Im Vergleich: Bodenfeuchtesensoren für Bewässerung

Außerdem sollte untersucht werden, inwieweit die Ergebnisse der Untersuchung für die Nutzung und Steuerung von automatischen Bewässerungsanlagen relevant sind. Um dies unter realen Bedingungen untersuchen zu können, wurden im Lehr- und Forschungsgarten verschiedenen Sensoren in unterschiedlicher Tiefe in den sechs Versuchsgärten des Lehr- und Forschungsgartens im Boden eingebaut. Folgende Messmethoden wurden miteinander verglichen: Tensiometer, Water Mark Sensoren, Time Domain Reflectometrie (TDR) Sonden, Frequency Domain Reflectometrie (FDR) Sonden und eine labortechnische Ermittlung. Im Folgenden werden die Sensoren und deren Funktionsweise erläutert Anschließend erfolgt eine Betrachtung in Verbindung mit einer Interpretation der erhobenen Daten.

Tensiometer

Mit einem Tensiometer lässt sich der Wassergehalt des Bodens ermitteln, indem das Matrixwasserpotenzials durch die gemessen Saugspannung ermittelt wird. Das Tensiometer besteht aus einem mit Wasser gefüllten Kunststoffrohr mit einer porösen Spitze. Diese Keramik- oder Tonspitze wird in der entsprechenden Messtiefe in den Boden oder das Substrat eingegraben (besser eingeschlemmt) und gibt, bei fallendem Bodenwassergehalt, das Wasser aus dem Tensiometer durch die wasserdurchlässige Spitze an den anliegenden Boden ab, bis der Wassergehalt wieder ausgeglichen ist. Am anderen Ende des Kunststoffrohres befindet sich ein analoges oder digitales Vakuummeter, welches den durch die Wasserabgabe entstandenen Unterdruck im Kunststoffrohr anzeigt.

WM-Sensoren

Der Water Mark Sensor beruht auf der Funktionsweise der Gipsblock-Methode. Bei der Gipsblock-Methode sind Elektroden in einem Gipsblock eingebaut und mit einem Auslesegerät verbunden. Das Messgerät zeigt den elektrischen Widerstand an, dieser ist vom Feuchtegehalt abhängig. Im Vergleich zu den Gipsblöcken arbeiten Water Mark Sensor mit Gewebeschichten, die in Gips getaucht sind. Sie messen ebenfalls die Leitfähigkeit des Bodens. Die Water Mark Sensoren werden in der gewünschten Messtiefe im Boden vergraben, ein Bodenschluss ist für eine genaue Messung, wie bei den Tensiometern, erforderlich.

Time Domain Reflectometrie (TDR) Sensor

Die TDR-Sonde misst den volumetrischen Wassergehalt mit Hilfe der Messung der Langzeitmessung des reflektierten elektrischen Signals. Das Messgerät TDR 350 verfügt über die Möglichkeit, drei verschiedene Bodentypen für die Messung einzustellen. Es können die Modi Standard, hoher Tongehalt und Sand ausgewählt werden. Nach der Gebrauchsanweisung kann der Bodentyp "Standard" für unterschiedliche Bodentypen verwendet werden. Böden mit einem Tongehalt >27 Prozent müssen auf den Bodentyp "hoher Tongehalt" eingestellt werden. Die Einstellung des Bodentyps "Sand" erfolgt für sandige Standorte oder Rasenflächen. Zudem kann die TDR-Sonde mit Sonden unterschiedlicher Länge ausgestattet werden. Die Länge der Sonden reicht von 3 cm bis circa 21 cm (vgl. Spectrum Technologies (Hrsg.): 2019 S. 3–21).

Requency Domain Reflectometrie (FDR) Sensor

Das verwendete Bodenfeuchtemessgerät SWM 5000 basiert auf der FDR-Technologie und verwenden die Kalibrierungsfunktion nach Topp und Davis (1980), gleichzeitig wird die Temperatur und der Salzgehalt in der Kalibrierungsfunktion mit einbezogen. Die FDR- und die TDR-Sonden ermitteln den Wassergehalt eines Bodens indirekt, mit Hilfe der relativen Dielektrizitätszahl. Dabei wird der Vorteil genutzt, dass die relative Dielektrizitätszahl von Wasser mit einem Wert von ~80 deutlich höher ist, als die der anderen Bodenbestandteile (Bodenfeststoffe ~4 und Bodenluft ~1 (vgl. Gaskin et al.: 1996, S. 153).

