Die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens, d.h. die Fähigkeit eines Bodens, Wasser durchzulassen, wirkt sich auf fast alle Bodenanwendungen aus. Sie ist entscheidend für das Verständnis des gesamten Wasserhaushalts und wird auch für die Schätzung der Grundwasseranreicherung durch die vadose Zone verwendet. Hydrologen benötigen die Werte der hydraulischen Leitfähigkeit für die Modellierung, und Forscher nutzen sie, um die Gesundheit des Bodens zu bestimmen oder um vorherzusagen, wie das Wasser an verschiedenen Standorten durch den Boden fließt. Landwirtschaftliche Entscheidungen basieren auf der hydraulischen Leitfähigkeit, um Bewässerungsraten zu bestimmen oder Erosion und Nährstoffauswaschung vorherzusagen. Und sie wird verwendet, um die Wirksamkeit von Deponieabdeckungen zu bestimmen. Geotechniker benötigen sie für die Planung von Rückhaltebecken, Straßenbeeten, Regengärten oder anderen Systemen, die den Abfluss auffangen sollen. Und es wird auch verwendet, um das pflanzenverfügbare Wasser in erdlosen Substraten zu verstehen. Wenn Sie vorhersagen wollen, wie sich das Wasser in Ihrem Bodensystem bewegen wird, müssen Sie die hydraulische Leitfähigkeit kennen, denn sie bestimmt den Wasserfluss. Wie kann man sie messen? In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die hydraulische Leitfähigkeit messen können, was sie ist und welche Vor- und Nachteile die gängigen Methoden haben.
Wissenschaftlich ausgedrückt ist die hydraulische Leitfähigkeit definiert als die Fähigkeit eines porösen Mediums( z.B.Boden ), Wasser unter gesättigten oder nahezu gesättigten Bedingungen durchzulassen. Gleichung 1 veranschaulicht, was das bedeutet. Wenn i den Wasserfluss angibt (die Wassermenge pro Flächeneinheit pro Zeiteinheit), ist dies gleich K (hydraulische Leitfähigkeit) multipliziert mit dem Gefälle der Wassersäule dh/dz. Das Gefälle der Wassersäule (oder das Gefälle des Wasserpotenzials) ist die Kraft, die das Wasser im Boden in Bewegung setzt. K ist der Proportionalitätsfaktor zwischen dieser treibenden Kraft und dem Wasserfluss im Boden.
Die Fallhöhe(Wasserpotenzial) kann in ihre zwei Hauptkomponenten zerlegt werden. hm ist die Matrix Wassersäule (Matrixpotenzial) und hg ist die Gravitationshöhe (Gravitationspotential). Mit anderen Worten: Es gibt Matrixkräfte, die das Wasser durch den Boden bewegen, und auch Gravitationskräfte.
Der Gravitationsgradient dhg/dz ist gleich 1. Zu Beginn, wenn Wasser auf den Boden aufgebracht wird, ziehen die Matrixkräfte das Wasser schnell in den Boden (siehe Abbildung 2 unten). Wenn jedoch die Infiltration über einen längeren Zeitraum erfolgt und der Boden sehr nass ist, wird diese Wassersäule zu 0.
Zu längeren Zeiten ist die Infiltrationsrate also ungefähr gleich der hydraulischen Leitfähigkeit. Dies vermittelt ein Gefühl dafür, was die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens bedeutet. Wenn über einen längeren Zeitraum Wasser ausgebracht wird, entspricht die Geschwindigkeit, mit der das Wasser in den Boden infiltriert, in etwa der hydraulischen Leitfähigkeit.
Die hydraulische Leitfähigkeit hängt von Faktoren wie der Bodentextur, der Korngrößenverteilung, der Rauheit, der Gewundenheit, der Form und dem Grad der Vernetzung der wasserleitenden Poren ab. Wenn wir nur die Bodentextur berücksichtigen würden, hätten Böden mit gröberer Textur in der Regel eine höhere hydraulische Leitfähigkeit als Böden mit feiner Textur. Die Bodenstruktur und die Porenstruktur können jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit eines Bodens haben, Wasser zu leiten.
Ein strukturierter Boden enthält in der Regel große Poren, während strukturlose Böden kleinere Poren haben. Abbildung 1 (unten) veranschaulicht den Unterschied zwischen einem gut strukturierten Lehmboden und einem schlecht strukturierten Lehmboden und die Bedeutung der Struktur für die hydraulische Leitfähigkeit, insbesondere bei oder nahe der Sättigung.
