Bedienungsanleitung KSAT Funktionsprinzip auf einen Blick Das Gerät dient zur Messung der hydraulischen Leitfähigkeit Ks von gesättigten Böden. Es benutzt dazu die Gleichung von Darcy. Gleichung von Darcy Ks = (L . V) / (H . A . t) L Länge der Probe VVolumen des Wassers HHöhe der Wassersäule AQuerschnitt der Probe tZeit Wasser Druckhöhe der Wassersäule Bodenprobe Wasserablauf USB-Anschluss des Computers Drucksensor und Elektronik Hinweis: Erklärung der Zeichen und Systematik der Bedienungsanleitung Wasser Elektronik Luft aufgesättigter Boden Mechanik Boden In den blauen Feldern links finden Sie Schritt für Schritt, wie Sie bei der Arbeit mit dem Ksat vorgehen, z. B. „Stechzylinder auf Ring aufsetzen“. In den grauen Feldern rechts sehen Sie, wie das Ergebnis Ihrer Tätigkeit aussehen sollte. Bestandteile des Geräts und Lieferumfang Constant Head Rohr und Dichtung Bürette Schraubkappe Krone mit Gitterscheibe Füllhahn Stechzyliner Ring mit Porenscheibe Füllhahn Messdom USB-Anschluß Wasser-Ablauf Bürettenhahn Zusätzlich im Lieferumfang • KSAT VIEW®-Software • 5-Liter Vorratsgefäß • 1,2 m Zuleitungsschlauch • 1,2 m Ableitungsschlauch • 2 Ersatzdichtungsringe für Kronen • Wanne für Bodenprobenaufsättigung • Edelstahlplatte für Prüfung des Druckaufnehmers • Abstreifplatte Für konsolidiertes Messgut Krone mit Gitterscheibe Für unkonsolidiertes Messgut Krone mit Porenscheibe Messaufbau Wasser-Ablauf Theoretische Grundlagen Die Bedeutung des hydraulischen Widerstands Die Wasserspeicherung und Wasserleitung in Böden ist von herausragender Bedeutung für eine Vielzahl von ökosystemaren Prozessen in terrestrischen Ökosystemen. Die gesättigte Wasserleitfähigkeit beeinflusst Faktoren wie die landwirtschaftlichen Nutzungsmöglichkeiten, geotechnische Eigenschaften und ist eine Schlüsselgröße beim Transport von Nähr- und Schadstoffen. Sie ist die bestimmende Größe für das Design von Drainagen oder den Betrieb von Beregnungsanlagen. Messprinzip Man lässt eine voll mit Wasser gesättigte Stechzylinderprobe senkrecht zum Probenquerschnitt in einer Apparatur stationär oder instationär mit entlüftetem Wasser bei Raumtemperatur durchströmen und misst den Wasserdurchsatz Q = V/t. Die Wasserdurchlässigkeit (Kf bzw. KS-Wert) errechnet sich aus dem perkolierten Wasservolumen V in der Zeit t, dem Fließquerschnitt A, der Höhe hydraulischen Druckhöhendifferenz H und der Länge der Bodensäule L, über welche die Druckhöhendifferenz abgebaut wird. Nach Darcy (1857) gilt für die Flussdichte q bei laminarem Fluss q= V H = – KS A∙t L und somit KS = LV HAt Henry Darcy (1803 – 1885) Theoretische Grundlagen | 3 Stechzylinderprobenahme Nach DIN 19683-9 können Wasserdurchlässigkeitsmessungen an Stechzylinderproben in gestörter oder in ungestörter Lagerung durchgeführt werden. Bei einer in-situ-Probenahme in horizontbezogener, ungestörter Lagerung ist nach DIN 19672-1 und E DIN ISO 10381-4 zu verfahren, wobei die Entnahmerichtung nach dem Anwendungszweck und dem Aussageziel festzulegen ist. Gepackte Proben erlauben keine Aussagen über in situ-Leitfähigkeiten, da diese in der Regel durch die Bodenstruktur bestimmt werden. Zur Entnahme ungestörter Proben gehen Sie wie folgt vor • Setzen Sie den Stechzylinder in der gewünschten Tiefe auf den freigelegten Boden auf. • Treiben Sie den Stechzylinder mit Hilfe einer Schlaghaube und eines mittelgroßen vibrationsfreien Hammers möglichst ohne Verkantung in den Boden (vertikal oder horizontal). • Graben Sie die Probe dann mit einem Spaten so aus, dass der Bodenverbund im Stechzylinder und über die Stechzylinder oberflächen hinaus in der originalen Lagerung bleibt. • Anschließend präparieren Sie mit Hilfe eines Messers oder eines Metallsägeblattes auf beiden Stechzylinderseiten absolut plane Oberflächen, ohne dabei Poren zu verschmieren. Vorhandene Wurzeln schneiden Sie mit einer Schere ab. • Für den Transport (siehe auch Zubehör) decken Sie die Proben mit Schutzkappen ab. Entscheidend bei der Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit von gesättigten Bodenproben ist, dass keine Klüfte, Spalten oder Risse durch die Probe in Richtung der Wasserströmung entstehen. Zu den größten Messfehlern führen hierbei Randklüfte. Stechzylinder, die verkantet genommen wurden, sind deshalb zu verwerfen. Nach Dirksen (1999) ist nicht die Messgenauigkeit, sondern die Qualität und Repräsentativität der Bodenproben die größte Herausforderung bei der Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit. Aus diesem Grund werden Bodenproben mit Stech-zylinder in wenigstens 5- bis 10-facher Wiederholung genommen. 