DE10106906A1 - Bodenplatte für Lysimeter sowie Verfahren zum Verschließen von Lysimetern mit einer Bodenplatte - Google Patents
Bodenplatte für Lysimeter sowie Verfahren zum Verschließen von Lysimetern mit einer BodenplatteInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bodenplatte 1 für Lysimeter sowie ein Verfahren zum Verschließen von Lysimetern mit einer Bodenplatte. DOLLAR A Die nach dem Stand der Technik bekannten Bodenplatten für Lysimeter sowie Verfahren zum Verschließen von Lysimetern, wie z. B. Siebbleche, führen zu einer Grenzschichtbildung zwischen Boden und Atmosphäre. Dadurch kommt es zu einer Sickerwasserstaubildung, die eine Verfälschung der natürlichen Bodenverhältnisse verursacht. Das Anlegen eines Unterdrucks, welches die Grenzschichtbildung verhindern würde, ist mit diesen Bodenplatten nicht möglich. Die Verwendung bekannter keramischer Materialien erlaubt zwar das Anlegen eines Unterdrucks, jedoch sind diese auf Grund mechanischer Instabilität nicht geeignet. DOLLAR A Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Bodenplatte 1 sowie des Verfahrens wird das Anlegen eines Unterdrucks zur Überwindung der Grenzschicht Boden/Atmosphäre möglich. DOLLAR A Auf Grund der Materialeigenschaft der Platte wird gleichzeitig auch eine stabile, bruchfeste Bodenplatte bereitgestellt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bodenplatte für Lysimeter
sowie ein Verfahren zum Verschließen von Lysimetern mit
einer Bodenplatte.
Durch menschliches Handeln werden zielgerichtet Dünger
und biozide Wirkstoffe (Landwirtschaft) angewandt, aber
auch diffus (Straßenverkehr, Industrieproduktion, Haus
halt) organische und anorganische Stoffe freigesetzt.
Mit dem Zeitpunkt ihrer Freisetzung wirken eine Viel
zahl von Prozessen auf den Verbleib dieser Stoffe in
der Umwelt ein. Zur Abschätzung eventueller Umweltrisi
ken dieser anthropogenen Stoffeinträge bedarf es umfas
sender Datensätze, die neben Einzelfallbetrachtungen
auch einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen. Dies ist
nur durch eine langfristig angelegte und ökosystemori
entierte Grundlagenforschung realisierbar. Auch der
Einsatz von Rechenmodellen zur Risikoabschätzung
anthropogener Stoffeinträge in die Umwelt setzt die Va
lidierung dieser mathematischen Ansätze auf der Basis
von vollständigen Datensätzen voraus.
Der Boden mit seinem nur sehr schwer charakterisierba
ren Humuspool sowie seine große räumliche Variabilität
hinsichtlich chemischer und physikalischer Parameter
stellt dabei eine sehr komplexe Matrix dar. Ein wichti
ges Hilfsmittel, um mit der Matrix Boden zu arbeiten,
ist der Einsatz radioaktiver Isotope für organische
Stoffe, vor allem das 14C-Kohlenstoff-Isotop. Die Tra
certechnik ermöglicht die Quantifizierung der gesamten
Rückstände im Boden, die Quantifizierung der gebunde
nen, nicht extrahierbaren Rückstände und zum Abschluß
eines Experimentes die Erstellung einer Bilanz der ein
gesetzten Testsubstanz.
Zur Untersuchung von Bodenprozessen sowie zur Mobili
tätsprognose von Pflanzenschutzmitteln im Boden (Biolo
gische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft
(1990): Lysimeteruntersuchungen zur Verlagerung von
Pflanzenschutzmitteln in den Untergrund. Richtlinien
für die Prüfung von Pflanzenschutzmitteln im Zulas
sungsverfahren Teil IV, 4-3, Saphir Braunschweig) hat
sich der Einsatz von Lysimetern bewährt. Ein Lysimeter
behälter, in den der zu untersuchende Boden (Bodenmono
lith) gefüllt wird, besteht in der Regel aus einer zy
lindrischen oder einer quaderförmigen Röhre mit einer
Bodenplatte.
Bei Verwendung von oberirdisch aufgestellten Lysime
tern, die mit gestörtem Boden aus der Ackerkrume be
füllt wurden, zeigte sich in den Versuchen, daß diese
Anordnung nur eine limitierte Aussagekraft hinsichtlich
der realen Feldsituation lieferte auf Grund erhebli
cher, von der realen Feldsituation, abweichender Tempe
ratur- und Feuchtebedingungen.
