Wasserspeicherung, Dichte- und Wasserverteilung

Wie bereits festgestellt, war es bei der kurzen Dauer des Versuches II nicht zur Ausbildung eines Fließgleichgewichtes gekommen. Aus diesem Grund konnte für Versuch II - anders als bei dem Versuch I - die dynamische Wasserkapazität der Sandsäule nicht erfasst werden. Da die Wasser-kapazität in der Versuchsphase Tag 11 bis 27 zwischen 55 und 70 l gelegen hat, kann – eine Fort-setzung des Versuches unter gleichbleibenden Bedingungen vorrausgesetzt – mit einer dynami-schen Wasserkapazität von 65 – 70 l gerechnet werden.

Die während des Versuchslaufes täglich berechnete Menge des in der Sandsäule dynamisch ge-speicherten Wassers betrug maximal 69,42 l. Nach Abbruch der Beregnung ging dieser Wert, auf-grund der statischen Wassergehalte an 900 1 dm³-Sandwürfeln bei der Lysimeterentleerung, auf 43,42 l zurück. (s. Abb. 4.45)

Abb. 4.46 gibt einen Überblick über die Durchschnittsdichten und die Anteile an Wasserporen für jede der Tiefenschichten (s. auch Abb. 4.47). Die Dichten waren auch bei diesem Versuch sehr unterschiedlich. Der Durchschnitt aller 900 Proben lag bei 1,71 g/cm³. Allerdings war keine deutli-che Dichtezunahme von oben nach unten festzustellen. Gerade die oberen 20 cm wiesen durch-schnittlich Dichten um 1,80 g/cm³ auf, welche vermutlich auf eine beregnungsbedingte Versetzung zurückzuführen sind. Anders als bei Versuch I traten hier keine entgegenwirkenden Prozesse (He-bung und Auflockerung durch in größerer Tiefe vom eindringenden Wasser verdrängter Luft) auf.

Eine Erklärung für das Ausbleiben solcher Prozesse könnte die in der im zweiten Versuch sehr viel Zeitachse (d)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1 6 11 16 21 26 31 36

Anzahl aktiver Abflüsse Wasserabflussrate (l/d)

0 2 4 6 8 10 12 Abflussrate

aktive Ablaufstutzen Beregnungsphase

kürzeren Versuchsdauer und die damit verbundene geringere Menge zugeführten Wassers sein.

Dadurch, dass die Perkolationsmenge nur ein Sechstel der von Versuch I betrug, konnten keine nennenswerten Umverteilungen durch hydrostatische und pneumatische Drücke entstehen. Die Dichteverteilung schien, ausgenommen die oberen zwei Schichten, im ganzen noch die ursprüng-lich bei der Befüllung entstandene gewesen zu sein und stieg ganzheitursprüng-lich gesehen von oben nach unten an. Das Gesamt-Porenvolumen des Sandes war mit 35,39 Vol.-% im Versuch II geringer als im ersten Versuch (34,19 Vol.-%).

Abb. 4.45: Wasserinhalt des Lysimeters im Zeitablauf

Abb. 4.46: Tiefenabhängigkeit der Sand-Trockendichte im statischen Zustand am Versuchsende.

Luft- (LPV) und Wasser- (WPV) – Porenanteile am Gesamt-Porenanteil (GPV) bei insgesamt 43,42 l Speicherwasser Beregnungsphase

l Tiefe (cm)

0

30

60

90

> 1,80 1,80 1,52 1,43 1,55 1,68 1,62 1,78

> 1,80 1,69

4,56 5,79 4,76 3,84 3,00 3,17 4,32 3,43 4,53 10,83

23,81 32,04 42,62 46,17 41,40 36,66 38,92 32,85 23,10 36,33 D

g/cm³

tr WPV

%

GPV

0 10 vol%20 30 40 %

GPV (PV )t

WPV LPV

Wasserinhalt 43,42 l

19,25 26,25 37,86 42,33 38,40 33,48 34,60 29,42 18,58 25,49 LPV

%

4 Hauptversuche 4.4.3

Abb. 4.47: Verteilung der Trockendichte in der Sandfüllung des Lysimeters, 900 Einheiten zu je 1 dm³

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

In Abbildung 4.47 wird die räumliche Verteilung der Trockendichten bzw. die der Porenvolumina im Lysimeter nach Versuchsende dargestellt. Wie schon aus der Abb. 4.46 zu entnehmen ist, war die Streuung der Dichten erheblich. Aus den Aufsichten ist zu erkennen, dass die Schichten III – V die geringsten Dichten aufwiesen. Schicht I und IX besaßen die größten Dichten. Die möglichen Ursa-chen dafür wurden schon im Zusammenhang mit Versuch I im Kapitel 4.3.3.2.2 erörtert.

