Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode. Benutzerhandbuch.Benutzerhandbuch
Vollzug Umwelt
Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
Benutzerhandbuch
Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL
Vollzug Umwelt
Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
Benutzerhandbuch
Herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL Bern, 2005
Rechtlicher Stellenwert dieser Publikation Herausgeber Diese Publikation ist eine Vollzugshilfe des BUWAL als Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL) Aufsichtsbehörde und richtet sich primär an die Voll- Das BUWAL ist ein Amt des Eidg. Departements für zugsbehörden. Sie konkretisiert unbestimmte Rechts- Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) begriffe von Gesetzen und Verordnungen und soll eine einheitliche Vollzugspraxis ermöglichen. Das BUWAL veröffentlicht solche Vollzugshilfen (oft auch als Richtli- Autor nien, Wegleitungen, Empfehlungen, Handbücher, Praxis- Abdallah Alaoui, Projektleiter, Universität Bern hilfen u.ä. bezeichnet) in seiner Reihe «Vollzug Umwelt». Die Vollzugshilfen gewährleisten einerseits ein grosses Mass an Rechtsgleichheit und Rechtssicherheit; anderer- Zitiervorschlag seits ermöglichen sie im Einzelfall flexible und ange- ALAOUI, A., 2005: Evaluation der Bodenverdichtung passte Lösungen. Berücksichtigen die Vollzugsbehörden mittels TDR-Methode. Benutzerhandbuch. Vollzug diese Vollzugshilfen, so können sie davon ausgehen, dass Umwelt. Bundesamt für Umwelt, Wald und sie das Bundesrecht rechtskonform vollziehen. Andere Landschaft, Bern, 74 S. Lösungen sind nicht ausgeschlossen, gemäss Gerichtspraxis muss jedoch nachgewiesen werden, dass sie rechtskonform sind. Beratung BUWAL Daniel Zürcher, Dienst Umwelttechnologie Jean-Pierre Clément, Sektion Boden
Grafik, Layout Abdallah Alaoui
Fotos Umschlag Abdallah Alaoui
Übersetzung Andreas Helbling
Download PDF http://www.buwalshop.ch (eine gedruckte Fassung ist nicht erhältlich) Code: VU-4816-D
© BUWAL 2005
3.9 Bearbeitung der Messwerte und Zeichnen von Grafiken
Importieren Sie die Datei, in welcher Sie die Messwerte gespeichert haben, ins Excel, Axum oder in ein anderes Grafikprogramm. Die Datei besteht aus mehreren Kolonnen. Im Fall einer einzigen TDR-Sonde sind es fünf: 1. Kode, der sich auf die TDR-Messung bezieht.
2 Tag: die Nummer des Tages seit dem 1. Januar (Beispiel: der 5. Februar ist der
Tag 36). 3. Zeit: Stunden und Minuten. 4. Zeit: Sekunden. 5. Wassergehalt [m3/m3].
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 35
4 Interpretation der Ergebnisse
4.1 Generelle Aussagen
4.1.1 Hauptklassen (schadverdichtet – nicht schadverdichtet)
Für die Beurteilung der Bodenschadverdichtung kann zwischen zwei Hauptklassen unterschieden werden (Abbildung 16): 1. Das Wasser wird an der Oberfläche gestaut und infiltriert nicht in den Boden. Der Wassergehalt steigt während der Versuche in keiner Messtiefe an. Dieses Fehlen einer Reaktion ist typisch für einen sehr stark schadverdichteten Boden.
2 Das Wasser infiltriert sehr rasch in die Tiefe. In allen Messtiefen steigt der
Wassergehalt signifikant an. Der Wassergehaltsanstieg kann bis in eine Tiefe von 0.80 – 0.90 m festgestellt werden. In diesem Fall ist der Boden nicht schadverdichtet.
Das Fallbeispiel Frauenfeld illustriert diese zwei generell unterschiedlichen Ergebnisse sehr schön.
Abbildung 16: Beispiele von Reaktionen des Bodens auf eine Beregnung; Fallbeispiel Frauenfeld.
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4.1.2 Zwischenklassen
Neben den beiden Hauptklassen gibt es auch noch Zwischenklassen. Diese stellen verschiedene Grade der Bodenschadverdichtung dar. In diesen Fällen wird das Wasser nicht an der Oberfläche gestaut, sondern es infiltriert bis in eine bestimmte Tiefe. Die Reaktion ist folgendermassen charakterisiert:
Ein schwacher Wassergehaltsanstieg, selten mehr als 5 – 6 %.
