EP3365656A1 - Substrate permeability measuring device - Google Patents

Substrate permeability measuring device

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Publication number
EP3365656A1
EP3365656A1 EP16785113.8A EP16785113A EP3365656A1 EP 3365656 A1 EP3365656 A1 EP 3365656A1 EP 16785113 A EP16785113 A EP 16785113A EP 3365656 A1 EP3365656 A1 EP 3365656A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection element
injection
fluid
underground
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16785113.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas ZUMBROICH
Hans Jürgen Hahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hz-Dr Hans Juergen Hahn und Dr Thomas Zumbroich GbR
Original Assignee
Hz-Dr Hans Juergen Hahn und Dr Thomas Zumbroich GbR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from EP15190408.3A external-priority patent/EP3159671B1/en
Priority claimed from DE202015105525.0U external-priority patent/DE202015105525U1/en
Application filed by Hz-Dr Hans Juergen Hahn und Dr Thomas Zumbroich GbR filed Critical Hz-Dr Hans Juergen Hahn und Dr Thomas Zumbroich GbR
Publication of EP3365656A1 publication Critical patent/EP3365656A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Definitions

  • the invention relates to a subsurface permeability measuring device and a method for measuring the permeability of soils, in particular the Kolmation in subsoil of waters.
  • Colmation refers to the clogging of fine gap systems in the sands, gravels and pebbles of the river bottom and the reduction of water flow in the sediments.
  • hyporheic zone This prevents water flow and exchange between surface water, hyporheic zone and groundwater.
  • colmation is a problem for bio-wastewater treatment plants and seepage systems. Root growth can also clog the soil pores. Another form is the mud of the soil crumb by heavy or continuous rain as a problem of agriculture.
  • the hyporheic zone is usually completely ignored when examining and evaluating fumigated rivers, which usually leads to a diffuse result: although structure and water quality are good or very good, the ecological assessment only indicates a mediocre state ("general degradation"). Since colmation occurs in all those running waters in agricultural and settlement areas, most of the European streams and rivers are likely to be affected. At present, however, there are no standardized methods for the detection and evaluation of the colmation of river sediments. If considered at all, the colmation is estimated. Methods for quantitative detection of colmation do not yet exist.
  • FR 2 576415 describes a measuring device and a method for determining the permeability of a substrate, in which a measuring device is introduced into a predrilled borehole. Described is a pulsating pressure measurement in terrestrial subsoil. Ultimately, the process is complicated and expensive.
  • US Pat. No. 5,548,991 describes an injection device via which the permeability of soil can likewise be determined. An injection element is introduced into the substrate with the help of a lubricant. After removal of the injection element, the wellbore is sealed with a sealant. Both the lubricant and the sealant change the background so that the measurement of the internal Kolmation is no longer possible.
  • the hitherto customary approaches for detecting the internal colmation can be subdivided into qualitative methods, metrological methods and calculation methods.
  • the qualitative methods include, for example, the visual assessment, the so-called boot test and the optical evaluation of dry parts of the sole. All these qualitative methods have the disadvantage that they are very subjective and thus do not allow an objective comparison of different judgments.
  • the metrological methods include sediment traps, sieve analyzes, groundwater level measurements and runoff measurements. Sediment traps allow only a qualitative assessment, which in turn depends on the experimental set-up. Sieve analyzes are complex and a graduated assessment of the colmation is hardly possible. The assessment of the groundwater level also does not allow for a differentiated assessment of the colmation, whereas for discharge measurements the assessment of the colmation is not clear.
  • Calculation methods are based on the permeability as a function of time. The effort is very large and the measurement of many input parameters is required.
  • a methodology for collecting the inner colmation under water involves the introduction of a 33 cm long steel pin into the ground or the Kiessohle. The steel pin reaches 16.5 cm into the ground. A string is placed around the pencil with a loop. At the other end of the string a spring balance is attached. With increasing force is drawn at right angles to the pin, until the pin is released from the gravel. The force that is necessary for this can be read on the spring balance.
  • a disadvantage of this method is, inter alia, that the resistance of non-visible conditions in the ground is dependent. It has also been shown that numerous measurements are necessary to achieve a relatively objective result.
  • the infiltration capacity of the subsoil is also of importance in subsoil investigations or in permeability measurements in aquifers and soils.
  • no measuring devices or simply applicable methods are known for these applications in terrestrial soils either.
  • the object of the present invention is to provide a Untergrund carefullyläs- stechniksmess réelle, with the degree of internal Kolmation can be reliably and repeatedly measured. Furthermore, for example, the investigation of soil with regard to the infiltration capability of the subsurface or permeability measurements in aquifers and soils should be possible.
  • the underground permeability meter is designed to be robust and simple, possible sources of error should be minimized. In addition, the production of the underground permeability meter should be cost-effective and maintenance and servicing should be feasible with little effort. It is another object of the present invention to provide a method for measuring the internal Kolmation, which can be carried out in particular with the underground permeability measuring device according to the invention.
  • the object is achieved by a Unter ground press inkeitsmessge- device with the features of claim 1. Furthermore, the object is achieved by a method for measuring colmation in subsoils of waters, which is characterized by the method steps of claim 10.
  • subsurface encompasses all subsurfaces, in particular loose sediments (sediments), soils, debris and other geological subsurfaces.
  • fluid includes suitable gases and liquids.
  • suitable gases and liquids include suitable gases and liquids.
  • the invention will be explained with reference to the use of liquid as a fluid, but the invention should therefore not be limited to the use of a liquid.
  • the inventors have recognized that a robust method of quantitative measurement of colmation must be able to determine the permeability of the sediments to water. The result must lead to a kind of parameter that is comparable to the permeability coefficient for aquifers (Kf value).
  • the permeability of sediments is measured by the targeted intrusion or injection of liquid, preferably water, by means of an injection element into the substrate to be examined.
  • overpressure referred to in the context of the invention, the state at the or the outlet openings.
  • a certain overpressure is provided to direct the fluid from the outside through the outlet openings.
  • the level of the pressure level depends in particular on the ground, but also on the desired duration of the injection. If the initiation is over a long period of time, a minimum overpressure may suffice. For certain substrates, it may even be possible to introduce the fluid without overpressure, ie with ambient pressure. In general, an overpressure of 1 bar has proven to be particularly advantageous.
  • the injection element is preferably formed by a lance of a resistant, rigid material as possible. This is particularly useful because the lance must be introduced into the soil or ground to be examined.
  • the injection element or the lance has a length that allows easy transportation by hand and insertion of the lance into the ground by a single person.
  • the lance can be between 0.5 m and 1.5 m long, preferably about 1 m.
  • the injection element can be pressed in, hammered in or be screwed or drilled.
  • the lance may have other elements that facilitate insertion into the ground. This includes, in the alternative, an impact weight, which is firmly attached to the lance, or a particularly resistant tip at the free end. It is also conceivable relatively coarse external thread that allows screwing or screwing by the user in the ground.
  • the diameter of the lance should be as small as possible, for example 0.5 cm to 3 cm.
  • the background is that, following a measurement, the remaining liquid exits the interior of the lance through the outlet openings. For the next measurement, the then empty interior must first be filled before the liquid can be conducted into the environment.
  • an end opening of the inner tube opens directly into an end opening of the outer tube, preferably at the free end of the lance, ie in the region of the lance tip.
  • the liquid first flows via outlet openings of the inner tube into the annular space between the two tubes, in order then to flow out through the outlet openings of the outer tube.
  • the inner tube may for this purpose have one or more outlet openings.
  • the injection element in the region of the entry of the liquid into the injection element, can have an actuatable and closable valve, preferably a manually operable valve.
  • the valve is opened, after the measurement, it can be closed, so that the liquid can no longer flow through the outlet openings to the outside.
  • the outer tube is closed by a valve.
  • the volume or pressure measurement is carried out via a corresponding measuring device, which is preferably arranged at the upper end of the lance, ie during use outside the water.
  • the injection element may for example also be formed by a hose which is placed on or in a river bed and remains there until it is due to sedimentation in the ground.
  • the injection element according to the invention can also be buried in the ground.
  • the injection element In its interior, the injection element has a liquid-conducting cavity, wherein at least one outlet opening is provided at the free end of the injection element. Through the cavity, the liquid is passed to the outlet opening and injected into the surrounding ground.
  • a pressure increasing device causes an increase in the pressure level of the liquid to be injected.
  • the pressure increasing device may be formed by a simple manually driven pump, but also conceivable is an electrically or motor-driven pump.