Bohrstockprobe

Die Bodenproben, die mit dem Bohrstock an den Untersuchungsstellen in den entsprechenden Bodentiefen entnommen wurden, dienen als Referenz für die mit den Bodenfeuchtesensoren durchgeführten Untersuchungen. Mit Hilfe der entnommenen Bodenproben wurde jeweils der volumetrische Wassergehalt der Probe bestimmt. So war es möglich, die Ergebnisse der verschiedenen Sonden untereinander und mit dem volumetrischen Wassergehalt zu vergleichen.

Vergleich der Messdaten

Alle erhobenen Daten wurden digital erfasst und statistisch ausgewertet. Für einen direkten Vergleich wurden alle Messwerte in die Einheit Vol.-% umgerechnet und mit dem Median und der Spannweite verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen Datenmengen und ersten Ergebnisse wurden für die Auswertung fünf verschiedene Vergleichsmodelle entwickelt. Im Folgenden Text wird beispielhaft die Auswertung der FDR-Sonden, der TDR-Sonde, der Water Mark Sensoren und der Tensiometer mit den Daten der Bohrstockproben gegenübergestellt. Die Gesamte Auswertung zeigte, dass die FDR-Sonde häufiger zu hohe Werte für die Bodenfeuchte lieferte, die TDR-Sensor, die Water Mark Sensoren und die Tensiometer lieferten genauere Werte im direkten Vergleich zur errechneten Wert auf Grundlage der Bohrstockprobe.

Vergleich 1: Bohrstock-Proben – FDR-Sonde

Im folgenden Vergleich wurden der gemessene Wassergehalt der Bodenproben (Laborbestimmung) direkt mit den Werten der FDR-Sonde verglichen. Abbildung 6 zeigt den Vergleich der Daten von Garten 2 am 09.08.2022 um 18:30 Uhr. Verglichen wurden die Daten der FDR-Sonde und die Borstock-Daten in der jeweils gleichen Beprobungstiefe. Die Daten wurden aus 15 cm, 25 cm, 30 cm und 40 cm Tiefe entnommen. Die Auswertung dieses Vergleichs zeigte, dass die Werte der FDR-Sonden deutlich höher sind als die der Bodenproben.

Vergleich 2: Bohrstock-Proben – TDR-Sonde

Im folgenden Vergleich wurden die gemessenen Wassergehalte der Bodenproben direkt mit den Werten der TDR-Sonde verglichen. Die Messergebnisse der TDR-Sonde waren sehr unterschiedlich. So wurden Ergebnisse mit geringer Abweichung ebenso ermittelt wie Ergebnisse mit hohen Abweichungen. Ein Zusammenhang oder eine mögliche Ursache dafür konnte jedoch nicht festgestellt werden.

Vergleich 3: Bohrstock-Proben – Water Mark Sensoren

Im Vergleich mit den Bohrstockproben wurden die gemessenen Wassergehalte der Bodenproben direkt mit den Werten der Water Mark Sensoren verglichen. Es fiel auf, dass die Sensoren im trockenen, nur gering bewässerten Garten 3 Werte liefern, die nur geringfügig von der Bohrstangenprobe abwichen (s. Abb. 9). Im Gegensatz dazu lieferten die in intensiv bewässerten Gärten installierten Sonden sehr unterschiedliche Werte. Dieser Befund spiegelte sich auch in der Datenauswertung der Tensiometer wieder. Diese zeigten auch in trockeneren Böden deutlich genauere Werte, als in feuchten bis nassen Böden (s. Abb. 10).