Der Wassergehalt steigt nur in den oberen Bodenschichten zwischen 0.10 und 0.50 m an. Das Fallbeispiel Grenchen illustriert diesen Fall gut.
4.1.3 Detaillierte Analyse der hydrodynamischen Prozesse
In einem strukturierten Boden tragen die Mikro- und die Makroporen mehr oder weniger unabhängig voneinander zum generellen Wasserfluss bei. Es ist wichtig zu ermitteln, welche Porenklassen wie viel zum Wassertransport beitragen, um die Bodenschadverdichtung evaluieren zu können. Alle bekannten Methoden ziehen nur die Mikroporen in Betracht (Entnahme von kleinen Bodenproben für Laboranalysen). Sie lassen die Makroporen ausser Acht. Die grobe Bodenstruktur ist im Massstab der Bodenproben nicht abgebildet. Unsere Methode ist folglich in der Notwendigkeit begründet, den hydrodynamischen Beitrag der Makroporen während einer Beregnung ermitteln zu können. Die Trennung zwischen Mikro- und Makroporen bei den Wassergehaltsänderungen erfolgt mit dem Modell MACRO (Jarvis, 1994). Der gemessene Wassergehalt wird mit einem Referenzwassergehalt, hier critical void ratio genannt, verglichen. Den critical void ratio erhält man durch einen ödometrischen Verdichtungsversuch (Abbildung 17). Bei den Messungen in Kirchberg wurde diese Analyse durchgeführt.
A. Strukturierter, nicht schadverdichteter Boden B. Strukturierter Boden mit schadverdichteter Matrix Infiltration Infiltration
Drainage Drainage Wassergehalt
Wassergehalt
MA 1 MA
2 Matrix
Matrix
Zeit Zeit
Abbildung 17: Beeinträchtigung der Matrix durch Bodenschadverdichtung; Kurve 1: gemessener Wassergehalt; Kurve 2: Grenze zwischen Matrix und Makroporen, mit dem Modell MACRO bestimmt; Kurve 3: maximale Verdichtung (dient als Referenz), mit einem ödometrischen Verdichtungsversuch ermittelt; MA: Makroporen.
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4.2 Fallbeispiele
In diesem Kapitel werden zwei mögliche Arten der Untersuchung der Bodenschadverdichtung dargestellt:
Bestimmung der Bodenschadverdichtung unter Zuhilfenahme eines nicht schadverdichteten Bodens als Referenz (Beispiel Frauenfeld und Grenchen).
Bestimmung der Bodenschadverdichtung unter Zuhilfenahme eines im Labor durchgeführten ödometrischen Tests als Referenz (Beispiel Kirchberg).
4.2.1 Bestimmung der Bodenschadverdichtung unter Zuhilfenahme eines
nicht schadverdichteten Bodens als Referenz
FALLBEISPIEL FRAUENFELD
Die Beregnungsversuche wurden in Grosssteinacht bei Frauenfeld (Gemeinde Frauenfeld) durchgeführt (270.475/708.075, Landeskarte Nr. 1053, 1:25000) (Mdaghri Alaoui & Germann, 2000).
Untersuchter Boden Es handelt sich um eine Braunerde, deren Ursprung alluviale Sedimente waren. Zwischen 0 und 0.60 m ist der Boden lehmig-siltig, darunter sandig bis sandiglehmig. Die aus grobem Kies zusammengesetzte Grundwasserschicht befindet sich ungefähr in einer Tiefe von 1.20 m. Ein Makroporensystem ist von blossem Auge bis in eine Tiefe von 0.60 bis 0.70 m ersichtlich. Es entstand aufgrund der hohen biologischen Aktivität (Wurzeln, Regenwürmer).
Untersuchungsstandort In dieser Studie wurde die durch die Überfahrt schwerer Landwirtschaftsmaschinen verursachte Bodenschadverdichtung beurteilt (10 t schwerer Zuckerrübenvollernter, Typ: Kleine SF10, Vorderreifen: 710/70R38, Hinterreifen: 700/50-26.5, Last rechtes Vorderrad: 10885 kg, Last rechtes Hinterrad: 5349 kg, 4 Überfahrten). Es wurden Beregnungsversuche auf einem schadverdichteten und einem intakten Boden (keine Überfahrt von Landwirtschaftsmaschinen) durchgeführt. Die Wassergehaltsänderungen in den beiden Böden während den Beregnungen wurden miteinander verglichen. Die zwei Messpunkte liegen 1.20 m auseinander. In der Mitte wurde ein Bodenprofil gegraben und die TDR-Sonden horizontal eingebaut.
