Geographie: Klima- und Hydrogeographie

BODENWASSERHAUSHALT

• Das Bodenvolumen setzt sich aus dem Volumen der Festphase und des Porenraums zusammen.
• Der Porenraum ist mit Wasser und/oder Gas gefüllt und die prozentualen Volumenanteile schwanken stark je nach Jahreszeit und Witterung.
• Die Größe und Verteilung der Poren hängt ab von der Bodenart, dem Bodengefüge und der Anordnung bzw. Lagerung der Bodenpartikel (Trockenrohdichte ρTD in g/cm³).
• Die hydraulischen Bodeneigenschaften lassen sich mit zwei Funktionen beschreiben: der Wasserretentionskurve (pF-Kurve) und der Wasserleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Wasserspannung (pF-Wert = Saugspannungswert).

Kennwerte der pF-Kurve

• Gesamtporenvolumen (GPV): Summe aller Hohlräume; ca. 48–50 Vol.-% in Tonböden, 40–45 Vol.-% in Schluffen und 38–42 Vol.-% in Sanden.
• Feldkapazität (FK): wenn Grobporen eines Bodens durch die Wirkung der Schwerkraft entwässert sind (nur noch Wasser in den Mittel- und Feinporen).
• Nutzbare Feldkapazität (nFK): Porenanteil der Mittelporen, der das pflanzenverfügbare Wasser enthält = Wassermenge zwischen Feldkapazität und PWP.
• Luftkapazität (LK): Porenanteil zwischen GPV und FK.
• Permanenter Welkepunkt (PWP): wenn Grob- und Mittelporen entwässert → Pflanzen welken (Totwasser).

Bestimmung der pF-Kurve

• Für den Bereich pF < 2,0 werden wassergesättigte Bodenproben (Stechzylinder) schrittweise mittels Unterdruck entwässert.
• Danach wird über eine Wägung der verbleibende Wassergehalt im Boden bestimmt.
• In höheren pF-Stufen werden die Proben in einen speziellen Drucktopf eingebracht und mit Überdruck entwässert.
• HYPROP© Verdunstungsverfahren: zwei Tensiometerzellen in unterschiedlichen Höhen → Aufzeichnung von Gewichtsveränderungen und Wasserspannungen.

Messung der Bodenfeuchte

• TDR-Verfahren (Time-Domain Reflectometry): die Laufzeit der elektromagnetischen Welle im Boden wird gemessen.
• Die Geschwindigkeit der Welle ist von der Dielektrizitätskonstante (Ɛ0) des Bodens abhängig.
• Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser (Ɛ0 = ~ 81) deutlich größer ist als die von mineralischen Partikeln (Ɛ0 = 2–5) und Luft (Ɛ0 = 1), steigt Ɛ0 des Bodens mit zunehmendem Wassergehalt.

Wasserbewegung im Boden

• Die Intensität der Wasserbewegung wird durch das antreibende Potenzialgefalle und die Wasserleitfähigkeit bestimmt.
• Dieser Zusammenhang wurde erstmals von dem französischen Ingenieur Henry Darcy (1803–1859) mathematisch beschrieben (Darcy-Gleichung).
• Die gesättigte und die ungesättigte Wasserleitfähigkeit eines Bodens werden von der Anzahl, Größe und Form der Poren beeinflusst, durch die das Wasser fließt.

Infiltration

• Infiltration beschreibt den Fließvorgang von Wasser, das von oben in den Boden eindringt.
• Infiltrationsrate = abhängig von der Wasserleitfähigkeit im Porenraum (insb. Makroporen) + Anfangswassergehalt.
• Messung z.B. mit Doppelringinfiltrometer → Feuchteprofil.

Hydrophobie, Verschlämmung und Verdichtung

• In hydrophoben Böden treten erhöhte Oberflächenabflüsse, präferenzielle Fließwege und eine Verminderung der Wasserspeicherfähigkeit des Bodens auf.
• Einige Böden (z.B. Lössböden) neigen dazu an der Oberfläche zu verschlämmen → Krustenbildung → Oberflächenabfluss → Stoffverluste und Bodenerosion.
• Eine Verdichtung des Oberbodens (z.B. durch Befahren) → verminderte Infiltration bzw. Oberflächenabfluss.

GRUNDWASSER

• Grundwasser = unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Lithosphäre zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegungsmöglichkeit ausschließlich durch die Schwerkraft bestimmt wird (DIN 4049).
• Bereich des Grundwassers = gesättigte oder phreatische Zone (gr. Phréar = «Brunnen»).

Grundwasserabfluss und hydraulische Leitfähigkeit

• Grundwasserabfluss (QGw), Berechnung auf Basis des Darcy-Gesetzes.
• Die Verweildauer des Grundwassers im Grundwasserleiter, d.h. die Zeitspanne zwischen Eintritt und Austritt, ist je nach Typ des Grundwasserleiters sehr unterschiedlich.

Formen der Speicherung von Grundwasser in Gesteinen

• Porenhohlräume: typisch für Lockergesteine (z.B. Sandstein).
• Klufthohlräume: typisch für nicht verkarstete Festgesteine; Fugen bzw. Trennflächen aufgrund tektonischer Beanspruchung.
• Karsthohlräume: typisch für wasserlösliche Gesteine (z.B. Kalk- und Dolomitgestein).

Grundwasserstockwerke

• Freier Grundwasserleiter: Grundwasseroberfläche nicht nach oben durch einen Grundwasserstauer begrenzt.
• Gespannter bzw. halbgespannter Grundwasserleiter: wird nicht nur nach unten durch einen liegenden, sondern auch nach oben durch einen Grundwasserstauer begrenzt → Überdruck → ggf. artesischer Brunnen.

Abfluss im Gewässersystem

• Der Abflussprozess unterliegt einer zeitlichen Dynamik.
• Je nachdem, in welchem Bereich des Einzugsgebiets wie viel Abfluss gebildet wird, verändert sich der Abfluss am Einzugsgebietsauslass (Abflussganglinie).
• Abflussregimes.

Abflussmessung

• Die Messung des Wasserstands erfolgt an einem Pegel.
• Nur sehr selten kann der Abfluss eines Fließgewässers direkt erfasst werden.
• In kleinen Gewässern kann an einem Überfallwehr oder am Ende eines verrohrten Gewässerabschnitts die Eimer-Methode angewendet werden.

Abflussbildung in der Landschaft

• Abflussbildung als Teil des Wasserkreislaufs.
• Oberirdische Abflussprozesse.
• Die Rolle der Makroporen.
• Unterirdische Abflussprozesse: Zwischenabfluss („interflow“).
• Unterirdische Abflussprozesse: Grundwasserabfluss.

ABFLUSSBILDUNG IN DER LANDSCHAFT

• Abfluss von Siedlungsflächen.