Seit den 80er Jahren werden Lysimeter aus Edelstahl
eingesetzt, die zur Füllung mit einem ungestörten Bo
denkern (Bodenmonolith) z. B. mit Hilfe eines Baggers
in den Boden gepreßt, anschließend freigegraben und
dann mit einer Bodenplatte versehen werden, die unter
den Lysimeterbehälter geschoben wird. Die so gefüllten
Lysimeter repräsentieren einen natürlich strukturierten
Bodenausschnitt, der sowohl hinsichtlich der bodenphy
sikalischen Parameter als auch der bodenchemischen und
bodenbiologischen Parameter den natürlichen Feldstand
ort wiedergibt. Vergleichende Messungen zum Wasserge
halt der realen Feldsituation und im Lysimetermaßstab
ergaben eine bedingte Übereinstimmung (Pütz, Th.
(1993): Lysimeterversuche um Verlagerungsverhalten von
Methabenzthiazuron und gelöstem organischen Kohlenstoff
in einer Parabraunerde, Aufbau von zwei Klimameßstatio
nen und Untersuchungen zur Validierung des Lysimeter
systems. Diss. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Univer
sität Bonn). Die nach dem Stand der Technik bekannten
Lysimeter unterscheiden sich von den natürlichen Feld
bedingungen im wesentlichen durch die untere Bodenplat
te. Die Bodenplatten der bisher verwendeten Lysimeter
sind entweder als Siebplatte mit einer Vielzahl großer
Bohrungen oder als mit Kies gefüllte Wannen mit einem
Auslaufstutzen ausgeführt. Durch die Unterseite des Ly
simeters (Sohlfläche) kommt es stets zu einer Unterbre
chung des natürlichen Bodenprofils. Dies entsteht durch
das Abschneiden der Bodenmonolithen während der Füllung
und führt zu einem veränderten Wasserhaushalt. Nur im
Falle eines abwärtsgerichteten Wasserflusses und bei
Übereinstimmung der Unterkante des Lysimeterbehälters
mit der Oberkante der Höhe des Grundwasserspiegels
eines Feldstandortes ist der "Lysimeterfehler" zu ver
nachlässigen. Im Fall eines grundwasserfreien Lysime
ters wird die Sickerwasserbildung durch die Unterbre
chung der Bodenkapillaren verfälscht, da eine neue
Grenzfläche Boden/Atmosphäre erzeugt wird. Diese Grenzschicht
kann vom Sickerwasser erst überwunden werden,
wenn die untere Zone des Bodenmonolithen eines Lysime
ters mit Wasser gesättigt ist, d. h. ein Matrixpotenti
al ≧ 0 aufweist, bzw. der hydraulische Druck größer als
der Luftdruck ist. Im Vergleich zur ungestörten Feldsi
tuation tritt also an der Lysimetersohle ein Sickerwas
serstau auf. Dies führt zu deutlichen Abweichungen in
der Sickerwasserbildung und Wasserversorgung von Pflan
zen im Lysimeterversuch auch bei der Nutzung von Boden
monolithen. Zur Vermeidung dieser Meßfehler gibt es be
reits Lösungsansätze:
An das Lysimeter wird ein Unterdruck angelegt, um der Stauwasserzone, bzw. einer Meniskenbildung in den un terbrochenen Kapillaren, entgegen zu wirken (Ceratzki, W. (1966): Die Bewegung des Bodenwassers in Unter drucklysimetern unter dem Einfluß von Verdunstung und Frostwirkung bei verschiedenem Bodenzustand. Landbau forschung Völkenrode 16, S. 143-154).
An das Lysimeter wird ein Unterdruck angelegt, um der Stauwasserzone, bzw. einer Meniskenbildung in den un terbrochenen Kapillaren, entgegen zu wirken (Ceratzki, W. (1966): Die Bewegung des Bodenwassers in Unter drucklysimetern unter dem Einfluß von Verdunstung und Frostwirkung bei verschiedenem Bodenzustand. Landbau forschung Völkenrode 16, S. 143-154).
