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2020-10-03T11:49:21Z

Grundwasser: Leerzeichen vor Satzzeichen entfernt, Kleinkram

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Das '''hydraulische [[Potential (Physik)|Potential]]''' beschreibt den [[Energie]]<nowiki/>zustand von [[Wasser]] im [[Boden (Bodenkunde)|Boden]] an einer durch die Messung definierten Stelle. Im Falle des [[Grundwasser]]s wird das hydraulische Potential auch '''[[Standrohr (Bohrtechnik)|Standrohr]]'''- oder '''[[Piezometer]]<nowiki/>spiegelhöhe''' genannt. Bei [[Wasserkraftanlage]]n ist die [[Fallhöhe (Wasserbau)|hydraulische Fallhöhe]] gemeint.

== Grundwasser ==
Allgemein setzt sich die gesamte [[mechanische Energie]] <math>E</math> von Grundwasser zusammen aus:
* Druckenergie
* [[Potentielle Energie]], auch als ''Lageenergie'' bezeichnet, relativ zu einem Bezugsniveau (z. B. [[Höhe über dem Meeresspiegel]]) sowie
* [[Kinetische Energie]] auch ''Bewegungsenergie'',
das heißt, es gilt die [[Bernoulli-Gleichung]]:

:<math>
\begin{align}
E_\text{ges} & = E_\text{Druck} + E_\text{pot} + E_\text{kin}\\
& = p \, V + m \, g \, z + \frac{1}{2} \, m \, v^2
\end{align}</math>

mit
* [[Wasserdruck]] ''p'' (im Grundwasser Porenwasserdruck) (Kraft je Einheitsfläche [F/L2], oft Pa oder N·m−2)
* [[Volumen]] ''V''
* [[Masse (Physik)|Masse]] ''m'' des Wasserelements
* [[Erdbeschleunigung]] ''g'' (oft in m·s−2)
* Lagepotential ''z'', d. h. die Höhe des Meßpunktes über der Bezugslinie
* [[Fließgeschwindigkeit]] ''v''.

Da die Fließgeschwindigkeiten im Grundwasser im Allgemeinen sehr klein sind, kann man den Anteil der kinetischen Energie in guter Näherung vernachlässigen:

:<math>v \approx 0 \Rightarrow E_\text{kin} \approx 0</math>

Außerdem entspricht die [[Spezifische Größe|spezifische]] Energie pro [[Gewichtskraft|Gewicht]] <math>G</math> eines Wasserelements von der [[Dimensionsanalyse]] her einer geometrischen Höhe:

:<math>\frac{E_\text{ges}}{G} = \frac{E_\text{ges}}{m \, g} = h</math>

Damit ist das hydraulische Potential ''h'' in der [[Hydrogeologie|Grundwasserhydraulik]] wie folgt definiert:

:<math>\Rightarrow h = \psi + z = \frac{E_\text{Druck}}{m \, g} + \frac{E_\text{pot}}{m \, g}</math>

Die [[Druckhöhe]] <math>\psi</math> wird hierbei ausgedrückt als:

::<math>\psi = \frac{p}{\gamma} = \frac{p}{\rho \, g}</math>

mit
* <math>\gamma</math> [[spezifisches Gewicht]] des [[Fluid]]s (Kraft je Einheitsvolumen [F/L3], oft N·m−3),
** <math>\rho</math> [[Dichte]] des Fluids (Masse je Einheitsvolumen [M/L3], oft kg·m−3).

Das hydraulische Potential kann vergleichsweise einfach gemessen werden. Hierzu wird ein [[Rohr (Technik)|Rohr]] (Standrohr) mit einer Verfilterung in den [[Grundwasserleiter]] eingebracht (durch Bohren, [[Ramme (Maschine)|Rammen]] usw.), in gering durchlässigen Böden wird mittels einer [[Druckmessdose]] (Piezometer) der Porenwasserdruck gemessen. Das hydraulische Potential am Messpunkt wird dann dargestellt durch
* die Höhe / Tiefe des [[Wasserspiegel]]s im Rohr relativ zu einem [[Bezugspunkt]] (<math>p = 0 \Rightarrow \psi = 0 \Rightarrow h = z</math>)
* die von der Druckmessdose gemessenen Druckhöhe, kombiniert mit der Lage der Druckmessdose relativ zu einem Bezugsniveau (<math>p \ne 0 \Rightarrow \psi \ne 0 \Rightarrow h = \psi + z</math>).