In Abb. 4.48 wird für jede der zehn Schichten des Lysimeters die Häufigkeitsverteilung der einzel-nen Würfel-Porenvolumina dargestellt. Ähnlich wie im Versuch I zeigen auch hier die obersten fünf Schichten, dazu die Schicht VII eine ausgeprägte Eingipfeligkeit. Die Häufigkeitsverteilung der tie-feren Schichten wird breiter und tendiert zunehmend zur Zwei- und Mehrgipfeligkeit. Auch hier sind Bereiche unterschiedlicher Dichte voneinander zu unterscheiden.

• ein Bereich höherer Dichte (D > 1,80 g/cm³; GPV: 20 – 30 %)

• ein Bereich mittlerer Dichte (D > 1,65 g/cm³; GPV: 30 – 40 %)

• ein Bereich geringerer Dichte (D > 1,50 g/cm³; GPV: 40 – 50 %)

Vergleicht man Abb. 4.48 aus Versuch II mit der entsprechenden Abb. 4.2.3 aus Versuch I, so wird - besonders in den oberen Schichten – eine Umkehrung der Reihenfolge in den Häufigkeitsmaxima deutlich.

Abb. 4.48: Häufigkeitsverteilung der Porenvolumina in den dm³-Sandwürfeln in den zehn Schichten des Lysimeters

Die Verteilung der Wassergehalte (Abb. 4.49) der 1 dm³-Sandwürfel nach Ende des Abfließens nähren die Vermutung, dass die Verteilungsstruktur der Dichten im Sand noch keinen endgültigen Zustand erreicht zu haben schien. Die oberen drei Schichten wiesen Wassergehalte mit einer ge-ringen Streuung zwischen 5 und 7 Vol.-% auf. Unterhalb der dritten Schicht wurde der Kern des Sandkörpers trockener und hatte Wassergehalte von < 1 bis 6 Vol.-%. In der Basisschicht kam es wieder zu Staueffekten des Wassers bei > 10 Vol.-%. Die in den Schichten IV – IX eingeschlossen gebliebene Luft konnte wegen des in Schicht X gestauten Wassers durch das von oben zuströ-mende Wasser nicht aus dem Lysimeter verdrängt werden. Die dazu benötigten Drücke konnten bei der Gesamt-Regenmenge von 261 l wahrscheinlich nicht aufgebaut werden. Auch für Drücke wie im ersten Versuch, bei denen möglicherweise ein Teil der im Zentrum befindlichen Luft nach oben verdrängt worden sein dürfte und dabei den Sandkörper nach oben hin zum Anschwellen ge-bracht haben dürfte, hat die Beregnungsmenge anscheinend nicht ausgereicht. Die im Zentrum der Schicht VII etwas angehobenen Wassergehalte könnten ein Indiz dafür sein, das hier nach-strömendes Wasser Drücke aufgebaut hat, die eine fortschreitende Befeuchtung der Schicht durch das Verdrängen von Luft ermöglicht haben. Dabei verdrängte Luft könnte möglicherweise noch nicht aus dem Lysimeter entwichen sein und in das Luftporensystem benachbarter Sandpartien abgewandert sein, wobei dort die Luftdrücke angehoben wurden und dadurch eine weitere Be-feuchtung verhindert wurde.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 - 5 % 5 - 10 % 10 - 15 % 15 - 20 % 20 - 25 % 25 - 30 % 30 - 35 % 35 - 40 % 40 - 45 % 45 - 50 % 50 - 55 % 55 - 60 % > 60 %

Häufigkeit

I

II III

IV V

VI

VII VIII IX

X

%GPV

4 Hauptversuche 4.4.3

Abb. 4.49: Wassergehalte (statisch) in Vol.-% in den kubischen 1 dm³-Blöcken der Sandfüllung nach Ende des Abfließens Aktive Abflüsse und ihr Anteil am Gesamtabfluss

Abb. 4.50 bringt ergänzend die Häufigkeitsverteilungen des mit Wasser gefüllten Porenanteils (Vol.-%) des Volumens der 1 dm³-Sandblöcke, gegliedert nach den einzelnen Tiefenschichten des Lysimeters – entsprechend den Mosaikdarstellungen in Abb. 4.49. Zwar weisen die oberen fünf Schichten auch hier eine klare Eingipfeligkeit auf, doch sind die einzelnen Verteilungskurven sehr viel breiter als im Versuch I. Es ist anzunehmen, dass bei längerer Beregnungszeit die Vertei-lungskurven profilierter geworden wären und sich denen der Abb. 4.25 angeglichen hätten.

Abb. 4.50: Verteilung der mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteile der 1 dm³-Sandblöcke in den Schichten I bis X