4 | Theoretische Grundlagen Wertebereiche für kf Sofern nichts anderes angegeben ist, beziehen sich die in der Literatur ange gebenen Werte für kf üblicherweise auf Wasser. Ist der Durchlässigkeitsbeiwert kf für ein mit Wasser durchströmtes Medium bekannt, dann lässt sich die Durchlässigkeit dieses Mediums für andere Stoffe berechnen. Wasserdurchlässigkeit nach DIN 18130 sehr stark durchlässig >10–2 m/s stark durchlässig 10–2 bis 10–4 m/s durchlässig 10–4 bis 10–6 m/s schwach durchlässig 10–6 bis 10–8 m/s sehr schwach durchlässig < 10–8 m/s Durchlässigkeitsbeiwerte für Lockergesteine (Wasser) reiner Kies 10–1 bis 10–2 m/s grobkörniger Sand um 10–3 m/s mittelkörniger Sand 10–3 bis 10–4 m/s feinkörniger Sand 10–4 bis 10–5 m/s schluffiger Sand 10–5 bis 10–7 m/s toniger Schluff 10–6 bis 10–9 m/s Ton < 10–9 m/s Die Grenze zwischen einem durchlässigen und einem undurchlässigen Boden liegt etwa bei 10–6 m/s. Böden mit einem kf-Wert < 10–9 m/s sind nahezu wasserundurchlässig. Theoretische Grundlagen | 5 Perkolationslösung Nach DIN (DIN 19693-9, 1998; DIN 18130-1, 1998) soll zur Aufsättigung und als Perkolationslösung entgastes „elektrolytarmes Wasser von Raumtemperatur“ verwendet werden. Als Perkolationsfluid eignet sich entgastes Leitungswasser oder entgastes Wasser mit einer schwachen Lösung eines zweiwertigen Kations (z. B. 0,01 M CaCl2-Lösung; McKenzie et al., 2002). Das Entgasen kann z. B. durch Abkochen erfolgen. Da die Ionenstärke der Bodenlösung erheblich die Weite der elektrischen Doppelschicht von Böden beeinflusst, und diese sich in feinkörnigen Substraten auf die hydraulische Leitfähigkeit auswirkt, sollte im Ideal ein Perkolationsfluid mit einem Elektrolytgehalt verwendet werden, welcher der in-situ Boden lösung ähnlich ist. Bei tonhaltigen Böden führt die Verwendung von einwertigen Kationen zur Dispersion der Tonpartikel und zur Ausschwemmung sowie zur Verstopfung des Sekundärporensystems. Die Perkolationslösung wird aus einem Vorratsgefäß, welches oberhalb der Apparatur gelagert ist, über eine Schlauchleitung und den Hahn der Bürette zugeführt. Dies gewährt neben der komfortablen Befüllung der Bürette minimalen atmosphärischen Kontakt, eine möglichst geringe Rückdiffusion von Luft, sowie die Temperierung auf Umgebungstemperatur. 6 | Theoretische Grundlagen Erstinbetriebnahme Legen Sie die CD mit der KSAT VIEW-Software ein oder führen Sie einen Download unter www.ums-muc.de/KSAT.zip durch. Doppelklicken Sie auf die Datei KSAT.msi. Folgen Sie den Anweisungen des Wizards. Der Wizard führt Sie durch die Installation. Sollte der KSAT USB Treiber nicht automatisch installierte werden, dann installieren sie diesen manuell (siehe Kapitel Manuelle Installation des USB Treibers) Schließen Sie das Gerät mit dem USB-Stecker an Ihrem Rechner an. Starten Sie die KSAT-Software. Das Gerät verbindet sich automatisch mit Ihrem Rechner. Installieren Sie Wasserzu- und -ablauf. Das Gerät ist bereit zur Messung. Hinweis Für die Installation der KSAT VIEW-Software benötigen Sie eventuell Administratorenrechte. Erstinbetriebnahme | 7 Konfiguration des Gerätes Im Menü „File naming“ können Sie Ihre Messkampagne mit Namen versehen und abspeichern. Anzeige Eingabe Erläuterung Voreinstellung Dateiname alphanumerisch frei wählbar für die Messkampagne – Zähler numerisch Zählt die Anzahl der Messungen pro Messkampagne automatisch – Pfad Verzeichnis Hier legen Sie fest, auf welchem Speicher platz und in welchem Ordner Sie Ihre Messdaten speichern. Messwerte werden im .csv-Format gespeichert Im Menü „Setup“ im Fenster „Testparameter“ können Sie auch die folgenden Parameter verändern. Normalerweise sind keine Änderungen an der Konfiguration für den Messbetrieb erforderlich. Bitte ändern Sie nur Einstellungen, deren Auswirkungen Sie kennen. Anzeige Eingabe Erläuterung Voreinstellung Burette area [cm²] Querschnittsfläche der Bürette 4,56 cm² Minimum pressure difference [cm] minimaler Druckunterschied, bei dem die Messung automatisch gestoppt wird. 0,3 cm Porous plate bottom height [cm] Dicke der porösen Platte im Ring 1 cm Conductivity of the porous plate [cm/d] Porous plate top height [cm] Dicke der porösen Platte in der Krone 0,3 cm Pressure increase to start [cm] Druckhöhendifferenz, bei dem die Messung automatisch startet 2 cm Reference temperature [° C] 20 000 cm/d 25° C Relative pressure to stop [cm] Bruchteil der Druckhöhendifferenz beim Start, bei dessen Unterschreitung die Messung beendet wird. Soil sample area [cm²] Querschnittsfläche der Bodensäule 50 cm² Soil sample length [cm] Höhe der Bodensäule 5 cm Tube cross section area [cm²] Querschnittsfläche des Constant Head Rohrs (Kapillare) 0,2 cm² Use Auto offset adjustement – Automatische Offsetkorrektur True 0,25 Im Menü „Setup“ im Fenster „Measurement“ (im Modus „Falling head“ und „Constant head“) wählen Sie die Messzyklusdauer. Anzeige Eingabe Erläuterung Voreinstellung Sampling rate [mm:ss] Messzyklusdauer (Auto, min. 1 s, max. 24:00 h) Auto Anschließend wählen Sie die Art der Krone (mit Gitterscheibe oder mit poröser Platte). 8 | Konfiguration des Gerätes Im Menü „Setup“ im Fenster „Constant Head steps“ im Modus „Constant head“ wählen Sie, bei welcher Höhe der Wassersäule Sie die Taste „Click here“ drücken werden. Weitere Ablesung durch Drücken von „Add“ eingeben, Höhe der Wassersäule durch Drücken von „Insert“ eingeben, Löschen einer Ablesung durch „Delete“. Anzeige Eingabe Erläuterung Voreinstellung [0], [1], [2], … – Reihenfolge der Ablesungen – Zahl [cm] Höhe der Wassersäule – Korrektur der ermittelten Leitfähigkeit durch Berücksichtigung des Gerätewiderstands Ist die Leitfähigkeit des Bodens sehr hoch, muss der Widerstand des Messgeräts, insbesondere der porösen Platten berücksichtigt werden. Dieser Systemwiderstand 1/KPlatte wurde als Voreinstellung in die Parameterliste eingetragen. Die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens wird aus der effektiven Leitfähigkeit des Systems Platte-Boden Keff, die sich aus der Auswertung der vorhergehenden Gleichung ergibt, wie im folgenden dargestellt, errechnet (DIN 19683-9, 1998). Da sich die Widerstände (R = L/k) der beiden Systeme addieren, gilt LBoden + LPlatte Keff Durch Umformung und Auflösen nach Ks folgt = Ks + LPlatte KPlatte LBoden KS = LBoden + LPlatte Keff mit LBoden LBoden [cm] Länge der Bodenprobe LPlatte [cm] Dicke des Systemwiderstandes kPlatte [cm/d] Leitfähigkeit der gesättigten porösen Platte ks [cm/d] Leitfähigkeit der gesättigten Bodenprobe – LPlatte KPlatte Konfiguration des Gerätes | 9 Berücksichtigung des Plattenwiderstands Der Effekt des Plattenwiderstandes wird in KSAT VIEW berücksichtigt, auch wenn er nur bei extrem durchlässigen Proben bemerkbar ist. In KSAT VIEW wird bei einer Plattendicke von 0,8 cm eine Systemleitfähigkeit von 20000 cm/d in angenommen. Bei Alterung oder Verschmutzung kann sich der Wert verändern. Er sollte vom Benutzer separat, z. B. in Form einer Leermessung ermittelt werden. Man geht dazu vor wie folgt • Leeren Zylinder ins System einbringen. • Parameter LPlatte auf Null stellen. • Parameter LBoden auf 1 stellen. • Messung durchführen. • Erzielten Messwert als KPlatte interpretieren und in der Parameterliste ändern. • Alle Längenparameter wieder in die richtigen Werte bringen. Beispiel Test Parameter Falling Head 10 | Konfiguration des Gerätes Einfluss der Temperatur auf Ks Die hydraulische Leitfähigkeit ist temperaturabhängig. Der Benutzer entscheidet, für welche Temperatur er die Messwerte angeben will. Eine Umrechnung von der automatisch erfassten Messtemperatur zu einer gewünschten Referenztemperatur T [° C] erfolgt proportional zur dynamischen Viskosität η [mPa ∙ s] von Wasser. Diese kann über folgende Funktion angenähert werden η = 0,0007 T² - 0,0531T + 1,764 mit r² = 0.9996 Die Tabelle unten listet einige Kennwerte der Viskosität. Temperatur in ° C 5 10 15 20 25 Dynamische Viskosität von reinem Wasser [mPa s], bei 1 bar 1,518 1,306 1,137 1,001 0,894 Abhängigkeit der dynamischen Viskosität des Wassers von der Temperatur Nach DIN 18130-1 errechnet sich die Leitfähigkeit bei 10° C aus der bei T gemessenen Leitfähigkeit nach folgender Gleichung mit KS (10° C) = 1,359 1 + 0,0337 ∙ t + 0,00022 ∙ T2 T [° C] Wassertemperatur beim Versuch Ks(T) [cm/d ] Durchlässigkeitsbeiwert beim Versuch ∙ KS (t) (10) In KSAT View wird auf dieser Basis eine Viskositätskorrektur von der Messtemperatur T auf eine im Parameterfile definierte Referenztemperatur Tref durchgeführt. Konfiguration des Gerätes | 11 Nullpunkt setzen Bürette durch Öffnen des Füllhahns füllen. Wasserlinse bildet sich. Messdom durch Öffnen des Bürettenhahns fluten. Bürettenhahn schließen. Abstreifplatte auf Wasserlinse drücken und abziehen. In der Software die Funktion „Nullpunkt setzen“ wählen. Wasserspiegel liegt auf dem Niveau des Messdomrandes. Nullpunkt setzen Button „Nullpunkt setzen“ drücken. Software-Assistent zum Setzen des Nullpunkts Hinweis: Druckanzeige In der Funktion „Messen“ zeigt der Bildschirm nach dem Nullsetzen eine Wassersäule von -6,9 cm an. Dies liegt daran, dass der Messaufbau mit Probe 6,9 cm hoch ist. 12 | Nullpunkt setzen Vorbereiten einer Messung Aufsättigen der Bodenprobe Stechzylinder mit Bodenprobe(n) aus dem Transportbehälter nehmen. Deckel an der Stechzylinder-Unterseite abnehmen und Stechzylinder reinigen. Stechzylinder auf Ring mit Porenplatte aufsetzen. 2 cm Stechzylinder mit Ring in die Wanne setzen. Etwa 2 cm hoch entgastes Wasser mit vergleichbarer Ionenstärke und -zusammen setzung wie die Bodenprobe einfüllen. Wasser bis zum Beginn der Schneidkante nachgießen (Zeit siehe unten). Probenoberfläche spiegelt. Nicht auf die Probe gießen (Lufteinschluß). Nach der unten angegebenen Zeit ist die Aufsättigung abgeschlossen. Hinweis: Die im Ring eingesetzte Porenscheibe muss vor Aufsetzen auf die Probe völlig luftfrei mit Wasser gefüllt sein. Sie erkennen die vollständige Aufsättigung der Porenscheibe daran, dass sie in Wasser nicht schwimmt, sondern sich absetzt. Wenn eine trockene Scheibe kurzfristig verwendet werden soll, wird eine Aufsättigung unter Vakuum in einem Exsikkator empfohlen. Es genügt, den Exsikkator mit der vollständig unter Wasser befindlichen Platte einmal zu evakuieren und dann wieder dem atmosphärischen Druck auszusetzen. Wenn Sie die Platte stets waagerecht halten, können Sie die aufgesättigte Platte außerhalb des Wassers transportieren und bewegen. Die Poren werden das Wasser gegen die Gravitation festhalten. Vermeiden Sie dagegen die Senkrechtstellung der Platte, da dann die Gravitationskräfte die Platte am oberen Ende bereits entwässern. Vorbereiten einer Messung | 13 Hinweis: Typische Dauer der Aufsättigung Material Nachfüllen nach Aufgesättigt nach Grobsand ca. 9 min ca. 10 min Feinsand ca. 45 min ca. 1 h Schluff ca. 6 h ca. 24 h Ton entfällt bis zu 2 Wochen Hinweis: Ablesen eines Meniskus Umgang mit quellenden Proben Beim Aufsättigung kann die Probe aufquellen, wenn sie nicht durch eine Last beschwert wird. Für die Vermessung im Gerät sollte die Probe grundsätzlich das normierte Volumen von 250 cm³, d. h. eine Probenlänge von 5 cm, besitzen. Die DIN empfiehlt