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Die Erfindung betrifft ein Feinsedimentsammelelement zur Sammlung von Feinsedimenten, eine Feinsedimentsammelvorrichtung für Sedimentproben und ein Verfahren zur Gewinnung von Sedimentproben aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen.
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Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff „Feinsediment“ neben den Feinsedimenten als solche weiterhin abfiltrierbare Stoffe (auch AFS), und andere Feinmaterialien.
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Unter Gewässerbett wird hier der Lockergesteinsuntergrund in Bächen, Flüssen und Seen verstanden, der in der Hydrobiologie auch als „Hyporheisches Interstitial“ bzw. „Interstitial“ bezeichnet wird. Gewässer sind alle Oberflächengewässer und das Grundwasser.
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Insbesondere die Erfassung der Zusammensetzung der Gewässersedimente, speziell des darin abgelagerten Feinmaterials, gewinnt heutzutage stark an Bedeutung für Umweltüberwachung und -management. In den Gewässersedimenten akkumulieren Schadstoffe wie beispielsweise Schwermetalle, Pflanzenschutzmittel oder Mikroplastik. Darüber hinaus sind sie wichtige Quellen zur Gewinnung von Enviromental DNA (eDNA), die u.a. Rückschlüsse auf die Organismenbesiedlung zulassen. Für die Laboranalyse von besonderer Bedeutung ist dabei die Fraktion < 2 mm, da sich in dieser Fraktion die Schadstoffe anreichern.
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Es werden heute verschiedene Verfahren angewendet, bei denen eine Sedimentprobe gewonnen wird, um diese anschließend analysieren zu können.
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Dazu werden beispielsweise zu solchen Zwecken sogenannte Sedimentfallen, in denen das mitgeführte Feinsediment akkumuliert, im Gewässerbett eingebaut. Allerdings sind ihr Aufbau und ihre Unterhaltung aufwändig. Daneben können Sedimentproben mittels Stechrohren oder Gefrierkernen gewonnen werden. Nachteilig hieran ist einerseits, dass die gewonnenen Proben irrelevante Bestandteile, wie beispielsweise Kies und Steine, beinhalten und dass es andererseits zu Beeinträchtigungen der Gewässersohle durch deren Entnahme kommen kann. Außerdem werden bei der Entnahme unter „fließender Welle“ häufig die wichtigen Feinsedimente ausgeschwemmt. Die anschließende Laboruntersuchung setzt voraus, dass im Labor die groben Anteile von den Feinsedimentanteilen aufwändig getrennt werden.
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Allgemein ist festzuhalten, dass es keine standardisierten Vorrichtungen oder Verfahren zur direkten Gewinnung von AFS- und Feinsedimentproben aus wassergesättigten Untergründen, speziell aus Gewässern, gibt. Die genannten Vorrichtungen und Verfahren sind aufwändig und können durch Störfaktoren jeweils unterschiedlich stark beeinflusst werden, was eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse ungemein erschwert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Feinsedimentsammelvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine einfache Gewinnung von Feinsedimenten aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen ermöglicht, ohne dabei Beeinträchtigungen der Gewässersohle zu bewirken. Weiterhin soll ein Feinsedimentsammelelement bereitgestellt werden, welches die Sammlung von Feinsedimenten, insbesondere aus Gewässern, ermöglicht. Ebenfalls soll das Feinsedimentsammelelement derart ausgeführt sein, dass es flexibel zur Nachrüstung von bereits bestehenden Vorrichtungen eingesetzt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Gewinnung von Feinsedimentproben aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen vorzuschlagen, welches insbesondere mit der erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung durchführbar ist.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Feinsedimententnahmevorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, welche sich für eine standardisierte Gewinnung von Sedimentproben eignen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Feinsedimentsammelelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Feinsedimentsammelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
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Zusätzlich wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Gewinnung von Sedimentproben gelöst, das durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 14 gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung ermöglicht es, unter standardisierbaren Bedingungen einen Filterkuchen von Feinsediment aus einer bestimmten Tiefe oder von der Oberfläche eines Gewässers oder eines wassergesättigten Untergrundes zu gewinnen. Das gewonnenene Material kann im Gelände oder im Labor z.B. im Rahmen der Gewässerüberwachung weitergehenden Untersuchungen dienen. Es wird mittels Unterdruck aus den Gewässersedimenten oder von deren Oberfläche entnommen und daraus ein standardisierter Filterkuchen für die Analyse im Labor gewonnen. Hinzu kommt, dass der Betrieb des Sedimentsammlers manuell durchgeführt werden kann, also eine einzige Person beispielsweise ein Fluss- oder Bachbett durchschreitet und dabei an verschiedenen Stellen Messungen vornehmen kann. Insofern ist die Tragbarkeit der