DE19726813C2

DE19726813C2 - Verfahren zur Bestimmung der Verlagerung von im Bodenwasser gelösten Stoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19726813C2
Application number: DE1997126813
Authority: DE
Original assignee: BISCHOFF WOLF ANNO; KAUPENJOHANN MARTIN
Current assignee: BISCHOFF WOLF ANNO; KAUPENJOHANN MARTIN
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: DE19726813A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Verlagerung von in Bodenwasser gelösten Stoffen in porösen Medien.

Informationen über die Verlagerung von in Bodenwasser gelösten Stoffen sind sowohl in der Landwirtschaft, in der Wasserwirtschaft und im Altlastenbereich von großer Bedeutung. Während im Bereich der Land- und Wasserwirtschaft der Nährstoffaustrag und die Nitrat- und Pflanzenschutzmittelbelastung des Grundwassers untersucht werden, steht im Altlastenbereich die Überwachung von Schwermetallen und organischen Schadstoffen im Vordergrund.

So ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Bestimmung der Verlagerung von Nitraten die Differenz zwischenden NO3- Gehalten des Bodens am Ende der Vegetationszeit und vor Beginn der nachfolgenden Wachstumsperiode zu ermitteln und diese als NO3-Versickerung zu deuten. Da während der Sickerungsperiode aber neben Auswaschung noch andere Stickstoffumsetzungen und Pfanzenentzug den Bodennitratgehalt verändern, ist diese Methode ungenau.

Ferner ist aus dem Stand der Technik zur Messung der Stoffwaschung die Verwendung von Lysimetern bekannt. Mit frei dränenden Lysimetern kann nur die aus wassergesättigten Böden fließende Bodenlösung erfaßt werden. Unterdrucklysimeter, bei denen der angelegte Unterdruck in Abhängigkeit von der Saugspannung des Bodens gesteuert wird, erlauben zwar eine realitätsnähere Erfassung der versickernden Bodenlösung, sind jedoch mit hohem apparativem und finanziellem Aufwand verbunden. Die alternativ dazu eingesetzte Kombination aus Saugkerzen zur Erfassung der NO3- Konzentration in der Bodenlösung und Wasserflußmodellen zur Bestimmung der Sickerungsrate erfordert eine ganzjährig kontinuierliche Probenentnahme und die Messung der Saugspannung mit Tensiometern in unterschiedlichen Bodentiefen. Neben dem hohen zeitlichen und apparativen Aufwand bringt diese Methode das Problem mit sich, daß sich unter dem ständig herrschenden Unterdruck in der Nähe der Saugkerzen unnatürliche Fließbedingungen ausbilden. Aus einigen wissenschaftlichen Arbeiten (Beasly 1976; Shurford et al. 1977; Boll et al. 1991; Brandi-Dohrn et al. 1996; Marques et al. 1996) ist bekannt, daß Saugkerzen nicht zur Kennzeichnung der Stoffverlagerung in der ungesättigten Zone und nicht zur Erfassung des schnellen Transports von Stoffen in der ungesättigten Zone geeignet sind. Es werden daher auch Lysimeterverfahren eingesetzt, bei denen die Saugspannung durch hängende Glasfaser-Dochte erzeugt wird. Aufgrund der Größe der Apparatur eignet sich dieses Verfahren nur bedingt, da der Einbau in Böden mit hohem Aufwand verbunden ist.