  • the liquid to be injected can either be taken from the environment, for example from a body of water, but according to the invention it is also possible to provide a container in which liquid is stored.
  • a container in which liquid is stored.
  • pure water is used which has no negative impact on the environment, in particular the water and the groundwater.
  • this can for example be in communication with a pump, via which the pressure level can be increased within the container to the desired level.
  • a valve preferably a manual or solenoid valve
  • the liquid is conveyed via an outlet line from the pressurized container into the injection element.
  • a submersible pump or a centrifugal pump can be provided in the outlet line within the container.
  • a pressure regulator can preferably be provided which precisely sets the desired overpressure.
  • a hand pump is used to generate of overpressure, for example to 2 bar in the liquid container. It is then ensured via the pressure regulator that only the desired overpressure, for example 1 bar, is introduced into the injection element per measuring process.
  • the container is provided with straps which allow it to be worn, for example, on the back. This is particularly advantageous when passing through water, especially since then electrically operated measuring devices can be attached to the container and thus can be safely carried above the water level.
  • the diameter is to be selected depending on the substrate to be examined, for example, orders of magnitude of 1 mm to 5 mm, preferably 1 mm to 2 mm have proven to be useful. Depending on the substrate, however, diameters of less than 1 mm can be effective.
  • the advantage of multiple outlet openings distributed over the outer surface of the injection element is that the risk of clogging of all outlet openings by sand or gravel is less than with only a single outlet opening.
  • only a single outlet opening at the tip of the injection element can have advantages.
  • because the clogging of individual outlet openings increases the speed of the exiting fluid from the remaining, non-added outlet openings. This is not the case with only a single opening.
  • a time-controlled valve can be provided according to the invention.
  • the duration of liquid injection may be measured via an external stopwatch.
  • the lance advantageously has a scale or color indicators on its outside. For example, the area of the free end may be clearly visible from the tip of the lance. When hammering then only has to be taken to ensure that the colored area penetrates into the soil. Since the lance should preferably also be usable under water, the color should be chosen so that it is well visible even through water. Alternatively or additionally, a pattern can also be used if this increases the visibility.
  • the injection element as slowly as possible into the substrate.
  • it can be loaded with a weight or with spring force and, for example, slowly pushed into the ground using a tripod.
  • the pressure with which the liquid is introduced into the underground can also be significantly higher or significantly lower. For example, measurements can lead to meaningful and reliable results where the pressure is significantly less than 1 bar. Measurements with lower pressure also lead to less influence on the substrate surrounding the injection element.
  • the working pressure and the injection time can be adjusted as needed.
  • sensors can be introduced into the sediment, z. B. for measuring the temperature, the oxygen content, the conductivity, the localization of the measuring point (GPS) or other parameters.
  • the sensors can also be attached to the injection element or integrated into it.
  • the mechanical components shown in the method described above can be supplemented or substituted by electronic components. Digital recording and automated further processing is possible. However, it can also be used for subsoil exploration or for permeability measurements of aquifers.
  • the method described above is basically also suitable for use in the marine environment (eg harbor basin and offshore).
  • measurements can be made in still waters such as lakes, ponds and ponds.
  • the subsurface permeability measuring device and the method are therefore suitable for use in permanent and temporary waters.
  • all elements that require electrical energy are designed so that they can be operated via 9V or 12V or 24V. This minimizes the size of batteries or Batteries and in particular also allows a power supply via solar elements, which is particularly helpful in long field measurements in nature.
  • the determination of the colmation requires that the surrounding soil is changed as little as possible.
  • the introduction of the injection element must not lead to compressions in the surrounding material, since thereby the measured values are changed.
  • the underground permeability measuring device according to the invention permits a slow introduction of the injection element into the substrate, whereby the influence on the surrounding material is reduced.
  • the lance itself is placed directly in the ground, a pre-drilling, as it is necessary in other methods is avoided.
  • the minimally invasive technique according to the invention causes virtually no adverse effects on the environment.
  • the investigations can be carried out manually, ie a single person, for example, passes through a river bed or creek bed and can carry out measurements at various points.
  • the portability of the subsurface transmittance meter is of crucial importance. This is also because numerous measurements must be carried out for a sufficient examination or mapping of substrates, which means that changeover times or a procedure of large equipment can not be expedient.
  • the underground permeability measuring device With the underground permeability measuring device according to the invention, a large number of measurements can be taken in a very short time directly by manually introducing the lance. Only one person is needed for this.
  • the focus of the invention is that the underground permeability measuring device according to the invention is portable, suitable for environmentally friendly measurement of the colmation in subsoil waters of any kind. So it is very important that the measuring device allows quick and easy measuring. It is also essential that the meter is designed in such a way that it can be used in water or in water-saturated underground. The measurement should be minimally invasive and disturb the background or the existing colmation as little as possible.
  • FIG 2 shows an example of an injection element according to the invention.
  • the sole figure shows a subsurface transmittance meter 20 for measuring the permeability of a subsurface.
  • This has an injection element 22, executed in the illustrated embodiment as a lance, which is insertable into a substrate.
  • a cavity 24 is formed through which liquid can be directed to outlet openings 26.
  • the outlet openings 26 are arranged in the region of the free end and distributed uniformly over the outer circumference of the injection element 22.
  • the injection element 22 is connected in the embodiment shown with a line 28, which ultimately ends in a container 30. Within the container 30 liquid is arranged to be injected into the ground.
  • a pressure increasing device 32 serves to increase the pressure level at which the liquid is injected into the ground.
  • the pressure increasing device 32 is designed as a manual pump 34, via which the pressure level in the container 30 can be increased.
  • the subsurface transmittance meter 20 further comprises a measuring device 36, via which a measurement from the group of injected liquid volume, period of the liquid injection or pressure level of the liquid injection is feasible. Accordingly, the necessary elements, such as a volumeter 38, a pressure gauge and / or a clock are available.
  • a timed valve 40 opens the inlet into the injection element 22 for a defined period of time.
  • This valve 40 may be formed by a manual valve or a solenoid valve with time setting.
  • a display device 42 serves to display measured values. Via the display device 42, all relevant data can be displayed, for example the measured pressure level, the injected liquid volume or the period of the liquid injection. In particular, the time to be measured can also be set via the display device.
  • the indicator 42 may be external or integral with the meter.
  • an additional pressure indicator 44 is provided.
  • the defined overpressure or the desired pressure level can be ensured by means of an adjustable pressure relief valve 46.
  • the injection element 22 has a colored area 48 which indicates a desired depth of penetration into the substrate.
  • This colored area can be dispensed with, but it can also be replaced by a scale, for example with a centimeter display.
  • a striking weight 50 is provided in order to facilitate introduction of the injection element 22 into the ground.
  • a relatively large external thread is conceivable that the injection element 22 can be screwed into the ground.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of an injection element 22 with two coaxial tubes.
  • the flow of liquid is illustrated by arrows.
  • An inner tube 54 is disposed inside an outer tube 56.
  • An annular space 58 of the injection element 22 initially fills through an outlet opening 26 of the inner tube 54.
  • the inner tube 54 can also have a plurality of outlet openings 26. Thereafter, the liquid flows out of the outer tube 54 through the outlet opening 26.
  • a valve 60 preferably a manually operable tap allows closing of the outer tube 54 and the annular space 58 and thus prevents accidental leakage of the liquid through the outlet openings 26 after the measurement.

Abstract

The invention relates to a portable substrate permeability measuring device (20) having the following: - an injection element (22) designed as a lance for introducing into a substrate, comprising a cavity (24) for conducting a fluid to at least one outlet opening (26), which is preferably arranged in the region of the free end of the injection element (22), and - a pressure increasing device (32), by means of which the fluid can be injected at overpressure through the injection element (22) and the outlet opening (26) into the substrate surrounding the injection element (22). The invention further relates to a method for measuring the permeability of a substrate.

Description

Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät  Underground Transmission Rate Tester
Die Erfindung betrifft ein Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät und ein Verfahren zur Messung der Durchlässigkeit von Böden, insbesondere der Kolmation in Untergründen von Gewässern. The invention relates to a subsurface permeability measuring device and a method for measuring the permeability of soils, in particular the Kolmation in subsoil of waters.
Die Durchlässigkeit bzw. die Versickerungsfähigkeit von Untergründen wird unter anderem maßgeblich durch Kolmation beeinflusst. Kolmation bezeichnet die Verstopfung feiner Lückensystem in den Sanden, Kiesen und Schottern der Gewässersohle und die Verminderung des Wasserflusses in den Sedimenten.  The permeability or infiltration capacity of substrates is significantly influenced, among other things, by colmation. Colmation refers to the clogging of fine gap systems in the sands, gravels and pebbles of the river bottom and the reduction of water flow in the sediments.