Feinsedimentsammelvorrichtung von entscheidender Bedeutung. Dies auch deshalb, weil für eine ausreichende Untersuchung oder Kartierung von Untergründen zahlreiche Messungen durchgeführt werden müssen, weswegen Umrüstzeiten oder ein Verfahren von Großgeräten nicht zielführend sein kann. Mit der erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung können viele Sedimentproben in sehr kurzer Zeit gewonnen werden. Standardisiert im Sinne der Erfindung bedeutet einerseits, dass ein Filterkuchen erzeugt wird, der eine standardisierbare Probemenge beinhaltet, was eine Probenaufbereitung der anschließenden Untersuchungen erleichtert. Andererseits soll durch das Festsetzen bestimmter Parameter bei der Gewinnung selbst eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung für Sedimentproben aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen weist zumindest ein Feinsedimentsammelelement mit einem Filterelement, eine Zulaufleitung und Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Zulaufleitung auf. Die Zulaufleitung weist ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei das zweite Ende mit dem Feinsedimentsammelelement verbindbar ist. Das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks erzeugt den Unterdruck in der Zulaufleitung derart, dass Wasser durch eine Ansaugöffnung am ersten Ende der Zulaufleitung angesaugt wird. Durch die direkte Filterung des Wassers durch das Filterelement des Feinsedimentsammelelements und die Sammlung von Feinsedimenten an diesem entfällt, wie bei anderen Vorrichtungen notwendig, der Bedarf einer vollständigen Entnahme von Gewässersedimenten, bei denen zusätzlich irrelevante Bestandteile wie Kies und Steine entnommen werden und es außerdem zu erheblichen Beeinträchtigungen der Gewässersohle führen kann.
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Das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks ist unmittelbar mit dem Feinsedimentsammelelement verbunden. Alternativ ist eine Ablaufleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, wobei das erste Ende mit dem Feinsedimentsammelelement und das zweite Ende mit dem Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks verbindbar ist. Denkbar ist auch, dass das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks zwischen der Zulaufleitung und dem Feinsedimentsammelelement angeordnet ist.
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Die Feinsedimentsammelvorrichtung ist bevorzugt als tragbare Feinsedimentsammelvorrichtung ausgebildet, um die Gewinnung von Feinsedimenten aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen zu erleichtern. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks in einem Rucksack auf dem Rücken getragen werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Feinsedimentsammelelement weist mindestens ein Filterelement zur Filterung des gewonnenen Wassers und ein Gehäuse zur Aufnahme des Filterelements auf, wobei das Gehäuse mindestens eine Zulauföffnung zur Verbindung mit der Zulaufleitung, mindestens eine Ablauföffnung und eine Gehäuseöffnung aufweist, die mit einem Abdeckelement vorzugsweise dichtend geschlossen werden kann. Das Filterelement ist im Gehäuse zwischen der Zulauföffnung und Ablauföffnung angeordnet und wird von Wasser durchströmt.
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Durch diese Anordnung des Filterelements innerhalb des Gehäuses des Feinsedimentsammelelements kann Wasser durch die Zulauföffnung in das Gehäuse fließen, den Filter durchströmen, durch die Ablauföffnung des Gehäuses abfließen und wird während der Durchströmung des Filterelements gefiltert. Dadurch lagern sich die für eine Untersuchung relevanten Feinsedimente am Filter ab und bilden einen Filterkuchen. Das Filterelement ist durch die Gehäuseöffnung zugänglich, wodurch ein einfacher Zugriff auf das Filterelement möglich ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Feinsedimentsammelelements ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse Mittel zur lösbaren Befestigung des Filterelements aufweist. Denkbar sind hier sowohl kraft- als auch formschlüssige Verbindungen zwischen dem Filterelement und dem bzw. den Mitteln zur lösbaren Befestigung.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Feinsedimentsammelelements ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement auf der zum Gehäuseinnern ausgerichteten Seite die Mittel zur lösbaren Befestigung des Filterelements aufweist. Auf diese Weise kann das Filterelement zunächst am Abdeckelement lösbar befestigt und im dann Gehäuse angeordnet werden, wenn die Gehäuseöffnung durch das Abdeckelement geschlossen wird. Denkbar ist auch, dass das Abdeckelement selbst das Filterelement aufweist bzw. dass das Filterelement durch eine Struktur des Abdeckelements gebildet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Feinsedimentsammelelements ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement aus einem widerstandsfähigen Material, insbesondere im Wesentlichen aus einem rostfreien Metall, wie beispielsweise Aluminium, besteht. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines Filterelements im Wesentlichen aus Kunststoff. Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn das Feinsedimentsammelelement zusätzlich zum Filterelement mindestens ein weiteres Filterelement aufweist.
