Wassergehalt – Wikipedia

Posted on December 31, 2020 by lordneo

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Bodenzusammensetzung von V.olume und M.Arsch, nach Phase: einir, water, void (mit Wasser oder Luft gefüllte Poren), sÖl und total.

Wassergehalt oder Feuchtigkeitsgehalt ist die Menge an Wasser, die in einem Material wie dem Boden enthalten ist (genannt Bodenfeuchtigkeit), Stein, Keramik, Getreide oder Holz. Der Wassergehalt wird in einer Vielzahl von wissenschaftlichen und technischen Bereichen verwendet und als Verhältnis ausgedrückt, das von 0 (vollständig trocken) bis zum Wert der Porosität der Materialien bei Sättigung reichen kann. Es kann volumetrisch oder massenweise (gravimetrisch) angegeben werden.

Table of Contents

Definitionen[edit]

Volumenwassergehalt, θ ist mathematisch definiert als:

{ displaystyle theta = { frac {V_ {w}} {V _ { text {wet}}}}

{ displaystyle V_ {w}}

$V_w$ ist das Wasservolumen und

{ displaystyle V _ { text {wet}} = V_ {s} + V_ {w} + V_ {a}}

${ displaystyle V _ { text {wet}} = V_ {s} + V_ {w} + V_ {a}}$ ist gleich dem Gesamtvolumen des feuchten Materials, dh der Summe des Volumens des festen Wirtsmaterials (z. B. Bodenpartikel, Vegetationsgewebe)

{ displaystyle V_ {s}}

$V_s$ , aus Wasser

{ displaystyle V_ {w}}

$V_w$ und von Luft

{ displaystyle V_ {a}}

$V_ {a}$ .

Gravimetrischer Wassergehalt^[1] wird durch Masse (Gewicht) wie folgt ausgedrückt:

{ displaystyle u = { frac {m_ {w}} {m_ {s}}}}

{ displaystyle m_ {w}}

$m_ {w}$ ist die Masse des Wassers und

{ displaystyle m_ {s}}

$Frau}$ ist die Masse der Feststoffe.

Für Materialien, deren Volumen sich mit dem Wassergehalt ändert, wie Kohle, der gravimetrische Wassergehalt, uwird ausgedrückt als Wassermasse pro Masseneinheit der feuchten Probe (vor dem Trocknen):

{ displaystyle u ‘= { frac {m_ {w}} {m _ { text {wet}}}}

Holzbearbeitung, Geotechnik und Bodenkunde erfordern jedoch, dass der gravimetrische Feuchtigkeitsgehalt in Bezug auf das Trockengewicht der Probe ausgedrückt wird^[2]::

{ displaystyle u ” = { frac {m_ {w}} {m _ { text {dry}}}}

Werte werden oft als Prozentsatz ausgedrückt, dh u× 100%.

Um den gravimetrischen Wassergehalt in den volumetrischen Wassergehalt umzuwandeln, multiplizieren Sie den gravimetrischen Wassergehalt mit dem spezifischen Volumengewicht

{ displaystyle SG}

$SG$ des Materials:

{ displaystyle theta = u times SG}

Abgeleitete Mengen[edit]

In der Bodenmechanik und Erdöltechnik die Wassersättigung oder Sättigungsgrad,

{ displaystyle S_ {w}}

$S_ {w}$ , ist definiert als

{ displaystyle S_ {w} = { frac {V_ {w}} {V_ {v}}} = { frac {V_ {w}} {V phi}} = { frac { theta} { phi}}}

{ displaystyle phi = V_ {v} / V}

${ displaystyle phi = V_ {v} / V}$ ist die Porosität in Bezug auf das Volumen des Hohlraums oder des Porenraums

{ displaystyle V_ {v}}

$V_ {v}$ und das Gesamtvolumen der Substanz

{ displaystyle V}

$V.$ .^{[clarification needed]} Werte von S._w kann von 0 (trocken) bis 1 (gesättigt) reichen. In Wirklichkeit, S._w erreicht niemals 0 oder 1 – dies sind Idealisierungen für den technischen Gebrauch.