Jedes Jahr erodieren in Europa 970 Millionen Tonnen Boden . Der größte Teil dieser Feinsedimente wird in die Fließgewässer eingetragen. Auch durch Abschläge aus der Kanalisation bei Starkregenereignissen werden in Siedlungsgebieten und entlang großer versiegelter Flächen (wie z. B. Autobahnen) partikuläre Schmutzstoffe organischer und anorganischer Art in Bäche und Flüsse eingetragen. Auch dies führt zu Kolmation.  Every year, 970 million tons of soil erode in Europe. Most of these fine sediments are introduced into the watercourses. Even in the case of heavy rainfall falls in the sewage system, particulate contaminants of organic and inorganic types are introduced into streams and rivers in settlement areas and along large sealed surfaces (such as highways). This too leads to colmation.
Dort verstopfen sie die feinen Lückensysteme in den Sanden, Kiesen und Schottern der Gewässersohle, die sogenannte hyporheische Zone. Damit wird der Wasserfluss und -austausch zwischen Oberflächenwasser, hyporheischer Zone und Grundwasser verhindert.  There they clog the fine gap systems in the sands, gravels and gravel of the riverbed, the so-called hyporheic zone. This prevents water flow and exchange between surface water, hyporheic zone and groundwater.
Kolmation ist unter anderem auch ein Problem für Bio-Kläranlagen und Versicke- rungsanlagen. Auch durch Wurzelwachstum können die Bodenporen verstopfen (kolmatieren). Eine weitere Form ist die Verschlämmung der Bodenkrume durch Stark- oder Dauerregen als Problemfall der Landwirtschaft.  Among other things, colmation is a problem for bio-wastewater treatment plants and seepage systems. Root growth can also clog the soil pores. Another form is the mud of the soil crumb by heavy or continuous rain as a problem of agriculture.
Bei der Untersuchung und Bewertung kolmatierter Fließgewässer wird die hyporheische Zone meist völlig außer Acht gelassen, was meist zu einem diffusen Ergebnis führt: Obwohl Struktur und Wasserqualität gut oder sehr gut sind, zeigt die ökologische Bewertung nur einen mittelmäßigen Zustand an („allgemeine Degradation"). Da Kolmation bei all jenen Fließgewässern auftritt, die in landwirtschaftlich genutzten Regionen und durch Siedlungsgebiete verlaufen, dürfte der größte Teil der europäischen Bäche und Flüsse davon betroffen sein . Derzeit gibt es jedoch keine standardisierten Verfahren zur Erfassung und Bewertung der Kolmation von Fließgewässersedimenten. Soweit überhaupt berücksichtig, wird die Kolmation geschätzt. Methoden zur quantitativen Erfassung der Kolmation existieren bisher nicht. The hyporheic zone is usually completely ignored when examining and evaluating fumigated rivers, which usually leads to a diffuse result: although structure and water quality are good or very good, the ecological assessment only indicates a mediocre state ("general degradation"). Since colmation occurs in all those running waters in agricultural and settlement areas, most of the European streams and rivers are likely to be affected. At present, however, there are no standardized methods for the detection and evaluation of the colmation of river sediments. If considered at all, the colmation is estimated. Methods for quantitative detection of colmation do not yet exist.
Es sind Messgeräte und Verfahren bekannt, über die zwar die Durchlässigkeit von Untergründen bestimmbar ist, diese eignen sich jedoch nicht zur Bestimmung der inneren Kolmation. Beispielsweise beschreibt die FR 2 576415 ein Messgerät und ein Verfahren zur Bestimmung der Durchlässigkeit eines Untergrundes, bei dem ein Messgerät in ein vorgebohrtes Bohrloch eingebracht wird. Beschrieben ist eine pulsierende Druckmessung in terrestrischem Untergrund . Letztendlich ist das Verfahren aufwendig und teuer. In US 5 548 991 ist ein Injektionsgerät beschrieben, über das ebenfalls die Durchlässigkeit von Erdreich bestimmbar ist. Ein Injektionselement wird dabei mithilfe eines Schmiermittels in den Untergrund eingebracht. Nach Entfernen des Injektionselements wird das Bohrloch mit einem Dichtmittel verschlossen. Sowohl das Schmiermittel als auch das Dichtmittel verändern den Untergrund derart, dass die Messung der inneren Kolmation nicht mehr möglich ist.  Although measuring devices and methods are known by means of which the permeability of substrates can be determined, these are not suitable for determining the internal colmation. For example, FR 2 576415 describes a measuring device and a method for determining the permeability of a substrate, in which a measuring device is introduced into a predrilled borehole. Described is a pulsating pressure measurement in terrestrial subsoil. Ultimately, the process is complicated and expensive. US Pat. No. 5,548,991 describes an injection device via which the permeability of soil can likewise be determined. An injection element is introduced into the substrate with the help of a lubricant. After removal of the injection element, the wellbore is sealed with a sealant. Both the lubricant and the sealant change the background so that the measurement of the internal Kolmation is no longer possible.
Die bisher üblichen Ansätze zur Erfassung der inneren Kolmation lassen sich in qualitative Verfahren, messtechnische Verfahren und Berechnungsverfahren unterteilen. Zu den qualitativen Verfahren gehören beispielsweise die visuelle Beurteilung, die sogenannte Stiefelprobe und die optische Bewertung an trockenen Teilen der Sohle. Alle diese qualitativen Verfahren haben den Nachteil, dass sie sehr subjektiv sind und insofern einen objektiven Vergleich verschiedener Beurteilungen nicht zulassen.  The hitherto customary approaches for detecting the internal colmation can be subdivided into qualitative methods, metrological methods and calculation methods. The qualitative methods include, for example, the visual assessment, the so-called boot test and the optical evaluation of dry parts of the sole. All these qualitative methods have the disadvantage that they are very subjective and thus do not allow an objective comparison of different judgments.
Die messtechnischen Verfahren beinhalten Sedimentfallen, Siebanalysen, Grundwasserstandsmessungen und Abflussmessungen. Sedimentfallen lassen nur eine qualitative Beurteilung zu, die wiederum abhängig ist vom Versuchsaufbau . Siebanalysen sind aufwendig und eine abgestufte Beurteilung der Kolmation ist kaum möglich. Die Beurteilung des Grundwasserstands lässt ebenfalls keine differenzierte Bewertung der Kolmation zu, während bei Abflussmessungen die Bewertung der Kolmation nicht eindeutig ist.  The metrological methods include sediment traps, sieve analyzes, groundwater level measurements and runoff measurements. Sediment traps allow only a qualitative assessment, which in turn depends on the experimental set-up. Sieve analyzes are complex and a graduated assessment of the colmation is hardly possible. The assessment of the groundwater level also does not allow for a differentiated assessment of the colmation, whereas for discharge measurements the assessment of the colmation is not clear.
Berechnungsverfahren basieren auf der Durchlässigkeit in Funktion der Zeit. Der Aufwand ist sehr groß und die Messung vieler Eingabeparameter ist erforderlich. Eine Methodik zur Erhebung der inneren Kolmation unter Wasser beinhaltet das Einbringen eines rund 33 cm langen Stahlstiftes in den Boden bzw. die Kiessohle. Der Stahlstift reicht dabei 16,5 cm in den Boden hinein. Eine Schnur wird mit einer Schlaufe um den Stift gelegt. Am anderen Ende der Schnur ist eine Federwaage befestigt. Mit zunehmender Kraft wird rechtwinklig zum Stift gezogen, bis sich der Stift aus dem Kies löst. Die Kraft die dazu notwendig ist, kann auf der Federwaage abgelesen werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist u.a., dass der Widerstand von nicht sichtbaren Gegebenheiten im Boden abhängig ist. Auch hat sich gezeigt, dass zahlreiche Messungen notwendig sind, um ein relativ objektives Ergebnis zu erreichen. Calculation methods are based on the permeability as a function of time. The effort is very large and the measurement of many input parameters is required. A methodology for collecting the inner colmation under water involves the introduction of a 33 cm long steel pin into the ground or the Kiessohle. The steel pin reaches 16.5 cm into the ground. A string is placed around the pencil with a loop. At the other end of the string a spring balance is attached. With increasing force is drawn at right angles to the pin, until the pin is released from the gravel. The force that is necessary for this can be read on the spring balance. A disadvantage of this method is, inter alia, that the resistance of non-visible conditions in the ground is dependent. It has also been shown that numerous measurements are necessary to achieve a relatively objective result.
