| 5Bodenwasserhaushalt
Gerd Wessolek
Inhalt
5.1 Hydraulische Bodeneigenschaften und Kennwerte
5.2 Potenzialkonzept, Wasserspannung und Wassergehaltsmessungen
Der Boden stellt ein wichtiges Bindeglied zwischen Atmosphäre, Biosphäre und Grundwasser dar. Für Pflanzen ist Boden Wuchsstandort und Wasserspeicher; für das Grundwasser wirkt er als Sickerwasserspender und Filterkörper und ist eine Hauptquelle für die Grundwasserneubildung. Der Bodenwasserhaushalt ist von Klima, Boden, Nutzung und Grundwasserstand abhängig und weist innerjährlich eine große Dynamik auf. Der Bodenwasserspeicher wird mit der nutzbaren Feldkapazität im effektiven Wurzelraum beschrieben. Die Infiltration von Niederschlagswasser in den Boden und der Weitertransport sind abhängig von der Wasserleitfähigkeit. Bodenwasser kann versickern oder aus dem Grundwasser bei Austrocknung des Oberbodens kapillar aufsteigen. Die Richtung des Wasserflusses wird mithilfe des Potenzialkonzepts charakterisiert. Mithilfe von numerischen Modellen lassen sich Wassergehalte, Wasserbewegung und Bodenwasserhaushaltskomponenten berechnen.
5.1 | Hydraulische Bodeneigenschaften und Kennwerte
Das Bodenvolumen setzt sich aus dem Volumen der Festphase und des Porenraums zusammen.
Die physikalischen Bodeneigenschaften werden maßgeblich über den Porenraum, d.h. durch das Gesamtporenvolumen, die Porengrößenverteilung und durch die Kontinuität der Poren bestimmt.
Der Boden besteht aus einer Festphase mit mineralischen und organischen Bestandteilen und aus dem Porenraum. Entsprechend lässt sich das Volumen eines Bodenkörpers beschreiben durch:
Der Porenraum ist mit Wasser und/oder mit Gas gefüllt; die prozentualen Volumenanteile schwanken stark je nach Jahreszeit und Witterung:
Die Größe und Verteilung der Poren hängt ab von:
▶der Bodenart, also den Anteilen von Sand, Schluff und Ton,
▶dem Bodengefüge und
▶der Anordnung bzw. Lagerung der Bodenpartikel.
Letztere wird beschrieben durch die Trockenrohdichte des Bodens (ρTD):
Ein Boden mit einer ρTD von 1,2–1,4 wird als locker gelagert bezeichnet, ein Boden mit einer ρTD von > 1,7 dagegen als dicht. Die Einteilung, ob ein Boden als dicht oder noch als locker anzusehen ist, ist vor allem von seinen gefügeprägenden Ton- und Schluffgehalten abhängig (Renger et al. 2014).
Tab. 5-1 | Einteilung der Porengrößenbereiche, -durchmesser, Funktion und Wasserspannung (nach AG Boden 2005)
| Porengrößenbereich | Porendurchmesser [μm] | Hydrologische Funktion | Wasserspannung [hPa] | [pF Stufe] |
| Grobporen, weit | > 50 | Schnell dränende Poren, daher luftführend | < 60 | < 1,8 |
| Grobporen, eng | 50–10 | Langsam dränende Poren, wasser- und luftführend, pflanzenverfügbares Wasser | 60–300 | 1,8–2,5 |
| Mittelporen | 10–0,2 | Pflanzenverfügbares Wasser | 300–15 000 | 2,5–4,2 |
| Feinporen | < 0,2 | Totwasser (nicht pflanzenverfügbar) | > 15 000 | > 4,2 |
Der Durchmesser bestimmt die Funktion einer Pore.