Bioporen, Wurzelkanäle oder Tierhöhlen erhöhen die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, wenn sie Wasser enthalten. Wenn sie sich nicht mit Wasser füllen, weil sie die Oberfläche nicht erreichen, können sie die Leitfähigkeit verringern. Die Verdichtung oder die Dichte des Bodens ist ein weiterer Einflussfaktor, ebenso wie der Wassergehalt oder das Wasserpotenzial des Bodens.
Der Boden ist entweder gesättigt oder ungesättigt, daher wird die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens entweder als gesättigte hydraulische Leitfähigkeit (Ks/Kfs) oder als ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit (K(Ψ)) bezeichnet. Forscher verwenden Laborgeräte (KSAT und HYPROP), um hydraulische Leitfähigkeitskurven zu erstellen, die die Leitfähigkeitswerte für einen bestimmten Boden bei verschiedenen Sättigungs-/Ungesättigungsgraden grafisch darstellen. Diese Kurven sagen den Wasserfluss in verschiedenen Bodentypen bei unterschiedlichen Wasserpotenzialen voraus.
Abbildung 1 zeigt die Kurven der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens für drei verschiedene Böden. Die vertikale Achse liegt bei einer Wassersäule von 0(Wasserpotenzial). Werte auf der rechten Seite zeigen gesättigte Leitfähigkeitswerte an. Die Werte auf der linken Seite zeigen ungesättigte Werte an. Der schlecht strukturierte lehmige Boden (untere Linie) hat eine viel niedrigere gesättigte Leitfähigkeit als der sandige Boden. Das liegt daran, dass der lehmige Boden aus kleinen Poren besteht und die Fließwege stärker eingeschränkt sind. Wenn der lehmige Boden (gestrichelte Linie) jedoch eine gute Struktur hätte (d.h. er enthielte Aggregate mit großen Poren zwischen diesen Aggregaten, die bessere Fließwege schaffen), dann könnte seine gesättigte hydraulische Leitfähigkeit höher sein als die Leitfähigkeit des Sandes.
Auf der linken Seite von Abbildung 1, wo die Wassersäule (das Wasserpotenzial) negativ ist, beginnt der Boden zu entsättigen, und die Poren leeren sich. Wenn sich die Poren (insbesondere die großen Poren) leeren, nimmt die hydraulische Leitfähigkeit drastisch ab. Die ungesättigte Leitfähigkeit ist also immer geringer und in den meisten Fällen um Größenordnungen geringer als im gesättigten Zustand des Bodens.
Beachten Sie, dass sich die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit für den schlecht strukturierten lehmigen Boden und den gut strukturierten lehmigen Boden schließlich treffen. Das liegt daran, dass die Makroporen ab einem bestimmten Punkt nicht mehr zum Fluss beitragen und der Fluss dann nur noch in den Mesoporen zwischen den Bodenpartikeln stattfindet. Beachten Sie auch, dass die Kurve der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit für den strukturlosen Sandboden anfangs höher ist als die des tonhaltigen Bodens, aber wenn der Boden trocknet, wird die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit niedriger als die des tonhaltigen Bodens.
Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit (Ks) ist nicht dasselbe wie die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit im Feld (Kfs). Der Grund dafür ist, dass bei der Messung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Labor die Bodenkerne bis zur vollständigen Sättigung gebracht werden können. Im Feld ist es jedoch schwierig, den Boden bis zur vollständigen Sättigung zu bringen. Und warum? Wenn der Boden von oben infiltriert wird, kann die Luft in der Regel nicht entweichen, so dass der Boden mit eingeschlossener Luft endet (Abbildung 2).
Dies führt zu einer nicht vollständig gesättigten Situation und wird daher als feldgesättigte hydraulische Leitfähigkeit (Kfs) bezeichnet.Kfs ist normalerweise niedriger als Ks, da die eingeschlossene Luft die Wasserbewegung verlangsamt.
Forscher messen sowohl die gesättigte als auch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Bodens mit vielen verschiedenen Labor- und Feldmethoden. Dieser Artikel stellt einige der gängigsten Methoden vor.
