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Infiltration Hydrogeologie Infiltration bezeichnet den Prozess des Eindringens von Niederschlägen in den Erdboden er ist

Infiltration (Hydrogeologie)

Infiltration bezeichnet den Prozess des Eindringens von Niederschlägen in den Erdboden; er ist ein wichtiger Teilprozess des Wasserkreislaufes. Anschlussprozesse können Grundwasserneubildung und Abflussbildung sein. Die Infiltrationsmenge wird gemessen mit den Einheiten Millimeter pro Sekunde oder praktischer pro Minute.

Das Einbringen von Oberflächenwasser in den Untergrund über wasserwirtschaftliche Anlagen wird Versickerung, oder im Falle von belastetem Sickerwasser auch Verrieselung genannt.

Einleitung Bearbeiten

Die Infiltration wird maßgeblich von zwei Kräften beeinflusst, der Gravitation und der Kapillarität bzw. dem Matrixpotential. Weitere entscheidende Einflussfaktoren sind die Temperatur im Boden, die Wassersättigung des Bodens (Vorfeuchte), der Bedeckungsgrad (Vegetation) sowie die Niederschlagsintensität. So haben sandige Böden (63 µm – 2 mm Korngröße), mit relativ großen, gut verbundenen Poren und einem großen Porenvolumen (30–45 %) die höchsten Infiltrationsraten. Da eine Vegetationsdecke das Auftreffen von Regentropfen abdämpft, verhindert sie effektiv das oberflächliche Verschlämmen von Poren und schafft durch ihr Wurzelnetzwerk zusätzliche weitere, gut wasserleitende Grobporen. Damit hat sie einen deutlich positiven Einfluss auf die Infiltrationseigenschaften eines Bodens (höchste Infiltrationsraten lassen sich in Waldböden verzeichnen).

Messung Bearbeiten

Die Messung der potentiellen Infiltration geschieht mittels sog. Infiltrometer. Dabei handelt es sich meist um einen Ring mit einem definierten Querschnitt, welcher in den Boden eingestochen wird und dann bis zu einer ebenfalls definierten Höhe mit Wasser gefüllt wird.

Ringinfiltrometer

Da über die Einfüllhöhe und den Ringdurchmesser das eingefüllte Wasservolumen bekannt ist, kann die potentielle Infiltration (Infiltration bei maximalem Wasserdargebot) über die Zeit, die vergeht bis alles Wasser aus dem Ring versickert ist, bestimmt werden.

Doppelringinfiltrometer

Durch die Verwendung von Doppelringinfiltrometern wird versucht, einen seitlichen Verlust von Sickerwasser zu minimieren. Dieser würde bei der Messung zu höheren Infiltrationsraten führen. Beim Doppelringinfiltrometer wird zur Messung nur das innere Volumen betrachtet.

Aus

folgt nach dem Darcy-Gesetz:

mit:

Abschätzen der tatsächlichen Infiltration Bearbeiten

Abschätzung über die Wasserbilanz Bearbeiten

Sind alle übrigen Parameter bekannt, kann die Infiltration als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung berechnet werden.

mit:

Je nach Bewertung der örtlichen Verhältnisse kann diese Gleichung auch um einzelne Glieder vereinfacht werden.

Green-Ampt-Infiltrationsmodell Bearbeiten

Das Green-Ampt-Infiltrationsmodell nach Green und Ampt bietet eine Abschätzung der tatsächlichen Infiltration unter Berücksichtigung verschiedener Bodenparameter, als da wären: Saugspannung, Porosität, hydraulische Leitfähigkeit und der bodenunabhängige Parameter Zeit. Die halb-physikalische Formel approximiert den Infiltrationsprozess durch ein Stufenprofil mit vollständiger Wassersättigung und der sog. Transportzone. Nur der wassergesättigte Teil des Bodens wird betrachtet ( konstant). Die Formel leitet sich aus der Darcy-Weisbach-Gleichung ab, wobei das Prinzip auf der sog. Gradientenmethode basiert. Zu Beginn wirkt eine hohe Saugspannung (Matrixpotential), die mit der Zeit schwächer wird.

mit:

Durch Integration kann die Gleichung entweder nach dem Infiltrationsvolumen oder nach der Anfangsinfiltrationsrate aufgelöst werden.

