• Kenntnis hydrologischer Eigenschaften ist essentiell für Grundwasser-
 Management
 • Bestimmung dieser Eigenschaften mittels MSO zwecks Verknüpfung
 mit elektrischen Eigenschaften (Spektrale Induzierte Polarisation)
 • Probenhalter entwickelt zur gemeinsamen Messung der hydraulischen
 und elektrischen Eigenschaften
 • gesättigtes Medium wird mittels Druckluft schrittweise entwässert
 • poröse Keramik-Platte
 (Lufteintrittswert oberhalb
 des angelegten Druckes)
 verhindert Durchströmung
 der Probe durch Druckluft
 • hydrologische Kenngrö-
 ßen bestimmt aus Aus-
 flusskurve mittels inverser
 Modellierung (HYDRUS)
 und den Parametern:
 Θr residualer und Θs ge-
 sättigter Wassergehalt,
 inverser Lufteintrittswert α,
 Porengrößenverteilungs-
 index n, gesättigte hydrau-
 lische Leitfähigkeit Ks.
 Charakterisierung hydrologischer Material-Eigenschaften
 mittels Multi Step Outflow (MSO) Experimenten
 H.-Martin Münch, Bonn
 Platten: α, n
 Wasserhaltekurven (Modell)
 Platten: Ks
 Porengrößenverteilung (Modell)
 MSO-Daten & HYDRUS-Modellfit
 Literatur
 72. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5. bis 8. März 2012, Universität Hamburg
 Methode/Messsystem
 Strom-
 elek-
 trode
 Strom-
 elek-
 trode
 (Platte)
 Span-
 nungs-
 sonden
 Druck-
 luft Wasser-
 an-
 schluss
 (zu)
 Wasser-
 ausfluss
 Keramik-
 platte
 Bürette
 Bestimmung der gesättigten hydraulischen 
Leitfähigkeit Ks der Stromelektrode mittels falling 
head permeameter Experiment (Ausfluss aus 
anfänglich wassergefülltem Zylinder durch die 
Platte): D Durchmesser, P Dicke der Platte, t Zeit, 
H0 anfängliche Wasserhöhe, hi(t) verbleibende 
Wasserhöhe zur Zeit t
 • Messung der Wasserhaltekurven im Drucktopf: Wassergehalt Θ
 abhängig von angelegtem Luftdruck (P bzw. pressure head h)
 • inverse Modellierung mit RetC (VAN GENUCHTEN et al., 1991)
 aus dem HYDRUS (ŠIMŮNEK et al., 2005) Software-Paket
 ⇒ inverser Lufteintrittswert α [cm−1] = Pbubble-1 und
 Porengrößenverteilungsindex n (mit m=1-1/n)
 Ks
 Korngrößenverteilung (Modell)
 Effektiver angelegter Druck Peff, resultierender normierter 
Ausfluss Y, Ausflusswerte ausgewählt mittels Shrink-Programm
 und angepasst mit HYDRUS-Programm unter Verwendung der 
bestimmten Werte für α, n und Ks der Platten.
 Modellierte Wasserhaltekurven θ (h) entsprechen 
der experimentellen Beobachtung.
 Proben: α, n
 Ks untersuchter Materialien, Korndurchmesser d (Ton 202 R: Agglome-
 rate); HAZEN (1892) Formel: Ks [m/d] = C (d10 [mm])2
 Porengrößenverteilung f(r) für Sande and Platten, 
modelliert mit ihren ermittelten van-Genuchten-
 Parametern α and n
 sowie Wasserdichte ρ, Schwerebeschleunigung g, 
Benetzungswinkel γ, Kraft der Oberflächen-
 spannung σst; Höhe des Kapillaranstiegs hm.
 Aus der Porengrößenverteilung folgt mit 
deff = 2 Θ reff 
die Korngrößenverteilung mit Theta transform
 Sättigungsabh. hydr. Leitfähigkeit (Modell)
 Mittels der ermittelten (van-Genuchten-)Parameter kann die hydrauli-
 sche Leitfähigkeit K in Abhängigkeit der Sättigung S berechnet werden.
 Die Modellierung mit HYDRUS liefert Werte für α
 und n der untersuchten Materialien.
 α ~ P -1 ~ d wie erwartet (wobei Quartz Ki 0.500 –
 0.710 mm wie üblich abweicht).