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Das Gehäuse des Feinsedimentsammelelements weist bevorzugt mindestens eine zweite Zulauföffnung zur Verbindung mit einer zweiten Zulaufleitung auf. Durch den zusätzlichen Zufluss von Wasser durch die zweite Zulauföffnung in das Gehäuse und durch das Filterelement kann die benötigte Zeit zur Sammlung von Feinsedimenten am Filterelement reduziert werden.
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Die Zulaufleitung und die Ablaufleitung der Feinsedimentsammelvorrichtung sind bevorzugt als flexible Schläuche ausgeführt. Alternativ können die Zulaufleitung und die Ablaufleitung auch als steife Rohre ausgeführt sein. Denkbar ist auch, dass eine der Leitungen als flexibler Schlauch und die andere Leitung als steifes Rohr ausgeführt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Feinsedimentsammelvorrichtung ist am ersten Ende der Zulaufleitung ein Einbringelement (beispielsweise als Schlagrohr) zum Einbringen in den Untergrund angeordnet. Als besonders vorteilhaft für die Form des Einbringelements hat sich ein konisch zulaufender Körper erwiesen. Das Einbringelement weist mindestens eine Eintrittsöffnung und einen Hohlraum zur Leitung von Wasser zu mindestens einer Austrittsöffnung des Einbringelements auf, wobei die Austrittsöffnung mit der Zulaufleitung verbindbar ist. Das Einbringelement ist bevorzugt aus einem widerstandsfähigen, möglichst starren Material gebildet. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, weil das Einbringelement in den Boden oder Untergrund des zu untersuchenden Gewässerbetts bzw. in den wassergesättigten Untergrund eingebracht werden muss.
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Anstelle einer einzigen Eintrittsöffnung können vorteilhafterweise auch mehrere, über die Außenfläche des Einbringelements verteilte Eintrittsöffnungen vorgesehen sein. Grundsätzlich ist der Durchmesser der Eintrittsöffnungen in Abhängigkeit des zu untersuchenden Untergrunds zu wählen, beispielsweise haben sich Größenordnungen von 1 mm bis 5 mm, vorzugsweise 1 mm bis 2 mm als sinnvoll erwiesen. Je nach Untergrund können aber Durchmesser von weniger als 1 mm zielführend sein.
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Der Vorteil mehrerer über die Außenfläche des Einbringelements verteilter Eintrittsöffnungen besteht darin, dass das Risiko des Zusetzens aller Eintrittsöffnungen durch Sand oder Kies geringer ist als nur bei einer einzigen Eintrittsöffnung. Alternativ kann aber auch nur eine einzige Eintrittsöffnung an dem Einbringelement Vorteile haben. Insbesondere dann, wenn es beabsichtigt ist, Feinsedimente aus einer bestimmten Tiefe der Gewässersedimente oder anderer Untergründe zu gewinnen.
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Es hat sich gezeigt, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Durchmesser des Einbringelements möglichst gering sein sollte, beispielsweise 0,5 cm bis 3 cm. Hintergrund ist, dass ein Einbringelement mit geringem Durchmesser mit einem vergleichsweise geringeren Aufwand als ein Einbringelement mit größerem Durchmesser in den Untergrund eingebracht werden kann. Ebenfalls wird bei einem geringeren Durchmesser eine geringere Leistung zum Betrieb des Mittels zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Zulaufleitung benötigt.
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Vorteilhafterweise kann das Einbringelement im Bereich der Austrittsöffnung ein betätig- und verschließbares Ventil, vorzugsweise einen von Hand zu betätigenden Hahn aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist anstelle eines Einbringelements am ersten Ende der Zulaufleitung ein Bodenaufsatz angeordnet. Auf diese Weise soll, nicht wie bei der Lanze, das im Interstitial befindliche Feinsediment, sondern das auf der Gewässersohle aufliegende Feinsediment gewonnen werden.
