10.2 Bestimmung des Wassergehaltes

Zur Bestimmung des Wassergehaltes des Bodens können direkte Verfahren angewandt werden, wobei das im Boden enthaltene Wasser gemessen wird (10.2.1). Bei den indirekten Methoden (10.2.2, 10.2.3) wird ein anderer physikalischer Parameter bestimmt, der in Zusammenhang mit der Bodenfeuchte steht. Die direkten Methoden sind genauer, aber aufwendiger, die indirekten Methoden dafür vor allem bei großflächigen Untersuchungen im Feld einfach (und damit recht kostengünstig) anwendbar.

10.2.1 Gravimetrische Bodenwassergehaltsbestimmung

Die wichtigste Methode der Wassergehaltsbestimmung ist die Trocknung einer im Gelände genommenen und damit nicht zerstörungsfreien Bodenprobe bei 105 °C. Vorher und hinterher wird die Masse bestimmt. Deren Abnahme ist gleich der Masse des vorher im Boden enthaltenen Wassers. Diese im Labor durchzuführende direkte Bestimmungsmethode eignet sich nicht für eine fortlaufende Registierung von Wassergehaltsänderungen im Gelände (Monitoring - Zeitreihen). Da diese Methode aber sehr genaue Werte liefert und recht zuverlässig ist, werden gravimetrisch bestimmte Bodenwassergehalte zur Eichung von indirekten Methoden wie der TDR-Messung verwendet.

Volumetrischer Wassergehalt (Phasenanteil von Wasser, in Vol. %)
θ g = 100 · m f - m t · 1 ρ W V 0
mf feuchte Bodenmasse [kg]
mt trokene Bodenmasse [kg]
ρw Dichte von Wasser (0,998 · 10-3 kg m-3)
V0 Volumen der Bodenprobe [m3]

Der Phasenanteil von Luft (η) berechnet sich aus der Porosität (n = Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen V0) und dem Wassergehalt wie folgt: η = n - θ. Die Bodenporosität n kann direkt mit einem Gaspyknometer bestimmt werden oder aus der Massendichte der festen Phase (ρs) und der realen Dichte der Matrix (ρr = Mm / Vm): n = 1 - (ρs / ρw).

10.2.2 Time-Domain-Reflectometry-Verfahren (TDR)

Diese Methode zur Bodenfeuchtebestimmung macht sich zu Nutzen, dass die relative Dielektrizitätszahl (eine dimensionslose Zahl, welche die Materialeigenschaft bezüglich Abschwächung elektrischer Felder beschreibt) von Wasser (rd. ε0 = 81) sehr viel größer ist als diejenige anderer Bestandteile des Bodens (mineralische Partikel: 2-5) und der Luft (ε0 = 1). Die Bestimmung der Bodenfeuchte mit einer TDR-Sonde erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die Dielektrizitätszahl des betrachteten Bodenkörpers bestimmt und dann daraus im zweiten Arbeitsschritt die Bodenfeuchte. Die Messung der Dielektrizitätszahl ε0 beruht auf einer Geschwindigkeits- bzw. Laufzeitmessung einer eletromagnetischen Welle im Bodenkörper, wobei zwei oder besser drei parallele Leiterstäbe gleicher Länge in den Bodenkörper eingebracht werden, durch die dann ein hochfrequenter elektromagnetischer Impuls geführt wird. Aus dem Spannungsverlauf kann schließlich die Dielektrizitätszahl der Bodenmatrix bestimmt werden. Impedanzsprünge lassen auf Materialänderungen schließen.

Aus der Laufzeit t des Puls innerhalb der Leiterstäbe und der Länge l des Wellenleiters ergibt sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit c0 = 2 l/t) die Dielektrizitätszahl ε0 der Bodensäule zu:

ε 0 = c 0 t 2 l 2

Die Beziehung zwischen Bodenfeuchte θ (volumetrischer Wassergehalt) und der Dielektrizitätszahl ε0 kann für einen bestimmten Bodentyp aus einer Regressionskurve abgeleitet werden (vgl. Topp, Davis & Annan 1980):

θ = -5,30 · 10 -2 + 2,92 · 10 -2 · ε 0 - 5,50 · 10 -4 · ε 0 2 + 4,30 · 10 -6 · ε 0 3
Abb. 10.3: Diagramm zum Methodenvergleich/Kalibierung durch gravimetrische Methode: Eichkurve für TDR-Verfahren
Abb. 10.4: Anordnung von TDR-Sonden zur automatischen Messung der Bodenfeuchte

10.2.3 Radiometrische Verfahren

Eine weitere indirekte Methode zur Messung des Wassergehaltes θ ist die Thermalisierung schneller Neutronen (sog. Neutronensonde), ebenfalls ein Standardverfahren in der Bodenphysik. Um den Wassergehalt im Boden durch die Thermalisierung schneller Neutronen zu messen, wird wie folgt verfahren:

Von einer radioaktiven Quelle (Ra/Be oder Am/Be) im Boden werden Neutronen mit hoher Geschwindigkeit emittiert. Nach einer großen Anzahl von Kollisionen mit Atomkernen haben sie einen großen Teil ihres Impulses verloren und befinden sich im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Der mittlere Weg, den ein Neutron zurücklegt, bevor es thermalisiert wird, hängt von der Konzentration leichter Atomkerne ab. Je niedriger die Konzentration, um so größer der Diffusionsweg und um so kleiner ist die Intensität thermalisierter Neutronen in der Bodenumgebung der Quelle. Diese Intensität, welche mit einem BF3-Detektor gemessen wird, kann in Beziehung zum volumetrischen Bodenwassergehalt gebracht werden.

Schwierigkeiten liegen im Eichaufwand, Fehlern durch organisches Wasser und begrenzter Reichweite in die Tiefe.