Fließzellenmessungen werden normalerweise an Bodenkernen durchgeführt, die ins Labor gebracht werden. Sie messen ungestörte oder gestörte Bodenproben, aber die Probengröße hängt von der Konstruktion der Fließzelle ab. Sie können entweder die Technik der konstanten oder der fallenden Fallhöhe verwenden.
Abbildung 3 zeigt, wie eine typische Fließzelle funktioniert (es gibt auch andere Ausführungen). Der Bodenkern ist gesättigt, bevor er in die Fließzelle eingesetzt wird. Wasser aus einer Wasserquelle fließt durch die Oberseite des Bodenkerns, und die stationäre Durchflussrate wird gemessen. Dieser Wert wird dann verwendet, um die Infiltrationsrate zu bestimmen. Es werden Korrekturen für die Techniken der konstanten und der fallenden Fallhöhe vorgenommen, um von i (der Infiltrationsrate) zu a Ks Wert (repräsentativ für den Einfluss einer Druckhöhe von 0) zu gelangen.
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Einfache Berechnungen | Expansive Böden sind begrenzt |
| Keine Korrekturen für 3-dimensionale Strömung | Werte können von Feldmethoden abweichen |
| Trennen Sie verschiedene Horizonte | Erfordert zusätzliche Ausrüstung für die Automatisierung |
| Mehrere Proben können gleichzeitig gemessen werden | Spezieller Laborbereich |
| Relativ einfache Einrichtung | Kleine Oberfläche |
Fließzellenberechnungen sind einfach, da das Wasser durch eine bekannte Fläche infiltriert, wodurch der dreidimensionale (seitliche) Fluss eliminiert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass Bodenhorizonte getrennt werden können. Sie können Proben aus verschiedenen Bodenschichten nehmen, um festzustellen, welcher Horizont ein begrenzender Faktor sein könnte.
Fließzellen sind einfach einzurichten, aber die Automatisierung des Geräts ist komplexer. Wegen der großen Automatisierungsgeräte, die aufgestellt bleiben müssen, ist ein eigener Laborplatz erforderlich. Eine weitere Einschränkung der Durchflusszelle besteht darin, dass sich ein expansiver Boden bei Befeuchtung im eingeschränkten Bodenkern ausdehnt, wodurch die Bodenporen zusammengedrückt werden und sich die Bodeneigenschaften ändern. Dies kann zu einer Unterschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens führen. Um dieses Problem zu umgehen, sollten Sie die Proben nehmen, wenn der Boden nahezu gesättigt ist.
Ein Problem bei Fließzellen (und allen anderen Labortechniken) ist, dass sich Laborwerte von Feldwerten unterscheiden. Eine verschlossene Makropore im Feld könnte bei der Entnahme eines Bodenkerns geöffnet werden. Da Wasser leichter durch eine offene Pore fließt, ist es möglich, dass die hydraulische Leitfähigkeit überschätzt wird. Darüber hinaus berücksichtigt ein kleiner Bodenkern nicht die räumliche Variabilität. Daher werden mehr Proben benötigt, um eine genaue Darstellung des Feldes zu erhalten.
METER's KSAT ist ähnlich wie die Durchflusszelle, nur dass es die Messung vereinfacht und beschleunigt, weil die Automatisierung in das Gerät eingebaut ist.
Es kann sowohl mit fallender als auch mit konstanter Fallhöhe arbeiten. Das KSAT verwendet einen kleinen Bodenkern und verfügt über eine Wassersäule mit einer Bürette zur Kontrolle des Wasserflusses (Abbildung 4).
Das Wasser fließt durch die Bürette, tritt unten in die Probe ein und fließt oben über der Probe ab. Das KSAT verwendet einen Drucksensor, der automatisch die Druckhöhe in der Wassersäule misst. Ein Computer nimmt die Messwerte des Drucksensors auf und die Software automatisiert die Berechnungen und korrigiert die Änderungen der Wasserviskosität bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei der Fallhöhenmethode misst der Druckaufnehmer die Veränderung der Wassersäule, und die Software berechnet die Durchflussrate und die hydraulische Leitfähigkeit dieser Probe.
Wie bei den Fließzellen sind auch bei KSATdie Grenzen durch die kleine Oberfläche und die eingeschränkte Probenmenge gesetzt. Wenden Sie also die gleichen Überlegungen an, wenn Sie eine Probe für dieses Gerät nehmen.