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Als besonders vorteilhaft für die Form des Bodenaufsatzes hat sich ein saugglockenförmiger Körper erwiesen. Der Bodenaufsatz weist eine großflächige Öffnung im Bereich der Bodenfläche des Bodenaufsatzes mit einem umlaufenden Rand auf. Denkbar ist auch, dass eine an sich geschlossene Bodenfläche durch eine Eintrittsöffnung bzw. bevorzugt durch mehrere Eintrittsöffnungen unterbrochen ist. Auf der der Bodenfläche gegenüberliegenden Seite weist der Bodenaufsatz eine Austrittsöffnung auf, wobei die Austrittsöffnung mit der Zulaufleitung verbindbar ist. Der Bodenaufsatz und dabei insbesondere der umlaufende Rand bzw. die Bodenfläche ist bevorzugt aus einem widerstandsfähigen und möglichst flexiblen Material gebildet, um eine größtmögliche Anpassung an das zu untersuchende Gewässerbett bzw. den zu untersuchenden wassergesättigten Untergrund zu bewirken.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Feinsedimentsammelvorrichtung ergibt sich dann, wenn sowohl die Zulaufleitung, als auch die Ablaufleitung als steife Rohre ausgeführt sind und am ersten Ende der Zulaufleitung das Einbringelement angeordnet ist. Somit bilden das Einbringelement, die Zulaufleitung, das Feinsedimentsammelelement und die Ablaufleitung sozusagen eine zusammenhängende Lanze aus, wodurch die Feinsedimentsammelvorrichtung besonders einfach zu handhaben ist.
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Die Lanze weist eine Länge auf, die ein Transportieren und Einbringen der Lanze in den Untergrund durch eine einzige Person von Hand problemlos ermöglicht. Beispielsweise kann die Lanze zwischen 1 m und 2 m lang sein, vorzugsweise etwa 1,50 m. Je nach Zusammensetzung des Untergrundes kann die Lanze eingedrückt, eingeschlagen oder eingedreht bzw. gebohrt werden. Entsprechend kann die Lanze weitere Elemente aufweisen, die ein Einbringen in den Boden erleichtern. Hierzu zählt beispielsweise eine besonders widerstandsfähige Spitze am Einbringelement oder ein relativ grobes Außengewinde am Einbringelement, das das Eindrehen bzw. Einschrauben durch den Benutzer in den Untergrund ermöglicht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Lanze weist die Lanze, zumindest jedoch das Einbringelement, optisch wahrnehmbare Markierungen auf, anhand derer feststellbar ist, wie tief die Lanze, respektive das Einbringelement, in den Boden eingebracht worden ist bzw. werden muss.
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Auch hier kann in einer alternativen Ausführungsform der Lanze anstelle eines Einbringelements ein Bodenaufsatz vorgesehen sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Zulaufleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, wobei das zweite Ende mit der zweiten Zulauföffnung verbindbar ist. Weiter bevorzugt ist am ersten Ende der zweiten Zulaufleitung ein Einbringelement zum Einbringen in den Untergrund oder ein Bodenaufsatz angeordnet. Denkbar ist somit, dass sowohl am ersten Ende der ersten, als auch am ersten Ende der zweiten Zulaufleitung ein Einbringelement zum Einbringen in den Boden oder ein Bodenaufsatz angeordnet ist. Alternativ ist kein bzw. nur an einer der Zulaufleitungen ein Einbringelement oder Bodenaufsatz vorgesehen.
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Das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Zulaufleitung kann durch eine einfache manuell angetriebene Pumpe gebildet sein, denkbar ist aber auch eine elektrisch oder motorisch angetriebene Pumpe.