 Etwa 2<n<4, zunehmend mit der Korngröße 
(wobei n für F32 0.250–0.500 gegen die Schranke 
im Programm läuft und daher nicht signifikant ist). 
GENUCHTEN, M. Th. van, Šimůnek, J., Leij, F. J., & Šejna, M. (1991): RetC, version 6.0, Code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils, Riverside (CA, U. S. A.); online verfügbar unter: http://www.pc-progress.com/Documents/programs/retc.pdf.
 GLOVER, P. W. J., & WALKER, E. (2009): Grain-size to effective pore-size transformation derived from electrokinetic theory, Geophysics, 74(1), E17 – E29; online verfügbar unter: http://dx.doi.org/10.1190/1.3033217.
 HAZEN, A. (1892): Some physical properties of sands and gravels with special reference to their use in filtration, in: Massachusetts State Board of Health (ed.): 24th Annual Report, Pub. Document Number 34, 539 – 556.
 ŠIMŮNEK, J., Genuchten, M. Th. van, & Šejna, M. (2008): Modeling subsurface water flow and solute transport with HYDRUS and related numerical software packages, in: García-Navarro, P., & Playán, E. (eds.): Numerical modelling of hydrodynamics for water
 resources, Laylor & Francis Group, London (UK), ISBN-13: 978-0-415-44056-1, p. 95 – 115; online verfügbar unter: http://www.pc-progress.com/Documents/Jirka/Spain_Workshop_HYDRUS_Review_2007.pdf.
 Poster, Abstract etc. als PDF unter
 http://ukoeln.de/RG8TA
 mit deff effektiver Korndurchmesser, reff  effektiver 
Porenradius, φ Porosität, m Zementationsexpo-
 nent, F Formationsfaktor, a ≈ 8/3 für quasi-
 sphärische Körner (GLOVER & WALKER, 2009).
 Das modellierte hauptsächliche deff stimmt besser 
als innerhalb einer Größenordnung mit d aus 
Siebungen überein (und F32 0.125 – 0.250mm < 
F32 0.250–0.500mm < Quartz Ki 0.710–1.0 mm). 
Probe Quartz Ki 0.500 – 0.710 mm weicht stärker 
ab (wie bei anderen Parametern auch), aber auch 
nur etwa eine Größenordnung.
 Bsp.:
 Druck-
 messung
Die Kenntnis hydrologischer Eigenschaften ist essentiell für das Grundwassermanagement. Im Rahmen 
eines Projektes zur Verknüpfung mit elektrischen Eigenschaften, welche nicht-invasiv bestimmbar sind 
(Spektrale Induzierte Polarisation, SIP), wurden am IBG-3 (Agrosphäre; vormals ICG-IV) der 
Forschungszentrum Jülich GmbH hydrologische Material-Eigenschaften bestimmt mittels Multi-Step-
 Outflow-Experimenten (MSO). Dazu wurde ein Probenhalter entwickelt zur gemeinsamen Messung der 
hydraulischen und der elektrischen Eigenschaften. In der MSO-Anlage wird das gesättigte Medium 
mittels Druckluft bzw. Saugspannung schrittweise entwässert. Unterhalb der Probe verhindert eine 
poröse Keramik-Platte (mit Lufteintrittswert oberhalb des angelegten Druckes) die Durchströmung der 
Probe durch die Druckluft (was die Entsättigung beenden würde). Aus der Ausflusskurve können mittels 
inverser Modellierung hydrologische Kenngrößen bestimmt werden (MUALEM-VAN-GENUCHTEN-Ansatz, 
HYDRUS-Software-Programm).
 HYDRUS verwendet folgende Parameter: Θr residualer und Θs gesättigter Wassergehalt, Porenverbin-
 dungsparameter l:=1/2, inverser Lufteintrittswert α, Porengrößenverteilungsindex n, VAN-GENUCHTEN-
 Parameter m:=1-1/n, gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Ks. Dabei werden α und n bestimmt mittels 
inverser Modellierung aus Wasserhaltekurven (Wassergehalt in Abhängigkeit von angelegtem Luftdruck 
im Drucktopf, RetC-Software-Programm). Ks wird bestimmt mittels falling head permeameter
 Experimenten (Durchfluss in Abhängigkeit vom Wasserdruck). Die ermittelten Ks-Werte in Abhängigkeit 
von der Korngröße folgen der Formel von HAZEN (1892).