Der große Vorteil des KSAT ist, dass alles automatisiert ist, was Zeit spart, und dass es nicht viel Platz im Labor benötigt. Darüber hinaus kann es mit dem HYPROP kombiniert werden, um automatisch Punkte sowohl auf der gesättigten als auch auf der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeitskurve zu erzeugen. Sehen Sie sich das Video an, um zu erfahren, wie.
Feldmethoden bieten eine bessere Darstellung dessen, was tatsächlich auf dem Feld passiert. Ein Ringinfiltrometer ist ein dünnwandiger Zylinder mit offenem Ende, der bis zu einer bestimmten Tiefe (in der Regel etwa 5 cm) in den Boden eingeführt wird, um die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Feldes zu messen. Das Wasser infiltriert durch den/die Ring(e) entweder mit der Technik des konstanten oder des fallenden Drucks. Dies geschieht entweder manuell oder das System kann automatisiert werden, so dass mehrere Messungen gleichzeitig durchgeführt werden können. Es gibt verschiedene Zylinderanordnungen, darunter Einzelring- und Doppelring- (oder konzentrische) Infiltrometer.
Ein Einzelring-Infiltrometer verwendet einen einzelnen Messzylinder (Abbildung 5), durch den das Wasser mit konstanter oder fallender Wassersäule infiltriert wird. Bei der Technik der konstanten Wassersäule wird in der Regel ein Reservoir mit einem Mariotte-Bubbler verwendet, um den Durchfluss und den Wasserstand innerhalb des Rings zu kontrollieren. Wenn das Wasser durch den Ring infiltriert, bewegt es sich sowohl horizontal als auch vertikal in den Boden, so dass Korrekturen für den dreidimensionalen Fluss vorgenommen werden müssen.
Die Durchmesser von Einzelring-Infiltrometern reichen von 10 bis 50 cm. Ein größerer Ringdurchmesser bedeutet, dass mehr Fläche gemessen werden kann, was eine bessere Darstellung der räumlichen Variabilität ermöglicht.
Bei einem Doppelring-Infiltrometer (oder konzentrischen Ring-Infiltrometer) befindet sich ein einzelner Messzylinder innerhalb eines größeren Pufferzylinders. Der Pufferzylinder soll verhindern, dass die Strömung vom Messzylinder abweicht, um die Analyse zu vereinfachen. Theoretisch misst der Messzylinder nur die vertikale Strömung des Wassers und lässt keine horizontale Strömung zu. Bei dieser Methode wird entweder eine fallende oder eine konstante Fallhöhe verwendet. Außerdem muss in beiden Zylindern der gleiche Wasserstand aufrechterhalten werden, um die gleichen Druckgradienten zu erhalten, was in der Regel viel Wasser erfordert.
Die größeren Ringe des Ring-Infiltrometers berücksichtigen eine größere räumliche Variabilität, so dass sie die Feldbedingungen besser wiedergeben als Laborgeräte, was bedeutet, dass sie für die Modellierung nützlicher sind. Allerdings wird für die Messung viel Wasser benötigt - zwischen 60 und 100 Liter Wasser pro Stunde, wenn man von einer Infiltrationsrate von etwa 30 cm/Stunde ausgeht (ein Boden mit hoher Leitfähigkeit könnte 300+ Liter/Stunde verbrauchen), was schwer zu transportieren ist. Und die Messung ist zeitaufwändig - zwei bis drei Stunden je nach Ringgröße.
Ein weiteres Problem ist die Notwendigkeit, den makroskopischen Kapillarlängenfaktor des Bodens (Alpha genannt) zu schätzen, um den dreidimensionalen Fluss zu korrigieren. Es gibt Tabellen zur Schätzung dieses Alpha-Parameters, aber wenn Sie sich irren, führt dies zu ungenauen Schätzungen der hydraulischen Leitfähigkeit.
Und oft ist der Pufferzylinder nicht in der Lage, den seitlichen Fluss zu stoppen. Dies wurde in der Literatur anhand von Labor- und Modellierungsanalysen nachgewiesen. Berechnungen, die auf der Annahme basieren, dass es nur eine vertikale Strömung gibt, können also zu Überschätzungen führen.
METER's SATURO automatisiert die bewährte Doppelkopf-Methode, bei der die Infiltration bei zwei verschiedenen Druckhöhen gemessen wird, wodurch die Messung rationalisiert und potenzielle menschliche Fehler vermieden werden.
Es staut das Wasser auf dem Boden auf, verwendet Luftdruck, um die beiden Druckköpfe zu erzeugen, und eine Pumpe sorgt automatisch für den richtigen Wasserstand. Sein interner Prozessor berechnet automatisch die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Feldes an Bord, so dass eine Nachbearbeitung der Daten entfällt.
Die SATURO kombiniert Automatisierung und vereinfachte Datenanalyse in einem einzigen System. Es ist so konzipiert, dass es von einer Person getragen und aufgestellt werden kann. Da es automatisch den richtigen Wasserstand hält, entfällt das ständige Messen und Einstellen.
Die Messung nimmt etwas Zeit in Anspruch, aber viel weniger Zeit als ein Ringinfiltrometer, und es arbeitet unbeaufsichtigt. Sie können mehrere Geräte gleichzeitig betreiben, und es entfällt die Notwendigkeit, den Alpha-Faktor zu schätzen, wodurch eine häufige Fehlerquelle beseitigt wird. Es verwendet zwei 20-Liter-Wassersäcke, benötigt aber viel weniger Wasser als ein Doppelring-Infiltrometer, da es keinen großen Außenring benötigt.
In dem folgenden Webinar erklärt Dr. Gaylon S. Campbell die Grundlagen der hydraulischen Leitfähigkeit und die Wissenschaft hinter dem SATURO automatisierten Doppelkopf-Infiltrometer.
Das Druckinfiltrometer ähnelt einem Einzelringinfiltrometer, mit dem Unterschied, dass ein Aufsatz an der Oberseite des Rings die Kontrolle des Drucks ermöglicht, der über den Ring ausgeübt wird (Abbildung 8).
Der Benutzer wendet eine bestimmte Zeit lang eine einzige Druckhöhe an, wechselt dann für ein bestimmtes Intervall zu einer höheren Druckhöhe und schaltet dann für ein bestimmtes Intervall zurück zu der niedrigeren Druckhöhe. Dies wird so lange wiederholt, bis eine quasi-stationäre Infiltrationsrate für beide Druckhöhen erreicht ist. Die Infiltrationsraten bei den verschiedenen Druckhöhen können dann verwendet werden, um Werte wie den Alpha-Wert oder die Sorptivität zu schätzen.
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Die Messung von (𝛂) verbessert die Analyse vonKfs | Komplexere Messgeräte |
| Kann auch zur Bestimmung der Sorptionsfähigkeit und des Potentials des Wasserflusses verwendet werden | Mehrkopf-Technik erfordert mehr Zeit |
| Nicht automatisiert - erfordert mehr Arbeit |
Mit dieser Technik können Sie eine Mehrfachkopfanalyse durchführen, die es Ihnen ermöglicht, andere Messungen wie die Sorptivität und das Potential des Matrizenflusses vorzunehmen. Darüber hinaus können Sie den makroskopischen Kapillarlängenfaktor (den Alpha-Wert) messen, anstatt ihn zu schätzen, wodurch eine potenzielle Fehlerquelle bei der Korrektur des dreidimensionalen Flusses beseitigt wird.
Aber es ist ein komplexeres Messgerät. Es erfordert mehr Automatisierung, insbesondere beim Umschalten der Druckköpfe. Und es ist zeitaufwendig, eine gleichmäßige Infiltrationsrate an beiden Druckköpfen zu erreichen.
Es gibt verschiedene Ausführungen von Bohrloch-Permeametern (was den Rahmen dieses Artikels sprengen würde), aber hier erkunden wir die Grundlagen.
Bohrlochpermeameter verwenden eine Methode mit konstanter Förderhöhe, um Fehler bei der Überprüfung der Wasserhöhe in einem Bohrloch zu vermeiden. Um einen Bohrlochpermeameter zu verwenden, wird ein Bohrloch bis zur gewünschten Tiefe gebohrt, der Permeameter über dem Bohrloch montiert und der Mariotte Bubbler eingesetzt, um eine konstante Wassersäule im Bohrloch zu erhalten. Dann berechnen Sie den Zufluss, warten den stationären Zustand ab und verwenden diese Werte zur Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit, wonach Sie die dreidimensionale Strömung korrigieren. Sie können eine einfache und eine mehrfache Förderhöhenanalyse durchführen, indem Sie den Wasserstand und die Förderhöhe innerhalb des Bohrlochs ändern.
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Die Messung von (𝛂) verbessert die Analyse vonKfs (nur bei Verwendung der Mehrkopfanalyse) | Kleine Oberfläche |
| Analyse der verschiedenen Bodenschichten | Lange Messzeiten |
| Kann zur Bestimmung der Sorptionsfähigkeit und des Potentials des Matrialflusses verwendet werden | Mögliche Verschmutzung und Verschlammung |
| Keine Sichtbarkeit der Messfläche |
Wenn Sie die Analyse der mehrfachen Wassersäule verwenden, können Sie mit einem Permeameter den Alpha-Wert messen und damit eine potenzielle Fehlerquelle beseitigen. Außerdem können Sie damit die Sorptivität und das Potential des Wasserflusses bestimmen. Außerdem ist es einfacher, verschiedene Bodenschichten zu messen, da Sie nur ein kleines Loch bohren müssen, im Gegensatz zu Ringinfiltrometern, die einen großen Aushub erfordern.
Permeameter messen nur einen kleinen Oberflächenbereich, so dass mehr Messungen erforderlich sind, um eine Darstellung des Feldes zu erhalten. Und die Messzeiten sind lang, besonders wenn Sie mehrere Köpfe analysieren.
Ein weiteres Problem ist die Verschmierung und Verschlammung innerhalb des Bohrlochs (d.h. das Bohrgerät kann die Oberfläche beim Schneiden verschmieren). Dadurch werden die Poren verschlossen und sind nicht mehr in der Lage, Wasser zu leiten, was zu Unterschätzungen führt. Da es keine Sicht gibt, ist es schwierig festzustellen, ob eine Verschmierung oder Verschlammung stattgefunden hat. Es gibt jedoch Ansätze, um diese Probleme zu verringern.
Durchflusszellen werden auch zur Messung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (K(Ψ)) verwendet, aber anders als bei der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit werden für die Messung Tensiometer benötigt (Abbildung 10).
Das Wasser fließt von einer Wasserquelle durch die Probe und aus dem Bodenkern heraus. Zwei Tensiometer überwachen das Wasserpotenzial, und der Benutzer steuert die niedrige bis hohe Durchflussrate, damit der Boden Wasser in ungesättigtem Zustand weiterleiten kann. Die Durchflussrate wird so lange konstant gehalten, bis beide Tensiometer das gleiche Wasserpotenzial (Bodensog) anzeigen. Diese Messungen und die Durchflussrate werden verwendet, um die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit bei diesem spezifischen Potenzial zu bestimmen. Um die Retentionseigenschaften zu ermitteln, misst der Benutzer auch den Wassergehalt des Bodenkerns. Die Schritte werden wiederholt, um verschiedene Punkte entlang der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeitskurve zu bestimmen.
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Gleichzeitige Wasserdurchlässigkeit und Rückhalteeigenschaften | Erfordert eine Methode zur Aufrechterhaltung eines konstanten Flusses |
| Schätzung von gesättigten und ungesättigten Fließparametern auf derselben Bodensäule | Komplexe Operation |
Mit einer Durchflusszelle können Sie die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit und die Retentionseigenschaften gleichzeitig messen, was die Erstellung einer partiellen Retentionskurve ermöglicht. Außerdem können Sie sowohl gesättigte als auch ungesättigte Fließparameter an derselben Bodensäule messen.
Diese Technik erfordert jedoch eine Pumpe zur Steuerung und Änderung der Flussraten, und der Betrieb ist kompliziert. Außerdem benötigen die Durchflusszellen Platz im Labor und die Automatisierung erfordert eine komplexe Instrumentierung.
Die Verdunstungsmethode wurde erstmals von Wind im Jahr 1968 eingeführt. Sie erfordert einen Bodenkern mit Tensiometern, die in verschiedenen Tiefen eingesetzt werden. Der ursprünglich gesättigte Kern ist oben offen und unten geschlossen, so dass nur die Verdunstung von der Oberfläche möglich ist. Dadurch entsteht im Kern ein Gefälle des Matrixpotentials. Die Masse des Bodenkerns und der Gradient werden gemessen, während das Wasser im Laufe der Zeit verdunstet. Dies ermöglicht die Berechnung des Matrix-Flusspotentials oder der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit. Diese Technik erfordert eine konstante Verdunstungsrate, um gleichzeitige Messungen der Wassersäule und des Wassergehalts zu erhalten, was sowohl die Messung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit als auch die Erstellung des Retentionskurve ermöglicht.
METER's HYPROP ist ein Laborgerät, das auf einer vereinfachten Version der Wind/Schindler-Verdunstungstechnik basiert.
Im Inneren der HYPROP befinden sich zwei Tensiometer in verschiedenen Höhen innerhalb eines Bodenkerns, der nur an der Oberfläche offen ist (Abbildung 11).
Das HYPROP sitzt auf einer Waage und misst die Masse des Bodenkerns, während sie im Laufe der Zeit verdunstet. Es erzeugt sowohl die Retentionseigenschaften des Bodens als auch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit. Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit wird mithilfe der Umkehrung der Darcy-Gleichung (Gleichung 4) berechnet.
| Vorteile | Benachteiligungen |
| Gleichzeitige Wasserdurchlässigkeit und Rückhalteeigenschaften | Unzuverlässige K(Ψ)-Daten nahe der Sättigung |
| Automatisierte Messung | Lernkurve |
| Ausgezeichnete Messauflösung | Nur Desorptionsmerkmale |
Der Vorteil von HYPROP gegenüber einer Durchflusszelle ist eine vollständig automatisierte Messung über den gesamten Feuchtigkeitsbereich. HYPROP spart Zeit, indem es automatisch die Kurve für die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit erstellt, während Sie andere Dinge tun. Es liefert gleichzeitig Wasserdurchlässigkeit und Retentionseigenschaften mit hoher Auflösung (über 200 Datenpunkte), außer in der Nähe der Sättigung. Kombinieren Sie es mit dem KSAT für das gesättigte Ende der Kurve und mit dem WP4C Wasserpotential-Instrument (trockene Böden), um eine vollständige Retentionskurven zu erstellen. mehr erfahren über Retentionskurven im folgenden Video.
Das HYPROP hat eine gewisse Lernkurve, aber wenn Sie erst einmal gelernt haben , wie man Tensiometer füllt, ist die Einrichtung ganz einfach. Und wenn es einmal eingerichtet ist, ist es vollständig automatisiert. Beachten Sie, dass HYPROP nur die Desorptionsmerkmale (Wasserverlust)misst, da es sich um eine Verdunstungsmethode handelt. Es kann also Unterschiede zu den Adsorptionsmerkmalen (Wasserzufuhr) geben.
Spannungsinfiltrometer messen nur die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit. Eine poröse Platte wird auf den Boden gelegt (Abbildung 12), und das Wasser wird unter einem Sog herausgezogen, der von einem Turm mit einem Mariot-Bubbler gesteuert wird.
Es steuert den negativen Sog, indem es das Blasenrohr tiefer in das Wasser einführt, um die Energie zu erhöhen, die erforderlich ist, um Luft anzusaugen und das durch das Gerät gezogene Wasser zu ersetzen. Diese Technik ermöglicht die Analyse mit instationären oder stationären Methoden.
Transiente Methode: Misst die Infiltrationsrate, während sie sich im Laufe der Zeit verändert, und extrapoliert sie zu einem stabilen Zustand.
Steady-State-Methode: Im Laufe der Zeit wird ein stabiler Zustand der Infiltrationsrate erreicht.
Ein Spannungsinfiltrometer infiltriert Wasser in den Boden unter auferlegtem Druck, so dass Sie die Infiltrationsraten bei verschiedenen negativen Druckwerten messen können, um die Porengrößen zu trennen. Je höher der Sog, desto kleiner müssen die Poren sein, um Wasser herauszuziehen. Außerdem handelt es sich um eine dreidimensionale Infiltrationstechnik, die eine dreidimensionale Analyse der Strömung erfordert.
| Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|
| Kontrollierte Absaugung | Steady-State-Methoden sind zeitaufwendig |
| Größere Scheiben sorgen für mehr räumliche Variabilität | Erfordert eine Schätzung der Bodeneigenschaften zur Korrektur der dreidimensionalen Strömung |
| Schätzung der Sorptionsfähigkeit und Abstoßung |
Die Vorteile von Spannungsinfiltrometern liegen darin, dass ein kontrollierter Sog die Messung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit bei einem bestimmten Matrixpotential ermöglicht. Durch die Verwendung einer größeren Scheibe wird eine größere räumliche Variabilität berücksichtigt. Dies ist jedoch möglicherweise nicht entscheidend, da große Poren die Hauptquelle für räumliche Variabilität sind und sie bei sehr geringen Saugkräften entwässern. Spannungsinfiltrometer werden auch verwendet, um eine Schätzung der Sorptionsfähigkeit und des Abstoßungsvermögens zu erhalten, was für Hydrophobie-Studien nach Waldbränden nützlich ist.