deshalb, die Probe in bereits gequollenem Zustand in-situ zu nehmen. Da aufgrund des Wegfalls der natürlichen Auflast eine Nachquellung stattfinden kann, bietet das Gerät die Möglichkeit, durch die Schraubkappe und die Verwendung der Krone mit poröser Platte das Quellen zu unterbinden. In dem Fall wird die Probenmasse, die sich im feldfrisch entnommenen Zustand im Zylinder befindet, in eben dem Entnahmevolumen belassen, und das Porensystem bleibt gegenüber dem in-situ Zustand weitgehend unverändert. Alternativ können Sie auch die Probe im unbelastet aufgequollenen Zustand untersuchen. In dem Fall müssen Sie nach Quellung das überschüssige Material bündig zur Stechzylinderoberfläche entfernen, wobei die Probenmasse gegenüber der in-situ Masse im Stechzylinder vermindert sein wird. Hinweis: Es gibt keine allgemein verbindliche Richtlinie, wie bei quellenden Proben zu verfahren ist. 14 | Vorbereiten einer Messung Einbringen der Probe ins Gerät Bürette durch Öffnen des Füllhahns füllen. Messdom durch Öffnen des Bürettenhahns fluten. Wasserlinse bildet sich. Bürettenhahn schließen. Bodenprobe waagrecht aus der Wanne zum Gerät transportieren. Leicht schräg auf die Wasserlinse auf setzen, um Luft entweichen zu lassen. Krone aufsetzen. Mit Schraubkappe festschrauben. Bürette wieder füllen. Nur bei Ton Bürettenhahn öffnen und so lange Wasser laufen lassen, bis es am Ablauf austritt. Bei Bodenproben aus Ton kann Wasser aus der Pipette auf die Probe gegeben werden. Bürette bis 5 cm WS füllen. Wasser tritt am Ablauf aus. 5 Bürettenhahn öffnen. Prüfen: Beträgt die Absinkgeschwindigkeit ca. 1 mm/10 s 1 mm/10 s 0 Wenn weniger, kann mehr Wasser in die Bürette gefüllt werden, um die Messung zu beschleunigen. Hinweis: Bürettenanzeige Wenn nach Ablaufen des Wassers aus der Bürette der Meniskus bei Null steht, ist die Messanordnung dicht. Die Druckanzeige am Bildschirm kann systembedingt ± 0,1 cm betragen. Vorbereiten einer Messung | 15 Verdunstungsschutz bei Langzeitmessung Bei Messungen, bei denen die Durchflussrate geringer ist als die im Labor zu erwartende Verdunstung (oft in der Größenordnung 0,2 bis 0,5 cm/d), muss die Bodenprobe gegen Verdunstung geschützt werden. Sie erreichen dies z. B. durch Überstülpen einer Haube aus Kunststofffolie (z. B. PE-Folie für Lebensmittel) über die Schraubkappe. Simulation einer Messung Damit Sie als Benutzer die Möglichkeit haben, die Softwarefunktionen auch im „Trockenbetrieb“ ohne Bodenprobe kennen zu lernen, wurde diese Funktion in der Software vorgesehen. • Hierzu klicken Sie im Register „Measurement“ das Feld „Use Synthetic Data“ an. • Im Register „Synthetic Data Parameter“ wählen Sie die Parameter für die Simulation. • Drücken Sie „Start“. Unter Berücksichtigung Ihrer Eingaben simuliert die Software eine Messung, die am Bildschirm erscheint. Simulation einer Messung mit der Falling-Head-Methode 16 | Simulation einer Messung Messung mit Falling Head Bei Versuchen an wenig durchlässigen Proben benötigt die Methode mit konstantem Überstau erheblich Zeit. Eine Verkürzung der Versuchszeit wird erreicht durch Erhöhung des hydraulischen Potentialgradienten und • Erhöhung der Ablesegenauigkeit für die volumetrische Zuflussrate. • Beides wird realisiert bei der Methode mit Falling Head. Voraussetzungen Die Messaufbau ist identisch wie bei Constant Head. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Mariotte’sche Flasche durch eine Bürette mit frei fallendem Wasserspiegel ersetzt wird. Das Gerät benutzt folgende Daten zur Berechnung von Ks L [cm] Länge der Bodensäule. ABoden [cm²] Fläche der Bodensäule ABürette [cm²] Bürettenquerschnitt Das Gerät misst die Überstauhöhe H [cm] abhängig von der Zeit t [d]. Es erfolgt die Messung der effektiven Leitfähigkeit des Gesamtsystems, die durch den Widerstand des Bodens, der porösen Platte, und der Leitungen bestimmt ist. Sofern die untere Platte grobporig gewählt wird, besitzt sie eine Leitfähigkeit, die in der Regel weit über der des Bodens liegt. Ihr Widerstand im Fließsystem ist somit vernachlässigbar. Die Messung beginnt, wenn stationäre Fließbedingungen vorliegen. Sie ist beendet, sobald die Messdatenstreuung gering genug ist um ein eindeutiges Ergebnis zu gewährleisten. Hinweis: Messdauern für Constant Head und Falling Head Typische Messdauern liegen für sehr leitfähige sandige Substrate (~1000 cm/d) im Bereich von Sekunden bis wenigen Minuten, für unstrukturierte tonige Substrate mit sehr geringen Leitfähigkeiten (< 0,1 cm/d) im Bereich von 24 Stunden. Messung mit Falling Head | 17 Messablauf Bürette bis 5 cm WS füllen. Messung mit Falling Head in der Software starten. Messung läuft automatisch ab. 5 Bürettenhahn schnell öffnen. 