Grundlagen der Lysimetrie

Ursprünglich wurde mit Lysimetern nur Sickerwasser gemessen. Dank modernster Technik sind UMS-Lysimeter heute Präzisionswerkzeuge für viele Aufgaben im Umweltmonitoring – ob in der Klimaforschung, der Wasserwirtschaft, der Agronomie oder der Altlastenbewertung.

Vom einfachen Messgerät zum hochentwickelten Analysesystem

Moderne UMS-Lysimeter – oder Lysimeter der dritten Generation – berücksichtigen die hydraulischen und thermischen Bedingungen des Freilands. Sie können dank ausgefeilter Sensoren und Probenahmeeinrichtungen, Steuer-, Mess- und Regelungstechnik die reale Feld­situation aufnehmen.

Bodenwasser ist der entscheidende Parameter für Massebilanzen. Geht es Ihnen um die Bestimmung von Grundwasserneubildung, Stofftransport, oder Metabolismenforschung ist es von besonderer Bedeutung, dass in Lysimetern ein feldidentisches Wasserregime herrscht.

Geht es um Klimaforschung oder mikrobielle Aktivitäten, bieten moderne Lysimeter thermodynamische Vergleichbarkeit.

Bei vielen Studien sind beide Aspekte wichtig, neben anderen wie

  • der feldtypischen Bewirtschaftung,
  • der Berücksichtigung von Schneedecken im Winterbetrieb

oder

  • der hohen Stoffumsetzung bei der Schneeschmelze.

Ob Sie in der Bodenkunde, der Klimaforschung, der Wasserwirtschaft, der Agrarforschung oder der Altlastenbewertung tätig sind, moderne UMS-Lysimeter können Ihnen hier entscheidende Messergebnisse liefern.

Heute stehen hochpräzise Sensoren zur Verfügung, die z. B. Details des Niederschlagseintrags wie Tau oder Reif messbar machen.
Hochauflösende Datenlogger speichern Einzelwerte in kurzen Intervallen über lange Zeiträume. Dadurch werden Details der ablaufenden Prozesse, Stoffumsetzung und Verlagerung sichtbar.
Die Messdaten werden vom Logger direkt auf Daten­trägern gespeichert. Selbstverständlich lassen sie sich auch über Ethernet in Netzwerke oder via GSM oder GPRS auf Server/Webserver übertragen.
So können Sie z.B. Messdaten vieler UMS-Lysimeteranlagen zusammenfassen, die damit einem Forschungsnetzwerk als gemeinsame, belastbare Datenbasis zur Verfügung stehen.

Philippe de La Hire (1640-1718), Lysimeterkonstrukteur, bekannt durch Nivellements in Versailles
Coshocton-Lysimeter von 1937: Innovative Technik ermöglichte schon damals die Bestimmung der Wasserbilanz und die Auswaschung von Substanzen ins Grundwasser.
Coshocton-Lysimeter von 1937: Innovative Technik ermöglichte schon damals die Bestimmung der Wasserbilanz und die Auswaschung von Substanzen ins Grundwasser.

Wasser- und Stoffbilanzen

UMS-Lysimeter liefern präzise Messdaten und ermöglichen so fundierte Einblicke in die „Black-Box“ Boden. Mit hochgenauen Wägesystemen ausgestattet sind sie moderne Werkzeuge für Studien, mit denen Bodenwasser und Stofftransport unter feldidentischen Bedingungen exakt erfasst werden können.

Die Präzisionswägung ermöglicht neue Anwendungen

Die Kenntnis der Wasserflüsse ist Grundlage aller Bodenwasserstudien und Stoffbilanzen.
Mit Präzisionswägesystemen ausgestattete UMS-Lysimeter messen Wasserflüsse im Boden durch Wiegen und Bilanzieren von Wassereintrag und - austrag über die Zeit. Diese moderne Technik ermöglicht es Ihnen, eine Masse von bis zu 6000 kg auf 100 g genau zu messen und auf 10 g aufzulösen. Dies entspricht einer Niederschlagshöhe von 0,1 mm beziehungsweise 0,01 mm bei einer Lysimeteroberfläche von einem Quadratmeter und 2 Metern Höhe.
Damit eignen sich UMS-Lysimeter hervorragend zur Messung aller Niederschlagsformen wie Regen, Tau, Reif und Schnee. Die Niederschläge werden dabei genau so gemessen, wie sie im umgebenden Feld auch anfallen - direkt an der Bodenoberfläche.
 