Die Versickerungsfähigkeit des Untergrundes ist auch bei Baugrunderkundungen oder bei Durchlässigkeitsmessungen in Grundwasserleitern sowie Böden von Bedeutung. Über die oben genannten Verfahren hinaus sind auch für diese Anwendungsbereiche in terrestrischen Böden keine Messgeräte oder keine einfach anwendbaren Verfahren bekannt. Beispielsweise ist es bei der Herstellung von Ver- sickerungsmulden, Rigolen oder Retentionsbodenfilterbecken notwendig, die Versickerungsfähigkeit des Bodens bzw. des Untergrundes im Vorfeld sicher zu bestimmen. Nur wenn Regenwasser in ausreichender Geschwindigkeit versickern kann, ist eine solche technische Versickerungsanlage genehmigungsfähig .  The infiltration capacity of the subsoil is also of importance in subsoil investigations or in permeability measurements in aquifers and soils. In addition to the above-mentioned methods, no measuring devices or simply applicable methods are known for these applications in terrestrial soils either. For example, in the production of percolation troughs, trenches or retention bottom filter basins, it is necessary to determine the infiltration capacity of the soil or the subsoil in advance. Only if rainwater can seep in sufficient speed, such a technical infiltration system is approved.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Untergrunddurchläs- sigkeitsmessgerät zu schaffen, mit dem der Grad der inneren Kolmation zuverlässig und wiederholbar gemessen werden kann. Weiterhin sollen beispielsweise auch die Untersuchung von Baugrund hinsichtlich der Versickerungsfähigkeit des Untergrunds oder auch Durchlässigkeitsmessungen in Grundwasserleitern und Böden möglich sein. Das Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät soll dabei robust und einfach aufgebaut, mögliche Fehlerquellen sollen minimiert sein. Die Herstellung des Untergrunddurchlässigkeitsmessgerätes soll darüber hinaus kostengünstig und die Wartung und Instandhaltung mit geringem Aufwand durchführbar sein. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der inneren Kolmation vorzuschlagen, welches insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät durchführbar ist.  The object of the present invention is to provide a Untergrunddurchläs- sigkeitsmessgerät, with the degree of internal Kolmation can be reliably and repeatedly measured. Furthermore, for example, the investigation of soil with regard to the infiltration capability of the subsurface or permeability measurements in aquifers and soils should be possible. The underground permeability meter is designed to be robust and simple, possible sources of error should be minimized. In addition, the production of the underground permeability meter should be cost-effective and maintenance and servicing should be feasible with little effort. It is another object of the present invention to provide a method for measuring the internal Kolmation, which can be carried out in particular with the underground permeability measuring device according to the invention.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Untergrunddurchlässigkeitsmessge- rät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung von Kolmation in Untergründen von Gewässern gelöst, das gekennzeichnet ist durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 10. According to the invention the object is achieved by a Untergrunddurchlässigkeitsmessge- device with the features of claim 1. Furthermore, the object is achieved by a method for measuring colmation in subsoils of waters, which is characterized by the method steps of claim 10.
Der Begriff Untergrund umfasst im Sinne der Erfindung sämtliche Untergründe, insbesondere Lockersedimente (Bachsedimente), Böden, Geschiebe und sonstige geologischen Untergründe.  For the purposes of the invention, the term subsurface encompasses all subsurfaces, in particular loose sediments (sediments), soils, debris and other geological subsurfaces.
Der Begriff Fluid umfasst geeignete Gase und Flüssigkeiten. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Nutzung von Flüssigkeit als Fluid erläutert, die Erfindung soll deswegen aber nicht auf die Nutzung einer Flüssigkeit beschränkt sein. The term fluid includes suitable gases and liquids. In the following, the invention will be explained with reference to the use of liquid as a fluid, but the invention should therefore not be limited to the use of a liquid.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein belastbares Verfahren zur quantitativen Messung der Kolmation die Durchlässigkeit der Sedimente für Wasser ermitteln können muss. Das Ergebnis muss zu einer Art Parameter führen, der mit dem Durchlässigkeitsbeiwert für Grundwasserleiter (Kf-Wert) vergleichbar ist. The inventors have recognized that a robust method of quantitative measurement of colmation must be able to determine the permeability of the sediments to water. The result must lead to a kind of parameter that is comparable to the permeability coefficient for aquifers (Kf value).
Erfindungsgemäß erfolgt die Messung der Durchlässigkeit von Sedimenten durch die gezielte Intrusion bzw. Injektion von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, mittels eines Injektionselementes in den zu untersuchenden Untergrund.  According to the invention, the permeability of sediments is measured by the targeted intrusion or injection of liquid, preferably water, by means of an injection element into the substrate to be examined.
Der Begriff Überdruck bezeichnet im Sinne der Erfindung den Zustand an der oder den Austrittsöffnungen. Ein gewisser Überdruck ist vorgesehen, um das Fluid von innen außen durch die Austrittsöffnungen zu leiten. Die Höhe des Druckniveaus ist insbesondere vom Untergrund, aber auch von der gewünschten Zeitdauer der Injektion abhängig. Erfolgt das Einleiten über einen langen Zeitraum, kann ein minimaler Überdruck ausreichen. Bei bestimmten Untergründen kann es sogar möglich sein, das Fluid ohne Überdruck, also mit Umgebungsdruck einzuleiten. Im allgemeinen hat sich ein Überdruck von 1 bar als besonders vorteilhaft erwiesen.  The term overpressure referred to in the context of the invention, the state at the or the outlet openings. A certain overpressure is provided to direct the fluid from the outside through the outlet openings. The level of the pressure level depends in particular on the ground, but also on the desired duration of the injection. If the initiation is over a long period of time, a minimum overpressure may suffice. For certain substrates, it may even be possible to introduce the fluid without overpressure, ie with ambient pressure. In general, an overpressure of 1 bar has proven to be particularly advantageous.
Das Injektionselement ist vorzugsweise durch eine Lanze aus einem widerstandsfähigen, möglichst starren Material gebildet. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, weil die Lanze in den zu untersuchenden Boden oder Untergrund eingebracht werden muss. Das Injektionselement bzw. die Lanze weist eine Länge auf, die ein Transportieren und Einbringen der Lanze in den Untergrund durch nur Person von Hand problemlos ermöglicht. Beispielsweise kann die Lanze zwischen 0,5 m und 1,5 m lang sein, vorzugsweise etwa 1 m. Je nach Zusammensetzung des Untergrundes kann das Injektionselement eingedrückt, eingeschlagen oder eingedreht bzw. gebohrt werden. Entsprechend kann die Lanze weitere Elemente aufweisen, die ein Einbringen in den Boden erleichtern. Hierzu zählt bei hilfsweise ein Schlaggewicht, welches fest an der Lanze befestigt ist, oder eine besonders widerstandsfähige Spitze am freien Ende. Denkbar ist auch relativ grobes Außengewinde, das das Eindrehen bzw. Einschrauben durch den Benutzer in den Untergrund ermöglicht. The injection element is preferably formed by a lance of a resistant, rigid material as possible. This is particularly useful because the lance must be introduced into the soil or ground to be examined. The injection element or the lance has a length that allows easy transportation by hand and insertion of the lance into the ground by a single person. For example, the lance can be between 0.5 m and 1.5 m long, preferably about 1 m. Depending on the composition of the substrate, the injection element can be pressed in, hammered in or be screwed or drilled. Accordingly, the lance may have other elements that facilitate insertion into the ground. This includes, in the alternative, an impact weight, which is firmly attached to the lance, or a particularly resistant tip at the free end. It is also conceivable relatively coarse external thread that allows screwing or screwing by the user in the ground.
Es hat sich gezeigt, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Durchmesser der Lanze möglichst gering sein sollte, beispielsweise 0,5 cm bis 3 cm. Hintergrund ist, dass im Anschluss an eine Messung die noch befindliche Flüssigkeit aus dem Innenraum der Lanze durch die Austrittsöffnungen austritt. Bei der nächsten Messung muss der dann leere Innenraum zunächst gefüllt werden, bevor die Flüssigkeit in die Umgebung geleitet werden kann.  It has been shown that in a particularly advantageous embodiment variant, the diameter of the lance should be as small as possible, for example 0.5 cm to 3 cm. The background is that, following a measurement, the remaining liquid exits the interior of the lance through the outlet openings. For the next measurement, the then empty interior must first be filled before the liquid can be conducted into the environment.