Die geschilderten bekannten Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen sind damit aufwendig, teuer oder ungenau.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche geeignet sind, die Verlagerung von im Bodenwasser gelösten Stoffen in porösen Medien zu bestimmen. Die Bestimmung soll nicht nur in mit Wasser gesättigten Böden möglich sein.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Demgegenüber haben das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sie robust, einfach und gleichzeitig präzise sind. Zur Durchführung von Messungen muß jeweils nur ein an die zu untersuchenden Stoffe und an das poröse Medium angepaßtes Gemisch aus Füllmaterial und Adsorber hergestellt, in einen erfindungsgemäßen Behälter abgefüllt und an der zu untersuchenden Stelle in das poröse Medium eingesetzt werden. Nach Ablauf der Meßdauer wird der Behälter wieder entnommen und der Inhalt analysiert. Vorteilhafterweise wird durch den Einbau des Behälters das natürliche Fließfeld des porösen Mediums nur unwesentlich gestört. Die relevanten Flüsse werden erfaßt. Die mit dem Verfahren und der Vorrichtung durchgeführten Messungen sind hinsichtlich ihres Ergebnisses auch mit anderen Meßmethoden reproduzierbar und ergeben in Bilanzierungsexperimenten richtige Ergebnisse. Bei der Auswahl des für die Messung verwendeten Füllmaterials ist zu beachten, daß die Wasserleitfähigkeit des Füllmaterials der Wasserleitfähigkeit des zu untersuchenden porösen Mediums zumindest ähnlich ist. Starke Unterschiede sind zu vermeiden, da hierbei die Möglichkeit besteht, daß durch den Behälter deutlich mehr oder deutlich weniger Wasser fließt als durch die dem Behälter benachbarten Bereiche des porösen Mediums, was zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen kann. Der Adsorber ist so auszuwählen, daß er die bei der Messung nachzuweisenden Stoffe binden kann. Sollen beispielsweise positiv geladene Ionen nachgewiesen werden, so eignet sich als Adsorber eine Substanz, die entsprechend negativ geladene Ionen enthält. Bei der Analyse des Gemisches des Behälters nach Ablauf der Meßdauer werden die nachzuweisenden Stoffe aus der Adsorbersubstanz erneut ausgelöst und nachgewiesen. Im Falle ionischer Stoffe eignen sich hierzu entsprechend starke Elektrolyte. Bei der Analyse werden die an den Adsorber gebundenen Stoffe in Abhängigkeit vom Abstand zu den beiden durch wasserdurchlässige Elemente verschlossenen Seiten des Behälters nachgewiesen. Dadurch kann Aufschluß darüber gewonnen werden, ob und in welcher Menge die in Wasser gelösten Stoffe in den Behälter von oben oder unten eingedrungen sind. So geschieht beispielsweise das Eindringen von oben in den in das poröse Medium eingesetzten Behälter durch das Versickern des Bodenwassers, an welches die Stoffe gebunden sind. Von unten kann das Bodenwasser in den Behälter durch Kapillarwirkung aufsteigen. Andere Möglichkeiten sind je nach Art und Richtung der im porösen Medium auftretenden Flüsse gegeben. Dank der guten Extraktionseigenschaften der Adsorbersubstanzen werden die zu extrahierenden Stoffe meist bereits am Anfang der im Behälter verlaufenden Fließstrecke adsorbiert. Die Mitte des Behälters bleibt daher meist unbelastet. Ein Konzentrationsprofil über die Länge des Behälters zeigt daher von unten und oben eingedrungene Stoffmengen getrennt. Da der Fließquerschnitt durch die Maße des Behälters bekannt ist, kann aus dem Meßergebnis direkt die Flächenbilanz errechnet werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Behälter so in das poröse Medium eingebaut, daß die eine der durch ein wasserdurchlässiges Element verschlossenen Seiten nach oben weist und die andere nach unten. Auf diese Weise kann das Bodenwasser von oben durch Versickerung und von unten durch Kapillarwirkung in den eingebauten Behälter eindringen. Die Ausrichtung des Behälters beim Einbau in das poröse Medium ist stets an das natürliche Fließfeld im porösen Medium anzupassen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Einsetzen des Behälters in das poröse Medium aus dem porösen Medium ein Bohrkern entnommen, der Behälter in das durch die Entnahme des Bohrkerns entstehende Bohrloch eingesetzt und anschließend der Bohrkern wieder in das Bohrloch eingeführt. Somit kann der Einbau des Behälters in das poröse Medium auf einfache und schnelle Weise erfolgen. Insbesondere wird hierbei das natürliche Fließfeld des porösen Mediums nur unwesentlich gestört.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Behälter an einer seitlich zugänglichen Stelle in das poröse Medium eingebaut. Dies ist beispielsweise bei Profilgruben möglich. Das Einsetzen eines Behälters ist an diesen Stellen auf besonders einfache Weise möglich, da nur eine geringe Menge an porösem Medium entnommen werden muß, um den Behälter einbauen zu können. Außerdem kann bereits beim Einbau sichergestellt werden, daß der Behälter an den mit wasserdurchlässigen Elementen verschlossenen Seiten einen guten Kontakt zum porösen Medium hat.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gemisch zur Analyse schichtweise dem Behälter entnommen und für jede Schicht der Anteil der an den Adsorber gebundenen Stoffe bestimmt. Dadurch kann auf besonders einfache Weise das Konzentrationsprofil der gelösten Stoffe über die Länge des Behälters ermittelt werden. Je dünner die Dicke der einzelnen Schichten gewählt wird, um so genauer kann das Konzentrationsprofil ermittelt werden. Mithilfe des Konzentrationsprofils können versickernde und aufsteigende Stoffflüsse getrennt bilanziert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die im Bodenwasser gelösten Stoffe Kationen, zu deren Nachweis als Adsorber Styrol-Divinylbenzol-Polymere mit Kationen austauschenden Endgruppen verwendet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die in Bodenwasser gelösten Stoffe Anionen zu deren Nachweis als Adsorber Styrol-Divinylbenzol-Polymere mit Anionen austauschenden Endgruppen verwendet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die im Bodenwasser gelösten Stoffe unpolare Substanzen, wie beispielsweise Pflanzenschutzmittel oder Aromaten allgemein ohne Säure-Base-Eigenschaften. Zum Nachweis werden als Adsorber beispielsweise Magnesiumsilikate, Styrol- Divinylbenzol-Polymere oder Octadecylsilanol-Verbindungen verwendet. Die Auswahl der jeweiligen Adsorbersubstanz kann ganz gezielt im Hinblick auf die betreffenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der nachzuweisenden Substanzen getroffen werden.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der Verlagerung von in Bodenwasser gelösten Stoffen in porösen Medien weist vorteilhafterweise einen an zwei gegenüberliegenden Seiten offenen Behälter auf, wobei die offenen Seiten des Behälters in ihren Querschnitten übereinstimmen. Der Behälter ist so ausgebildet, daß er mit einem Gemisch aus einem an die hydraulischen Eigenschaften des porösen Mediums angepaßten Füllmaterial und einem die im Bodenwasser gelösten Stoffe bindenden Adsorber gefüllt werden kann. Um zu verhindern, daß das Gemisch aus dem Behälter an den offenen Seiten ausdringen kann, wird der Behälter durch wasserdurchlässige Elemente verschlossen. Diese Elemente ermöglichen das Eindringen von Bodenwasser in den Behälter.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wasserdurchlässigen Elemente feinmaschige Netze. Diese können je nach Wahl der zu untersuchenden Stoffe und der verwendeten Adsorbersubstanz beispielsweise aus Kunststoff oder Metall sein. Bei der Auswahl des Netzmaterials ist zu berücksichtigen, daß eine Reaktion zwischen Netzmaterial und Adsorbersubstanz oder zwischen Netzmaterial und den zu untersuchenden Stoffen unterbleibt. Eine derartige Reaktion würde das Meßergebnis verfälschen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Netze in einem Abstand zum Rand des Behälters angeordnet. Damit kann der Behälter nicht ganz mit dem Gemisch befüllt werden, sondern nur über den zwischen den beiden Netzen gelegenen Bereich. Das poröse Medium reicht damit von oben und unten in den Behälter hinein und das natürliche Fließfeld des porösen Mediums wird nicht durch Randeffekte Behälters minimiert.

