Vorlesung 3 (Vadose Zone)

Question 1

Erscheinungsformen des unterirdischen Wassers:

Answer 1

Question 2

Abgrenzung vadose – phreatische Zone:

Answer 2

• Vadose Zone:
  
  • Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitraum nicht vollständig mit Wasser gefüllt ist; sie umfasst den Sickerraum einschließlich des offenen Kapillarraums, aber ohne den geschlossenen Kapillarraum
  • Die ungesättigte Zone ist ein Drei-Phasen-System (Gesteinsmatrix, Bodenluft, Bodenwasser)
• Phreatische Zone:
  
  • Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitraum vollständig mit Wasser gefüllt ist; sie umfasst den Grundwasserraum und den geschlossenen Kapillarraum
  • Die gesättigte Zone ist ein Zwei-Phasen-System

Question 3

Klassifizierung des Wassers im Untergrund:

Answer 3

• unterirdisches Wasser:
  
  • Wasser in den Hohlräumen der Lithosphäre
• Sickerwasser:
  
  • unterirdisches Wasser, das sich durch ein Überwiegen der Schwerkraft im Sickerraum abwärts bewegt
• Haftwasser:
  
  • unterirdisches Wasser der vadosen Zone, das gegen die Schwerkraft gehalten wird, also hygroskopisches Wasser, Adsorptionswasser und Porenwinkelwasser
• Kapillarwasser:
  
  • unterirdisches Wasser, das durch Überwiegen** der **Kapillarkräfte in der Vertikalen gehoben bzw. gehalten wird
• Grundwasser:
  
  • unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Lithosphäre zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegungsmöglichkeit ausschließlich durch das hydraulisches Potential bestimmt wird

Question 4

Klassifizierung des Raumes im Untergrund:

Answer 4

• Sickerraum:
  
  • Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitpunkt kein Gw enthält
• Kapillarraum:
  
  • Gesteinskörper, der unmittelbar über dem Grundwasserraum liegt und zum Betrachtungszeitpunkt Kapillarwasser enthält
• Grundwasserraum:
  
  • Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitpunkt mit GW gefüllt ist
• GwOberfläche:
  
  • obere Grenzfläche eines GwKörpers
• Kapillarer Aufstieg:
  
  • Bewegung von Wasser aus dem GwRaum in den Sickerraum durch Kapillarkräfte entgegen der Schwerkraft

Question 5

Haftwasser:

Answer 5

• Haftwasser besteht nach DIN 4049 aus hygroskopischem Wasser, Adsorptionswasser und Porenwinkelwasser
• Der Druck der Saugspannung steigt hierbei vom Porenwinkelwasser bei etwa 0,1 MPa zum hygroskopischem Wasser bei etwa 10 MPa an

Question 6

Definitionen: Haftwasser

Answer 6

• hygroskopisches Wasser:
  
  • Wasser, das aus dem Wasserdampfvorrat der Bodenluft bis zum Erreichen eines materialspezifischen Gleichgewichtes angelagert wird
  • Saugspannung für eine erste monomolekulare Schicht kann bis zu 600 MPa betragen bei einer Schichtdicke von ca. 1 nm
• Adsorptionswasser Wasser:
  
  • Das durch Adsorptionskräfte (London-Kraft / van der Waals Kraft, Wasserstoffbrücken, Coulombkraft) an der Gesteinsmatrix gebunden ist
• Porenwinkelwasser Wasser:
  
  • Das in Zwickeln der Hohlräume sitzt und Menisken gegen die umgebende Bodenluft ausbildet

Question 7

Kapillarwasser (kapillarer Aufstieg):

Answer 7

• Beim Eintauchen einer Kapillare in eine benetzende Flüssigkeit steigt jene innerhalb der Kapillare empor

Question 8

Kapillarer Steighöhe z_c (Rechnung):

Answer 8

z_c= 2σ_l*cosφ/p_l*g*r

• mit:
  
  • σ_l Oberflächenspannung Flüssigkeit
  • g Erdbeschleunigung
  • r Radius Kapillare
  • p_l Dichte der Flüssigkeit

σ_Wasser bei 10°C = 74,23 mNm^-1

φ_Wasser = 0°

Question 9

Saugspannung pF:

Answer 9

• Saugspannung:
  
  • Spannung, die durch die Wechsel-wirkungen zwischen Gestein und Wasser im Sickerraum hervorgerufen wird
• Saugspannungskurve:
  
  • Graphische Darstellung der Saugspannung in Abhängigkeit vom Wassergehalt des betrachteten Gesteinskörpers

pF = -log(hp)

(hp = hydrostatische Druckhöhe in cmWS)

Question 10

Messung der Saugspannung:

Answer 10

• Tensiometer
• Gipsblock
• Buchner-Trichter
• pF-Druckanlagen

Question 11

Umrechnung hp in bar und Pa:

Answer 11

hp = 1 hPa = 1 cmWS

1 m = 100 hPa

1 bar = 10 cmWS

1 bar = 10⁵ Pa

(WS = Wassersäule)

Question 12

Beziehung zwischen Saugspannung und Wassergehalt:

Answer 12

• Zwischen der Saugspannung pF und einem wassergesättigten Untergrund gilt folgender Zusammenhang:
  
  • pF < 0 cm Wassersäule
    
    • ⇒ gesättigter Kapillarraum
  • pF > oder gleich 0 cm Wassersäule
    
    • ⇒ GWRaum
• Je höher der Wassergehalt eines Bodens ist (Tonboden > Schluffboden > Sandboden), desto geringer ist die Saugspannung, welche aufgebracht werden kann

Question 13

Saugspannung Definitionen:

Answer 13

• Feldkapazität FK:
  
  • Volumenanteil des Wassers im Gesteinskörper, das unter bestimmten Randbedingungen in der ungesättigten Zone maximal gegen die Schwerkraft gehalten werden kann
  • FK in vielen Böden bei einem *pF* = 1.8–2.5 cm WS
• Permanenter Welkepunkt PWP:
  • Austrocknungsgrad eines Bodens
  • meist wird der PWP bei einem *pF* = 4.2 cm WS erreicht
• effektive Feldkapazität FK_n:
  
  • Differenz zwischen FK und PWP
• Totwasser:
  
  • Wassergehalt eines Bodens mit pF > PWP

Question 14

Hysterese der Saugspannungskurve: Ursache

Answer 14

• Hysterese: das Zurückbleiben einer Wirkung hinter der sie verursachenden veränderlichen Kraft
• Austrocknen: Wasserbewegung gegen die Kapillarkräfte der Porenkanäle
• Befeuchtung: Wasserbewegung begrenzt durch die Kapillarkräfte in Porenkanäle
• (Zur Grafik):
  
  • Drainage: trocken, entwässern, Saugspannung an Pflanzenwurzeln
    
    • ⇒ Porenkanäle
  • Wetting: bewässern

Question 15

Van Genuchten Gleichung (1980)

Answer 15

• Beziehung zwischen Matrixpotenzial und volumetrischem Wassergehalt

θ = θ_r + (θ_s - θ_r/[1 + (α * |ψ|)ⁿ]^m)

mit:

θ volumetrischer Wassergehalt

θ_r resudaler volumetrischer Wassergehalt

ψ Matrixpotential

α, m, n Bodenparameter

h_b“bubbling pressure”; Grenzspannung, ab der die Entwässerung des Bodens beginnt

Für die Bodenparameter der van-Genuchten-Gleichung gilt: