D2 Boden- und Untergrundcharakterisierung

Thema

Die hydraulische Charakterisierung von Boden und Unterboden dient der Bestimmung der Eigenschaften, die die Speicherung und den Transport von Wasser im Erdreich bestimmen: Bodenfeuchtegehalt, Matrixpotential, das das Wasser in den Poren hält, hydraulische Leitfähigkeit, mit der Wasser durch den Boden diffundieren kann, und Grundwasserspiegel, der den Beginn der gesättigten Zone markiert. Genau diese Charakterisierung ermöglicht die Messung dieser vier zuvor unterirdisch unsichtbaren Eigenschaften im Gelände.

Der Bodenfeuchtegehalt wird mittels Zeitbereichsreflektometrie (TDR) gemessen. Dabei wird die scheinbare Dielektrizitätskonstante des Bodens bestimmt. Diese Dielektrizitätskonstante, die stark vom Wassergehalt des Bodens abhängt, ermöglicht die direkte Umrechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Signals im Boden in den zu bestimmenden Feuchtigkeitsgehalt.

Das Matrixpotential hingegen wird direkt mit Tensiometern gemessen: Ein poröses Keramikrohr wird in Kontakt mit dem Boden gebracht, und die vom Boden auf das im Rohr enthaltene Wasser ausgeübte Saugwirkung erzeugt einen Unterdruck, der dem Matrixpotential des umgebenden Bodens entspricht und im Tensiometer selbst registriert wird.

Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit wird im Gelände mit Permeametern (Konstant- oder Falldruckpermeameter) unter Anwendung des Darcy-Gesetzes bestimmt. Dieses Gesetz ermöglicht es, den durch eine Bodenprobe gemessenen Wasserfluss direkt mit dem den Fluss antreibenden Druckgradienten in Beziehung zu setzen.

Pumpversuche in Brunnen erlauben wiederum die Bestimmung zweier Aquifereigenschaften: seiner Transmissivität und seines Speicherkoeffizienten. Durch Anpassen der während des Pumpvorgangs gemessenen Grundwasserabsenkungskurve an bekannte analytische Lösungen, wie beispielsweise die Theis-Lösung, lassen sich beide Eigenschaften aus einem einzigen Pumpversuch ermitteln. Die elektrische Widerstandstomographie kartiert schließlich die räumliche Verteilung des spezifischen Widerstands des gesamten Untergrunds, der sowohl vom Wassergehalt als auch vom Salzgehalt abhängt. Genau diese Variation des spezifischen Widerstands ermöglicht es, zweidimensionale Querschnitte des Untergrunds ohne Bohrungen zu erstellen.

So erlaubt die hydraulische Charakterisierung von Boden und Untergrund – vom Feuchtigkeitsgehalt und Matrixpotential zu Beginn bis hin zu den zweidimensionalen Widerstandsquerschnitten am Ende, einschließlich der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, der Transmissivität und des Speicherkoeffizienten des Grundwasserleiters – die Messung, Quantifizierung und den Vergleich der unsichtbaren Eigenschaften des Grundwassers zwischen verschiedenen Standorten.

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