0 Typische Messkurve zeigt einen exponentiellen Abfall. Die Messung beginnt mit dem Öffnen des Bürettenhahns. Das Wasser strömt zunächst mit hohem Druck und einer entsprechend hohen Rate, dann mit einer zunehmend kleiner werdenden Rate durch die Bodensäule aus. Die Software erkennt automatisch den Beginn des Druckabfalls und setzt diesen Zeitpunkt als Startpunkt für die Auswertung fest. 18 | Messung mit Falling Head Die auflaufenden Daten werden visualisiert und ab dem Vorhandensein von mindestens zwei validen Messwerten in Echtzeit in die Berechnung von Ks umgesetzt. Die Messung im Falling-Head-Modus kann unbeaufsichtigt laufen. Sie wird automatisch beendet, wenn ein Stop-Kriterium erreicht wird (siehe Kapitel Konfiguration des Gerätes). Die Messkampagne können Sie jederzeit manuell durch Drücken der Taste „Stop Messung“ beenden, und danach als neue Messung wieder aufnehmen. Bei einer Neu-Aufnahme wird die neue Messung in Form eines weiteren Reiters am Bildschirm eingefügt. Die vorigen Messungen bleiben erhalten und sind auch während einer laufenden Messung anklickbar. In der Regel ist es für eine verlässliche Messung nicht nötig, einen großen Zeitraum mit Daten aufzunehmen. Nach einem Abfall des Bürettenstandes um ca. 1,0 cm haben Sie meist eine stabile Schätzung der hydraulischen Leitfähigkeit, wenn diese im Messverlauf konstant bleibt. Ursachen für eine nicht konstante Leitfähigkeit sind im Kapitel „Ursachen für eine nicht konstante Leitfähigkeit“, Seite 27 diskutiert. Bei fehlerlosem Versuchsverlauf erfolgt ein exponentieller Abfall der Druckhöhendifferenz über die Zeit (siehe Bild unten). Beispielmessung erfolgte für eine gepackte Probe eines Quarzschluffs „milisil M6“ 70 H = 62.80368e–0.21903 t R2= 0.99993 Potentialdifferenz H [cm] 60 50 40 30 20 10 0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Zeit t [h] Messung mit Falling Head | 19 Auswertung der Falling-Head-Messung Aus den Versuchsparameten Länge der Bodensäule L, Querschnitt der Bodensäule ABoden, Bürettenquerschnitt ABürette sowie den aufgenommene Daten der Wasserspiegelhöhe (relativ gegen die Höhe des Auslaufes) errechnet sich die hydraulischen Leitfähigkeit Ks nach zwei Methoden: • entweder aus zwei Messwertpaaren • oder durch Anpassung einer Modellkurve an den Experimentalverlauf. Errechnung aus zwei einzelnen Messwertpaaren H(t) ABürette KS = Durch Integrieren vom Anfangszustand H = H zum Zeitpunkt t = 0 bis zu einem Zeitpunkt t erhalten wir ABoden L ∙ ∆ ti → i+1 ln H(t) – ln H0 = – KS ∙ Ht ∙ ln ABürette ABoden i Ht i+1 ∙ 1 L ∙t und somit H(t) = H0 exp – KS∙ ABürette ABoden Wird über eine Regression eine Exponentialfunktion an die beobachtete Zeitreihe H(t) angepasst und so der Koeffizient b ermittelt, so ergibt sich daraus die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit nach mit ∙ 1 L ∙ t = a exp (–b ∙ t) KS = ABürette [cm3] ABoden [cm3] durchströmte Fläche der Bodensäule L [cm] Länge der Bodensäule ∆ ti → i+1 [d] Differenz zweier Ablesezeiten ti und ti+1 Ht [cm] Hydraulische Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti Ht [cm] Hydraulische Potentialdifferenz zum Zeitpunkt ti+1 i i+1 durchströmte Fläche der Bürette KSAT View nutzt zur Berechnung diese Methode. 20 | Messung mit Falling Head ABürette ABoden ∙L∙b Anpassung einer Modellkurve an den Experimentalverlauf Die flächennormierte momentane Durchflussrate durch die Bodenprobe ergibt sich aus der Veränderung des Wasserstandes in der Bürette nach: q= Q ABoden = ABürette ABoden ∙ dH dt Gleichsetzen der beiden Gleichungen oben ergibt Nach dem Darcy-Gesetz ist diese Rate gleich 1 H dH = –Ks∙ q = –Ks∙ ABürette ABoden ∙ 1 L H L ∙ dt Messung mit Falling Head | 21 Messung mit Constant Head Voraussetzungen Die Messaufbau ist identisch wie bei Falling Head. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass in die Bürette das Constant Head Rohr (auch als Kapillare oder Luftkapillarrohr bezeichnet) mit Dichtungskappe gesteckt wird und die Anordnung wie eine Mariotte’schen Flasche arbeitet. Die Volumenänderung in der Mariotte’schen Flasche erlaubt die volumetrische Messung des kumulativen Zuflusses. Nach Öffnen des Bürettenhahns beginnt die Perkolation (Durchstömung der Probe). Wenn die Zulaufrate konstant und gleich der Ablaufrate ist, dann ist die Messung stationär. Ab diesem Zeitpunkt sind die Voraussetzungen für eine Messung nach der Constant-Head-Methode gegeben. Es erfolgt die Messung der effektiven Leitfähigkeit des Gesamtsystems, die durch den Widerstand des Bodens, der porösen Platte, und der Leitungen bestimmt ist. Sofern die untere Platte grobporig gewählt wird, besitzt sie eine Leitfähigkeit, die in der Regel weit über der des Bodens liegt. Ihr Widerstand im Fließsystem ist somit vernachlässigbar. Die Messung beginnt, wenn stationäre Fließbedingungen vorliegen. Sie ist beendet, sobald die Messdatenstreuung gering genug ist um ein eindeutiges Ergebnis zu gewährleisten. 22 | Messung mit Constant Head Messablauf Bürette bis ca. 20 cm WS füllen. Constant Head Rohr einsetzen und z. B. auf 5 cm WS stellen. Messung mit Constant Head in der Software wählen. Gewünschte Ablesehöhen eingeben. 