Das normalisierter Wassergehalt,

{ displaystyle Theta}

$Theta$ , (auch genannt effektive Sättigung oder

{ displaystyle S_ {e}}

$S_ {e}$ ) ist ein dimensionsloser Wert, der von van Genuchten definiert wird^[3] wie:

{ displaystyle Theta = { frac { theta – theta _ {r}} { theta _ {s} – theta _ {r}}}}

{ displaystyle theta}

$Theta$ ist der volumetrische Wassergehalt;

{ displaystyle theta _ {r}}

$theta _ {r}$ ist der Restwassergehalt, definiert als der Wassergehalt, für den der Gradient gilt

{ displaystyle d theta / dh}

$d theta / dh$ wird Null; und,

{ displaystyle theta _ {s}}

$theta _ {s}$ ist der Gehalt an gesättigtem Wasser, der der Porosität entspricht,

{ displaystyle phi}

$phi$ .

Messung[edit]

Direkte Methoden[edit]

Der Wassergehalt kann direkt mit einem Trockenofen gemessen werden.

Gravimetrischer Wassergehalt, u, ist berechnet^[4] über die Masse des Wassers

{ displaystyle m_ {w}}

$m_ {w}$ ::

{ displaystyle m_ {w} = m _ { text {wet}} – m _ { text {dry}}}

{ displaystyle m _ { text {wet}}}

$m _ {{{ text {wet}}}}$ und

{ displaystyle m _ { text {dry}}}

$m _ {{{ text {dry}}}}$ sind die Massen der Probe vor und nach dem Trocknen im Ofen. Dies gibt den Zähler von u;; der Nenner ist entweder

{ displaystyle m _ { text {wet}}}

$m _ {{{ text {wet}}}}$ oder

{ displaystyle m _ { text {dry}}}

$m _ {{{ text {dry}}}}$ (ergebend u ‘ oder u “je nach Disziplin).

Auf der anderen Seite volumetrischer Wassergehalt, θ, ist berechnet^[5] über das Wasservolumen

{ displaystyle V_ {w}}

$V_w$ ::

{ displaystyle V_ {w} = { frac {m_ {w}} { rho _ {w}}}}

{ displaystyle rho _ {w}}

$rho_w$ ist die Dichte von Wasser. Dies gibt den Zähler von θ;; der Nenner,

{ displaystyle V _ { text {wet}}}

${ displaystyle V _ { text {wet}}}$ ist das Gesamtvolumen des feuchten Materials, das durch einfaches Auffüllen eines Behälters mit bekanntem Volumen (z. B. einer Blechdose) bei der Probenentnahme festgelegt wird.

Für Holz besteht die Konvention darin, den Feuchtigkeitsgehalt auf Ofentrockenbasis anzugeben (dh im Allgemeinen die Probe in einem Ofen zu trocknen, der 24 Stunden lang auf 105 ° Celsius eingestellt ist). Bei der Holztrocknung ist dies ein wichtiges Konzept.

Labormethoden[edit]

Andere Verfahren, die den Wassergehalt einer Probe bestimmen, umfassen chemische Titrationen (zum Beispiel die Karl-Fischer-Titration), die Bestimmung des Massenverlusts beim Erhitzen (möglicherweise in Gegenwart eines Inertgases) oder nach dem Gefriertrocknen. In der Lebensmittelindustrie wird auch häufig die Dean-Stark-Methode verwendet.

Aus dem Annual Book of ASTM-Standard (American Society for Testing and Materials) kann der Gesamtgehalt an verdampfbarer Feuchtigkeit in Aggregat (C 566) mit folgender Formel berechnet werden:

{ displaystyle p = { frac {WD} {W}}}

{ displaystyle p}

$p$ ist der Anteil des gesamten verdampfbaren Feuchtigkeitsgehalts der Probe,

{ displaystyle W}

$W.$ ist die Masse der Originalprobe und

{ displaystyle D}

$D.$ ist die Masse der getrockneten Probe.

