Hydraulisches Potenzial

Das hydraulische Potential beschreibt den Energiezustand von Wasser im Boden an einer durch die Messung definierten Stelle. Im Falle des Grundwassers wird das hydraulische Potential auch als Piezometerhöhe oder auch Standrohrspiegelhöhe bezeichnet.

Grundwasser

Ganz allgemein setzt sich die spezifische mechanische Energie pro Gewichtseinheit eines Wasserelements aus Druckenergie, Lageenergie relativ zu einem Bezugsniveau (z. B. Normalnull) sowie kinetischer Energie zusammen. Da die Fließgeschwindigkeiten im Grundwasser im Allgemeinen sehr klein sind, kann man den Anteil aus kinetischer Energie in guter Näherung vernachlässigen. In der Grundwasserhydraulik oder Hydrogeologie wird das hydraulische Potential h somit wie folgt definiert:

$h = \psi + z \,$

Die Druckhöhe ψ wird hierbei ausgedrückt als:

$\psi = \frac{P}{\gamma} = \frac{P}{\rho g}$

mit

P der Wasserdruck (im Grundwasser Porenwasserdruck) (Kraft je Einheitsfläche [F/L²], oft Pa oder N·m⁻²),

γ spezifisches Gewicht des Fluids (Kraft je Einheitsvolumen [F/L³], oft N·m⁻³),

ρ Dichte des Fluids (Masse je Einheitsvolumen [M/L³], oft kg·m⁻³) und

g Erdbeschleunigung ([L/T²], oft m·s⁻²)

z Lagepotential, Höhe des Meßpunktes über der Bezugslinie

Es kann vergleichsweise einfach gemessen werden. Hierzu wird ein Rohr mit einer Verfilterung in den Grundwasserleiter eingebracht (Bohren, Rammen usw.). Die Lage des Wasserspiegels im Rohr relativ zu einem Bezugspunkt, ausgedrückt in einer Längeneinheit (Energie pro Gewichtseinheit) stellt das hydraulische Potential im Bereich der Verfilterung dar. In gering durchlässigen Böden wird mittels einer Druckmessdose der Porenwasserdruck gemessen. Aus der gemessenen Druckhöhe (Druck geteilt durch das spezifische Gewicht von Wasser) und der Lage der Druckmessdose relativ zu einem Bezugsniveau lässt sich das hydraulische Potential bestimmen.

Unterschiede im Energieniveau an zwei Stellen des Grundwasserleiters führen zur Grundwasserbewegung zwischen diesen zwei Punkten. Eine Abnahme des hydraulischen Potentials (Piezometerhöhe) entspricht hierbei einem „Energieverlust“. Ein Teil der Energie geht durch die innere Reibung zwischen dem Wasser und dem Festgestein (Körner, Klüfte usw.) in Wärmeenergie über. Grundwasser fließt somit stets vom höheren zum niedrigeren hydraulischen Potential. Je nach Druck- und Lageverhältnissen kann also Grundwasser sogar entgegen der Schwerkraft fließen (s. Artesischer Brunnen).

Ungesättigter Bereich

Um Wasserbewegungen im Boden modellieren zu können, müsste man im Prinzip das Gesamtpotential ψ kennen, das definiert ist als die Summe aller auf Wasser im Boden wirkenden Teilpotenziale. Da das Gesamtpotential in der Praxis schwer zu bestimmen ist, dient für die Beschreibung von Wasserbewegungen das hydraulische Potential ψ_H als Näherung. Das hydraulische Potential ψ_H ist die Summe der einfach bestimmbaren Teilpotentiale Matrixpotenzial ψ_m und Gravitationspotential ψ_z, das Gaspotential ψ_g wird meist nicht berücksichtigt.

$\psi_H = \psi_m + \psi_z (+ \psi_g)\,$

Um die Verfügbarkeit von Wasser für eine Pflanze zu erfassen, wird eine andere Kombination von Teilpotentialen, das Wasserpotential ψ_w, verwendet.^[1]

Einzelnachweise

1. ↑ Scheffer/Schachtschabel „Lehrbuch der Bodenkunde“, 13. Auflage, 1992, Kapitel XVI. Bodenwasser, ISBN 3-432-84773-4

Literatur

• DIN 4049-3 (Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie)
• Hölting, B. Hydrogeologie
• Kinzelbach W., Rausch R. Grundwassermodellierung
• Freeze R.A., Cherry, J.A., Groundwater
• Jordan, H. und Weder, H.-J.: Hydrogeologie. Grundlagen und Methoden