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Vorzugsweise kann ein Druckregler vorgesehen sein, der den gewünschten Unterdruck exakt einstellt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante dient eine Handpumpe zur Erzeugung von Unterdruck. Über den Druckregler ist dann sichergestellt, dass ein Unterdruck erzeugt wird, der ausreichend ist, um genügend Wasser anzusaugen, jedoch nicht stark genug ist, dass Steine und Kies in die Zulaufleitung gelangen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Stromquelle vorgesehen, die die Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks mit Strom versorgt. Diese Stromquelle kann hierbei durch eine stationäre Einrichtung zur Stromerzeugung, wie beispielsweise einen Generator gebildet sein. Besonders bevorzugt wird die Stromquelle durch eine Energiespeichereinheit, beispielsweise durch einen Akkumulator, gebildet.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsedimentsammelvorrichtung ein Umgehäuse zur Aufnahme eines Feinsedimentsammelelements und der Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks aufweist mit mindestens einer Umgehäusezulauföffnung, einer Umgehäuseablauföffnung und einer Umgehäuseöffnung, die durch ein Umgehäuseabdeckelement geschlossen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die wesentlichen Bestandteile der Feinsedimentsammelvorrichtung innerhalb eines einzigen Gehäuses untergebracht werden können und die Feinsedimentsammelvorrichtung besonders einfach transportiert und verwendet werden kann.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Zulaufleitung durch die Umgehäusezulauföffnung führbar ist. Bevorzugt ist jedoch eine Umgehäusezulaufleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, wobei das zweite Ende der Umgehäusezulaufleitung und das erste Ende der Zulaufleitung mit der Umgehäusezulauföffnung verbindbar sind. Eine solche Umgehäusezulaufleitung außerhalb des Umgehäuses bietet den Vorteil einer einfacheren und schnelleren Vorbereitung zur Inbetriebnahme der Feinsedimentsammelvorrichtung, da das Feinsedimentsammelelement innerhalb des Umgehäuses mit der Umgehäusezulauföffnung über die Zulaufleitung verbunden sein kann und zur Vorbereitung der Inbetriebnahme lediglich die Umgehäusezulaufleitung mit der Umgehäusezulauföffnung verbunden werden muss.
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Auch hier kann vorgesehen sein, dass am ersten Ende der Umgehäusezulaufleitung ein Einbringelement zum Einbringen in den Untergrund angeordnet ist, wobei die Austrittsöffnung mit der Umgehäusezulaufleitung verbindbar ist. Alternativ kann anstelle des Einbringelements ein Bodenaufsatz vorgesehen sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Umgehäuse einen Anschluss zur Verbindung mit der Stromquelle aufweist, wobei der Anschluss leitend mit den Mitteln zur Erzeugung eines Unterdrucks verbunden ist. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks derart ausgeführt ist, dass es mit Strom versorgt werden muss. Hierbei kann der Anschluss an der Außenseite des Umgehäuses angeordnet sein, um eine einfache Möglichkeit zur Verbindung einer Stromquelle mit dem Anschluss bereitzustellen.
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Alternativ dazu ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Stromquelle als Energiespeichereinheit ausgeführt, innerhalb des Umgehäuses angeordnet und leitend mit dem Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks verbindbar.
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Grundsätzlich kann das Wasser, das von dem Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks angesaugt und durch die Umgehäusezulaufleitung, durch die Zulaufleitung, durch das Feinsedimentsammelelement, durch die Ablaufleitung und abschließend durch das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks selbst geleitet wird, durch die Umgehäuseablauföffnung abfließen. Dies kann derart erfolgen, dass die Umgehäuseablauföffnung im Boden des Umgehäuses eingelassen ist und somit das Wasser nach unten abfließt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Ablaufleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, wobei das erste Ende mit den Mitteln zur Erzeugung eines Unterdrucks und das zweite Ende mit der Umgehäuseablauföffnung verbindbar ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Energiespeichereinheit innerhalb des Umgehäuses angeordnet ist. Zusätzlich kann eine Umgehäuseablaufleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen sein, wobei das erste Ende mit der Umgehäuseablauföffnung verbunden ist, um das gefilterte Wasser gezielt ablaufen lassen zu können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks derart ausgelegt, dass sie über 9V oder 12 V oder 24 V betrieben werden können. Dies minimiert die Größe der Energiespeichereinheit
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Vorteilhafterweise ist das Umgehäuse mit einer Vorrichtung mit Trageelementen zum Tragen auf dem Rücken versehen. Insbesondere können die Trageelemente als Gurte ausgestaltet sein. Dies ist insbesondere beim Durchschreiten von Gewässern besonders vorteilhaft, vor allem, da dann der Anschluss zur Verbindung mit einer Stromquelle bzw. die Stromquelle selbst sicher oberhalb des Wasserspiegels getragen werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Sedimentproben aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen umfasst die folgenden Schritte:
- - Anordnen einer Ansaugöffnung einer Zulaufleitung in einem Bereich eines Gewässerbetts oder sonstigen wassergesättigten Untergrundes, aus dem eine Sedimentprobe gewonnen werden soll,
- - Erzeugen eines Unterdrucks in der Zulaufleitung,
- - Leiten von Wasser aus dem Gewässerbett oder dem sonstigen wassergesättigten Untergrund durch die Zulaufleitung zu einem Feinsedimentsammelelement,
- - Durchströmen des Feinsedimentsammelelements und dabei Filterung des Wassers durch ein Filterelement innerhalb des Feinsedimentsammelelements,
- - Erzeugen einer Sedimentprobe am Filterelement.