5 Click here 0 Messung starten. Bürettenhahn öffnen. Bei den gewählten Ablesehöhen Button „Click here“ drücken. Typische Messkurve zeigt einen konstanten Verlauf. Messung mit Constant Head | 23 Die Messung beginnt mit dem Öffnen des Bürettenhahns. Die Berechnung beginnt, wenn stationäre Fließbedingungen vorliegen. Sie ist beendet, sobald die Messdatenstreuung gering genug ist um ein eindeutiges Ergebnis zu gewährleisten. Das Gerät nimmt bei vorgewählten Wasserständen Z [cm WS] die Daten Zeit t [in d] und kumulativ perkoliertes Wasservolumen V [cm³] auf. Hierzu müssen Sie bei Erreichen der vorgewählten Wasserstände die Taste „Click here“ drücken. Es gehen folgende Parameter in die Berechnung ein Länge L [cm] und Querschnittsfläche A [cm] der Bodensäule, Höhe der porösen Platte z [cm], konstante Druckhöhendifferenz H [cm] zwischen Zulauf und Ablauf. Auswertung der Falling-Head-Messung Zunächst erfolgt die Ermittlung der stationären Durchflussrate Q = ∆V/∆t über lineare Regression der Auslaufdaten. Die Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit Ks [cm/d] bei konstantem Überstau erfolgt nach mit KS = Q [cm3/d] A [cm2] durchströmte Fläche der Bodensäule L [cm] Länge der Bodensäule H [cm] antreibende hydraulische Druckhöhendifferenz Q ABodensäule stationäre Strömungsrate aus der Mariotte’schen Flasche 24 | Messung mit Constant Head ∙ L H Ende einer Messkampagne Eine Falling-Head-Messung endet automatisch, wenn die Druckhöhendifferenz ein Stoppkriterium erreicht. Stoppkriterien sind • das Überschreiten einer relativen Wasserstandsveränderung, • das Unterschreiten einer minimalen Wasserstandshöhe. Die voreingestellten Werte können Power-User im Menü „Test Parameters“ verändern. Die Messung kann jedoch auch vorher schon manuell beendet werden, wenn Sie sehen, dass der zu ermittelnde Wert mit hoher Genauigkeit und Verlässlichkeit erhoben ist. Dies ist für mittel bis gut leitende Proben bereits nach wenigen Sekunden der Fall. Eine Constant-Head-Messung ist beendet, wenn der User für alle vorgewählten Wasserstände die entsprechenden Buttons angeklickt hat. Ausgabe der Messwerte Messwerte werden im .csv-Format gespeichert, so dass diese in Programmen wie z. B. Excel eingelesen werden können. Diagramme können als Bild im .jpg-Format exportiert werden. Anzeige des Start-Stop-Zeitintervalls Der Startzeitpunkt und der Stoppzeitpunkt der in der Auswertung verwendeten Daten sind durch eine senkrechte Linie im Grafikfenster der Datenanzeige gekennzeichnet. Ende einer Messkampagne | 25 Typische Messergebnisse Beispiel Sand, Falling-Head-Modus Beispiel feinkörniger Boden, Falling-Head-Modus 26 | Typische Messergebnisse Ursachen für eine nicht konstante Leitfähigkeit Wasserverlust aus dem Messaufbau Prüfen Sie den Messaufbau auf Wasseraustritt und stellen Sie die Dichtigkeit sicher: • • zwischen Stechzylinder und Ring mit poröser Platte und Stechzylinder und Krone. Lösen Sie die Schraubkappe, entnehmen Sie die Dichtringe und säubern Sie sie. Dann befestigen Sie den Stechzylinder wieder. Leitfähigkeit der Probe steigt im Lauf der Messung • Probe wird durch den Messvorgang innerlich erodiert. • Auflösung von Gasbläschen am Übergang Boden-Platte oder in der Bodenprobe. • Erwärmung des Wassers und die Viskosität der Messflüssigkeit verringert sich. • Turbulente Strömung, die im Lauf der Messung aufgrund des geringer werdenden Druckgradienten laminar wird. Leitfähigkeit der Probe sinkt im Lauf der Messung • Rückgang der Ionenstärke im Wasser, wenn z. B. Messung mit zu geringem Elektrolytgehalt erfolgt. • Ausgasung aus nicht genügend entlüftetem Wasser • Abkühlung des Wassers und die Viskosität der Messflüssigkeit erhöht sich. • Ausgasung aus der Wasserphase erzeugt Blasenfilm am Übergang der Bodenprobe zu den porösen Platten • Produktion von Gasen durch Bodenlebewesen, die Blasenfilm am Übergang der Bodenprobe zu den porösen Platten erzeugen. Ursachen für eine nicht konstante Leitfähigkeit | 27 Typische Fehler und Abhilfe Aufstellung Falsch Richtig Schwingungen verfälschen das Messergebnis. Stabile, erschütterungsfreie Unterlage, mit Wasserwaage ausgerichtet Reinigung des Messdoms Falsch Richtig Druckaufnehmer Messdom vorsichtig reinigen. Druckaufnehmer nicht berühren. Lufteinschluss Falsch Richtig Lufteinschluss zwischen Krone und Bodenprobe Krone zwischen Bodenprobe und Porenscheibe Stechzylinder Bodenprobe Ring mit Porenscheibe unter der Porenscheibe Dichtheit des Messaufbaus Stechzylinder und/oder Dichtungen verschmutzt. 28 | Typische Fehler und Abhilfe Säubern Sie alle Flächen des Mess aufbaus, vor allem Stechzylinder und Dichtungen. Fließraten Hohe Fließraten erodieren die Bodenprobe und führen zu falschen Messergebnissen. Halten Sie die Fließraten immer so klein wie möglich. Bildung von Gasbläschen aus der Probe reduzieren die Leitfähigkeit. Die in der DIN aufgeführte, empfohlene Anfangshöhe der Wassersäule ist 5 cm. Extrem hohe Fließraten führen zu turbulenter Strömung, bei der das Messverfahren ungültig wird. Temperatureinflüsse Die Viskosität der Messflüssigkeit verringert sich durch Erwärmung. Eine Abweichung der Wassertemperatur von 20 auf 23° C führt zu einer Abweichung der Meßwerte von 18 %. Messgerät, Umgebung und Wasser müssen die gleiche Temperatur haben. Halten Sie die Umgebungstemperatur während der Messung konstant. Ionenstärke und die Ionenzusammensetzung Unterschiedliche Ionenstärke und die Ionenzusammensetzung führen zu einer Erhöhung der gemessenen Leitfähigkeit. Stellen Sie sicher, dass diese Parameter in der Bodenprobe und im Wasser ähnlich sind. Korrigieren Sie wenn nötig durch Zugabe von CaCl2. Ausgasen des Wassers Ausgasung von gelösten Gasen aus dem Wasser führt zu einem Blasenfilm am Übergang der porösen Scheibe zur Bodenprobe und einer Verminderung der gemessenen Leitfähigkeit. Verwenden Sie entgastes Wasser (Abkochen vor der Messung genügt). Ausgasende Bodenproben