Charakteristik der An jedem Messpunkt wurden zwei Beregnungsversuche durchgeführt. Die genauen Versuche Angaben dieser Versuche sind in der Tabelle 2 aufgelistet. Der Wassergehalt wurde in 0.20 m, 0.40 m, 0.50 m und 0.70 m gemessen.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 39
Tabelle 2: Charakteristik der Beregnungsversuche; Region Frauenfeld.
Charakteristik 1. Versuch 2. Versuch intakter Boden schadverdichteter intakter Boden schadverdichteter Boden Boden Datum der Beregnung 15.11.1999 15.11.1999 16.11.1999 16.11.1999 Intensität 24 mm/h 24 mm/h 24 mm/h 24 mm/h
Resultate und Im intakten Boden steigt der Wassergehalt während der Beregnung deutlich an. Interpretation Nach dem Beregnungsende nimmt er rasch wieder ab. Dies spricht dafür, dass die Makroporen viel zum gesamten Wasserfluss beitragen. Die Beobachtung des Makroporensystems am Bodenprofil unterstützt diese Aussage.
Bei beiden Beregnungsversuchen infiltriert das Wasser im intakten Boden bis in eine Tiefe von 0.50 m. Die TDR-Sonden in 0.20 m, 0.40 m und 0.50 m Tiefe zeigen einen deutlichen Wassergehaltsanstieg an. In 0.70 m variiert der Wassergehalt nicht mehr (Abbildung 18). Das Beregnungswasser infiltriert fortlaufend in den Boden. Es gibt keinen Wasserstau an der Bodenoberfläche.
Abbildung 18: Wassergehaltsänderungen in 0.20 m, 0.40 m, 0.50 m und 0.70 m während den beiden Beregnungen. Vergleich zwischen einem intakten und einem schadverdichteten Boden; Region Frauenfeld.
Der Wassergehaltsanstieg im intakten Boden ist in der Tabelle 3 angegeben. Dieser Anstieg ist signifikant, da der Messfehler nicht grösser als 1% ist (Roth et al., 1990).
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Im zweiten Versuch steigt der Wassergehalt doppelt so schnell an wie im ersten (∆t, Tabelle 3). Es ist wichtig festzuhalten, dass trotz der grossen Bodenfeuchte der Wassergehaltsanstieg signifikant ist. Bei trockenen Verhältnissen wäre der Wassergehaltsanstieg wahrscheinlich noch grösser.
Im Gegensatz dazu ist im schadverdichteten Boden während den beiden Beregnungsversuchen kein signifikanter Wassergehaltsanstieg festzustellen. Dies zeigt deutlich, dass die Bodenstruktur eine beachtliche Deformation erlitten hat, was sich vor allem in der Abnahme der Porosität ausdrückt. Der beobachtete Wasserstau an der Bodenoberfläche bestätigt diese Interpretation.
Tabelle 3: Wassergehaltsanstieg ∆θ=(θmax-θinit) im nicht schadverdichteten Referenzboden in Frauenfeld und die entsprechende Zeit ∆t; t0: Beregnungsbeginn; t1: Zeitauer bis der maximale Wassergehalt θmax erreicht wird. Das Messintervall beträgt 5 min.
Tiefe 1. Versuch 2. Versuch (m) (Volumenprozent) (min) (Volumenprozent) (min) 0.20 2.40 69 1.80 34 0.40 1.60 64 1.12 30 0.50 0.90 69 1.20 34 0.70 0 / 0 /
FALLBEISPIEL GRENCHEN
Für die Der für unsere Versuche ausgewählte Standort befindet sich im Gebiet Galmen bei Infiltrationsversuche Grenchen. Der zentrale Teil bedeckt das Tunnel der Autobahn, die Solothurn mit ausgewähltes Gebiet Biel verbindet (Teilabschnitt der A5). Die Fläche beträgt drei Hektaren. Die zentralen und südlichen Teile bestehen aus einem rekultivierten Boden (nicht schadverdichteter Boden); der nördliche Teil besteht aus einem natürlichen Boden (schadverdichteter Boden) (Abbildung 19). Beim natürlichen Boden handelt es sich um einen Pseudogley, dessen Ursprung ein Seesediment ist. Er besteht zwischen 0 und 3 m Tiefe aus einem tonigen Material, unterhalb von 3 m handelt es sich um ein sandiges Material. Der rekultivierte Boden besteht in den ersten 0.6 m aus einem tonigen Horizont, dessen Material von einem A-Horizont stammt. Das Material des Horizonts zwischen 0.6 und 1.10 m stammt von einem B-Horizont und ist sandigsiltig. Darunter befindet sich der sandige C-Horizont, der sich bis zum Tunneldach erstreckt. Das sandige Material dient der Drainage und dem Schutz des Tunnels.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 41
schadverdichteter Boden rekultivierter Boden 50 m
Abbildung 19: Für die Infiltrationsversuche ausgewählte Messpunkte in Grenchen. An jedem Punkt wurde der Wassergehalt in fünf Tiefen gemessen.