Um insbesondere bei widerstandsfähigem Untergrund das Einbringen der Lanze zu erleichtern bzw. die Lanze nicht zu beschädigen, kann diese wiederum von einem weiteren widerstandsfähigen Hohlkörper ummantelt sein. Dadurch bildet sich sozusagen ein Doppelrohr aus, wobei die Flüssigkeit durch das innere Rohr geleitet wird . In einer ersten Ausführungsvariante mündet eine endseitige Öffnung des inneren Rohrs unmittelbar in eine endseitige Öffnung des äußeren Rohrs, vorzugsweise am freien Ende der Lanze, also im Bereich der Lanzenspitze.In order to facilitate the introduction of the lance and not to damage the lance, especially in a resistant substrate, this in turn can be covered by a further resistant hollow body. As a result, a double tube is formed so to speak, whereby the liquid is passed through the inner tube. In a first embodiment, an end opening of the inner tube opens directly into an end opening of the outer tube, preferably at the free end of the lance, ie in the region of the lance tip.
In einer zweiten Ausführungsvariante strömt die Flüssigkeit über Austrittsöffnungen des inneren Rohrs zunächst in den Ringraum zwischen die beiden Rohre, um dann durch die Austrittsöffnungen des äußeren Rohrs auszuströmen. Das innere Rohr kann zu diesem Zweck eine oder mehrere Austrittsöffnungen aufweisen. In a second embodiment variant, the liquid first flows via outlet openings of the inner tube into the annular space between the two tubes, in order then to flow out through the outlet openings of the outer tube. The inner tube may for this purpose have one or more outlet openings.
Vorteilhafterweise kann das Injektionselement im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in das Injektionselement ein betätig- und verschließbares Ventil, vorzugsweise einen von Hand zu betätigenden Hahn aufweisen. Während der Messung ist das Ventil geöffnet, nach der Messung kann es geschlossen werden, sodass die Flüssigkeit nicht mehr durch die Austrittsöffnungen nach außen strömen kann. Bei der Ausführungsvariante mit zwei koaxialen Rohren und der Nutzung des dazwischen angeordneten Ringraums reicht es aus, wenn das äußere Rohr über ein Ventil verschließbar ist. Die Volumen- oder Druckmessung erfolgt über ein entsprechendes Messgerät, das vorzugsweise am oberen Ende der Lanze, also während der Benutzung außerhalb des Gewässers angeordnet ist. Advantageously, in the region of the entry of the liquid into the injection element, the injection element can have an actuatable and closable valve, preferably a manually operable valve. During the measurement, the valve is opened, after the measurement, it can be closed, so that the liquid can no longer flow through the outlet openings to the outside. In the embodiment with two coaxial tubes and the use of the interposed annulus, it is sufficient if the outer tube is closed by a valve. The volume or pressure measurement is carried out via a corresponding measuring device, which is preferably arranged at the upper end of the lance, ie during use outside the water.
Alternativ kann das Injektionselement beispielsweise auch durch einen Schlauch gebildet sein, der auf bzw. in ein Flussbett gelegt wird und dort solange verbleibt, bis er sich aufgrund von Sedimentation im Untergrund befindet.  Alternatively, the injection element may for example also be formed by a hose which is placed on or in a river bed and remains there until it is due to sedimentation in the ground.
Unabhängig von der Ausbildung des Injektionselementes beispielsweise als Lanze oder Schlauch kann das Injektionselement erfindungsgemäß auch in den Untergrund eingegraben werden.  Regardless of the design of the injection element, for example, as a lance or hose, the injection element according to the invention can also be buried in the ground.
In ihrem Innern weist das Injektionselement einen flüssigkeitsleitenden Hohlraum auf, wobei am freien Ende des Injektionselements mindestens eine Austrittsöffnung vorgesehen ist. Durch den Hohlraum wird die Flüssigkeit zu der Austrittsöffnung geleitet und in den umgebenden Untergrund injiziert.  In its interior, the injection element has a liquid-conducting cavity, wherein at least one outlet opening is provided at the free end of the injection element. Through the cavity, the liquid is passed to the outlet opening and injected into the surrounding ground.
Eine Druckerhöhungsvorrichtung bewirkt dabei eine Erhöhung des Druckniveaus der zu injizierenden Flüssigkeit. Die Druckerhöhungsvorrichtung kann dabei durch eine einfache manuell angetriebene Pumpe gebildet sein, denkbar ist aber auch eine elektrisch oder motorisch angetriebene Pumpe.  A pressure increasing device causes an increase in the pressure level of the liquid to be injected. The pressure increasing device may be formed by a simple manually driven pump, but also conceivable is an electrically or motor-driven pump.
Die zu injizierende Flüssigkeit kann entweder aus der Umwelt, beispielsweise aus einem Gewässer entnommen werden, erfindungsgemäß kann aber auch ein Behälter vorgesehen sein, in dem Flüssigkeit bevorratet ist. Letzteres hat den Vorteil, dass die zu injizierende Flüssigkeit bestimmten definierten Anforderungen entsprechen kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird reines Wasser verwendet, das keinen negativen Einfluss auf die Umwelt, insbesondere das Gewässer und das Grundwasser hat. Bei Verwendung eines Behälters kann dieser beispielsweise mit einer Pumpe in Verbindung stehen, über die das Druckniveau innerhalb des Behälters auf das gewünschte Niveau erhöht werden kann. Über ein Ventil, vorzugsweise ein Hand- oder Magnetventil wird die Flüssigkeit über ein Auslassleitung aus dem unter Druck stehenden Behälter in das Injektionselement gefördert. Alternativ kann innerhalb des Behälters eine Tauchpumpe oder auch eine Kreiselpumpe in der Auslassleitung vorgesehen sein. The liquid to be injected can either be taken from the environment, for example from a body of water, but according to the invention it is also possible to provide a container in which liquid is stored. The latter has the advantage that the liquid to be injected can meet certain defined requirements. In a particularly advantageous embodiment, pure water is used which has no negative impact on the environment, in particular the water and the groundwater. When using a container, this can for example be in communication with a pump, via which the pressure level can be increased within the container to the desired level. Via a valve, preferably a manual or solenoid valve, the liquid is conveyed via an outlet line from the pressurized container into the injection element. Alternatively, a submersible pump or a centrifugal pump can be provided in the outlet line within the container.
Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, kann vorzugsweise ein Druckregler vorgesehen sein, der den gewünschten Überdruck exakt einstellt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante dient eine Handpumpe zur Erzeugung von Überdruck, beispielsweise auf 2 bar im Flüssigkeitsbehälter. Über den Druckregler ist dann sichergestellt, dass pro Messvorgang lediglich der gewünschte Überdruck, beispielsweise 1 bar, in das Injektionselement eingeleitet wird. In order to obtain reproducible results, a pressure regulator can preferably be provided which precisely sets the desired overpressure. In a particularly advantageous embodiment, a hand pump is used to generate of overpressure, for example to 2 bar in the liquid container. It is then ensured via the pressure regulator that only the desired overpressure, for example 1 bar, is introduced into the injection element per measuring process.
Vorteilhafterweise ist der Behälter mit Gurten versehen, die es erlauben, diesen beispielsweise auf dem Rücken zu tragen. Dies ist insbesondere beim Durchschreiten von Gewässern besonders vorteilhaft, vor allem, da dann auch elektrisch betriebene Messgeräte am Behälter befestigt sein können und somit sicher oberhalb des Wasserspiegels getragen werden können.  Advantageously, the container is provided with straps which allow it to be worn, for example, on the back. This is particularly advantageous when passing through water, especially since then electrically operated measuring devices can be attached to the container and thus can be safely carried above the water level.
Anstelle nur einer einzigen Austrittsöffnung können vorteilhafterweise auch mehrere, über die Außenfläche des Injektionselements verteilte Auslassöffnungen vorgesehen sein. Diese haben einen genormten Durchmesser. Grundsätzlich ist der Durchmesser 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.  Instead of only a single outlet opening, it is advantageously also possible to provide a plurality of outlet openings distributed over the outer surface of the injection element. These have a standardized diameter. Basically, the diameter is to be selected depending on the substrate to be examined, for example, orders of magnitude of 1 mm to 5 mm, preferably 1 mm to 2 mm have proven to be useful. Depending on the substrate, however, diameters of less than 1 mm can be effective.