Fazit und Ausblick

Wie die statistische Auswertung gezeigt hat, lieferten die untersuchten Bodenfeuchtesensoren nicht immer die gewünschte Genauigkeit. Es wurde festgestellt, dass Tensiometer und Water Mark Sensoren nur träge auf wechselnde Bodenwassergehalte reagieren. Insbesondere bei der Messung von feuchten bis nassen Böden besteht Entwicklungspotenzial, so wurde festgestellt, dass die untersuchten Sensoren teilweise ungenaue Werte für Böden mit hohem Bodenwassergehalt messen. Sowohl die FDR- als auch die TDR-Messsysteme müssen in ihrer Kalibrierfunktion angepasst werden. Wünschenswert wäre eine automatische Anpassung der Kalibrierfunktion in Abhängigkeit von den einzugebenden Bodenparametern. Die Trägheit der Sensoren führt dazu, dass sie nur bedingt zur Unterstützung automatischer Bewässerungssysteme eingesetzt werden können, da für diesen Anwendungsbereich eine schnelle Erfassung der sich veränderten Bodenfeuchtigkeit notwendig ist.

Die Untersuchung zeigte außerdem, dass die Tensiometer im Vergleich zu den anderen Sensoren sehr wartungsintensiv war und dass die Erhebung der Werte ausschließlich durch das Ablesen vor Ort möglich war. Die anderen Sensoren der Untersuchung verfügten über die Möglichkeit die Daten digital und unabhängig zu erfassen.

Ebenfalls konnte festgestellt werden, dass die Sensoren, welche die Saugspannung messen, akkuratere Ergebnisse lieferten. Die Saugspannung als messbarer bodenphysikalischer Wert ist als Grundlage für eine Ermittlung des volumetrischen Wassergehalts der Untersuchung zu Folge gut geeignet. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass die Messung den volumetrischen Wassergehalten hohes Potential hat. Sensoren wie die FDR und die TDR Sonde messen den volumetrischen Wassergehalt in Vol.-%. Es besteht die Möglichkeit mit der Wasserspannungskurve den volumetrischen Wassergehalt zu ermitteln. Die Grundlage dafür sind Sensoren, die mit Hilfe der Saugspannung den Wassergehalt des Bodens messen. Die Saugspannung kann zum Beispiel mit Hilfe von Regressionsgleichungen nach Vereecken (1989) und der Gleichung nach van Genuchten (1980) in den volumetrischen Wassergehalt umgerechnet werden. Auf Basis von Bodenparametern kann so eine bodenspezifische Wasserspannungskurve errechnet werden. Die Grundlage für die Bestimmung des Bodenwassergehalts in Vol. % ist damit die Saugspannung.

Lehr- und Forschungsgarten an der Hochschule Geisenheim

Auf dem Gelände der Hochschule Geisenheim werden unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Thon seit 2020 im Lehr- und Forschungsgarten zukunftsorientierte und praxisrelevante Themen aus der Bautechnik der Landschaftsarchitektur gelehrt und erforscht. Die wesentlichen Themen-Schwerpunkt sind die "Adaption auf Auswirkungen des Klimawandels". In Zusammenarbeit mit Studierenden wurde neben wichtigen Grundlagen aus der Bautechnik der Landschaftsarchitektur im Rahmen der Lehrveranstaltung bereits einige Versuche umgesetzt. Der Lehr- und Forschungsgarten bildet einen wichtigen Grundstein für weitere geplante Projekte im Bereich der Bautechnik der Landschaftsarchitektur und wird auch weiterhin in Zusammenarbeit mit Studierenden umgesetzt. So kann auch zukünftig neben wichtigen Beiträgen für die Lehre und Forschung ein nachhaltiger und fachlicher Wissenstransfer im Bereich der Bautechnik in der Landschaftsarchitektur an und außerhalb der Hochschule Geisenheim geleistet werden.