Unterschiede im Energieniveau an zwei Stellen des Grundwasserleiters führen zur Grundwasserbewegung zwischen diesen zwei Punkten. Grundwasser fließt dabei stets vom höheren zum niedrigeren hydraulischen Potential. Die Abnahme des hydraulischen Potentials (Piezometerhöhe) entspricht einem „Energieverlust“, ein Teil der Energie geht nämlich durch die [[innere Reibung]] zwischen dem Wasser und dem [[Festgestein]] (Körner, [[Kluft (Geologie)|Klüfte]] usw.) in [[Wärmeenergie]] über. Je nach dem Verhältnis zwischen Druck- und Lageenergie kann Grundwasser sogar ''entgegen der [[Schwerkraft]]'' fließen ([[Artesischer Brunnen]]).

== Ungesättigter Bereich ==
Um Wasserbewegungen im Boden [[Modellierung|modellieren]] zu können, müsste man im Prinzip das Gesamtpotential <math>\psi</math> kennen, das definiert ist als die Summe aller auf Wasser im Boden wirkenden Teilpotenziale. Da das Gesamtpotential in der Praxis aber schwer zu bestimmen ist, dient für die Beschreibung von Wasserbewegungen stattdessen das hydraulische Potential <math>\psi_H</math> als Näherung.
Dieses ist die Summe der einfach bestimmbaren Teilpotentiale Matrixpotenzial <math>\psi_m</math> und [[Gravitationspotential #Gravitationspotential in der Bodenkunde und in der Hydrogeologie|Gravitationspotential]] <math>\psi_z</math>, das Gaspotential <math>\psi_g</math> wird meist nicht berücksichtigt:

:<math>\psi_H = \psi_m + \psi_z (+ \psi_g)</math>

Wo der Gradient des hydraulischen Potentials verschwindet <math>\left( \frac {d \psi_H}{ dz} = 0 \right)</math>, liegt die [[horizontale Wasserscheide]].

Um die Verfügbarkeit von Wasser für eine [[Pflanze]] zu erfassen, wird eine andere Kombination von Teilpotentialen verwendet, das [[Wasserpotential]] <math>\psi_w</math>.<ref name="Scheffer 1992">[[Fritz Scheffer|Scheffer]], [[Paul Schachtschabel|Schachtschabel]]: ''Lehrbuch der Bodenkunde.'' 13. durchgesehene Auflage. 1992, ISBN 3-432-84773-4, Kapitel XVI. Bodenwasser.</ref>

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Literatur ==
* DIN 4049-3 (Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie)
* R. Allan Freeze, John A. Cherry: ''Groundwater.'' Prentice-Hall, Englewood Cliffs NJ 1979, ISBN 0-13-365312-9.
* [[Bernward Hölting]], Wilhelm Georg Coldewey: ''Hydrogeologie. Einführung in die allgemeine und angewandte Hydrogeologie.'' 7. neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-8274-1713-8.
* Hanspeter Jordan, Hans-Jörg Weder: ''Hydrogeologie. Grundlagen und Methoden. Regionale Hydrogeologie: Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg und Berlin, Sachsen-Anhalt, Sachsen, Thüringen.'' 2. stark überarbeitete und erweiterte Auflage. Enke, Stuttgart 1995, ISBN 3-432-26882-3.
* W. Kinzelbach, [[Randolf Rausch|R. Rausch]]: ''Grundwassermodellierung.'' Borntraeger, Berlin u. a. 1995, ISBN 3-443-01032-6.

[[Kategorie:Hydrologie]]
[[Kategorie:Hydrogeologie]]
[[Kategorie:Hydraulik]]

Hydraulisches Potential - Versionsgeschichte

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