Der Vorteil mehrerer über die Außenfläche des Injektionselements verteilter Austrittsöffnungen besteht darin, dass das Risiko des Zusetzens aller Austrittsöffnungen durch Sand oder Kies geringer ist als nur bei einer einzigen Austrittsöffnung. Alternativ kann aber auch nur eine einzige Austrittsöffnung an der Spitze des Injektionselements Vorteile haben. Insbesondere deshalb, weil sich beim Zusetzen einzelner Austrittsöffnungen die Geschwindigkeit des austretenden Fluid aus den übrigen, nicht zugesetzten Austrittsöffnungen erhöht. Dies ist bei nur einer einzigen Öffnung nicht der Fall. Insofern ist es zielführend, eine geeignete Lanze bzw. ein geeignetes Injektionselement in Abhängigkeit des zu untersuchenden Untergrunds auszuwählen .  The advantage of multiple outlet openings distributed over the outer surface of the injection element is that the risk of clogging of all outlet openings by sand or gravel is less than with only a single outlet opening. Alternatively, however, only a single outlet opening at the tip of the injection element can have advantages. In particular, because the clogging of individual outlet openings increases the speed of the exiting fluid from the remaining, non-added outlet openings. This is not the case with only a single opening. In this respect, it is expedient to select a suitable lance or a suitable injection element depending on the substrate to be examined.
Um eine definierte Zeitdauer der Flüssigkeitsinjektion zu gewährleisten, kann erfindungsgemäß ein zeitgesteuertes Ventil vorgesehen sein. Alternativ kann die Zeitdauer der Flüssigkeitsinjektion über eine externe Stoppuhr gemessen werden.  In order to ensure a defined duration of the liquid injection, a time-controlled valve can be provided according to the invention. Alternatively, the duration of liquid injection may be measured via an external stopwatch.
Bei der erfindungsgemäßen Messung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren sind vorzugsweise drei Parameter zu berücksichtigen :  In the measurement according to the invention or the method according to the invention, three parameters are preferably to be considered:
1. ) der erforderliche Einspritzdruck  1.) the required injection pressure
2. ) die Zeit, in der 3.) eine bestimmte Wassermenge in das Sediment injiziert wird 2.) the time in which 3.) a certain amount of water is injected into the sediment
Zwei dieser drei Parameter werden konstant gehalten, der dritte gemessen. Dieser entspricht dann der jeweiligen Durchlässigkeit der Sedimente. Über die Eichung mit Sedimenten definierter Durchlässigkeit wird der Abgleich mit eingeführten Messgrößen zur Sedimentcharakterisierung, z. B. Kf-Wert in m/s, möglich. Dabei kann es sinnvoll sein, wenn es sich bei dem Injektionselement um eine Lanze handelt, die Eindringtiefe der Lanze stets gleich ist. Aus diesem Grund weist die Lanze vorteilhafterweise eine Skalierung oder Farbindikatoren auf ihrer Außenseite auf. Beispielsweise kann der Bereich des freien Endes, ausgehend von der Spitze der Lanze gut sichtbar gefärbt sein. Beim Einschlagen muss dann lediglich darauf geachtet werden, dass der gefärbte Bereich in das Erdreich eindringt. Da die Lanze bevorzugt auch unter Wasser verwendbar sein soll, sollte die Farbgebung so gewählt werden, dass sie auch durch Wasser hindurch gut erkennbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Muster verwendet werden, wenn dies die Sichtbarkeit erhöht.  Two of these three parameters are kept constant, the third measured. This then corresponds to the respective permeability of the sediments. The calibration with sediment of defined permeability of the comparison with imported parameters for sediment characterization, z. B. Kf value in m / s, possible. It may be useful if it is the injection element is a lance, the penetration depth of the lance is always the same. For this reason, the lance advantageously has a scale or color indicators on its outside. For example, the area of the free end may be clearly visible from the tip of the lance. When hammering then only has to be taken to ensure that the colored area penetrates into the soil. Since the lance should preferably also be usable under water, the color should be chosen so that it is well visible even through water. Alternatively or additionally, a pattern can also be used if this increases the visibility.
Soll der Einfluss auf das umgebende Material des Untergrunds möglichst gering gehalten werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Injektionselement möglichst langsam in den Untergrund einzubringen . Beispielsweise kann es mit einem Gewicht oder mit Federkraft beaufschlagt und zum Beispiel mithilfe eines Dreibeins langsam in den Untergrund gedrückt werden.  If the influence on the surrounding material of the substrate is to be kept as low as possible, it is provided according to the invention to introduce the injection element as slowly as possible into the substrate. For example, it can be loaded with a weight or with spring force and, for example, slowly pushed into the ground using a tripod.
Bei der Messung werden Einspritzdruck (p) und Zeit (t) vorteilhafterweise konstant gehalten und die injizierte Wassermenge (V) gemessen . In einer Versuchsanordnung hat sich folgende Vorgehensweise mit den genannten Werten als sinnvoll erwiesen :  During the measurement, the injection pressure (p) and time (t) are advantageously kept constant and the injected water quantity (V) is measured. In a test arrangement, the following procedure with the stated values has proved to be useful:
1. ) in einem Wassergefäß wird ein Druck von 1 bar eingestellt und  1.) in a water vessel, a pressure of 1 bar is set and
2. ) über einen Zeitraum von 5 Sekunden  2.) over a period of 5 seconds
3. ) Wasser in das Sediment injiziert und diese Wassermenge elektronisch gemessen.  3.) injected water into the sediment and measured this amount of water electronically.
Daraus ergibt sich bei p = 1 bar die Fließrate (Q = ml/5s bzw. m3/s), die die Durchlässigkeit widergibt. At p = 1 bar, this results in the flow rate (Q = ml / 5s or m 3 / s), which reflects the permeability.
Der Druck, mit dem die Flüssigkeit in den Untergrund eingebracht wird, kann je nach Anwendungsfall auch deutlich höher oder deutlich geringer sein. Beispielsweise können Messungen zu sinnvollen und belastbaren Ergebnissen führen, bei denen der Druck deutlich weniger als 1 bar beträgt. Messungen mit geringerem Druck führen auch zu geringerem Einfluss auf den das Injektionselement umgebenden Untergrund. The pressure with which the liquid is introduced into the underground, depending on the application, can also be significantly higher or significantly lower. For example, measurements can lead to meaningful and reliable results where the pressure is significantly less than 1 bar. Measurements with lower pressure also lead to less influence on the substrate surrounding the injection element.
Je größer das eingebrachte Wasservolumen, d . h. die Fließrate, desto durchlässiger ist das Sediment und umso geringer die Kolmation. Der Arbeitsdruck und die Injektionszeit lassen sich bei Bedarf anpassen.  The larger the volume of water introduced, d. H. the flow rate, the more permeable the sediment and the lower the colmation. The working pressure and the injection time can be adjusted as needed.
Grundsätzlich ist auch die Messung eines anderen Parameters als der Fließrate möglich. Dazu könnte z. B. das injizierte Wasservolumen und ein weiterer Parameter (Einspritzdruck oder Zeit) konstant gehalten und entweder die Zeit oder der Druckverlust gemessen werden.  In principle, it is also possible to measure a parameter other than the flow rate. This could be z. B. the injected water volume and another parameter (injection pressure or time) kept constant and either the time or the pressure loss can be measured.
Zusammen mit dem Injektionselement können zusätzliche Sensoren in das Sediment eingebracht werden, z. B. zur Messung der Temperatur, des Sauerstoffgehalts, der Leitfähigkeit, der Lokalisation der Messstelle (GPS) oder weiterer Parameter. Die Sensoren können auch am Injektionselement befestigt oder in dieses integriert sein.  Together with the injection element additional sensors can be introduced into the sediment, z. B. for measuring the temperature, the oxygen content, the conductivity, the localization of the measuring point (GPS) or other parameters. The sensors can also be attached to the injection element or integrated into it.
Die im oben beschriebenen Verfahren dargestellten mechanischen Kompartimen- te lassen sich durch elektronische Bauteile ergänzen bzw. substituieren. Eine digitale Erfassung und automatisierte Weiterverarbeitung ist möglich. Es ist aber auch für die Baugrunderkundung oder für Durchlässigkeitsmessungen von Grundwasserleitern einsetzbar.  The mechanical components shown in the method described above can be supplemented or substituted by electronic components. Digital recording and automated further processing is possible. However, it can also be used for subsoil exploration or for permeability measurements of aquifers.