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Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass lediglich die für eine Untersuchung relevanten Sedimente aus oder von dem Untergrund gewonnen werden und die minimalinvasive Technik praktisch keine Beeinträchtigungen der Umwelt verursacht.
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Der durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnene Filterkuchen kann anschließend untersucht werden, um Rückschlüsse über die qualitative Zusammensetzung der Sedimente zu gewinnen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Untersuchung des Filterkuchens in einem vorzugsweise mobilen Analysegerät.
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Das oben beschriebene Verfahren ist grundsätzlich auch für den Einsatz im marinen Milieu geeignet (z.B. Hafenbecken und Off Shore). Außerdem lassen sich Probenahmen aus allen wassergesättigten Untergründen, vorzugsweise aber aus dem Grundwasser und aus den Betten von Fließgewässern und von Stillgewässern wie Seen, Weihern und Teichen durchführen. Die Feinsedimentsammelvorrichtung und das Verfahren eigenen sich also für einen Einsatz in permanenten und zeitweiligen Gewässern.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese sind nur beispielhaft zu verstehen, insbesondere sind die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu. Die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
- 1: eine Explosionsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelelements,
- 2: eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelelements,
- 3: ein Beispiel für eine Lanze für eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung,
- 4: ein alternatives Beispiel für eine Lanze für eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung,
- 5: ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung mit einem Umgehäuse in einer Draufsicht,
- 6: ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung mit einem Umgehäuse in einer Seitenansicht,
- 7: ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Feinsedimentsammelvorrichtung mit einem Umgehäuse im Querschnitt A-A',
- 8: eine schematische Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Sedimentproben.
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Die 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelelements 36 mit zwei Filterelementen 38,40, wobei eines der Filterelemente ein Grobfilter 38 und das andere ein Feinfilter 40 ist. Weiterhin dargestellt ist ein Gehäuse 42, bestehend aus einem oberen Gehäuseteil 44, welches eine Ablauföffnung 52, einem mittleren Gehäuseteil 46, welches eine Gehäuseöffnung 54 und einem unteren Gehäuseteil 48, welches eine Zulauföffnung 50 aufweist. Die Gehäuseöffnung 54 kann durch ein Abdeckelement 56 vorzugsweise dichtend, insbesondere wasserdicht abgeschlossen werden. Dazu ist ein Mittel zur lösbaren Befestigung 58 des Feinfilters 40 vorgesehen, das durch eine Struktur des Abdeckelements 56 gebildet ist und für einen Formschluss zwischen dem Abdeckelement 56 und dem Feinfilter 40 sorgt.
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Wasser, das das Feinsedimentsammelelement 36 durchströmt, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel zuerst durch den Grobfilter 38 und anschließend durch den Feinfilter 40 gefiltert. Die Sedimente, die sich am Feinfilter 40 ablagern, bilden einen Filterkuchen. Der so gewonnene Filterkuchen wird zugänglich, wenn das Gehäuse 42 geöffnet wird, indem das Abdeckelement 56 mit dem Mittel zur lösbaren Befestigung 58 des Feinfilters 40 samt dem Feinfilter 40 entfernt wird.
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In der 2 ist im Querschnitt das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelelements 36 im betriebsbereiten Zustand dargestellt. Das Abdeckelement 56 verschließt die Gehäuseöffnung 54 des Gehäuses 42 und das Mittel zur lösbaren Befestigung 58 hält den Feinfilter 40 durch einen Kraftschluss zwischen dem Feinfilter 40 und der Struktur des Abdeckelements in seiner Position.
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Die 3 zeigt ein Beispiel für eine Lanze 60 einer erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung 20. Die Lanze 60 wird durch ein Feinsedimentsammelelement 36, eine Zulaufleitung 22, eine Ablaufleitung 28 und ein Einbringelement 62 gebildet. Das Gehäuse 42 ist über die Zulauföffnung 50 mit dem zweiten Ende der Zulaufleitung 26 und über die Ablauföffnung 52 mit dem ersten Ende der Ablaufleitung 30 verbunden.