Bodenfeuchtemessung[edit]

Zusätzlich zu den oben genannten direkten und Labormethoden stehen die folgenden Optionen zur Verfügung.

Geophysikalische Methoden[edit]

Es stehen verschiedene geophysikalische Methoden zur Verfügung, die sich annähern können vor Ort Bodenwassergehalt. Diese Methoden umfassen: Zeitbereichsreflektometrie (TDR), Neutronensonde, Frequenzbereichssensor, Kapazitätssonde, Amplitudenbereichsreflektometrie, elektrische Widerstandstomographie, Bodenradar (GPR) und andere, die für die physikalischen Eigenschaften von Wasser empfindlich sind.^[6] Geophysikalische Sensoren werden häufig verwendet, um die Bodenfeuchtigkeit in landwirtschaftlichen und wissenschaftlichen Anwendungen kontinuierlich zu überwachen.

Satellitenfernerkundungsmethode[edit]

Satelliten-Mikrowellen-Fernerkundung wird verwendet, um die Bodenfeuchtigkeit basierend auf dem großen Kontrast zwischen den dielektrischen Eigenschaften von nassem und trockenem Boden abzuschätzen. Die Mikrowellenstrahlung ist unempfindlich gegenüber atmosphärischen Variablen und kann durch Wolken dringen. Außerdem kann das Mikrowellensignal bis zu einem gewissen Grad in das Vegetationsdach eindringen und Informationen von der Bodenoberfläche abrufen.^[7] Die Daten von Mikrowellen-Fernerkundungssatelliten wie WindSat, AMSR-E, RADARSAT, ERS-1-2, Metop / ASCAT und SMAP werden zur Abschätzung der Bodenfeuchte verwendet.^[8]

Klassifizierung und Verwendung[edit]

Feuchtigkeit kann als adsorbierte Feuchtigkeit an inneren Oberflächen und als kapillares kondensiertes Wasser in kleinen Poren vorliegen. Bei niedrigen relativen Luftfeuchten besteht die Feuchtigkeit hauptsächlich aus adsorbiertem Wasser. Bei höheren relativen Luftfeuchten wird flüssiges Wasser immer wichtiger, je nach Porengröße kann dies auch einen Einfluss des Volumens haben. In Holzwerkstoffen wird jedoch fast das gesamte Wasser bei Luftfeuchten unter 98% relativer Luftfeuchtigkeit adsorbiert.

Bei biologischen Anwendungen kann auch zwischen physisorbiertem Wasser und “freiem” Wasser unterschieden werden – das physisorbierte Wasser ist so eng mit einem biologischen Material verbunden und relativ schwer zu entfernen. Das zur Bestimmung des Wassergehalts verwendete Verfahren kann beeinflussen, ob in dieser Form vorhandenes Wasser berücksichtigt wird. Für eine bessere Anzeige von “freiem” und “gebundenem” Wasser sollte die Wasseraktivität eines Materials berücksichtigt werden.

Wassermoleküle können auch in Materialien vorhanden sein, die eng mit einzelnen Molekülen verbunden sind, als “Kristallwasser” oder als Wassermoleküle, die statische Komponenten der Proteinstruktur sind.

Geo- und Agrarwissenschaften[edit]

In den Boden-, Hydrologie- und Agrarwissenschaften spielt der Wassergehalt eine wichtige Rolle für die Grundwasserneubildung, die Landwirtschaft und die Bodenchemie. Viele neuere wissenschaftliche Forschungsanstrengungen zielen auf ein prädiktives Verständnis des Wassergehalts über Raum und Zeit ab. Beobachtungen haben allgemein gezeigt, dass die räumliche Varianz des Wassergehalts dazu neigt, mit zunehmender Gesamtfeuchte in semiariden Regionen zuzunehmen, mit zunehmender Gesamtfeuchte in feuchten Regionen abzunehmen und unter gemäßigten Feuchtigkeitsbedingungen in gemäßigten Regionen einen Spitzenwert zu erreichen.^[9]