 Die MSO-Daten werden ins HYDRUS-Format konvertiert (z. B. Ausfluss durch Probenhalterquerschnitt 
normiert, Druck [bar] oberhalb zu Saugspannung [cm] unterhalb der Säule) und mittels SHRINK-
 Software-Programm systematisch reduziert.
 Der inverse Lufteintrittswert α aus der inversen Modellierung zeigt eine generelle Zunahme mit der 
Korngröße, wie wegen der inversen Beziehung beider Größen mit dem Lufteintrittswert erwartet. Mit 
zunehmender Korngröße wird auch ein zunehmender Porengrößenverteilungsindex n beobachtet.
 Mit α, n, m und Ks wird die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Wassergehalt θ bzw. Sättigung 0≤S≤1 
oder Druckhöhe h berechnet, ebenso Wasserhaltekurven (θ abhängig von Matrixpotential ψ oder h), 
effektive Poren- und daraus Korn-Größen-Verteilungen, welche zu den Korngrößen passen, wie sie 
durch Siebungen eingegrenzt wurden.
 Der nächste Schritt ist die Korrelation der Sättigungs-abhängigen hydraulischen Leitfähigkeiten mit 
den Ergebnissen der elektrischen Messungen, z. B. Korrelation von α und Relaxationszeitkonstante τ1 (α=1,678 log(τ1/s)+2,147).10-2cm-1, R²=0,997) (vgl. NORDSIEK et al., 2012).
 http://ukoeln.de/PL9SK Kontakt: http://ukoeln.de/GDYH1
 Charakterisierung hydrologischer Material-Eigenschaften
 mittels Multi Step Outflow (MSO) Experimenten
 H.-Martin Münch, Bonn
 Literatur
 72. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5. bis 8. März 2012, Universität Hamburg
 Genuchten, M. Th. van, Šimůnek, J., Leij, F. J., & Šejna, M. (1991): RetC, version 6.0, Code for quantifying the hydraulic functions
 of unsaturated soils, Riverside (CA, U. S. A.); online verfügbar unter: http://www.pc-progress.com/Documents/programs/retc.pdf.
 Glover, P. W. J., & Walker, E. (2009): Grain-size to effective pore-size transformation derived from electrokinetic theory,
 Geophysics, 74(1), E17 – E29; online verfügbar unter: http://dx.doi.org/10.1190/1.3033217.
 Hazen, A. (1892): Some physical properties of sands and gravels with special reference to their use in filtration, in: 
Massachusetts State Board of Health (ed.): 24th Annual Report, Pub. Document Number 34, 539 – 556.
 Münch, H.-M., Kemna, A., Herbst, M., Zimmermann, E., & Vereecken, H. (2005): Multi-step outflow experiments to link soil
 hydraulic properties with electrical characteristics, in: Hassanizadeh, S. M., & Torkzaban, S. (eds.): Proceedings of Workshop on
 HYDRUS Applications, Department of Earth Sciences, Utrecht University, The Netherlands, ISBN-10: 90-3934112-5, p. 42 – 45,
 Utrecht, The Netherlands: 17.10.2005 – 19.10.2005; online verfügbar unter http://ukoeln.de/NP1XY.
 Nordsiek, S., Hördt, A., Durner, W., & Diamantopoulos, E. (2012): Zusammenhänge zwischen hydrologischen Parametern und
 Spektren der Induzierten Polarisation an Bodenproben, 72. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft e. V.
 (DGG), GE-4.004, Hamburg: 08.03.2012; Abstract-Band S. 143, ISSN 0344-7251; online verfügbar unter
 http://www.dgg-2012.de/fileadmin/documents/DGG/Tagungsband_web.pdf.
 Šimůnek, J., Genuchten, M. Th. van, & Šejna, M. (2008): Modeling subsurface water flow and solute transport with HYDRUS and
 related numerical software packages, in: García-Navarro, P., & Playán, E. (eds.): Numerical modelling of hydrodynamics for 
water resources, Laylor & Francis Group, London (UK), ISBN-13: 978-0-415-44056-1, p. 95 – 115; online verfügbar unter:
 http://www.pc-progress.com/Documents/Jirka/Spain_Workshop_HYDRUS_Review_2007.pdf.
 UMIG-P.205