Einschränkungen sind, dass stationäre Methoden zeitaufwendig sind und dass, wie bei der instationären Methode, Ungenauigkeiten möglich sind (insbesondere bei sehr trockenem Boden mit einer höheren anfänglichen Infiltrationsrate). Es ist also eine gute Idee, mehrere Messungen durchzuführen. Diese Technik erfordert eine Schätzung von Alpha, um den dreidimensionalen Fluss zu korrigieren - eine potenzielle Fehlerquelle. Aber insgesamt ist es eine gute Feldtechnik.
Gehen Sie nicht davon aus, dass Sie die gleichen Werte für die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens für die gleiche Bodenart auf einem Feld verwenden können. Das stimmt nicht, vor allem nicht bei unterschiedlicher Landnutzung und Lage in der Landschaft. Ein Forscher stellte drastische Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften bei ein und demselben Bodentyp fest. Sein Standort variierte zwischen einheimischer Prärie, verbessertem Weideland und konventioneller Bodenbearbeitung, und es gab eine starke Veränderung der Landschaftsposition auf allen drei Feldern.
Abbildung 13 zeigt die gleichen Trends bei Weide und Prärie auf dem Gipfel, dem Rückenhang und dem Fuß des Hanges. Die Werte für die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens waren am hinteren Hang höher und am Fuß des Hanges am niedrigsten. Dies ist zum Teil auf den Catina-Effekt zurückzuführen (Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung des Bodens aufgrund der Auswaschung von gelösten Stoffen aus dem Gipfelbereich und der Ausfällung von gelösten Stoffen am Fuß des Hanges). Interessanterweise war dieser Trend auf der konventionell bearbeiteten Fläche nicht zu beobachten, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass diese Fläche gestört war (regelmäßig bearbeitet).
Eine Strategie besteht darin, die EC-Menge auf einem Feld zu messen, um eine Schätzung der tatsächlichen räumlichen Variabilität zu erhalten. Mit diesen Informationen können Sie entscheiden, wo Sie Messungen durchführen und wie viele Sie benötigen, um die räumliche Variabilität des Feldes zu erfassen. Abbildung 14 ist eine EC-Karte eines Feldes, die mit einem EM38-Gerät zur Messung der Gesamt-EC erstellt wurde.
Diese Karte half den Forschern, das Feld in Abschnitte zu unterteilen und zu entscheiden, wo sie Messungen vornehmen wollten. In diesem Fall entschieden sich die Forscher dafür, die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Feldes an jedem der ausgewählten Punkte (weiße Kreuze) dreifach zu messen.
In sechs kurzen Videos erfahren Sie alles, was Sie über den Wassergehalt und das Wasserpotenzial des Bodens wissen müssen - und warum Sie sie zusammen messen sollten. Außerdem lernen Sie die Grundlagen der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens kennen.
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
mehr erfahren über die Messung der Bodenfeuchtigkeit. Laden Sie "Der vollständige Leitfaden des Forschers zur Bodenfeuchtigkeit" herunter.
Um zu verstehen, wie Bodenfeuchtigkeit und Bodenwasserpotenzial zusammenwirken, laden Sie "The researcher's complete guide to water potential" herunter.
Ungenaue Messungen der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (Kfs) sind aufgrund von Fehlern bei der bodenspezifischen Alpha-Schätzung und unzureichender dreidimensionaler Fließpufferung häufig.
Dr. Gaylon Campbell, ein weltbekannter Bodenphysiker, lehrt Sie, was Sie für einfache Modelle der Bodenwasserprozesse wissen müssen.
Die meisten Menschen betrachten die Bodenfeuchtigkeit nur als eine Variable - den Wassergehalt. Aber es sind zwei Arten von Variablen erforderlich, um den Zustand des Wassers im Boden zu beschreiben.
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