Charakteristik der An jedem Messpunkt wurde eine Beregnung durchgeführt (Alaoui, 2002). Es wurde Beregnungsversuche während 1 Stunde mit einer Intensität von 0.7 l/min, das heisst 42 mm/h (oder 1.16*10-5 m/s) beregnet. Total ergibt dies 42 l. Im Ganzen dauerte das Experiment an jedem Messpunkt 3 Stunden (1 h Infiltration und 2 h Drainage). Während dieser Zeit wurde der Wassergehalt in fünf Tiefen (0.10 – 0.20, 0.20 – 0.30, 0.30 – 0.40, 0.40 – 0.50 und 0.50 – 0.60 m) gemessen. Das Messintervall betrug 60 s.
Interpretation der Die Resultate der 21 in der Ebene von Grenchen durchgeführten Infiltrationsversu- Resultate che sind im Bericht von Alaoui (2002) zu finden. Die Analyse der hydrodynamischen Veränderung der Bodenfeuchte betrifft vor allem die Tiefen 0.30 – 0.40 und 0.40 – 0.50 m, weil die Reaktion des Bodens im oberen Bereich (0.10 – 0.20 und 0.20 – 0.30 m) in grösserem Ausmass von der Regenintensität und dem Anfangswassergehalt als von externen Faktoren wie der Bodenschadverdichtung abhängt. Die Tiefe 0.50 – 0.60 m wurde nicht in Betracht gezogen, da in dieser Tiefe während der Beregnung kaum Änderungen des Wassergehaltes festgestellt werden konnten. Schadverdichteter Boden: Die Reaktion des schadverdichteten Bodens (Messpunkte N° 4, 7, 10 und 13 (Abbildung 19)) ist homogener als diejenige des rekultivierten Bodens. Der Wassergehalt steigt während den Beregnungen nicht an, ausgenommen am Messpunkt 7. Dies kann damit erklärt werden, dass der Anfangswassergehalt sehr gering war: rund 42% in den Tiefen 0.30 – 0.40 und 0.40 – 0.50 m. Wichtig zu erwähnen ist, dass sich in diesen Böden bei Trockenheit und ab einer gewissen Temperatur Trockenrisse von ungefähr 4-6 cm Länge bilden. Diese Risse sind von der Oberfläche her ersichtlich. Im weiteren muss der grosse Verkehr von schweren Maschinen im Bereich von Messpunkt 4 in Betracht gezogen werden (mündliche Mitteilung von M. Rohr, Büro Geotest). Hier ist der Boden deutlich schadverdichteter und weist überhaupt keinen Wassergehaltsanstieg auf (siehe auch Mdaghri-Alaoui und Germann, 2001). Insgesamt weist der schadverdichtete Boden keine Reaktion auf (Abbildung 20) bei drei von vier Standorten, also bei 75 %, zeigen die TDR-Messungen keinen Wassergehaltsanstieg an.
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Rekultivierter Boden: Die Messungen in den Tiefen 0.30 – 0.40 und 0.40 – 0.50 m an den Messpunkten im Gebiet des rekultivierten Bodens zeigen, dass bei 71% der Messpunkte der Wassergehalt während der Infiltration ansteigt. Diese Tatsache zeigt, dass dieser Bodentyp deutlich durchlässiger als der natürliche, schadverdichtete Boden ist. Die nicht vorhandene Reaktion bei 29 % der Messpunkte kann durch das laterale Wegfliessen des Wassers in den betrachteten Tiefen und das Vorhandensein von grösseren Hohl- oder Zwischenräumen, die das Infiltrieren des Wassers in die Tiefe verhindern, erklärt werden. Solche Hohlräume konnten an den Bodenproben, die während den Bohrungen in verschiedenen Tiefen entnommen wurden, beobachtet werden. In der Abbildung 20 ist ein Beispiel der Reaktion eines rekultivierten (nicht schadverdichtet) und eines schadverdichteten Bodens dargestellt.