Das oben beschriebene Verfahren ist grundsätzlich auch für den Einsatz im marinen Milieu geeignet (z. B. Hafenbecken und Off Shore). Außerdem lassen sich Messungen in Stillgewässern, wie Seen, Weihern und Teichen durchführen. Das Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät und das Verfahren eigenen sich also für einen Einsatz in permanenten und zeitweiligen Gewässern.  The method described above is basically also suitable for use in the marine environment (eg harbor basin and offshore). In addition, measurements can be made in still waters such as lakes, ponds and ponds. The subsurface permeability measuring device and the method are therefore suitable for use in permanent and temporary waters.
Durch stationären Dauerbetrieb von Injektionselementen in Gewässern lassen Osich Langzeitstudien der Kolmation anstellen. Ein Einsatz von Datenloggern mit automatischer Übermittlung der Messergebnisse an ein digitales System ist möglich.  By stationary continuous operation of injection elements in waters, Osich have long-term studies of the Kolmation make. A use of data loggers with automatic transmission of the measurement results to a digital system is possible.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind sämtliche Elemente, die elektrische Energie benötigen derart ausgelegt, dass sie über 9V oder 12 V oder 24 V betrieben werden können. Dies minimiert die Größe von Batterien oder Akkus und ermöglicht insbesondere auch eine Energieversorgung über Solarelemente, was bei langen Feldmessungen in der Natur besonders hilfreich ist. In a particularly advantageous embodiment, all elements that require electrical energy are designed so that they can be operated via 9V or 12V or 24V. This minimizes the size of batteries or Batteries and in particular also allows a power supply via solar elements, which is particularly helpful in long field measurements in nature.
Die Bestimmung der Kolmation verlangt, dass das umliegende Erdreich möglichst wenig verändert wird . Insbesondere darf das Einbringen des Injektionselements nicht zu Stauchungen im umliegenden Material führen, da dadurch die Messwerte verändert werden. Das erfindungsgemäße Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät erlaubt ein langsames Einbringen des Injektionselements in den Untergrund, wodurch der Einfluss auf das umgebende Material reduziert wird. Die Lanze wird selbst unmittelbar in den Untergrund eingebracht, ein Vorbohren, wie es bei anderen Verfahren notwendig ist, wird vermieden. Die erfindungsgemäße minimal- invasive Technik verursacht praktisch keine Beeinträchtigungen der Umwelt. The determination of the colmation requires that the surrounding soil is changed as little as possible. In particular, the introduction of the injection element must not lead to compressions in the surrounding material, since thereby the measured values are changed. The underground permeability measuring device according to the invention permits a slow introduction of the injection element into the substrate, whereby the influence on the surrounding material is reduced. The lance itself is placed directly in the ground, a pre-drilling, as it is necessary in other methods is avoided. The minimally invasive technique according to the invention causes virtually no adverse effects on the environment.
Hinzu kommt, dass die Untersuchungen manuell durchgeführt werden können, also eine einzige Person beispielsweise ein Fluss- oder Bachbett durchschreitet und dabei an verschiedenen Stellen Messungen vornehmen kann. Insofern ist die Tragbarkeit des Untergrunddurchlässigkeitsmessgeräts 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 dem erfindungsgemäßen Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät können sehr viele Messungen in sehr kurzer Zeit unmittelbar durch manuelles Einbringen der Lanze erfolgen. Hierfür ist nur eine einzige Person notwendig .In addition, the investigations can be carried out manually, ie a single person, for example, passes through a river bed or creek bed and can carry out measurements at various points. In this respect, the portability of the subsurface transmittance meter is of crucial importance. This is also because numerous measurements must be carried out for a sufficient examination or mapping of substrates, which means that changeover times or a procedure of large equipment can not be expedient. With the underground permeability measuring device according to the invention, a large number of measurements can be taken in a very short time directly by manually introducing the lance. Only one person is needed for this.
Wie bereits ausgeführt, liegt der Schwerpunkt der Erfindung darauf, dass das erfindungsgemäße Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät tragbar ist, sich zur umweltschonenden Messung der Kolmation in Untergründen von Gewässern jeglicher Art eignet. Es kommt also ganz wesentlich darauf an, dass mit dem Messgerät ein schnelles und problemloses Messen möglich ist. Wesentlich ist dabei auch, dass das Messgerät derart ausgeführt ist, dass es im Wasser bzw. im wassergesättigtem Untergrund einsetzbar ist. Die Messung soll minimal invasiv sein und den Untergrund bzw. die vorhandene Kolmation möglichst wenig stören.As already stated, the focus of the invention is that the underground permeability measuring device according to the invention is portable, suitable for environmentally friendly measurement of the colmation in subsoil waters of any kind. So it is very important that the measuring device allows quick and easy measuring. It is also essential that the meter is designed in such a way that it can be used in water or in water-saturated underground. The measurement should be minimally invasive and disturb the background or the existing colmation as little as possible.
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 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigen : Fig. 1 : ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Untergrunddurchlässig keitsmessgeräts, The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. These are only to be understood as examples, in particular, the size ratios are not to scale. The figures represent only one embodiment of the invention. It shows: 1 shows a preferred embodiment of a Unterflächdurchlässig keitsmessgeräts invention,
Fig. 2 : ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Injektionselement.  2 shows an example of an injection element according to the invention.
Die einzige Figur zeigt ein Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät 20 zur Messung der Durchlässigkeit eines Untergrundes. Dieses weist ein Injektionselement 22, im gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt als Lanze, auf, welche in einen Untergrund einführbar ist.  The sole figure shows a subsurface transmittance meter 20 for measuring the permeability of a subsurface. This has an injection element 22, executed in the illustrated embodiment as a lance, which is insertable into a substrate.
Im Inneren des Injektionselements 22 ist ein Hohlraum 24 ausgebildet, durch den Flüssigkeit zu Austrittsöffnungen 26 geleitet werden kann. Die Austrittsöffnungen 26 sind im Bereich des freien Endes angeordnet und gleichmäßig über den Außenumfang des Injektionselementes 22 verteilt.  In the interior of the injection element 22, a cavity 24 is formed through which liquid can be directed to outlet openings 26. The outlet openings 26 are arranged in the region of the free end and distributed uniformly over the outer circumference of the injection element 22.
Das Injektionselement 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Leitung 28 verbunden, die letztendlich in einem Behälter 30 endet. Innerhalb des Behälters 30 ist Flüssigkeit angeordnet, die in den Untergrund injiziert werden soll. The injection element 22 is connected in the embodiment shown with a line 28, which ultimately ends in a container 30. Within the container 30 liquid is arranged to be injected into the ground.
Eine Druckerhöhungsvorrichtung 32 dient der Erhöhung des Druckniveaus mit dem die Flüssigkeit in den Untergrund injiziert wird . Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Druckerhöhungsvorrichtung 32 als manuelle Pumpe 34 ausgeführt, über die das Druckniveau im Behälter 30 erhöht werden kann. A pressure increasing device 32 serves to increase the pressure level at which the liquid is injected into the ground. In the embodiment shown, the pressure increasing device 32 is designed as a manual pump 34, via which the pressure level in the container 30 can be increased.
Das Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät 20 weist weiterhin ein Messgerät 36 auf, über das eine Messung aus der Gruppe injiziertes Flüssigkeitsvolumen, Zeitraum der Flüssigkeitsinjektion oder Druckniveau der Flüssigkeitsinjektion durchführbar ist. Entsprechend sind die dafür notwendigen Elemente, wie beispielsweise ein Volumenmessgerät 38, ein Druckmessgerät und/oder eine Uhr vorhanden. The subsurface transmittance meter 20 further comprises a measuring device 36, via which a measurement from the group of injected liquid volume, period of the liquid injection or pressure level of the liquid injection is feasible. Accordingly, the necessary elements, such as a volumeter 38, a pressure gauge and / or a clock are available.
Ein zeitgesteuertes Ventil 40 öffnet den Zulauf in das Injektionselement 22 für eine definierte Zeitdauer. Dieses Ventil 40 kann durch ein Handventil oder auch ein Magnetventil mit Zeiteinstellung gebildet sein. A timed valve 40 opens the inlet into the injection element 22 for a defined period of time. This valve 40 may be formed by a manual valve or a solenoid valve with time setting.
Ein Anzeigegerät 42 dient der Anzeige gemessener Werte. Über das das Anzeigegerät 42 können alle relevanten Daten angezeigt werden, zum Beispiel das gemessene Druckniveau, das injizierte Flüssigkeitsvolumen oder der Zeitraum der Flüssigkeitsinjektion. Insbesondere kann über das Anzeigegerät auch die zu messende Zeitdauer eingestellt werden. Das Anzeigegerät 42 kann extern oder als integraler Bestandteil des Messgerätes ausgeführt sein . A display device 42 serves to display measured values. Via the display device 42, all relevant data can be displayed, for example the measured pressure level, the injected liquid volume or the period of the liquid injection. In particular, the time to be measured can also be set via the display device. The indicator 42 may be external or integral with the meter.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Druckanzeige 44 vorgesehen. In the embodiment shown, an additional pressure indicator 44 is provided.