Modell nach Horton Bearbeiten

Der Anfangsinfiltrationswert gilt zu Beginn des Infiltrationsprozesses. Mit zunehmender Dauer verringert sich dessen Auswirkung und es stellt sich der End-Infiltrationswert ein. Das Modell beschreibt eine exponentielle Abnahme der Infiltrationsrate bis zur End-Infiltrationsrate bei Sättigung des Bodens.

mit:

Ähnlich wie bei dem Modell nach Green und Ampt, besitzt auch das Horton-Modell eine Komponente, die den Rückgang der Infiltrationsrate beschreibt, und eine, die den konstanten Teil berücksichtigt. Die Infiltrationsrate wird nie 0, sondern nähert sich einem vom Gravitationspotential abhängenden Endwert an. Dieser Endwert müsste theoretisch gleich der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit sein, welche bei Green-Ampt explizit dafür eingesetzt wird (für ). Die Modellparameter für Horton werden im Allgemeinen abgeschätzt; für unbewachsenen feinsandigen Ton bzw. für Grasboden gilt:

Parameter Ton Grasboden
210 mm/h 900 mm/h
2 mm/h 290 mm/h
k 0,8/min 2/min

Weitere Modelle Bearbeiten

Weitere gängige Modelle sind:


Modell nach Kostiakov Bearbeiten

Empirisches Modell

mit:

Literatur Bearbeiten

  • Siegfried Dyck, Gerd Peschke: Grundlagen der Hydrologie. 3. stark bearbeitete Auflage. Verlag für Bauwesen, Berlin 1995, ISBN 3-345-00586-7.
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Infiltration bezeichnet den Prozess des Eindringens von Niederschlagen in den Erdboden er ist ein wichtiger Teilprozess des Wasserkreislaufes Anschlussprozesse konnen Grundwasserneubildung und Abflussbildung sein Die Infiltrationsmenge wird gemessen mit den Einheiten Millimeter pro Sekunde oder praktischer pro Minute Das Einbringen von Oberflachenwasser in den Untergrund uber wasserwirtschaftliche Anlagen wird Versickerung oder im Falle von belastetem Sickerwasser auch Verrieselung genannt Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Messung 3 Abschatzen der tatsachlichen Infiltration 3 1 Abschatzung uber die Wasserbilanz 3 2 Green Ampt Infiltrationsmodell 3 3 Modell nach Horton 3 4 Weitere Modelle 3 4 1 Modell nach Kostiakov 4 LiteraturEinleitung BearbeitenDie Infiltration wird massgeblich von zwei Kraften beeinflusst der Gravitation und der Kapillaritat bzw dem Matrixpotential Weitere entscheidende Einflussfaktoren sind die Temperatur im Boden die Wassersattigung des Bodens Vorfeuchte der Bedeckungsgrad Vegetation sowie die Niederschlagsintensitat So haben sandige Boden 63 µm 2 mm Korngrosse mit relativ grossen gut verbundenen Poren und einem grossen Porenvolumen 30 45 die hochsten Infiltrationsraten Da eine Vegetationsdecke das Auftreffen von Regentropfen abdampft verhindert sie effektiv das oberflachliche Verschlammen von Poren und schafft durch ihr Wurzelnetzwerk zusatzliche weitere gut wasserleitende Grobporen Damit hat sie einen deutlich positiven Einfluss auf die Infiltrationseigenschaften eines Bodens hochste Infiltrationsraten lassen sich in Waldboden verzeichnen Messung BearbeitenDie Messung der potentiellen Infiltration geschieht mittels sog Infiltrometer Dabei handelt es sich meist um einen Ring mit einem definierten Querschnitt welcher in den Boden eingestochen wird und dann bis zu einer ebenfalls definierten Hohe mit Wasser gefullt wird nbsp RinginfiltrometerDa uber die Einfullhohe und den Ringdurchmesser das eingefullte Wasservolumen bekannt ist kann die potentielle Infiltration Infiltration bei maximalem Wasserdargebot uber die Zeit die vergeht bis alles Wasser aus dem Ring versickert ist bestimmt werden nbsp DoppelringinfiltrometerDurch die Verwendung von Doppelringinfiltrometern wird versucht einen seitlichen Verlust von Sickerwasser zu minimieren Dieser wurde bei der Messung zu hoheren Infiltrationsraten fuhren Beim Doppelringinfiltrometer wird zur Messung nur das innere Volumen betrachtet Aus f t d h t d t Q t A displaystyle f t frac dh t dt frac Q t A nbsp folgt nach dem Darcy Gesetz k f l t h 0 h t displaystyle k f frac l t frac h 0 h t nbsp mit k f displaystyle k f nbsp Durchlassigkeitsbeiwert k f c m s 1 displaystyle k f mathrm cm cdot s 1 nbsp l displaystyle l nbsp Lange der Fliessstrecke l c m displaystyle l mathrm cm nbsp t displaystyle t nbsp Zeit bis der Anfangswasserstand h 0 displaystyle h 0 nbsp auf den Wasserstand h t displaystyle h t nbsp zur Zeit t displaystyle t nbsp abgesunken ist h 0 displaystyle h 0 nbsp Anfangswasserstand zur Zeit t 0 displaystyle t 0 nbsp h t displaystyle h t nbsp Endwasserstand zur Zeit t displaystyle t nbsp Abschatzen der tatsachlichen Infiltration BearbeitenAbschatzung uber die Wasserbilanz Bearbeiten Sind alle ubrigen Parameter bekannt kann die Infiltration F displaystyle F nbsp als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung berechnet werden F B I P T E T S R I A B O displaystyle F B I P T ET S R I A B O nbsp mit F displaystyle F nbsp Infiltration B I displaystyle B I nbsp Randzufluss unterirdischer oder oberirdischer Zufluss in das betrachtete System B O displaystyle B O nbsp Randabfluss unterirdischer oder oberirdischer Abfluss aus dem System P displaystyle P nbsp Niederschlag E T displaystyle ET nbsp Evapotranspiration S displaystyle S nbsp Speicher I A displaystyle I A nbsp kurzzeitiger oberflachlicher Ruckhalt z B Muldenruckhalt R displaystyle R nbsp OberflachenabflussJe nach Bewertung der ortlichen Verhaltnisse kann diese Gleichung auch um einzelne Glieder vereinfacht werden Green Ampt Infiltrationsmodell Bearbeiten Das Green Ampt Infiltrationsmodell nach Green und Ampt bietet eine Abschatzung der tatsachlichen Infiltration unter Berucksichtigung verschiedener Bodenparameter als da waren Saugspannung Porositat hydraulische Leitfahigkeit und der bodenunabhangige Parameter Zeit Die halb physikalische Formel approximiert den Infiltrationsprozess durch ein Stufenprofil mit vollstandiger Wassersattigung und der sog Transportzone Nur der wassergesattigte Teil des Bodens wird betrachtet k f displaystyle k f nbsp konstant Die Formel leitet sich aus der Darcy Weisbach Gleichung ab wobei das Prinzip auf der sog Gradientenmethode basiert Zu Beginn wirkt eine hohe Saugspannung Matrixpotential die mit der Zeit schwacher wird 0 F t 1 ps D 8 F ps D 8 d F 0 t K d t displaystyle int 0 F t 1 psi Delta theta over F psi Delta theta dF int 0 t K dt nbsp mit ps displaystyle psi nbsp Saugspannung an der Feuchtefront 8 displaystyle theta nbsp Wassergehalt Vorfeuchte K displaystyle K nbsp hydraulische Leitfahigkeit F displaystyle F nbsp Akkumuliertes Volumen des infiltrierten Wassers Durch Integration kann die Gleichung entweder nach dem Infiltrationsvolumen oder nach der Anfangsinfiltrationsrate aufgelost werden F t K t ps D 8 ln 1 F t ps D 8 displaystyle F t Kt psi Delta theta ln left 1 frac F t psi Delta theta right nbsp f t K ps D 8 F t 1 displaystyle f t K left frac psi Delta theta F t 1 right nbsp Modell nach Horton Bearbeiten Der Anfangsinfiltrationswert f 0 displaystyle f 0 nbsp gilt zu Beginn des Infiltrationsprozesses Mit zunehmender Dauer verringert sich dessen Auswirkung und es stellt sich der End Infiltrationswert f displaystyle f infty nbsp ein Das Modell beschreibt eine exponentielle Abnahme der Infiltrationsrate bis zur End Infiltrationsrate bei Sattigung des Bodens f t f f 0 f e k t displaystyle f t f infty f 0 f infty cdot e k cdot t nbsp mit f 0 displaystyle f 0 nbsp Anfangsinfiltrationsrate t 0 displaystyle t 0 nbsp f t displaystyle f t nbsp max Infiltrationsrate zum Zeitpunkt t displaystyle t nbsp mit f m m h 1 displaystyle f mathrm mm cdot h 1 nbsp f displaystyle f infty nbsp max Infiltrationsrate bei Sattigung t displaystyle t rightarrow infty nbsp k displaystyle k nbsp Ruckgangskonstante Ahnlich wie bei dem Modell nach Green und Ampt besitzt auch das Horton Modell eine Komponente die den Ruckgang der Infiltrationsrate beschreibt und eine die den konstanten Teil berucksichtigt Die Infiltrationsrate wird nie 0 sondern nahert sich einem vom Gravitationspotential abhangenden Endwert an Dieser Endwert musste theoretisch gleich der gesattigten hydraulischen Leitfahigkeit k f displaystyle k f nbsp sein welche bei Green Ampt explizit dafur eingesetzt wird fur f k f displaystyle f infty k f nbsp Die Modellparameter fur Horton werden im Allgemeinen abgeschatzt fur unbewachsenen feinsandigen Ton bzw fur Grasboden gilt Parameter Ton Grasbodenf 0 displaystyle f 0 nbsp 210 mm h 900 mm hf displaystyle f infty nbsp 2 mm h 290 mm hk 0 8 min 2 minWeitere Modelle Bearbeiten Weitere gangige Modelle sind Modell nach Kostiakov Bearbeiten Empirisches Modell f t a k t a 1 displaystyle f t akt a 1 nbsp mit a displaystyle a nbsp und k displaystyle k nbsp als empirische Parameter Literatur BearbeitenSiegfried Dyck Gerd Peschke Grundlagen der Hydrologie 3 stark bearbeitete Auflage Verlag fur Bauwesen Berlin 1995 ISBN 3 345 00586 7 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Infiltration Hydrogeologie amp oldid 237689208