Abbildung 20: Beispiele der Reaktion des Bodens in Grenchen. Messpunkt 10: schadverdichteter Boden; Messpunkt 5: rekultivierter, nicht schadverdichteter Boden.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 43
4.2.2 Bestimmung der Bodenschadverdichtung unter Zuhilfenahme eines im
Labor durchgeführten ödometrischen Tests als Referenz
FALLBEISPIEL KIRCHBERG
In diesem Beispiel wurden die im Feld gemessenen Wassergehaltswerte zu Referenzwassergehaltswerten in Bezug gesetzt. Diese Wassergehalte entsprechen der maximalen Verdichtung der Bodenprobe und wurden mit einem ödometrischen Test bestimmt. Dieser Fall illustriert die vorgeschlagenen Schritte für die Beurteilung der Bodenschadverdichtung. Die Methode beinhaltet sowohl Feld- wie Laboruntersuchungen. Mit Hilfe der Wassergehaltsmessungen in vier Tiefen konnte einerseits zwischen einem intakten und einem rekultivierten Boden und andererseits zwischen einem strukturierten und einem weniger strukturierten Boden unterschieden werden. Abschliessend wurde ein Färbversuch mit Methylenblau durchgeführt, um die aufgrund der Wassergehaltsmessungen gezogenen Schlüsse zu verifizieren.
Untersuchungsstandort Die Abbildung 21 zeigt die für die Beregnungsversuche ausgewählten Böden. Der und Beschreibung des Boden der Parzelle A ist natürlich und wird als Weide genutzt. Aufgrund der inten- Bodens siven Beweidung durch die Kühe ist er schadverdichtet. Es handelt sich um eine Parabraunerde. Zwischen 0 und 0.70 ist der Boden lehmig. Die Böden der Parzellen B und C sind rekultiviert. Die Grenze zwischen Ober- und Unterboden liegt bei 0.35 m. Die Bodenschicht zwischen 0 und 0.60 m der Parzelle B ist lehmig und jene zwischen 0.60 und 0.70 m lehmig-tonig. Ober- und Unterboden wurden im 2002 rekultiviert. Die Parzelle C ist zwischen 0 und 0.50 m lehmig und zwischen 0.50 und 0.70 m lehmig-tonig. Der Anteil an Steinen ist grösser als in den beiden anderen Parzellen. Der Unterboden wurde 2001 und der Oberboden 2002 rekultiviert. Die Porosität der rekultivierten Böden (Parzellen B und C) war grösser als diejenige des Messpunktes 1, welcher in der Weide liegt.
Beregnungs- und An jedem Messpunkt wurden drei einstündige Beregnungen durchgeführt. Zwi- Färbversuche schen den Beregnungen war eine Stunde Drainage. Die Beregnungsintensität betrug 0.5 l/min, das heisst 30 mm/h oder 8.33 x 10-6 m/s. Der Wassergehalt wurde in vier Tiefen gemessen. Mit der Messung wurde eine Viertelstunde vor der ersten Beregnung begonnen. Sie dauerte im Gesamten 6 Stunden. Das Messintervall betrug 60 s. An den Messpunkten 1 und 2 der Parzelle A wurde je ein Färbversuch durchgeführt. 10 g Methylenblau wurden in einem Liter Wasser aufgelöst und gleichmässig auf die Bodenoberfläche (1 m2) aufgesprüht. Danach wurde die Fläche während einer Stunde mit einer Intensität von 30 mm/h beregnet, damit der Tracer in den Boden infiltriert. Mit dieser Vorgehensweise werden vor allem die Makroporen markiert. Alle 10 cm wurde ein Bodenprofil gegraben und die Makroporen gezählt. Die Anzahl der Makroporen zwischen den Profilen wurde geschätzt. Dadurch konnte eine mittlere Dichte der Makroporen und damit das Makroporenvolumen im betrachteten Bodenausschnitt berechnet werden.