Es gibt vier Standardwassergehalte, die routinemäßig gemessen und verwendet werden und in der folgenden Tabelle beschrieben sind:

Name	Notation	Saugdruck (J / kg oder kPa)	Typischer Wassergehalt (vol / vol)	Bedingungen
Gesättigter Wassergehalt	θ_s	0	0,2–0,5	Voll gesättigter Boden, entspricht einer effektiven Porosität
Feldkapazität	θ_fc	−33	0,1–0,35	Bodenfeuchtigkeit 2–3 Tage nach Regen oder Bewässerung
Permanenter Welkepunkt	θ_pwp oder θ_wp	−1500	0,01–0,25	Minimale Bodenfeuchtigkeit, bei der eine Pflanze welkt
Restwassergehalt	θ_r	−∞	0,001–0,1	Restwasser unter hoher Spannung

Und schließlich der verfügbare Wassergehalt θ_ein, was entspricht:

θ_ein ≡ θ_fc – θ_pwp

Das kann zwischen 0,1 in Kies und 0,3 in Torf liegen.

Landwirtschaft[edit]

Wenn ein Boden zu trocken wird, sinkt die Pflanzentranspiration, da das Wasser zunehmend durch Absaugen an die Bodenpartikel gebunden wird. Unterhalb des Welkepunktes können Pflanzen kein Wasser mehr extrahieren. An diesem Punkt verwelken sie und hören ganz auf zu transpirieren. Bedingungen, bei denen der Boden zu trocken ist, um ein zuverlässiges Pflanzenwachstum aufrechtzuerhalten, werden als landwirtschaftliche Dürre bezeichnet und sind ein besonderer Schwerpunkt des Bewässerungsmanagements. Solche Bedingungen sind in ariden und semi-ariden Umgebungen üblich.

Einige Landwirtschaftsfachleute beginnen, Umweltmessungen wie Bodenfeuchtigkeit zu verwenden, um die Bewässerung zu planen. Diese Methode wird als bezeichnet intelligente Bewässerung oder Bodenbearbeitung.^{[citation needed]}

Grundwasser[edit]

In gesättigten Grundwasserleitern sind alle verfügbaren Porenräume mit Wasser gefüllt (volumetrischer Wassergehalt = Porosität). Über einem Kapillarrand befinden sich auch Porenräume mit Luft.

Die meisten Böden haben einen Wassergehalt von weniger als der Porosität, was die Definition ungesättigter Bedingungen darstellt, und sie sind Gegenstand der Hydrogeologie der Vadosezone. Der Kapillarrand des Grundwasserspiegels ist die Trennlinie zwischen gesättigten und ungesättigten Bedingungen. Der Wassergehalt im Kapillarrand nimmt mit zunehmendem Abstand über der phreatischen Oberfläche ab. Der Wasserfluss durch und die ungesättigte Zone in Böden ist häufig mit einem Fingersatz verbunden, der auf die Instabilität von Saffman-Taylor zurückzuführen ist. Dies resultiert hauptsächlich aus Entwässerungsprozessen und erzeugt eine instabile Grenzfläche zwischen gesättigten und ungesättigten Regionen.

Eine der Hauptkomplikationen bei der Untersuchung der Vadose-Zone ist die Tatsache, dass die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit eine Funktion des Wassergehalts des Materials ist. Wenn ein Material austrocknet, werden die verbundenen feuchten Wege durch das Medium kleiner, wobei die hydraulische Leitfähigkeit mit geringerem Wassergehalt auf sehr nichtlineare Weise abnimmt.

Eine Wasserretentionskurve ist die Beziehung zwischen dem volumetrischen Wassergehalt und dem Wasserpotential des porösen Mediums. Es ist charakteristisch für verschiedene Arten von porösem Medium. Aufgrund der Hysterese können unterschiedliche Benetzungs- und Trocknungskurven unterschieden werden.