Um einen Unterdruck an die Lysimetersohle anzulegen,
sind verschiedene Techniken bekannt. So werden bei
spielsweise Saugkerzenverbände (Feichtinger, F. (1991):
Sickerwassergewinnung mit Hilfe eines modifizierten Ly
simeters, zitiert bei Klaghofer (1991), nicht an ange
gebener Stelle publiziert; Diestel, H., Markwardt, N. &
Moede, J. (1993): Abschlußbericht zum Forschungsvorha
ben: Experimentelle Untersuchungen sowie Modellentwick
lungen zur Verlagerung von Pflanzenschutzmitteln in der
ungesättigten Zone. Bodenökologie und Bodengenese 10,
Berlin, Kördel, 1999) oder Saugplattenverbände (Kubiak,
R. (1998): Persönliche Mitteilung) in die Lysimetersoh
le eingebaut. Hier kann es jedoch zu einer ungleichmä
ßigen, punktuellen Beprobung der Bodenkapillaren bzw.
punktuellen Sickerwasserstaubildung kommen.
DVWK (1980: Empfehlungen zum Bau und Betrieb von Lysi
metern. DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, Heft 114,
Verlag Paul Parey) stellte den Einbau einer keramischen
Platte in die Lysimetersohle vor. Nachteilig hierbei
ist stets die geringe Bruchfestigkeit des keramischen
Materials, die fehlende Neutralität bei der Beprobung
des Sickerwassers (Sorptionseigenschaften) und der er
hebliche gerätetechnische Aufwand bei der Installation.
Besonders beim Einsatz von Lysimeteranlagen im größeren
Maßstab (z. B. 2 m2, 12 t) ist der Einbau keramischen
Materials in die Bodenplatte der Lysimeterbehälter we
gen der geringen Druckstabilität von Nachteil.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Bodenplatte
für Lysimeter zu schaffen, mit der reale Feldbedingun
gen simuliert werden können, indem es zu keiner Unter
brechung der Bodenkapillaren und zu keiner Sickerwas
serstaubildung kommt. Gleichzeitig soll die Bodenplatte
eine hohe Bruch- bzw. Scherfestigkeit sowie neutrales
Verhalten gegenüber dem zu beprobenden Boden aufweisen.
Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, ein Verfah
ren zu schaffen, mit dem Lysimeterbehälter ohne Unter
brechung der Bodenkapillaren verschlossen und transpor
tiert werden können.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Auf
gabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin
wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des An
spruchs 11 erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeich
nenden Teil des Anspruchs 11 angegebenen Merkmalen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren
ist es nunmehr möglich, Untersuchungen von Stoffvertei
lungsprozessen im Boden ohne Veränderung der natürli
chen Feldbedingungen durchzuführen. Durch Anlegen eines
Unterdrucks an die stabile, poröse Bodenplatte aus Sin
termetall, insbesondere Edelstahlsintermetall, können
Flüssigkeiten durchgängig durch die Bodenkapillaren
fließen. So wird eine Unterbrechung des natürlichen Bo
denprofils verhindert. Es bildet sich keine Grenzfläche
Boden/Atmosphäre. Es kommt zu keiner Sickerwasser
staubildung. Das Material der Bodenplatte weist keine
Sorptionseigenschaften auf und verhält sich chemisch
und physikalisch neutral gegenüber dem Boden. Durch die
druckstabilen Eigenschaften der Bodenplatte wird es
möglich, auch mit Bodenmonolithen in größerem Maßstab
zu arbeiten.
Unter der Bezeichnung Sinterwerkstoff sollen im folgen
den pulvermetallurgisch hergestellte Sinterwerkstoffe
verstanden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü
chen angegeben.
Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungs
form der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfah
rens.
Es zeigt:
Fig. 1: Aufsicht Bodenplatte
Fig. 2: Querschnitt der Bodenplatte
Fig. 3. Vergrößerter Querschnitt der Befestigungsvor
richtung der Bodenplatte mit dem äußerem Ring
Fig. 4: Aufsicht der Bodenplatte mit Trage- und Füh
rungsvorrichtung
Fig. 5: Seitenansicht der Trag- und Führungsvorrich
tung für Bodenplatte mit Lysimeterbehälter
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die Bodenplatte 1 mit
den angeschweißten Verstärkungsstegen 2. Diese werden
in gleichmäßigem Abstand auf die Unterseite der Boden
platte geschweißt. Die Bodenplatte 1 wird umgeben von
einem Ring 3, der für das gas- und flüssigkeitsdichte
Verschließen der Bodenplatte 1 mit dem Lysimeterbehäl
ter 8 notwendig ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Bodenplatte
1. Hier ist die Bodenplatte 1 mit den auf der Untersei
te angeschweißten Verstärkungsstegen 2 zu sehen. Der
die Bodenplatte 1 umgebende Ring 3 ist alle 60° von
Langlöchern 4 durchbohrt. An den seitlichen Rändern ist
ein an die Bodenplatte angeschweißtes Stahlprofil 10 zu
sehen, das wiederum zur Befestigung des Ringes 3 dient.