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Am ersten Ende der Zulaufleitung 24 ist ein Einbringelement 62 angeordnet und über seine Austrittsöffnung 66 mit der Zulaufleitung verbunden. Das Einbringelement 62 weist mehrere Eintrittsöffnungen 64 auf, durch die Wasser in einen Hohlraum innerhalb des Einbringelements 62 einströmen kann. Ein Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks, vorzugsweise eine manuell oder elektrisch betriebene Ansaugpumpe 34 (vgl. 7), erzeugt einen Unterdruck in der Zulaufleitung 22. Dadurch strömt das Wasser durch die Eintrittsöffnungen 64 des Einbringelements 62 in den Hohlraum, welches durch die Austrittsöffnung des Einbringelements 66 in die Zulaufleitung 22 und weiter in das Gehäuse 42 des Feinsedimentsammelelements 36 strömt, in dem es durch ein nicht dargestelltes Filterelement gefiltert wird. Anschließend strömt das Wasser weiter durch die Ablaufleitung 28 zur Ansaugpumpe 34, aus der es abschließend in das Gewässer zurückgeleitet werden kann.
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Die in 4 dargestellte Lanze 60 einer erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung 20 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten Lanze 60 lediglich dadurch, dass am ersten Ende der Zulaufleitung 24 ein Bodenaufsatz 68 mit einer innenliegenden, nicht erkennbaren Öffnung im Bereich der Bodenfläche 72 des Bodenaufsatzes 68 mit einem umlaufenden Rand 74 angeordnet ist. Sobald die Ansaugpumpe 34 einen Unterdruck in der Zulaufleitung 22 erzeugt, strömt das Wasser durch die nicht erkennbare Öffnung im Bereich der Bodenfläche 72 in einen Hohlraum des Bodenaufsatzes 68, durch seine Austrittsöffnung 76 und anschließend, wie in 3 beschrieben, durch die Zulaufleitung 22, das Feinsedimentsammelelement 36, die Ablaufleitung 28 und zur Ansaugpumpe 34.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung 20 mit einem Umgehäuse 78. Das Umgehäuse weist eine Umgehäusezulauföffnung 80, eine Umgehäuseablauföffnung 82 und eine (gestrichelt dargestellte) Umgehäuseöffnung 84 auf, die durch ein Umgehäuseabdeckelement 86 abgedeckt ist. Eine Umgehäusezulaufleitung 88 ist über ein zweites Ende der Umgehäusezulaufleitung 92 mit der Umgehäusezulauföffnung 80 verbunden. Am ersten Ende der Umgehäusezulaufleitung 90 ist das Einbringelement 62 angeordnet. Alternativ kann am ersten Ende der Umgehäusezulaufleitung 90 auch der Bodenaufsatz 68 angeordnet sein. An der Umgehäuseablauföffnung 82 ist eine Umgehäuseablaufleitung 94 angeordnet.
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In der Seitenansicht der erfindungsgemäßen Feinsedimentsammelvorrichtung 20 mit einem Umgehäuse 78 in 6 sind weiterhin Trageelemente 98 ersichtlich, die hier als Gurte ausgeführt und in der Länge veränderbar sind. Mit diesen kann der Benutzer die Feinsedimentsammelvorrichtung 20 auf dem Rücken tragen, was Messungen in Gewässern deutlich vereinfacht.
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7 zeigt den Querschnittschnitt A-A' der 6 gezeigten Feinsedimentsammelvorrichtung 20 mit einem Umgehäuse 78. Die Anordnung des Feinsedimentsammelelements 36 und der Ansaugpumpe 34 sind ersichtlich. Die Umgehäusezulauföffnung 80 ist außerhalb des Umgehäuses 78 mit der Umgehäusezulaufleitung 88 und innerhalb des Gehäuses 78 mit der Zulaufleitung 22 verbunden. Zwischen der Umgehäusezulauföffnung 80 und dem Feinsedimentsammelelement 36 ist die Zulaufleitung 22 angeordnet. Die Ablauföffnung 52 des Feinsedimentsammelelements 36 ist über die Ablaufleitung 28 mit der Ansaugpumpe 34 verbunden. An der Ansaugpumpe 34 ist austrittsseitig eine zweite Ablaufleitung 96 vorgesehen, die die Ansaugpumpe 34 und die Umgehäuseablauföffnung 82 verbindet. Außerhalb des Umgehäuses 78 ist die Umgehäuseablaufleitung 94 angeordnet und mit der Umgehäuseablauföffnung 82 verbunden.
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Die Ansaugpumpe 34 ist als elektrische Pumpe ausgeführt. Zur Energieversorgung ist innerhalb des Umgehäuses 78 eine Stromquelle 99, hier in Form eines Akkumulators, über nicht dargestellte Leitungen leitend mit der Ansaugpumpe 34 verbunden. Insbesondere ist hier vorgesehen, dass die Stromquelle 99 ausgewechselt werden kann.
