DD285839A5 - Vorrichtung und verfahren zur sondierung der leitfaehigkeitskoeffizienten von boeden nach dem piezometerprinzip - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Sondierung der Leitfaehigkeitskoeffizienten von Boeden nach dem Piezometerprinzip fuer den gesaettigten und angrenzenden ungesaettigten Bereich mit dem Ziel, die mit dem Boden ausgetauschte Wassermenge unabhaengig von der Differenz zwischen Bodenwasserdruck und Innendruck des Meszsystems waehlen zu koennen. Dazu wird eine Vorrichtung eingesetzt, die aus einem vollstaendig mit Wasser gefuelltem Sondenrohr, einem zwischen einer kegelfoermigen Spitze und dem unteren Ende des Sondenrohres befindlichen offenporigen Filterelement aus einem Sintermetall, einem Drucksensor, einem Zusatzwasservolumen sowie einem Regulierungselement fuer die ausgetauschte Wassermenge besteht. Die Erfindung kann vor allem im Bereich der Landwirtschaft und des Bauwesens zur Erkundung von Standorteigenschaften Anwendung finden.{Leitfaehigkeitskoeffizient; Piezometer; Boden; Bodenwasserdruck; Druckausgleich; Sintermetall; Filterkoerper}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann zur Erkund jng von Standorteigenschaften im Bereich der Landwirtschaft und des Bauwesens, insbesondere der Wasserdurchlässigkeit von Böden, eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Wasserbewegung in Böden vollzieht sich in deren offenen Porensystem. Der Leitfähigkeitskoeffizient beschreibt dabei die Fähigkeit des Bodens, diesem Wassertransport zu ermöglichen. Der Leitfähigkeitskoeffizient sinkt mit dem Wassergehalt, da hierbei der Transport auf die Durchströmung feinerer Poren beschränkt wird.

Zur Kennzeichnung der Wasserbewegung im Boden muß daher der Leitfähigkeitskoeffizient als Funktion des Wassergehaltes bzw. der Saugspannung ermittelt werden. Genaue Messungen dieser Art können bisher nur an Bodenproben durchgeführt werden, die in ungestörter Form dem Untergrund entnommen wurden. Diese Verfahren sind sehr arbeitsintensiv und daher für eine großflächige Erkundung wenig geeignet.

Für eine Abschätzung der Leitfähigkeitskoeffizienten im Gelände werden daher vorzugsweise Piezometer eingesetzt. Bei diesen Geräten wird der Wasserspiegel in Rohren beobachtet, in deren Innenraum über das untere offene Ende das Bodenwasser eindringt und im Gleichgewicht bis zum Ruhewasserspiegel ansteigt. Für eine Abschätzung der Leitfähigkeitskoeffizienten wird dieser Wasserspiegel verändert und der anschließende Ausgleichsvorgang ausgewertet. Moderne Meßsysteme dieser Art erfassen die Anstiegzeit des Bodenwassers für mehrere vorgegebene Höhenstufen. Ein Mangel dieses Meßprinzipos besteht in der Kopplung zwischen der mit dem Boden ausgetauschten Wassermenge und der Änderung des statischen Wasserdruckes in dem Piezometerrohr. Bei vorgegebener Druckänderung ist die auszutauschende Wassermenge stets vorgegeben. Je nach den vorliegenden Leitfähigkeitskocffizienten der Böden können die sich einstellenden Meßzeiten daher extreme Werte annehmen. Dieses Meßprinzip ist auf den gesättigten Bereich für das Bodenwasser beschränkt. Für Messungen in Zeitperioden mit geringerer Bodenfeuchte oder für Böden im ungesättigten Bereich wird die Umkehrung des beschriebenen Prinzipes durch eine Infiltrationsmethode (Permeamoter) verwendet, für die die Feststellungen zum Zeitaufwand und zu den Nachteilen sinngemäß gelten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren mit der der Leitfähigkeitskoeffizient des Bodens im ungesättigten und gesättigten Bereich mit minimalem Aufwand bei geringer Meßzeit sondiert werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe dor (if findung besteht in einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Sondierung des Leitfähigkeitskoeffizienten von Böden nach dem Pieiometerprinzip, bei dem die zwischen dem Roden und der Meßeinrichtung ausgetauschte Wassermenge

unabhängig von der anliegenden Druckdifferenz entsprechend der erwarteten Leitfähigkeitskoeffizienten gewählt werden

Erfindungsgem.'iß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein vollständig mit Wasser gefülltes Sondenrohr zwischen seinem

unteren Ende und einer eingeschraubten Spitze einen nffenporigen Filterkörper enthält. Mich dem Eindrücken der Sondo in den

Bodon erfolgt über den Fillorkörper eine Wasserströmung bis zum Druckausgleich mit dom Bodonwassor.

Ein Drucksensor im Wasservolumen des Sondenrohres erfaßt den anliegenden statischen Druck, Nach der Ausbildung des Druckgleichgewichtes wird über ein Regulierungselement am Kopf des Sondenrohres ein mi*. Luft unter Atmosphärendruck gefülltes Zusatzvolumen V₀ zum Zeitpunkt t_t. angeschlossen. Gleichzeitig wird eine Vorrichtung zur Druckaufzeichnu ng gestartet, die den Druckverlauf bis zur erneuten Ausbildung des Gleichgewichtes zwischen Sodenwasrerdruck und statischem Druck im Sondenrohr registriert.