Sie sind überdies moderne Werkzeuge für ökosystemare Studien, bei denen die Bodenwasserdynamik eine Rolle spielt.
 
Und weil parallel zur Lysimetermasse der Sickerwasseraustrag grammgenau gewogen wird, können Sie mit UMS-Lysimetern auch Modelle zur Grundwasser-Neubildung kalibrieren.
 
Schließlich können Sie mit UMS-Lysimetern Prognosen zum Klimawandel mit Messdaten absichern wie z.B. im Projekt TERENO-SoilCan. Hier werden Bodensäulen für Lysimeter an verschiedenen Orten gestochen, und an Orten unter anderen, neuen klimatischen Verhältnissen beobachtet. Der Mesokosmos aus Boden, Pflanzen und Mikroorganismen im Lysimeter wird also einem natürlichen, aber veränderten Klima ausgesetzt.

Bodenwasser und die Input- und Outputparameter der Wasser- und Stoffbilanz
Bodenwasser und die Input- und Outputparameter der Wasser- und Stoffbilanz

Know-How zum Stechen der Bodensäule

Um aussagekräftige Messergebnisse für ein Feld, ein Einzugsgebiet oder eine Region zu erhalten, benötigt man repräsentative Standorte. So muss im Vorfeld der Stechort sorgfältig ausgewählt und die Bodenansprache vorgenommen werden. Weist das Bodenprofil Sperrschichten, Tonlinsen oder extreme Skeletthorizonte auf, dann sollte der Stechort neu gewählt werden. Anderenfalls müssen diese Besonderheiten in das Konzept eingehen und bei der Dateninterpretation entsprechend berücksichtigt werden. Ebenso wichtig ist das Stechverfahren um den Lysimeterboden zu gewinnen.

Qualitätssicherung beim UMS-Stechverfahren

Die zylindrische Bodensäule wird beim UMS-Verfahren präzise geführt und  kontrolliert gestochen. Damit werden zuverlässig Randspalten und Risse, Grundbruch und Randverdichtung sowie unnötige Belüftung verhindert. Da Böden grundverschieden sein können, ist Erfahrung im Stechen der Bodensäule unerlässlich. Wir haben in den letzten 20 Jahrenmehr als 400 Bodensäulen weltweit gestochen: Ob in typischen Ackerbauregionen, Permafrost, Wald, Schotterebenen oder alpinen Standorten, - ob in Mittel- und Osteuropa oder in China.

Hier nur einige Beispiele, die entscheidenden Einfluss auf die die Qualität Ihrer zukünftig zu gewinnenden Messdaten haben:

  • Wir stechen von Hand oder mit dem Bagger vor, um erkennen zu können, ob Steine, Wurzeln, Hohlräume oder andere Störungen ein Eingreifen erfordern.
  • Wir kontrollieren permanent die Schnittbedingungen zur Qualitätssicherung.
  • Wir stechen exakt lotrecht (durch Gebrauchsmuster geschütztes UMS-Verfahren).
  • Wir verwenden neu entwickelte Schneidaufsatzringe mit Schneidkanten aus Spezialstahl mit Minimalreibung (vermeiden konstruktionsbedingt eine Bodenverdichtung in der Bodensäule).
  • Wir entfernen von Hand Steine oder Wurzeln an der Schnittkante, damit diese keine Hohlräume oder Hohlriefen in der Bodensäule verursachen können.

Sicheres und präzises Abscheren der Bodensäule

Dies erfolgt durch polierte Scherplatten. Eine spezielle Schneidengeometrie und der hydraulische Vortrieb ermöglichen eine rationelle und exakte Arbeitsweise.