Die Poren werden in Grob-, Mittel- und Feinporen unterteilt. Wie aus Tab. 5-1 ersichtlich wird, werden die Porengrößenbereiche einem bestimmten Porendurchmesser, einer hydrologischen Funktion sowie einer definierten Wasserspannung zugeordnet.
Je kleiner die Poren sind, desto stärker wird das Wasser in diesen gebunden. Dieser Zusammenhang wird durch die Steighöhengleichung beschrieben, wobei hk als Maß für die Bindungsstärke dem Wasseraufstieg in einer Kapillaren mit dem Radius r entspricht:
Da bis auf r alle anderen Größen als konstant angesehen werden können, vereinfacht sich die Gleichung zu:
Porengrößenverteilung im Boden
Die hydraulischen Bodeneigenschaften lassen sich mit zwei Funktionen beschreiben: der Wasserretentionskurve (pF-Kurve) und der Wasserleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Wasserspannung. Erstere wird auch als pF-Kurve oder Bodenwassercharakteristik bezeichnet. Sie beschreibt die Beziehung zwischen der Wasserspannung in hPa oder als logarithmierter Wert log hPa = pF-Stufe und dem Wassergehalt [Vol.-%]. Ihr Verlauf ist für jede Bodenart und Trockenrohdichte charakteristisch und ein wichtiges Merkmal für Berechnungen zum Wasserhaushalt. In Abb. 5-1 sind exemplarisch vier typische pF-Kurven für Ton, Schluff, Lehm und Sand dargestellt. Die Abszisse ist in logarithmischem Maßstab eingeteilt, um den gesamten Bereich der Wasserspannungen (pF-Werte) sichtbar zu machen. In Renger et al. (2008) sind für alle Bodenarten und Trockenrohdichten sowie für unterschiedliche geologische Ausgangssubstrate pF-Kurven beschrieben.
Der stark unterschiedliche Verlauf der drei Kurven wird durch die unterschiedlichen Anteile an Grob-, Mittel- und Feinporen verursacht. Der Tonboden hat überwiegend Feinporen und verfügt über wenig Mittel- und Grobporen. Der Schluff dagegen hat sehr viele Mittelporen, deutlich weniger Feinporen und moderate Anteile an Grobporen. Der Sand schließlich hat überwiegend Grob- und Mittelporen und nur sehr wenig Feinporen.
Abb. 5-1 | Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasserspannung für verschiedene Bodenarten (nach Horn et al. 2010).
Die Wassergehalte im Ton nehmen erst bei sehr hohen Wasserspannungen ab, und selbst bei einem pF-Wert von > 4,2 ist der Wassergehalt im Boden noch sehr hoch. Anders bei Schluff: Hier nimmt der Wassergehalt kontinuierlich bei steigenden Wasserspannungen ab. Im Sand schließlich tritt schon bei Erreichen niedriger Wasserspannungen ein schneller Abfall der Wassergehalte ein, und bei hohen pF-Werten befindet sich nur noch sehr wenig Wasser in den Poren. Der Lehm nimmt im Verlauf der pF-Kurve eine mittlere Stellung zwischen Sand und Ton ein. Aus Abb. 5-1 ist auch ersichtlich, dass bei gleichem Wassergehalt die Bindungsstärke, als Matrixpotenzial bezeichnet, in der Reihenfolge Sandboden < Lehm < Tonboden zunimmt, also mit steigendem Tongehalt. Dies erklärt, warum sich im Falle eines Wassergehalts von 20 % ein Sandboden nass, ein Schluffboden feucht und ein Tonboden trocken anfühlt. Die zunehmende Bindungsstärke des Wassers bei kleiner werdenden Bodenpartikeln beruht auf einer Zunahme der adsorbierenden Oberfläche. Ein Boden, der entwässert wird, hat bei gleicher pF- Stufe höhere Wassergehalte als bei Bewässerung. Dieser Effekt wird als Hysterese bezeichnet. Ursache sind diskontinuierliche Porenradien, die sich unterschiedlich auswirken.