Die Größe des Zusatzvoiumens bestimmt die zwischen dem Meßsystem und dem Boden ausgetauschte Wassermenge. Aus dem Druck-Zeit-Verlauf, dem Zusatzvolumen Vo und Je-n bekannten Leitfähigkeitskoeffizienten für den Filterkörper kann der Leitfähigkeitskoeffizient für das Bodenvolumen in der Umgebung der Sondenspitze ermittelt werden.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 die Vorrichtung zur Sondierung

der Leitfähigkeitskoeffizienten.

Ein vollständig mit Wasser gefülltes Sondenrohr 1 enthält zwischen seinem unteren Ende und einer eingeschraubten Spitze 3

einen offenporigen Filterkörper 2, durch den bei Kontakt mit dem zu prüfenden Boden eine Wasserströmung bis zum

Druckausgleich mit dem Bodenwasser erfolgt. Ein Drucksensor 4 im Wasservolumen des Sondenrohres 1 erfaßt den

anlegenden statischen Druck. Nach der Ausbildung des Druckgleichgewichtes wird über einen Hahn 5 am Kopf des

F jndenrohres 1 ein mit Luft unter Atmosphärendruck gefülltes Zusatzvolumen V₀ zum Zeitpunkt t_o angeschlossen. Gleichzeitig

wird eine Vorrichtung zur Druckaufzeichnung gestartet, die den Druckverlauf bis zur erneuten Ausbildung des Gleichgewichtes ι vlechen Bodenwasserdruck und statischem Druck im Sondenrohr 1 registriert. Die Größe des Zusatzvolumens V₉ bestimmt die zwischen dem Meßsystem und dem Boden ausgetauschte Wassermonge.

Aus dem Druck-Zeit-Verlauf, dem Zusatzvolumen Vo und dem bekannten Leitfähigkeitskoeffizienten für den Filterkörper 2 kann

der Leitfähigkeitskoeffizient für das Bodenvolumen in der Umgebung der Sonderspitze 3 ermittelt werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung wird stets der Leitfähigkeitskoeffizient der Kombination aus Filterkörper 2 und dem

angrenzenden Bodenvolumen gemessen. Der Betrag des Filterkörpers 2 kann mit ausreichender Genauigkeit abgetrennt werden, solange ein Leitfähigkeitskoeffizient den des zu untersuchenden Bodenvolumens nicht wesentlich unterschreitet. Diese

Forderung wird durch dünnwandige Filterkörper mit möglichst weiten Poren in großer Anzahl gut erfüllt. Die maximale Saugspannung bis zu der diese Vorrichtung angewandt werden kann, wird durch den kapillaren Schließdruck des Filters begrenzt, bei dem eine Belüftung des Sondenrohres 1 einsetzt. Daher erfordern Messungen bei hohen Saugspannungen Filterkörper 2 mit engen Poren. Diese gegensätzlichen Forderungen für den ungesättigten Bereich des Bodenwassers können mit einem Satz auswechselbarer Filterkörper 2 mit abgestufter Porengröße berücksichtigt werden. Diese dünnwandigen Filterkörper 2 mit weitgehend

homogener Porongröße werden aus nahezu kugelförmigen Metallteilchen einheitlicher Körnung im Sinterverfahren hergestellt.

Mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 kann mit einem Filterkörper 2 der Körnung 40 um der Leitfähigkeitskoeffizient bis etwa 1 m/d

(Meter pro Tag) und einer Saugspannung des Bodens von 16kPa bestimmt werden. Im gesättigten Bereich wird stets ein offenporiger Filterkörper 2 der Körnung 100 um verwendet, mit dem Leitfähigkeitskoeffizienten bis etwa 4 m/d ermittelt werden können.

Im Ausführungsbeispiel wird als Drucksensor 4 ein piezoresistiver Druckaufnehmer eingesetzt, der eine vernachlässigbare Änderung seines Eigenvol'jmens bei einer Druckänderung zeigt. Die zwischend dem Meßsystem und dem Bodenvolumen

ausgetauschte Wassermenge wird daher allein durch das angeschlossene Zusatzvolumen V₀ bestimmt.

Der Druck-Zeit-Verlauf am Drucksensor 4 wird im Ausführungsbeispiel von einem Mikrorechner registriert. Nach Eingabe der Geräteparameter Zusatzvolumen V₀ und Leitfähigkeitskoeffizient des gewählten Filterkörpers 2 wird mit dem gleichen Rechner

der Leitfähigkeitskoeffizient des Bodenvolumens als Funktion der Saugspannung ermittelt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Sondierung der Leitfähigkeitskoeffizienten von Böden nach dem Piezometerprinzip, gekennzeichnet dadurch, daß ein vollständig mit Wasser gefülltes Sondenrohr (1) zwischen einer kegelförmigen Spitze (3) und einem Ende des Sondenrohres (1) einen offenporigen Filterkörper (2) enthält, der den Kontakt zwischen dem Wasservolumen im Sondenrohr (1) und dem zu untersuchenden Bodenkörper herstellt.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als offenporiger Filterkörper (2) ein Sintermetall verwendet wird, das aus nahezu kugelförmigen Partikeln einheitlicher Korngröße gebildet wird und dessen Leitfähigkeitskoeffizient den des zu untersuchenden Bodens höchstens um einen Faktor 5 unterschreitet.

3. Verfahren zur Sondierung der Leitfähigkeitskoeffizienten von Böden nach dem Piezometerprinzip, gekennzeichnet dadurch, daß nach Ausbildung des Gleichgewichtes zwischen Bodenwasserdruck und Innendruck des Sondenrohres (1) ein mit Luft unter Atmosphärendruck gefülltes Zusatzvolumen V₀ an das Innenvolumen des Sondenrohres (1) angeschlossen wird und die vom Zeitpunkt dieses Anschlusses erfolgende Druckänderung a!s Funktion der Zeit registriert wird.