Hebe- und Wendverfahren für optimalen Schutz der Bodensäule

Ist die Bodensäule gestochen und abgeschert, wird sie angehoben und gewendet. Das UMS-Verfahren bietet hier gleich vier Vorteile:

  1. Durch die schwerpunktnahe, gleichmäßige Krafteinleitung verformt sich der UMS-Lysimeterzylinder nicht. Die Bodensäule liegt stabil und verformungsfrei darin.
  2. Der Lysimeterzylinder wird beim Anheben praktisch nicht verformt, weil die einwirkenden Lastmomente durch die über Lastverteilungpflaster angeschweißten, kurzenHebebolzen auf ein Minimum reduziert sind.
  3. Durch die runden Hebebolzen kann der Lysimeterzylinder auf einfachste Weise kontinuierlich und sicher gewendet werden. Sie sparen Kosten durch den minimalen Installationsaufwand und halten den Wartungsaufwand bei Hebearbeiten gering.
  4. Die Bodensäule wird durch sicheres und einfaches Handling geschützt. Mit der UMS-Hebe- und Wendetechnik wird eine Verformung der Bodensäule und damit die Bildung von Randspalten zuverlässig vermieden – ein wesentliches Qualitätskriterium für die Gewinnung belastbarer Daten.
  5. Unsere gefüllten Lysimeter werden auf speziellen, luftgefederten LKWs transportiert, damit die Bodensäule ungestört erhalten bleibt. Zur Qualitätssicherung wird die Höhe der Bodensäule kontrolliert.
Stechen des weltweit größten Einzellysimeters in Chile
Präzises Abscheren der Bodensäule
Das einzigartige UMS Hebe- und Wendeverfahren

Die Erfinder des feldidentischen Bodenwasserregime

Häufiger Kritikpunkt an Lysimetern war die fehlende Übertragbarkeit der Messergebnisse auf das Feld, weil das Wasser­regime im Lysimeter nicht mit dem Feld übereinstimmte.
Bei herkömmlichen Schwerkraftlysimetern tritt an der Unterkante das freidränende Sickerwasser aus. Im Gegensatz dazu herrschen im Feld variable Matrixdruckpotentiale, die die treibende Kraft von Wasserflüssen sind.
Das führt dazu, dass in Regen- oder Feuchtperioden das Bodenwasser im Feld in Richtung tiefer liegendes Grund­wasser „gesaugt“ wird. Im Lysimeter findet dieser Fluss nicht statt, weil an der Lysimeterunterseite Nullpotential anliegt.
Die Folge: Das Lysimeter bleibt feuchter als das Feld.
In trockenen Perioden findet im Feld – je nach Boden mehr oder weniger - Kapillaraufstieg statt. Im herkömmlichen Lysimeter dagegen nicht. Die Folge: Das Lysimeter wird trockener als das Feld.
Dieses Problem wurde bei UMS-Lysimetern dadurch gelöst, dass das Matrixpotential im Lysimeter über der Boden­platte und auf gleicher Tiefe im Feld gemessen und verglichen wird. Ist das UMS-Lysimeter feuchter, wird über einen flächigen Saugkerzenrechen Wasser abgesaugt.
Ist das UMS-Lysimeter trockener, wird Wasser eingespeist. Dieses geschützte Verfahren wird seit 2004 in allen UMS-Lysimetern erfolgreich eingesetzt.

Präzisionswägung für verlässliche Messbilanzen

Messen kleiner Veränderungen an großen Massen unter feldidentischen Bedingungen: Diese innovative Technik macht UMS-Lysimeter so wertvoll.

Bei einem UMS-Lysimeter bedeutet das:

  • Wir messen die Bodensäulenmasse auf 100 Gramm genau. Dies entspricht einer Niederschlagshöhe/Wassersäule von 0,1 mm. Die Auflösung beträgt sogar 10 g, entsprechend 0,01 mm Niederschlag.
  • Sickerwasser messen wir auf 10 g genau.

Das Präzisionswägesystem im UMS-Lysimeter ermöglicht die hochgenaue Messung der Massezu- oder -abnahme im Lysimeter, so dass Sie die Wasserhaushaltsparameter Regen, Tau, Schnee, Reif und Verdunstung mit höchster Auflösung messen können. Schon die ersten UMS-Lysimeter wurden auf drei Wägezellen gestellt. Damit minimieren sich Messfehler durch Lastverschiebungen bei Wind und der statistische Messfehler verringert sich. Die Wägezellen selbst sind von höchster Genauigkeit, hermetisch versiegelt und ebenfalls aus langzeitstabilem Edelstahl hergestellt. Die Sickerwassermessung ist noch genauer, da das Sicker­wasser in einem separaten Tank gewogen wird.
Das neue Wägeverfahren ermöglicht präzise, querkraftfreie Messung.
Darüber hinaus gehen Austausch und Kalibrierung von Wägezellen einfach und schnell.