In Aggregaten[edit]

Im Allgemeinen hat ein Aggregat vier verschiedene Feuchtigkeitsbedingungen. Sie sind ofentrocken (OD), lufttrocken (AD), gesättigte Oberfläche trocken (SSD) und feucht (oder nass).^[10] Ofentrockene und gesättigte Oberflächentrocknung können durch Experimente in Laboratorien erreicht werden, während lufttrocken und feucht (oder nass) die in der Natur üblichen Bedingungen für Aggregate sind.

Vier Bedingungen[edit]

Ofentrocknung (OD) ist definiert als der Zustand eines Aggregats, in dem sich in keinem Teil des Aggregats Feuchtigkeit befindet. Dieser Zustand kann in einem Labor erreicht werden, indem das Aggregat für einen bestimmten Zeitraum auf 105 ° C erhitzt wird.^[10]

Luftgetrocknet (AD) ist definiert als der Zustand eines Aggregats, in dem sich etwas Wasser oder Feuchtigkeit in den Poren des Aggregats befindet, während die Außenflächen trocken sind. Dies ist ein natürlicher Zustand von Aggregaten im Sommer oder in trockenen Regionen. In diesem Zustand absorbiert ein Aggregat Wasser aus anderen Materialien, die der Oberfläche hinzugefügt werden, was möglicherweise einige Auswirkungen auf einige Merkmale des Aggregats haben würde.^[10]

Gesättigte Oberfläche trocken (SSD) ist definiert als der Zustand eines Aggregats, in dem die Oberflächen der Partikel “trocken” sind (dhSie absorbieren weder das hinzugefügte Mischwasser. Sie werden auch nichts von ihrem enthaltenen Wasser in die Mischung einbringen^[10]), aber die Hohlräume zwischen den Partikeln sind mit Wasser gesättigt. In diesem Zustand wirken sich Aggregate nicht auf das Freie aus Wassergehalt eines Verbundmaterials.^[11]^[12]

Die Wasseradsorption nach Masse (A._m) ist definiert als die Masse der gesättigten Oberfläche trocken (M._ssd) Probe und die Masse der ofengetrockneten Testprobe (M._trocken) nach der Formel:

{ displaystyle A = { frac {M_ {ssd} -M_ {trocken}} {M_ {trocken}}}

Feuchtigkeit (oder nass) ist definiert als der Zustand eines Aggregats, in dem Wasser das Aggregat vollständig durch die Poren durchdringt, und auf seinen Oberflächen befindet sich freies Wasser, das über den SSD-Zustand hinausgeht und Teil des Mischwassers wird.^[10]

Anwendung[edit]

Unter diesen vier Feuchtigkeitszuständen von Aggregaten ist gesättigte Oberflächentrockenheit der Zustand, der in Laborexperimenten, Forschungen und Studien am häufigsten angewendet wird, insbesondere in Bezug auf Wasseraufnahme, Zusammensetzungsverhältnis oder Schrumpftest in Materialien wie Beton. Für viele verwandte Experimente ist ein gesättigter oberflächentrockener Zustand eine Voraussetzung, die vor dem Experiment erkannt werden muss. In einem trockenen Zustand mit gesättigter Oberfläche befindet sich der Wassergehalt des Aggregats in einer relativ stabilen und statischen Situation, in der es nicht durch seine Umgebung beeinflusst würde. Daher gibt es in Experimenten und Tests, bei denen sich die Aggregate in einem trockenen Zustand mit gesättigter Oberfläche befinden, weniger Störfaktoren als unter den anderen drei Bedingungen.^[13]^[14]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

