Keypoints
- Mit Online Bodenfeuchtemessdaten können hydrologische Modelle validiert, die Dürre-Vorhersage verbessert und Bewässerungsstrategien optimiert werden.
- Eine Erfassung von Bodenfeuchteprofilen ermöglicht die Beurteilung des Wassertransports durch den Boden.
- Internet-of-Things Funktechnologien erlauben eine schnelle und kostengünstige Datenübertragung von Feldstandorten.
Motivation
Die Bodenfeuchte ist eine der wichtigsten Größen in der Hydrologie und Landwirtschaft. Zuverlässige Messdaten werden zur Überprüfung hydrologischer Modellrechnungen benötigt. Auch die Dürrevorhersage hängt von einer genauen Kenntnis des Wassergehalts im Boden und seiner Verteilung über der Fläche und über der Tiefe ab. Noch bedeutender ist die Überwachung der Bodenfeuchte auf bewässerten Flächen, um möglichst sparsam mit den zur Verfügung stehenden Wasserressourcen umzugehen und nichts zu verschwenden. Bisher werden Bodenfeuchtemessungen noch nicht in dem erforderlichen Umfang durchgeführt, so dass eine Wissenslücke über die tatsächliche Menge, die Verteilung und den Transport des Wassers im Boden besteht. Klassische Bodenfeuchtesensoren sind meist Punktsensoren, die nur an einer Stelle den Wassergehalt bestimmen. Für die Erfassung eines Bodenfeuchteprofils wäre anstelle mehrerer Punktsensoren ein neuer Sensor ideal, der gleichzeitig in unterschiedlichen Tiefen den Wassergehalt bestimmen kann. Eine Kombination dieses tiefenauflösenden Sensors mit einer Funktechnologie zur Online Übertragung des Messdaten in das Internet würde genau den Bedarf von Hydrologie und Landwirtschaft erfüllen und ist somit wesentliches Ziel der Arbeiten.
Methoden
Im ersten Schritt wird der tiefenauflösende Bodenfeuchtesensor entwickelt. Die Messung beruht physikalisch auf den besonderen Eigenschaften des polaren Wassermoleküls, das sich in einem angelegten elektrischen Feld ausrichten kann. Diese Wechselwirkung wird mit elektrotechnischen Messverfahren erfasst und in einem Wassergehalt umgerechnet. Dazu müssen mit elektronischen Schaltungen u.a. Impulslaufzeiten im Pikosekundenbereich vermessen werden. Neben diesen Herausforderungen in der Elektronikentwicklung und Mikrocontrollersteuerung ist die Kalibrierung des neuen Sensors mit Referenzsensoren eine der Hauptaufgaben.
Die Umsetzung vom Laborprototyp in ein feldtaugliches Messgerät stellt den zweiten Schritt dar und bedarf einer robusten und langlebigen Konstruktion. Gleichzeitig soll eine Einbringtechnik entwickelt werden, mit der ein schneller und zuverlässiger Einbau des neuen Sensors in den Boden ermöglicht wird. Das Bodengefüge soll beim Einbau möglichst wenig gestört werden, um repräsentative Bodenfeuchteprofildaten zu erhalten. Für harte und trockene Böden werden geeignete Werkzeuge zum Vorstechen entwickelt.
Im dritten Schritt wird der neue Sensor durch eine funkbasierte Datenübertragung ergänzt. Dazu sollen Technologien aus dem Internet-of-Things Umfeld eingesetzt werden, wie LTE-M (Long Term Evolution for Machines). Damit wird eine kostengünstige Übertragung ins Internet auch von abgelegenden Feldstandorten angestrebt.
Eine weitere Fragestellung ist die optimale Messfeldkonfiguration, d.h. wie viele Sensoren sind auf einer Fläche zu installieren, um trotz der natürlichen Inhomogenität der Bodenfeuchte einen zuverlässigen Mittelwert zu erhalten. Dazu werden Referenzflächen instrumentiert und sowohl die örtliche als auch die zeitliche Variation der Bodenfeuchte ausgewertet. Die Ergebnisse werden in einen Leitfaden für das Online-Bodenfeuchtemonitoring einfließen. Damit soll es Anwendern ermöglicht werden Messsysteme einfach und schnell zu konzipieren.
Die Bodenfeuchteprofilsensorik soll ebenfalls für den Einsatz bei gesteuerten Drainagen ertüchtigt werden und dort die entscheidenden Informationen zum Wassergehalt in verschiedenen Tiefen und damit zur gespeicherten Wassermenge liefern.
