Geophysik, Geotechnik und Bodenkunde

In nahezu allen geotechnischen und bodenkundlichen Anwendungen kommt dem Wassergehalt der zu untersuchenden Böden und davon abgeleiteten bzw. damit im Zusammenhang stehenden Größen eine zentrale Rolle zu. Anwendungsbeispiele finden sich in der Landwirtschaft, bei der Bodensanierung, in der Gestaltung und Überwachung von Deponien, bei geologischen Untersuchungen usw.

Bodenfeuchten werden im Gegensatz zu den in anderen Bereichen üblicherweise genutzten massebezogenen Feuchtedefinitionen nahezu in allen Anwendungen volumenbezogen ermittelt und angegeben. Dies bringt einige Besonderheiten bei der Gestaltung der Messtechnik, bei deren Kalibration und bei den verwendeten Referenzverfahren mit sich. Letztendlich stehen jedoch die volumenbezogenen Feuchtedefinitionen in den meisten Fällen der physikalischen Bedeutung des Wassers und seiner Wirkungen näher als die massebezogenen. Auch die meisten der heute genutzten indirekten Messverfahren entwickeln ihre Wechselwirkung im Volumen, so dass die Verbindung mit der volumenbezogenen Feuchtedefinition eine bessere Charakterisierung der sich ergebenden Effekte ermöglicht.

Heute bekannte Verfahren zur Bodenfeuchtebestimmung sind neben den in der Regel zerstörenden direkten Messverfahren auch eine Reihe indirekter Messverfahren. Dabei handelt es sich im einfachsten Fall um Leitfähigkeitsmessverfahren oder andere geoelektrische Messverfahren. Diese werden jedoch durch die Salinität der Böden stark beeinflusst. Größere Verbreitung haben die dielektrischen Messverfahren gefunden, die in verschiedenen Arten von Feuchtemessgeräten umgesetzt worden sind. Die bekanntesten Vertreter dieser Art von Messtechnik sind die TDR-Sonden (TDR = Time Domain Reflectometry). Diese sind klein und einfach handhabbar, werden jedoch in der Regel nur für festen Einbau vorgesehen und weisen immer noch relativ hohen Leistungsbedarf auf. Im Regelfall werden sie daher an Messstationen angeschlossen und in Messnetze integriert, um Monitoringaufgaben zu realisieren.

In vielen Fällen sind jedoch schnelle Aussagen zur Boden- oder Gesteinsfeuchte gefragt, oder es sollen rasch Tiefenprofile ermittelt werden. In diesen Fällen ist nicht immer der Einbau von mehreren Sonden gewünscht, sondern eine schnelle portable Messung.

Mikrowellenbasierte Feuchtemessverfahren zählen ebenfalls zu den dielektrischen Messverfahren. Durch die genutzten sehr hohen Frequenzen werden sie von Salinitäten und Ionenleitfähigkeiten kaum beeinflusst. Wegen ihrer Echtzeitfähigkeit und der großen Vielfalt von Möglichkeiten zur Gestaltung von Sensoren sind sie daher für die Lösung der beschriebenen Messaufgaben bestens geeignet.

Vor diesem Hintergrund bildeten die von der hf sensor GmbH hergestellten Mikrowellen-Feuchtemessgeräte der MOIST-Serie den Ausgangspunkt für die Entwicklung verschiedener Applikatoren zur Wassergehaltsbestimmung in Böden und Gesteinen. Durch die gewählte Messanordnungen wird eine gute Einkopplung in das Material und die Erfassung verschieden großer Messvolumina (zwischen 20 cm³ und 100 l) erreicht. Durch die großen Messvolumina wird sichergestellt, dass über auftretende Materialinhomogenitäten durch das Messverfahren selbst ein Mittelwert gebildet werden kann.

Im Falle des Einstichapplikators MOIST BIO ermöglicht bereits die Einzelmessung repräsentative Aussagen zum Feuchtegehalt. Die Eindringtiefe liegt in einer Größenordnung von 30 bis 50 cm radial, die erzielbare Tiefenauflösung zwischen 5 cm und 10 cm. Die Messung erfolgt durch Einstechen des Messkopfs oder über das Einbringen in ein auf den Sensor abgestimmtes Führungsrohr. Das Führungsrohr kann für mehrfache Messungen an der zu überwachenden Stelle belassen werden. In diesem Fall wird es mit einer Verschlusskappe abgedeckt. In Kombination mit dem Handheld MOIST 200 können zu einzelnen Messorten zuzuordnende Tiefenprofile bereits als Profil im Messgerät abgespeichert werden.

Bodenfeuchtemessungen in den oberen Schichten sind auch vorstellbar mit dem Volumensensor MOIST P, der je nach Bodenart und Feuchte eine Eindringtiefe von 20 bis 30 cm ermöglicht. Die Möglichkeit des Einsatzes von MOIST P sollte allerdings zunächst in einem Beratungsgespräch geklärt werden.

Für den Einsatz von Feuchtemessgeräten zur Bodenfeuchtebestimmung gibt es viele Anwendungsmöglichkeiten. Die Bewässerungssteuerung im Freiland erfolgt heute vor allem durch Bilanzierung des Bodenwassergehaltes mittels klimatischer Wasserbilanz (korrigiert durch vegetationsspezifische Kennwerte) und gelegentliche Messung der aktuellen Bodenfeuchte. Jedoch lassen sich auf diese Weise z. B. kaum Aussagen zu Wassertransportvorgängen im Boden machen. Für die zyklische oder kontinuierliche Erfassung von Bodenfeuchtewerten besteht daher in solchen Anwendungen großes Potential.

Der Feuchteüberwachung von Deponien und Deponieabdeckungen bekommt im Zusammenhang mit der Deponieverordnung, die ab 2005 wirken soll, eine wachsende Bedeutung zu. Hierfür können auch Meßsysteme in den oben beschriebenen oder anderen Konfigurationen genutzt werden. Bei vielen tonmineralischen Deponieabdeckungen dürfen bestimmte Feuchtegehalte nicht unterschritten werden, da diese Mineralien ansonsten irreversibel schrumpfen können und daher Risse bekommen, durch die Wasser von außen eindringen kann. In anderen Fällen müssen derartige Abdichtungen gasdicht ausgeführt sein, um das Ausgasen z. B. radioaktiver Gase zu vermeiden, was wiederum an bestimmte Mindestwassergehalte geknüpft ist.

Bei der biologischen Bodensanierung spielt der Bodenwassergehalt eine wesentliche Rolle. Von ihm ist abhängig, in welchem Milieu sich die für die Sanierung eingesetzten Mikroorganismen entwickeln können und welchen Erfolg die Sanierung haben kann.

Die Ermittlung des Feuchtegehalts in Deichen und Dämmen bekommt vor allem durch die Flutereignisse des Jahres 2002 eine neue Wichtung.

In Zukunft größere Bedeutung erlangen werden darüber hinaus auch Methoden, die es gestatten, den Wassergehalt nicht nur punktuell bzw. als Tiefenprofil von einem Messort, sondern flächenhaft an vielen Messpunkten zu ermitteln. Die auf diese Art aufgenommenen Feuchteverteilungen haben eine wesentlich höhere Aussagekraft als punktuelle Messungen.