Lösen von Gasbläschen aus der Probe verändern die hydraulische Leitfähigkeit der Messanordnung. Verwenden Sie entgastes Wasser. Sättigen Sie die Bodenprobe unter Vakuum auf. Wasserablauf aus dem Gerät Erodierte Partikel aus nicht konsolidierten Proben wie Sand können zu einer Ver stopfung des Ablaufs führen. Reinigen Sie den Messdom von Partikeln und spülen sie den Ablauf gründlich durch. Typische Fehler und Abhilfe | 29 Manuelle Installation des USB-Treibers Verbinden Sie das Gerät mit dem USB-Port Ihres Computers. • Wählen Sie „device manager“ im „control panel“ (in Windows 2000 wählen Sie zuerst „Hardware“, dann "device manager“). Dann erscheint eine Liste von Geräten, die an den Computer angeschlossen sind. • Wählen Sie den UMS KSAT Adapter, klicken rechts auf die Maus und dann „properties". • Im angezeigeten Fenster wählen sie „driver“ und dann „update driver“. • Die Software fordert Sie auf zu browsen. Wählen Sie zum Beispiel: „C:\Programme\UMS GmbH\KSAT View\Driver\“ • Wenn ein Warnhinweis erscheint wie „ … the hardware has not passed the Windows Logo Test …“ wählen Sie „Continue installation“. • Der Treiber sollte nun erfolgreich installiert sein. • Hinweis: Für Windows 2000/XP benötigen Sie evtl. lokale Administratorenrechte. Abhängig von der Sprachversion Ihres Windows-Betriebssystems können die angezeigten Texte variieren. Firmware Update Im Menü Extras „Update Firmware“ wählen hex-Datei auswählen • Firmware Update wird durchgeführt • • Hinweis: Gerät nicht vom Computer trennen. Computer nicht herunterfahren. 30 | Firmware Update Wartung und Pflege Lagerung Wird das Gerät längere Zeit nicht verwendet, sollte es entleert werden. Trocknen Sie alle Teile, um Algenbildung zu vermeiden. Reinigung Das Äußere des Gerätes kann mit einem feuchten Tuch abgewischt werden. Vermeiden Sie das Eintrocknen von Wasserlachen. Haben sich Erd- und Sandkörner abgesetzt, so sollte das gesamte Gerät unter einem weichen Wasserstrahl gereinigt werden. Sie können die Reinigung mit Wasser durch einen Reinigungspinsel unterstützen. Die Ablaufrinne und die Leitung zum Ablauf können Sediment enthalten, vor allem wenn Proben durch den Messvorgang erodiert wurden. Spülen Sie das Gerät mit viel Wasser frei. Reinigen Sie auch die Gewinde der Abdeckhaube und des Messdoms mit Wasser und Bürste. Hinweis: Reinigung Reinigen Sie das Gerät nicht mit Seife, Spülmittel oder anderen tensidhaltigen Mitteln. Tenside verändern die Oberflächenspannung des Wassers, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Der Druckaufnehmer ist empfindlich gegen hohen Wasserdruck und die Berührung mit spitzen harten Gegenständen. Zubehör Transportbox und Stechzylinder Normierter Stechzylinder zur Gewinnung ungestörter Proben mit einheitlichem Volumen in Transportbox zum optimalen Schutz Schlagadapter SZA Die Schlagadapter SZA250 ermöglichen eine vorsichtige Bodenprobenahme ohne Stauchung. Der Stechzylinder ist frei drehbar im EdelstahlSchlagadapter. HYPROP© Laborverdunstungsverfahren zur Bestimmung der pF-Kurve und der ungesättigten Leitfähigkeit Die Verdunstungsmethode nach Wind/Schindler ist ein einfaches und schnelles Verfahren um die Retentionskurve anhand von 250 ml-Stechzylinderproben zu bestimmen. Durch zwei Tensiometerzellen in verschiedenen Höhen wird simultan die pF-WGKurve und die ungesättigte Leitfähigkeit bestimmt. Diese kann gegen die Wasserspannung oder den Wassergehalt aufgetragen werden. Wartung und Pflege | Zubehör | 31 Zahlen, Daten, Fakten Technische Daten Minimal messbare Werte für Ksat 0,01 cm/d Maximal messbare Werte für Ksat 5000 cm/d Hydraulische Leitfähigkeit der Porenplatte Ks = 20000 cm/d Typische statistische Ungenauigkeit bei konstanten Umgebungsparametern und konstantem Fließwiderstand im Boden etwa 2 % (in der Praxis ca. 10 %) Genauigkeit des Drucksensors 1 Pa (entsprechend 0,01 cm WS) Genauigkeit des Temperatursensors 0,2° C Stechzylinder (passt auch auf UMS HYPROP® ) Volumen: 250 ml Höhe: 50 mm, Ø (innen): 80 mm Software Voraussetzungen Windows 7 und neuer Microsoft Framework 3.5 Bestimmungsgemäße Verwendung Das KSAT© dient der Messung der gesättigten Wasserleitfähigkeit von Bodenproben in einem UMS-Stechzylinder. Die Methodik folgt der DIN 19683-9 und DIN 18130-1 und beruht auf der Darcy-Gleichung. Die Auswertungsgleichungen basieren auf der Annahme laminaren Wasserflusses. Sie gelten also nur für geringe Fließgeschwindigkeiten. Garantie Die Garantiedauer beträgt 12 Monate und erstreckt sich bei bestimmungsgemäßer Verwendung auf Herstellungsfehler und Mängel. Der Umfang ist beschränkt auf die ersatzweise Lieferung oder Reparatur inklusive Verpackung. Versandspesen werden nach Aufwand berechnet. Erfüllungsort ist München, Gmunderstr. 37. 32 | Zahlen, Daten, Fakten Literaturverzeichnis Darcy, Henry (1856) Les fontaines publiques de la ville de Dijon. Dalmont, Paris. DIN 19683-9 (1998) Physikalische Laboruntersuchungen, Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit in wassergesättigten Stechzylinderproben. Beuth Verlag GmbH. DIN 18130 (1998) DIN 18130-1:1998-05 Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurch-lässigkeitsbeiwerts – Teil 1: Laborversuche. Beuth Verlag GmbH. Dirksen C. (1999) Soil Physics Measurements. Catena Verlag, Reiskirchen. Hartge K.