Feldidentische Temperaturdynamik

Alle chemischen und mikrobiellen Prozesse sind temperaturabhängig, hydraulische ebenfalls. Daher haben wir bei der Konstruktion größten Wert darauf gelegt, dass die Feldtempe­raturdynamiken bestmöglich auf das Lysimeter übertragen werden.
Die Gehäusung ist deshalb aus porösem Beton hergestellt, die über die Verdunstungsenthalpie das thermische Gleichgewicht zwischen Lysimeterboden und umgebenden Boden herstellt – von der Bodenoberfläche bis zur Lysimeterunterseite. Die Unterseite selbst verfügt über ein hochwärmeleitfähiges Thermotransmittersystem.
Damit wird die Wärmeübertragung, die beim herkömm­lichen Lysimeter unterbrochen ist, sichergestellt.

Die Abdichtung des Ringspaltes

Die Abdichtung des Ringspaltes vom Lysimeterzylinder zum Kragen der Gehäusung verhindert zuverlässig das Eindringen von Regen- oder Schmelzwasser und Steinen, was früher zu Fehlmessungen führen konnte.
Auch eine thermisch bedingte Luftzirkulation wird so unterbunden. Die seit 15 Jahren eingesetzte Dichtung wurde in den letzten Jahren optimiert, wodurch nun auch die Wäge­präzision erhalten bleibt.

Schnee – ein Störfaktor?

Schnee und Schmelzvorgänge können nicht nur in alpinen Lagen relevant sein. Mit UMS-Lysimetern lässt sich über die Gewichtskraft das Wasseräquivalent der Schneedecke und der Schneedeckenbildung direkt messen. Dies wird erreicht durch ein spezielles Rotationstrennverfahren, mit dem die Schneedecke auf dem UMS-Lysimeter vom umgebenden Boden getrennt wird. Dieser minimale Spalt macht das Lysimeter wieder wägbar, ohne die Schnei- oder Tauprozesse maßgeblich zu beeinflussen.

Servicefreundlichkeit und einfacher Austausch von
Sensoren

Damit Sie Sensoren ohne Heben eines UMS-Lysimeters ausgetauschen können, verfügt der verjüngende Kragen über eine Serviceluke. Die Präzisionswägezellen werden nicht mehr unter dem Lysimeter angeordnet, sondern sind seitlich eingehängt. Damit können sie ebenfalls mit wenigen Handgriffen ausgetauscht werden.

Werkstoffauswahl und -bearbeitung für Langzeitmonitoring sichert wertstabile Investitionen

UMS-Lysimetergefäße bestehen aus Spezial-Edelstahl und werden nur von ausgebildeten Metallfacharbeitern mit "Großem Schweißnachweis" hergestellt. Die Qualitätssicherung prüft neben den engen Fertigungstoleranzen auch die passivierten Schweißnähte. Die statisch geprüfte Konstruktion und Dimensionierung hat sich über viele Jahre bewährt und garantiert Ihnen eine langjährige universelle Nutzung als Freilandmesssystem für verschie­den­ste Forschungsziele.
UMS-Lysimeter werden in Betonbrunnenringen untergebracht. Diese haben eine zum Boden vergleichbare Wärmeübertragung und halten geodynamischen Drücken hervorragend stand. Sie sind damit über Jahrzehnte hinweg bestens verformungsstabil – eine sichere Basis für langjähriges, hochpräzises Wiegen.

Steuerrung des feldidentischen Bodenwasserregime über einen Saugrechen
Präzisionswägezellen mit Temperaturkompensation
Vollständig von Feldboden umschlossen erhalten die Lysimeter ein feldidentisches Temperaturprofil
Aufgezogene Dichtlippe und Lysimeterkragen
Schachtinstalltion für den servicefreundlichen Betrieb einer Lysimeteranlage