Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Feld
Eine der für den Wassertransport und wassergebundenen Stofftransport wichtigsten Bodenkenngrößen ist die hydraulische Leitfähigkeit K (auch Wasserleitfähigkeit oder Durchlässigkeit) des Bodens. Die hydraulische Leitfähigkeit K ist ein Maß für die Fähigkeit des Bodens, eine bestimmte Menge Wasser bei gegebenem Druckgefälle zu transportieren. Den größten Wert erreicht die hydraulische Leitfähigkeit bei vollständiger Wassersättigung des Bodens. Bei abnehmenden Wassergehalten verkleinert sich der Querschnitt, der im Boden für die Wasserbewegung zur Verfügung steht und die hydraulische Leitfähigkeit nimmt ab. Die Leitfähigkeit eines gesättigten Bodens wird oft als Ks-Wert bezeichnet. Zusammen mit Kenngrößen, die sich aus der sog. Wasserretentions- oder pF-Kurve (Darstellung des Zusammenhanges von Wassergehalt und Saugspannung des Bodens) ableiten lassen, ermöglicht die Kenntnis des Ks-Wertes auch die Voraussage der hydraulischen Leitfähigkeit bei abnehmenden Bodenwassergehalten. So lassen sich die verschiedensten Fragestellungen zum Bodenwasserhaushalt beantworten.
Die hydraulische Leitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft des Bodens und wird durch die Porengrößenverteilung und die Kontinuität der Bodenporen bestimmt. Der K-Wert ist somit keine konstante Größe, sondern in Abhängigkeit von Veränderungen im Bodenkörper ebenfalls veränderlich. K-Werte von Böden können daher auf einer Fläche und in der Tiefe sehr stark variieren. Im wassergesättigten Boden entscheiden vor allem die Grob- und Makroporen über die Größe der Wasserbewegung, während bei geringeren Wassergehalten die Porengrößenverteilung der Mittel- und Feinporen die Wasserbewegung bestimmt. Sandige Böden, mit ihrem hohen Anteil an großen Bodenporen besitzen größere Ks-Werte als bindigere Böden. Bei lehmigen und tonigen Substraten mit ihren feinen Bodenpartikeln finden sich kaum noch korngrößenbedingte Grobporen. Hier sind es vor allem Veränderungen des Gefüges, z. B. Regenwurmgänge oder alte Wurzelbahnen welche die Wasserbewegung des gesättigten Bodens bestimmen. Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit ist daher auch ein geeignetes Maß, um solche Strukturveränderungen zu quantifizieren.
Die große Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (Abhängigkeit von Bodenart und Gefügeeigenschaften) erschwert die Bestimmung repräsentativer Ks-Werte. Die große räumliche Variabilität drückt sich auch in einer starken Volumenabhängigkeit des Kennwertes aus. Ks-Werte, die an Stechzylindern ermittelt wurden, sind streng genommen nur für ein Volumen vom Ausmaß eines Stechzylinders gültig. Gerade für Böden mit stark gefügebedingten Struktureigenschaften (Trockenrisse, Regenwurmgänge etc.) sind Stechzylinder meist wenig geeignet, die hydraulische Leitfähigkeit zu ermitteln. Neben messtechnischen Fehlern, die aus dem Messprinzip der K-Wertbestimmung an Stechzylindern resultieren können (Umläufigkeiten an der Zylinderwandung, unzureichende Sättigung der Zylinder, Störung des Bodens bei der Zylinderentnahme) treten im Falle von makroporösen Böden oft auch methodische Schwierigkeiten auf, die aus den hohen Fließgeschwindigkeiten in den Makroporen und dem begrenzten Gültigkeitsbereich der zugrunde liegenden Messtheorie resultieren. In solchen Fällen sind oft eine Vielzahl von Messungen erforderlich, um einen repräsentativen Wert ableiten zu können.
Messmethoden, die ein größeres Volumen erfassen oder direkt im Feld angewandt werden können, sind daher prinzipiell geeigneter, repräsentative Werte für die hydraulische Leitfähigkeit zu ermitteln. Allerdings sind diese Methoden meist mit hohem messtechnischen Aufwand verbunden und die Anzahl der Messwiederholungen daher ebenfalls begrenzt.
Eine relativ junge Entwicklung zur Bestimmung von Ks-Werten im Feld ist das Guelph-Permeameter. Dieses Gerät gehört zur Gruppe der Bohrlochinfiltrometer und arbeitet nach der Methode des »constant head well« (konstante Druckhöhe). Im Bohrloch, wird mittels des Guelph-Permeameters nach dem Prinzip der Marriott’schen Flasche ein konstanter Wasserspiegel (Druckhöhe) eingestellt. Es erfolgt eine Messung des infiltrierenden Wassers und eine Bestimmung der konstanten Infiltrationsrate für die eingestellte Druckhöhe. Die Messung wird für zwei Druckhöhen durchgeführt und aus den ermittelten Werte für die Infiltrationsrate lässt sich die hydraulische Leitfähigkeit bei Feldsättigung errechnen.
Die Messmethode besitzt gegenüber anderen Messmethoden einige entscheidende Vorteile:
- in-situ-Messung (d. h. Störungen des Bodens werden weitgehend vermieden),
- Messung kann durch eine Person durchgeführt werden (Gewicht des Gerätes inkl. Transportbehälter = 15 kg),
- benötigte Wassermenge ist sehr gering (2-2,5 l/Messung),
Messdauer ca. 0,5 - 1 h, d.h. pro Messtag können ca. 10 Wiederholungen gemessen werden, - Messtiefen von 15 cm - 75 cm ermöglichen eine horizontbezogene Beprobung an einem Bohrloch.
