DE10106906C2

DE10106906C2 - Bodenplatte für einen Lysimeterbehälter

Info

Publication number: DE10106906C2
Application number: DE2001106906
Authority: DE
Inventors: Thomas Puetz; Werner Wolff
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: DE10106906A1; WO2002065094A3; WO2002065094A2; EP1360378A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Bodenplatte für einen Lysimeterbehälter.

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 an thropogener Stoffeinträge in die Umwelt setzt die Vali dierung 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. Dia so gefüllten Lysimeter repräsentieren einen natürlich strukturierten Bodenausschnitt, der sowohl hinsichtlich der bodenphysikalischen 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 Lysimetersy stems. Diss. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn). Die nach dem Stand der Technik bekannten Lysime ter unterscheiden sich von den natürlichen Feldbedin gungen im wesentlichen durch die untere Bodenplatte. Die Bodenplatten der bisher verwendeten Lysimeter sind entweder als Siebplatte mit einer Vielzahl großer Boh rungen oder als mit Kies gefüllte Wannen mit einem Aus laufstutzen ausgeführt. Durch die Unterseite des Lysi meters (Sohlfläche) kommt es stets zu einer Unterbre chung des natürlichen Bodenprofils. Dies entsteht durch daß 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 Grenz schicht kann vom Sickerwasser erst überwunden werden, wann die untere Zone des Bodenmonolithen eines Lysime ters mit Wasser gesättigt ist, d. h. ein Matrixpotential ≧ 0 aufweist, bzw. der hydraulische Druck größer als der Luftdruck ist. Aus der DE 199 07 461 C1 ist z. B. eine po röse gesinterte PE-Bodenplatte bekannt, die ein Ein dringen von Bodenwasser durch die Platte hindurch sogar verhindern soll. 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).

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. Auch aus der DE 198 00 887 A1 oder der DE 196 23 780 C2, in denen poröse Bo denplatten eingesetzt werden, ist nicht zu entnehmen, wie eine Durchlässigkeit für Wasser bei gleichzeitig hoher Bruchfestigkeit gewährleistet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Bodenplatte für ein 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.

Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Auf gabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich, Untersuchungen von Stoffverteilungsprozessen im Boden ohne Veränderung der natürlichen Feldbedingungen durchzuführen. Durch Anlegen eines Unterdrucks an die stabile, poröse Bodenplatte aus Sintermetall, ins besondere Edelstahlsintermetall, können Flüssigkeiten durchgängig durch die Bodenkapillaren fließen. So wird eine Unterbrechung des natürlichen Bodenprofils verhin dert. Es bildet sich keine Grenzfläche Boden/Atmo sphäre. Es kommt zu keiner Sickerwasserstaubildung. Das Material der Bodenplatte weist keine Sorptionseigen schaften 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.

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 an das Stahlprofil 10 der 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

1. Bodenplatte (1) für einen Lysimeterbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Edelstahlsinterwerkstoff besteht.

2. Bodenplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Verstärkungsstege (2) besitzt.

3. Bodenplatte (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsstege (2) parallel zu der Richtung verlaufen, mit der die Bodenplatte (1) un ter den Lysimeterbehälter (8) geschoben wird.

4. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsstege (2) aus Edelstahl beste hen.

5. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (1) eine Stärke von 3 mm bis 20 mm aufweist.

6. Bodenplatte (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (1) eine Stärke von 5 mm auf weist.

7. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Porendurchmesser von 0,5 µm bis 300 µm aufweist.

8. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Edelstahlprofil (10) umgeben ist.

9. Bodenplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.