Nach einer weiteren vorteihaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Behälter aus einem wasserundurchlässigen Material. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß Bodenwasser beispielsweise auch seitlich in den Behälter eindringt. Dies erleichtert wiederum das Auswerten der Messung, da der Fließquerschnitt mit den offenen Querschnittsflächen des Behälters übereinstimmt und damit bekannt ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Behälter aus Kunststoff oder Stahl. Bei der Auswahl des Behältermaterials ist zu berücksichtigen, daß das Material weder mit der Adsorbersubstanz noch mit den zu untersuchenden Stoffen reagiert. Derartige Reaktionen würden das Meßergebnis verfälschen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Behälter die Form eines Zylinders auf, der an seinen Deckelflächen offen ist. Derartig geformte Behälter eignen sich insbesondere zum Einsatz in Bohrlöcher, da diese ebenfalls einen runden Querschnitt aufweisen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Behälter die Form eines Quaders auf.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 erfindungsgemäße Behälter in einer perspektivischen Ansicht

Fig. 2 schematische Darstellung, wie der Behälter von oben in das Erdreich eingesetzt werden kann

Fig. 3 schematische Darstellung, wie ein mit einem Gemisch gefüllter Behälter seitlich in das Erdreich eingesetzt werden kann.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Behälter 1 aus einem durchsichtigen Material dargestellt. Der Behälter hat eine zylindrische Form. An der oberen und unteren Deckfläche 2 und 3 war der Behälter 1 ursprünglich nicht verschlossen, um das Einfüllen eines Gemisches 4 aus Adsorber und Füllmaterial zu ermöglichen. Nach dem Befüllen wurde der Behälter im Bereich der Deckflächen 2 und 3 durch feinmaschige Netze 5 verschlossen. Die Maschen der Netze 5 müssen kleiner sein als die Korngröße des Gemisches 4. Die Netze sind nicht an den Kanten des Behälters angeordnet sondern um einen Abstand nach innen versetzt.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie der Behälter von oben in das Erdreich eingesetzt werden kann. Zunächst wird an der zu untersuchenden Stelle ein Loch 6 gebohrt, dessen Durchmesser ungefähr mit dem Durchmesser des Behälters 1 übereinstimmt. Der Bohrkern 7 wird entnommen und ein mit einem Gemisch aus Füllmaterial und Adsorber gefüllter Behälter 1 wird in das Bohrloch 6 eingesetzt. Von dem Bohrkern 7 wird überschüssiges Bodenmaterial 8 entfernt und der Bohrkern 7 daraufhin ebenfalls in das Bohrloch eingesetzt. Damit ist der Behälter 1 an allen Seiten vom Erdreich umgeben. In der vorliegenden Darstellung wird der Behälter 1 in den unter dem Oberboden 9 liegenden Unterboden 10 eingesetzt. Nach Ablauf der Meßdauer wird der Behälter 1 auf entsprechende Weise dem Erdreich wieder entnommen und analysiert.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie ein mit einem Gemisch gefüllter Behälter 1 seitlich in das Erdreich eingesetzt werden kann. In Gruben beispielsweise wird das Erdreich so abgetragen, daß eine nahezu vertikal verlaufende Kante entsteht und Oberboden 9 und Unterboden 10 des Erdreiches von der Seite zugänglich sind. An der zu untersuchenden Stelle wird so viel Boden entfernt, daß der mit dem Gemisch gefüllte Behälter 1 bequem in den Unterboden 10 eingesetzt werden kann. Abschließend sollte sichergestellt werden, daß der Behälter 1 an seiner Ober- und Unterseite in Kontakt mit dem Unterboden steht. Die Entnahme des Behälters nach Ablauf der Meßdauer geschieht auf entsprechende Weise.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1

