keimen (ungeklärte Abwässer)
- calcium- und magnesiumhaltige Grundwässer (Wasserhärte in „Deutschen Grad“)
Calcium und Magnesiumgehalt von GW
sind in nahezu allen GW in unterschiedlicher Menge enthalten. Am geringsten sind die Mengen in den Arealen des Grundgebirges, am höchsten in den Gebieten mit Muschel- bzw. Jurakalken oder Kreidekalken (daher auch Carbonathärte).
Der Begriff Wasserhärte “Deutscher Grad” ist üblich, sollte aber heute in mmol/l Erdalkali-Ionen angegeben: 1°dH = 10 mg/l CaO = 0,179 mmol/l
Grundwassergefährdung
durch zunehmende Bebauung dringt immer weniger Niederschlagswasser in den Untergrund ein (Bodenversiegelung), durch Flussregulierungen wird die Neigung zur Erosion verstärkt. Falls das Flussbett vertieft wird, wird der GW-Spiegel abge- senkt. Ähnliche Auswirkungen können auch die Entnahme von GW durch Brunnen haben. Über verschiedene Emissionsquellen können auch Chemikalien das Grund- wasser gefährden.
Konsequenter Grundwasserschutz sowie die regelmäßige Grundwasserbeobachtung schließt die Kontrolle von möglichen Vergiftungsquellen und die Analyse eingetretener Schadensfälle mit ein. In Gebieten, in denen Grundwasser zur Nutzung als Trinkwas- ser gefördert wird, werden Wasserschutzgebiete ausgewiesen.