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Befes
tigungsvorrichtung, mit welcher der Ring 3 über Schrau
ben (M6) 3a und das Stahlprofil 10 an die Bodenplatte 1
angeschraubt wurde.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf die Bodenplatte 1 mit
Trage- und Führungsvorrichtung 5, die über Transport
rollen 6 verfügt. Mit Hilfe der Kettenzüge 7 und der
Trage- und Führungsvorrichtung 5 wird die Bodenplatte 1
unter den Lysimeterbehälter 8 gezogen.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Trage- und Füh
rungsvorrichtung 5 für die Bodenplatte 1 sowie den Ly
simeterbehälter 8. Die Bodenplatte 1 liegt in der
Trage- bzw. Führungsvorrichtung 5 und wird mittels der
Transportrollen 6 und der Kettenzüge 7 unter den Lysi
meterbehälter 8 geschoben. Der Klemmring 9 dient zur
Justierung der Trage- und Führungsvorrichtung 5 an den
Lysimeterbehälter 8. Zur seitlichen Stabilisierung wird
der Lysimeterbehälter 8 mit einem weiteren Ring 11 um
geben.
Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrie
ben werden.
10 wägbare Lysimeter mit einer Oberfläche von 2,0 m2
und einer Länge von 2,5 m wurden mit einer porösen,
druckstabilen Bodenplatte 1 aus Sinterwerkstoff ver
schlossen.
Die in den Lysimeterbehälter 8 eingebaute permeable Bo
denplatte 1 weist folgende Merkmale auf:
- - hohe Bruchfestigkeit bzw. Scherfestigkeit der ver wendeten Bodenplatte 1 aus Sinterwerkstoff (vorzugs weise Edelstahlsinterplatte)
- - Porendurchmesser der Bodenplatte 1 ermöglicht das Anlegen eines Unterdruckes
- - neutrales Verhalten gegenüber dem zu beprobenden Me dium
- - Bodenplatte 1 ist Bestandteil des Lysimeterbehälters 8.
Die hier vorgestellte Bodenplatte 1 des Lysimeters be
steht aus einem Sinterwerkstoff und kann auf den vorge
gebenen Durchmesser des jeweils verwendeten Lysimeter
zylinders angepaßt werden. Die Stärke des Sinterwerk
stoffs sollte aus Stabilitätsgründen in einem Bereich
von 3 bis 20 mm liegen. Besonders bevorzugt ist eine
Stärke von 5 mm. Die genaue Spezifikation der Bodenplatte
1 (Porendurchmesser, Bubble Point Druck, Stärke
der Bodenplatte) ist auf die jeweiligen Versuchsbedin
gungen abgestimmt zu wählen. Um die Bodenplatte 1 wird
anschließend ein Edelstahlprofil 10 (z. B. 25.15 mm/
B.H) angeschweißt. Damit die Bodenplatte 1 zum Ab
schluß der Lysimeterfüllung unter einen mit einem Bo
denmonolithen gefüllten Lysimeterbehälter 8 gepreßt
werden kann, wird sie in eine Trage- und Führungsvor
richtung 5 gelegt und anschließend mittels der Trans
portrollen 6 und zwei Kettenzügen 7 unter den gefüllten
Lysimeterbehälter 8 gezogen (Fig. 5). Da diese Zug
kräfte und im späteren Versuchsverlauf die Auflast des
Bodenmonolithen die Bodenplatte 1 verformen können,
werden zur Stabilität (z. B. 40.4 mm /(H.B)) Ver
stärkungsstege 2, bevorzugt aus Edelstahl, an die Plat
tenunterseite der Bodenplatte 1 geschweißt. Hierbei
müssen diese Verstärkungsstege 2 genau parallel zur
Zugrichtung angeschweißt werden. Zur Befestigung der
Bodenplatte 1 an den gefüllten Lysimeterbehälter 8 wer
den zwei gebogene Edelstahlbänder 3 halbseitig an das
Edelstahlprofil 10 angebracht, so daß sie bündig zur
Unterkante der Bodenplatte 1 abschließen. Zunächst wird
halbseitig das von der Zugrichtung aus gesehen hintere,
gebogen geformte Edelstahlband 3 an das Edelstahlprofil
10 angeschweißt, so daß es beispielsweise 35 mm über
die Bodenplatte 1 herausragt und nach vollständiger Un
terführung des gefüllten Lysimeterbehälters 8 am Lysi
meterbehälter 8 halbseitig anliegt. Eine Verbindung
zwischen Bodenplatte 1 und Lysimeterbehälter 8 kann mit
Hilfe von Schrauben (M6) 3a und entsprechender Langlö
cher 4 in den Edelstahlbändern 3 der Bodenplatte 1 und
entsprechenden Bohrungen im Lysimeterbehälter 8 hergestellt
werden. Das zweite halbseitige Edelstahlband 3
wird anschließend sowohl mit der Bodenplatte 1 als auch
mit dem Lysimeterbehälter 8 verschraubt. Die Bohrungen
und Gewinde sind entsprechend aufeinander abzustimmen.