Behälter

2

Deckfläche

3

Deckfläche

4

Gemisch

5

Netz

6

Bohrloch

7

Bohrkern

8

überschüssiges Bodenmaterial

9

Oberboden

10

Unterboden

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Verlagerung von in Bodenwasser gelösten Stoffen in porösen Medien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
daß ein Gemisch (4) aus einem an die hydraulischen Eigenschaften des porösen Mediums angepaßten Füllmaterial und einem die im Bodenwasser gelösten Stoffe bindenden Adsorber hergestellt wird,
daß das Gemisch in einen an zwei gegenüberliegenden Seiten offenen Behälter (1) eingefüllt wird,
daß der Behälter an den offenen Seiten durch wasserdurchlässige Elemente (5) verschlossen wird,
daß der Behälter (1) an der zu untersuchenden Stelle in das poröse Medium eingesetzt wird,
daß der Behälter (1) nach Ablauf der Messdauer aus dem porösen Medium entnommen wird,
daß das Gemisch (4) analysiert wird, und
daß bei der Analyse des Gemischs die an den Adsorber gebundenen Stoffe in Abhängigkeit vom Abstand zu den beiden durch wasserdurchlässige Elemente verschlossenen Seiten des Behälters nachgewiesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) so in das poröse Medium eingebaut wird, daß die eine der durch ein wasserdurchlässiges Element (5) verschlossenen Seiten nach oben weist und die andere nach unten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einsetzen des Behälters (1) in das poröse Medium aus dem porösen Medium ein Bohrkern (7) entnommen wird, daß der Behälter (1) in das durch die Entnahme des Bohrkerns (7) entstehende Bohrloch (6) eingesetzt wird, und daß anschließend der Bohrkern (7) in das Bohrloch (6) wiedereingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) an einer seitlich zugänglichen Stelle (11) in das poröse Medium eingebaut wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch (4) zur Analyse schichtweise dem Behälter (1) entnommen wird, und daß für jede Schicht der Anteil der an den Adsorber gebundenen Stoffe bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der, vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die in Bodenwasser gelösten Stoffe Kationen sind, als Adsorber Styrol- Divinylbenzol-Polymere mit kationenaustauschenden Endgruppen verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die in Bodenwasser gelösten Stoffe Anionen sind, als Adsorber Styrol-Divinylbenzol- Polymere mit anionenaustauschenden Endgruppen verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die in Bodenwasser gelösten Stoffe unpolare Substanzen sind, als Adsorber Magnesiumsilikate, Styrol-Divinylbenzol-Polymere oder Octadecylsilanol-Verbindungen verwendet werden.

9. Vorrichtung zur Bestimmung der Verlagerung von in Bodenwasser gelösten Stoffen in porösen Medien insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen an zwei gegenüberliegenden Seiten (2, 3) offenen Behälter (1) aufweist, daß die offenen Seiten (2, 3) des Behälters (1) in ihren Querschnitten übereinstimmen, daß der Behälter mit einem Gemisch (4) aus einem an die hydraulischen Eigenschaften des porösen Mediums angepaßten Füllmaterial und einem die im Bodenwasser gelösten Stoffe bindenden Adsorber befüllbar ist, und daß der Behälter (1) an den offenen Seiten (2, 3) durch wasserdurchlässige Elemente (5) verschließbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässigen Elemente feinmaschige Netze (5) sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Netze (5) in einem Abstand zum Rand des Behälters (1) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) aus einem wasserundurchlässigen Material besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) aus Kunststoff oder Stahl besteht.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) die Form eines Zylinders aufweist, der an seinen Deckelflächen (2, 3) offen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter die Form eines Quaders aufweist.