-H. und R. Horn (2009) Die physikalische Untersuchung von Böden. 4. Auflage. E. Schweizerbartsche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart. McKenzie N.J., T.W. Green und D.W. Jacquier (2002) Laboratory measurement of hydraulic conductivity. In: McKenzie et al.: Soil Physical Measurement and Interpretation for Land Evaluation. CSIRO Publ., Collingwood, Australien. Literaturverzeichnis | 33 Inhalt Theoretische Grundlagen ...................................................................................... 3 Die Bedeutung des hydraulischen Widerstands..............................................3 Messprinzip...........................................................................................................3 Stechzylinderprobenahme.................................................................................4 Wertebereiche für kf ...........................................................................................5 Perkolationslösung...............................................................................................6 Erstinbetriebnahme ................................................................................................ 7 Konfiguration des Gerätes ..................................................................................... 8 Berücksichtigung des Plattenwiederstands ..................................................10 Nullpunktsetzen .................................................................................................... 12 Vorbereiten einer Messung ................................................................................. 13 Aufsättigen der Bodenprobe ..........................................................................13 Umgang mit quellenden Proben ....................................................................14 Einbringen der Probe ins Gerät .......................................................................15 Verdunstungsschutz bei Langzeitmessung ....................................................16 Simulation einer Messung .................................................................................... 16 Messung mit Falling Head ................................................................................... 17 Voraussetzungen ..............................................................................................17 Messablauf ........................................................................................................18 Auswertung .......................................................................................................20 Messung mit Constant Head ............................................................................... 22 Voraussetzungen ..............................................................................................22 Messablauf ........................................................................................................23 Auswertung .......................................................................................................24 Ende einer Messkampagne ................................................................................ 25 Ausgabe der Messwerte..................................................................................25 Anzeige des Start-Stop-Zeitintervalls ..............................................................25 Typische Messergebnisse (Beispiele) ................................................................. 26 Ursachen für eine nicht konstante Leitfähigkeit ................................................ 27 Typische Fehler und Abhilfe ................................................................................ 28 Manuelle Installation des USB-Treibers................................................................ 30 Firmware Update .................................................................................................. 30 Wartung und Pflege .............................................................................................. 31 Zubehöhr ............................................................................................................... 31 Zahlen, Daten, Fakten .......................................................................................... 32 Technische Daten ............................................................................................32 Bestimmungsgemäße Verwendung ..............................................................32 Garantie ............................................................................................................32 Literaturverzeichnis ............................................................................................... 33 34 | Inhalt © 2012 UMS GmbH, München Druckschriftennummer: KSAT/L/12.12d Änderung, die dem technischen Fortschritt dienen, sind jederzeit möglich. KSAT® und KSAT VIEW® sind eingetragene Warenzeichen der UMS GmbH, München. Gedruckt auf Papier aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. UMS GmbH Gmunder Str. 37 81379 München Tel. +49 (0) 89 / 12 66 52 - 0 Fax +49 (0) 89 / 12 66 52 - 20 [email protected] www.ums-muc.de
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