Nach dem Ausstechen eines Bodenmonolithen, dem Unter
fahren des Lysimeterbehälters 8 mit der porösen Boden
platte 1 sowie der Verschraubung ist ein gefülltes Ly
simeter transportfähig. Um über die poröse Bodenplatte
1 eine Saugspannung an den Bodenmonolithen anlegen zu
können, muß das Lysimeter in eine Wanne gestellt wer
den, die mittels Dichtung die Bodenplatte 1 gegen den
Atmosphärendruck abschließt. An diese abgeschlossene
Wanne und Bodenplatte 1 kann dann entsprechend den ge
wünschten Vorgaben ein Unterdruck angelegt werden, der
entsprechend der realen Feldsituation einen Saugspan
nungsgradienten im Bodenmonolithen erzeugt. Dabei darf
der Druck nicht so hoch angelegt werden, daß er die
Flüssigkeit aus den Poren der Sintermetallplatte ver
drängt und diese für Gas permeabel werden. Dieser Öff
nungsdruck für eine Pore (Bubble Point) hängt von der
Oberflächenspannung der Flüssigkeit und vom Porendurch
messer ab. Der Öffnungsdruck ist für die eingesetzten
Bodenplatten 1 aus Sinterwerkstoff spezifisch und wird
vor dem Einbau in den Lysimeterbehälter überprüft. Die
unerwünschte Stauzone des Sickerwassers unmittelbar
oberhalb der Bodenplatte 1 wird durch Anlegen des Un
terdrucks vermieden.
Claims (15)
1. Bodenplatte (1) für Lysimeterbehälter,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus einem Sinterwerkstoff besteht.
2. Bodenplatte (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus Edelstahlsinterwerkstoff besteht.
3. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie Verstärkungsstege (2) besitzt.
4. Bodenplatte (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkungsstege (2) parallel zur der
Richtung verlaufen, mit der die Bodenplatte (1) un
ter den Lysimeterbehälter (8) geschoben wird.
5. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkungsstege (2) aus Edelstahl beste
hen.
6. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenplatte (1) eine Stärke von 3 mm bis
20 mm aufweist.
7. Bodenplatte (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenplatte (1) eine Stärke von 5 mm auf
weist.
8. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie einen Porendurchmesser von 0,5 µm bis
300 µm aufweist.
9. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie von einem Edelstahlprofil (10) umgeben ist.
10. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand der Bodenplatte (1) durch Edelstahl
bänder (3) begrenzt wird, die nach Befestigung der
Bodenplatte (1) an den Lysimeterbehälter (8) mit
diesem verschraubt werden.
11. Verfahren zum Verschließen eines Lysimeterbehäl
ters,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bodenplatte (1) nach einem der vorherge
henden Ansprüche eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Trage- und Führungsvorrichtung (5) einge
setzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenplatte (1) durch Kettenzüge (7) unter
den Lysimeterbehälter (8) gezogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lysimeterbehälter (8) und die Bodenplatte
(1) mittels einer Dichtung gegen den Atmosphären
druck abgeschlossen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Unterdruck angelegt wird.
Priority Applications (3)
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DE2001106906 DE10106906C2 (de) | 2001-02-13 | 2001-02-13 | Bodenplatte für einen Lysimeterbehälter |
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DE10106906C2 DE10106906C2 (de) | 2003-07-10 |
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