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Die 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung einer Sedimentprobe aus Gewässerbetten und sonstigen wassergesättigten Untergründen. Im ersten Schritt des Verfahrens erfolgt eine Vorabbewertung des Untergrunds 100. Beispielsweise kann bei einer Begehung des Gewässers festgestellt werden, inwieweit ein Gummistiefel in den Untergrund eindringt oder ob Sedimente auf einfache Weise aufgewirbelt werden.
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Im Anschluss folgt eine Auswahl 110 zwischen dem Einbringelement 62 und dem Bodenaufsatz 68. Falls beispielsweise bei einer Begehung kaum oder keine Sedimente aufgewirbelt werden, ist die Untersuchung der innerhalb der Bachsohle abgelagerten Feinsedimente („innere Kolmation“) von besonderem Interesse, weshalb entsprechend ein Einbringelement 62 gewählt wird. Im Umkehrschluss können die auf der Sohle aufliegenden Feinsedimente („äußere Kolmation“) von besonderem Interesse sein, wenn bereits bei der Begehung ein großes Aufwirbeln von Sedimenten stattfindet, weshalb entsprechend ein Bodenaufsatz 68 gewählt wird.
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Auf die Auswahl 110 zwischen dem Einbringelement 62 und dem Bodenaufsatz 68 folgt entsprechend entweder ein Einbringen 120 eines Einbringelements 62 in den Untergrund des Bereichs, aus dem eine Sedimentprobe gewonnen werden soll oder ein Anordnen 121 des Bodenaufsatzes 68 auf dem Untergrund des Bereichs, von dem eine Sedimentprobe gewonnen werden soll.
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Die Entscheidung, ob aufliegendes oder im Interstitial lagerndes Feinsediment entnommen wird, ergibt ich also aus der jeweiligen Fragestellung. Entsprechend werden zur Entnahme entweder der Bodenaufsatz genommen oder aber ein Einbringelement in frei wählbarer Länge in den Gewässerboden eingebracht, wobei dort das Feinsediment gezielt angesaugt wird.
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Damit werden auch vertikale Transekte von Stoffanalysen im Interstitial, aber auch in anderen porösen Medien, wie z.B. Lockersedimenten oder Altlasten möglich.
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Im anschließenden Verfahrensschritt 130 folgt ein Verbinden der Zulaufleitung 22 mit dem Einbringelement 62 bzw. dem Bodenaufsatz 68. Die Verfahrensschritte 120 und 130 bzw. 121 und 130 sind gleichbedeutend mit dem erfindungsgemäßen Anordnen einer Ansaugöffnung einer Zulaufleitung 22. Im Falle der Verwendung eines Einbringelements 62 bilden die Eintrittsöffnungen 64 die Ansaugöffnung. Im Falle eines Bodenaufsatzes 68 bildet die Öffnung 41 die Ansaugöffnung.
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Nach dem Verfahrensschritt 130 folgt ein Erzeugen eines Unterdrucks 140 in der Zulaufleitung 22. Der nachfolgende Verfahrensschritt 150 beinhaltet das Leiten von Wasser aus dem Gewässerbett bzw. dem sonstigen wassergesättigten Untergrund durch die Zulaufleitung 22 zu dem Feinsedimentsammelelement 36. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 160 das Feinsedimentsammelelement 36 vom Wasser aus der Zulaufleitung 22 durchströmt, wodurch Wasser durch das Filterelement innerhalb des Feinsedimentsammelelements 36 gefiltert wird.
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Die Durchführung der Verfahrensschritte 130 bis 160 erfolgt vorzugsweise über einen festgesetzten Zeitraum bei einem festgesetzten Volumenstrom, beispielsweise eine Minute bei 5 bis 20 Liter pro Minute.
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Abschließend folgen in einem Verfahrensschritt 180 die Analyse der Sedimentprobe und die Auswertung der Ergebnisse. Durch die Analyse der Sedimentprobe hinsichtlich der Zusammensetzung können Kenntnisse über die qualitative Zusammensetzung, z.B. die Korngrößenverteilung oder die Schadstoffbelastung gewonnen werden. Durch die Analyse der Sedimentprobe hinsichtlich des Volumens der Feinsedimente, welches über einen bestimmten Zeitraum bei einem bestimmten Volumenstrom in den Verfahrensschritten 130 bis 170 gewonnen worden ist, können u.a. Rückschlüsse über die quantitative Verstopfung des Kieslückensystems durch Feinsedimente, die Kolmation gewonnen werden.