Standort- und bedarfsgerechte Bewässerung – eine Antwort auf die Auswirkungen des Klimawandels

Für die Planung einer den jeweiligen Standortbedingungen angepassten Bewässerungsanlage ist das Verständnis der Abhängigkeiten zwischen dem Bewässerungsbedarf und der standortbezogenen Bewässerungsmenge einer der wichtigste Einflussfaktoren. Neben den Wettereinflüssen müssen sowohl das pflanzenverfügbare Wasser in Abhängigkeit der Bodeneigenschaften, der Wasseraufnahmefähigkeit durch die Pflanze, sowie ihres spezifischen Wasserbedarfes in den Untersuchungen berücksichtigt werden. Im Lehr- und Forschungsgarten werden neben der Analyse unterschiedlicher Bewässerungssysteme parallel verschiedene Sensoren zur Bodenfeuchtemessung, der Optimierung des Wassermanagements und auch BUS beziehungsweise GSM/WLAN-basierte Steuerungen für die Bewässerungstechnik untersucht.

Digitalisierung in der Landschaftsarchitektur nutzen

Moderne mobile Sensor-Systemen ermöglichen heute eine präzise, praxisnahe 3D-Datenerfassung der gebauten Umgebung. In der Landschaftsarchitektur ergeben sich durch diese mobile Datenerfassung neue Handlungsfelder zur Bestandsdokumentation und Planungsanpassungen. Zur Unterstützung von Design, Analyse und Management in der Planung und der Umsetzung, bieten diese Werkzeuge vielfältige neuartige Nutzungsmöglichkeiten. Wichtige Planungsinstrumente sind bereits die digitale Datenaufnahme, Referenzierung und die 3D-Modellierung in der Planungsmethode Building Information Modeling (BIM). Die aktuelle Entwicklungsdynamik in der Digitalisierung bietet auch in der Landschaftsarchitektur ein großes Entwicklungspotential. Durch die Simulation und Visualisierung stehen nützliche Werkzeuge zur Verfügung, die eine effiziente und effektive Zusammenarbeit aller an der Planung und Umsetzung Beteiligten ermöglicht.

Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) bieten die Chance zukünftig Planungs- und Arbeitsprozesse im Büro und unmittelbar auf der Baustelle zu vereinfachen. Durch VR-Brillen können Planungsvarianten im begehbaren virtuellen Raum den Bauherren gezeigt werden, durch AR werden zusätzliche Informationen mit dem realen Blick verbunden, um damit nicht sichtbares zu visualisieren. Hier ergeben sich große Chancen beim zum Beispiel Leitungsbau, aber auch der autonomen Baumaschinenführung. An der Hochschule Geisenheim wird im Rahmen einer Forschungsarbeit an der Entwicklung eines praxistauglichen digitalen (Hand)werkzeug gearbeitet.

Leistungsfähigkeit von versickerungsoffenen Pflasterflächen und Belastungstests mittels einer Starkregensimulationsanlage

Der Klimawandel bedingt unterschiedliche Anpassungsstrategien für Baukonstruktionen im Freiraum bei gleichzeitiger ökonomischer Betrachtungsweise. Die Regenperioden werden sich im jahreszeitlichen Wechsel weiter verschieben und die Intensität, als auch Anzahl von Starkregenereignissen werden weiter steigen. Mit der Entwicklung und dem Einsatz regen-wasserdurchlässiger Beläge können die Auswirkungen einer Versiegelung verringert beziehungsweise ausgeglichen werden. Es besteht dringender Bedarf die unterschiedlichen Standortbedingungen in Verbindung mit dynamischen Starkregenereignissen unter wissenschaftlichen Bedingungen testen zu können. Mit dem Bau einer Starkregensimulationsanlage werden unterschiedlichste Versuchsanordnungen getestet.

Forschungsthemen:

• Vergleich der Leistungsfähigkeit mir den bisher gesetzten Richtwerten (FGSV & DWA, Kostra)
• Entwicklung neuer Befestigungssysteme in Verbindung mit durchlässigen Pflasterbelägen
• Testreihen zur Funktionssicherheit entwickelter Pflasterbeläge in Verbindung mit unterschiedlichen Oberbauschichten
• Bis zu welcher Niederschlagsmenge bei welcher Neigung ist die Funktionalität unterschiedlicher begrünbarer Flächenbefestigungen noch gewährleistet?
• Wie verändert sich die Funktionalität unterschiedlicher Baustoffe/Baukonstruktionen über die Zeit?
• Wie können Belastungen durch Nutzung über den Lebenszyklus simuliert werden?