Der definierte Überdruck bzw. das gewünschte Druckniveau kann mit Hilfe eines einstellbaren Überdruckventils 46 gewährleistet werden.  The defined overpressure or the desired pressure level can be ensured by means of an adjustable pressure relief valve 46.
Erkennbar ist, dass das Injektionselement 22 einen farbigen Bereich 48 aufweist, der eine gewünschte Eindringtiefe in den Untergrund anzeigt. Auf diesen farbigen Bereich kann verzichtet werden, er kann aber auch durch eine Skalierung, beispielsweise mit Zentimeteranzeige, ersetzt werden.  It can be seen that the injection element 22 has a colored area 48 which indicates a desired depth of penetration into the substrate. This colored area can be dispensed with, but it can also be replaced by a scale, for example with a centimeter display.
Um ein Einbringen des Injektionselements 22 in den Untergrund zu erleichtern, ist ein Schlaggewicht 50 vorgesehen. Alternativ ist auch ein relativ großes Außengewinde denkbar, über dass das Injektionselement 22 in den Untergrund einschraubbar ist.  In order to facilitate introduction of the injection element 22 into the ground, a striking weight 50 is provided. Alternatively, a relatively large external thread is conceivable that the injection element 22 can be screwed into the ground.
Figur 2 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel eines Injektionselements 22 mit zwei koaxialen Rohren. Die Durchströmung mit Flüssigkeit ist mit Pfeilen veranschaulicht. Ein inneres Rohr 54 ist im Inneren eines äußeren Rohrs 56 angeordnet. Durch eine Austrittsöffnung 26 des inneren Rohrs 54 füllt sich zunächst ein Ringraum 58 des Injektionselements 22. Alternativ zu der gezeigten einzigen endseiteigen Austrittsöffnung 26 kann das innere Rohr 54 auch mehrere Austrittsöffnungen 26 aufweisen. Danach strömt die Flüssigkeit durch die Austrittsöffnung 26 aus dem äußeren Rohr 54 aus. Ein Ventil 60, vorzugsweise ein manuell zu betätigender Hahn ermöglicht ein Verschließen des äußeren Rohrs 54 bzw. des Ringraums 58 und verhindert damit ein ungewolltes Ausströmen der Flüssigkeit durch die Austrittsöffnungen 26 nach der Messung . Figure 2 illustrates an embodiment of an injection element 22 with two coaxial tubes. The flow of liquid is illustrated by arrows. An inner tube 54 is disposed inside an outer tube 56. An annular space 58 of the injection element 22 initially fills through an outlet opening 26 of the inner tube 54. Alternatively to the single end-side outlet opening 26 shown, the inner tube 54 can also have a plurality of outlet openings 26. Thereafter, the liquid flows out of the outer tube 54 through the outlet opening 26. A valve 60, preferably a manually operable tap allows closing of the outer tube 54 and the annular space 58 and thus prevents accidental leakage of the liquid through the outlet openings 26 after the measurement.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Untergrunddurchlässigkeitsmessgerätes und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erstmals möglich, die Kolmation von Fließgewässersedimenten zu erfassen. With the aid of the underground permeability measuring device according to the invention and the method according to the invention, it is possible for the first time to detect the colmation of flowing water sediments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Tragbares Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) zur Messung der Durchlässigkeit von Böden, aufweisend A portable underground permeability meter (20) for measuring the permeability of soils, comprising
ein als Lanze ausgeführtes Injektionselement (22) zum Einbringen in den Untergrund, mit einem Hohlraum (24) zur Leitung eines Fluids zu mindestens einer Austrittsöffnung (26), die vorzugsweise im Bereich des freien Endes des Injektionselements (22) angeordnet ist, durch das Injektionselement (22) und die Austrittsöffnung (26) in den das Injektionselement (22) umgebenden Untergrund injizierbar ist.  an injection element (22) embodied as a lance for introduction into the substrate, with a cavity (24) for guiding a fluid through at least one outlet opening (26), which is preferably arranged in the region of the free end of the injection element (22), through the injection element (22) and the outlet opening (26) in which the injection element (22) surrounding the substrate is injectable.
2. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungsvorrichtung (32) derart ausgeführt ist, dass zumindest ein definiertes Druckniveau erzeugbar ist. 2. Underground permeability meter (20) according to claim 1, characterized in that the pressure-increasing device (32) is designed such that at least one defined pressure level can be generated.
3. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messgerät (36) für mindestens eine Messung aus der Gruppe injiziertes Fluidvolumen, Zeitraum der Flüssigkeitsinjektion oder Druckniveau der Fluidinjektion vorgesehen ist. 3. Underground permeability meter (20) according to claim 1 or claim 2, characterized in that at least one measuring device (36) for at least one measurement from the group injected fluid volume, period of liquid injection or pressure level of the fluid injection is provided.
4. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anzeigegerät (42) zur Anzeige der gemessenen Werte vorgesehen ist. 4. Underground permeability meter (20) according to claim 3, characterized in that a display device (42) is provided for displaying the measured values.
5. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Injektionselement (22) in Fließverbindung stehender Behälter (30) für das zu injizierende Fluid vorgesehen ist. 5. Underground permeability meter (20) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a standing with the injection element (22) in fluid communication container (30) is provided for the fluid to be injected.
6. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionselement (22) mehrere über den Außenumfang des Injektionselements (22) verteilte Austrittsöffnungen (26) aufweist. 6. Underground permeability meter (20) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the injection element (22) more Having over the outer circumference of the injection element (22) distributed outlet openings (26).
7. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitgesteuertes Ventil (40) vorgesehen ist, über das die Zeitdauer der Fluidinjektion einstellbar ist. 7. Underground permeability meter (20) according to any one of claims 3 to 6, characterized in that a time-controlled valve (40) is provided, via which the duration of the fluid injection is adjustable.
8. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungsvorrichtung (32) durch eine manuell zu bedienende Pumpe (34) gebildet ist. 8. Underground permeability meter (20) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the pressure-increasing device (32) by a manually operated pump (34) is formed.
9. Untergrunddurchlässigkeitsmessgerät (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungsvorrichtung (32) durch eine elektrisch betriebene bedienende Pumpe gebildet ist. 9. underground permeability meter (20) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pressure-increasing device (32) is formed by an electrically operated operating pump.
10. Verfahren zur Messung von Kolmation in Untergründen von Gewässern, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte 10. A method for measuring colmation in subsoils of waters, characterized by the method steps
- Einbringen eines als Lanze ausgeführten Injektionselements (22) mit einem Hohlraum (24) zur Leitung von Fluid zu mindestens einer Austrittsöffnung (26), die vorzugsweise im Bereich des freien Endes des Injektionselements (22) angeordnet ist, in einen Untergrund,  - introducing an injection element (22) designed as a lance with a cavity (24) for conducting fluid to at least one outlet opening (26), which is preferably arranged in the region of the free end of the injection element (22), into a substrate,
- Injizieren von Fluid mit Überdruck über das Injektionselement (22) und die Austrittsöffnung (26) in den Untergrund, unter Festlegen und Beibehalten zweier Parameter aus der Gruppe  - Injecting fluid with positive pressure via the injection element (22) and the outlet opening (26) in the underground, while defining and maintaining two parameters from the group
a) injiziertes Fluidvolumen,  a) injected fluid volume,
b) Zeitraum der Fluidinjektion, oder  b) period of fluid injection, or
c) Druckniveau der Fluidinjektion,  c) pressure level of the fluid injection,
- Ermitteln desjenigen Parameters a), b) oder c), der nicht festgelegt und beibehalten wurde.  - determining the parameter a), b) or c) which has not been determined and maintained.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Vergleich des ermittelten Parameters mit Referenzwerten dieses Parameters, die zuvor für Untergründe mit einer definierten Durchlässigkeit ermittelt wurden. 11. The method according to claim 10, characterized by a comparison of the determined parameter with reference values of this parameter, which were previously determined for substrates with a defined permeability.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau der Fluidinjektion weniger als 1 bar beträgt. 12. The method according to claim 10 or claim 11, characterized in that the pressure level of the fluid injection is less than 1 bar.
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