^ T. William Lambe und Robert V. Whitman (1969). “Kapitel 3: Beschreibung einer Zusammenstellung von Partikeln”. Bodenmechanik (Erste Ausgabe). John Wiley & Sons, Inc. p. 553. ISBN 978-0-471-51192-2.
^ “Feuchtigkeitsgehalt”. www.timberaid.com. Abgerufen 2020-10-25.
^ van Genuchten, M.Th. (1980). “Eine geschlossene Gleichung zur Vorhersage der hydraulischen Leitfähigkeit ungesättigter Böden”. Zeitschrift der Soil Science Society of America. 44 (5): 892–898. Bibcode:1980SSASJ..44..892V. doi:10.2136 / sssaj1980.03615995004400050002x. hdl:10338.dmlcz / 141699.
^ [1]
^ Dingman, SL (2002). “Kapitel 6, Wasser in Böden: Infiltration und Umverteilung”. Physikalische Hydrologie (Zweite Ausgabe). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, Inc. p. 646. ISBN 978-0-13-099695-4.
^ F. Ozcep; M. Asci; O. Tezel; T. Yas; N. Alpaslan; D. Gundogdu (2005). “Beziehungen zwischen elektrischen Eigenschaften (in situ) und Wassergehalt (im Labor) einiger Böden in der Türkei” (PDF). Geophysikalische Forschungszusammenfassungen. 7.
^ Lakhankar, Tarendra; Ghedira, Hosni; Temimi, Marouane; Sengupta, Manajit; Khanbilvardi, Reza; Blake, Reginald (2009). “Nichtparametrische Methoden zur Gewinnung von Bodenfeuchtigkeit aus Satellitenfernerkundungsdaten”. Fernerkundung. 1 (1): 3–21. Bibcode:2009RemS …. 1 …. 3L. doi:10.3390 / rs1010003.
^ “Archivierte Kopie”. Archiviert von das Original am 29.09.2007. Abgerufen 2007-08-22.CS1-Wartung: Archivierte Kopie als Titel (Link)
^ Lawrence, JE & GM Hornberger (2007). “Variabilität der Bodenfeuchte über Klimazonen hinweg”. Geophys. Res. Lette. 34 (L20402): L20402. Bibcode:2007GeoRL..3420402L. doi:10.1029 / 2007GL031382.
^ ^ein ^b ^c ^d ^e “Wasser-Zement-Verhältnis und aggregierte Feuchtigkeitskorrekturen”. precast.org. Abgerufen 2018-11-18.
^ “Aggregatfeuchtigkeit in Beton”. Betonbau. Abgerufen 2018-11-08.
^ ftp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf
^ Zaccardi, YA Villagrán; Zega, CJ; Carrizo, LE; Sosa, ME (01.10.2018). “Wasseraufnahme von feinen recycelten Aggregaten: effektive Bestimmung durch eine Methode basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit”. Materialien und Strukturen. 51 (5): 127. doi:10.1617 / s11527-018-1248-2. ISSN 1871-6873. S2CID 139201161.
^ Kawamura, Masashi; Kasai, Yoshio (29.05.2009). “Bestimmung des gesättigten oberflächentrockenen Zustands von Ton-Sand-Mischböden für den Boden-Zement-Betonbau”. Materialien und Strukturen. 43 (4): 571–582. doi:10.1617 / s11527-009-9512-0. ISSN 1359-5997. S2CID 137282443.

Weiterführende Literatur[edit]

Robinson, David A. (2008), “Feldschätzung des Bodenwassergehalts: Ein praktischer Leitfaden für Methoden, Instrumente und Sensortechnologie” (PDF), Zeitschrift der Soil Science Society of America, Wien, Österreich: Internationale Atomenergiebehörde, 73 (4): 131, Bibcode:2009SSASJ..73.1437R, doi:10.2136 / sssaj2008.0016br, ISSN 1018-5518, IAEA-TCS-30
Wessel-Bothe, Weihermüller (2020): Feldmessmethoden in der Bodenkunde. Der neue praktische Leitfaden für Bodenmessungen erläutert die Funktionsprinzipien verschiedener Feuchtigkeitssensortypen (unabhängig vom Hersteller), deren Genauigkeit, Anwendungsbereiche und die Installation solcher Sensoren sowie die Feinheiten der so erhaltenen Daten. Beschäftigt sich auch mit anderen pflanzenbezogenen Bodenparametern.

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