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Abbildung 21: Lage des Untersuchungsgebietes in Kircberg. Karte mit der Bewilligung des Bundesamtes für Landestopographie reproduziert (JD042503).
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Simulation des Das Ziel der Simulation des Wassergehaltes mit dem Modell MACRO (Jarvis, Wassergehaltes mit dem 1994) war, zu bestimmen wie viel die Mikro- und die Makroporen zum Wasserfluss Modell MACRO beitragen. Mit dem Modell MACRO kann der Wasserfluss und der Transport von Stoffen und Kolloiden im gesättigten und ungesättigten Bereich simuliert werden. In diesem Modell wird die Gesamtporosität in Mikro- und Makroporen aufgeteilt. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen wird durch einen Wassergehalt θb, eine Saugspannung Ψb und eine hydraulische Leitfähigkeit Kb definiert. Die Simulation kann unter zwei verschiedenen Annahmen ausgeführt werden: der Wasserfluss spielt sich in den Mikro- und den Makroporen (two flow domains) oder nur in den Mikroporen (one flow domain, in diesem Fall ist der Boden nicht strukturiert) ab. Für den Wasserfluss in den Mikroporen wird jede Bodenschicht durch einen Wassergehalt und eine hydraulische Leitfähigkeit repräsentiert.
Abbildung 22: Reaktion des schadverdichteten Bodens in Kirchberg auf die Beregnungsserie.
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Der Wasserfluss wird mit einer einfachen numerischen Lösung der Richards- Gleichung (1931) berechnet (Jarvis, 1994). Es wird angenommen, dass der Wasserfluss in den Makroporen durch die Schwerkraft angetrieben wird (die Saugspannung spielt keine Rolle) und Formeln vergleichbar mit denen von Brooks & Corey (1964) und Mualem (1976) werden angewendet (Jarvis, 1994, Alaoui et al., 2003).
Resultate und Um die hydrodynamische Reaktion der untersuchten Böden zu charakterisieren Interpretation wird folgende Terminologie verwendet: Eine positive Reaktion des Bodens bedeutet, dass der Wassergehalt während der Beregnung anstieg. Eine negative Reaktion heisst, dass kein Wassergehaltsanstieg festzustellen war. Die Messpunkte 1 und 2 liegen in der Weide (Parzelle A), deren Boden durch die Kuhtritte schadverdichtet wurde. Beim Messpunkt 1 ist die Reaktion des Bodens auf alle drei Beregnungen in allen Tiefen positiv, einzige Ausnahme ist die Tiefe 0.30 – 0.40 m während der ersten Beregnung (Abbildung 22). In 0.50 – 0.60 m Tiefe konnte der Wassergehalt aus technischen Gründen nicht gemessen werden. Im Vergleich zum Messpunkt 1 sind am Messpunkt 2 weniger positive Reaktionen auf die Beregnungen feststellbar. Im Bezug auf die Reaktion der beiden ersten Messpunkte müssen zwei Punkte festgehalten werden:
1 Die beiden ersten Messpunkte, insbesondere der Messpunkt 1, reagieren trotz
der Bodenschadverdichtung positiv auf die Beregnung. 2. Die beiden Messpunkte reagieren unterschiedlich auf die Beregnungen. Diese Beobachtungen werden im Abschnitt „Färbversuche mit Methylenblau“ diskutiert. Die Abbildung 23 zeigt zwei Beispiele der Reaktion des rekultivierten Bodens: Messpunkt 5 (Parzelle B) und Messpunkt 9 (Parzelle C). Färbversuche mit Methylenblau: Bei den Versuchen kam heraus, dass das Makroporensystem des Messpunktes 1 wesentlich dichter ist als jenes des Messpunktes
2 Das Makroporenvolumen am Messpunkt 1 ist zehn mal grösser als jenes des
Messpunktes 2 (Tabelle 4). In den ersten 0.70 m des Bodens wurde der Makroporenanteil am Messpunkt 1 auf 0.014 m3/m3 und am Messpunkt 2 auf 0.0016 m3/m3 geschätzt. Die Makroporen sind biologischen Ursprungs. Aufgrund der feinen und sehr kompakten Matrix sind sie sehr stabil. Sie sind sehr beständig gegenüber vertikalem Druck. Dank ihrer Kontinuität, Stabilität und Dichte kann der Boden optimal auf die Beregnungen reagieren (Wassertransport und Belüftung).
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Abbildung 23: Reaktion des rekultivierten Bodens in Kirchberg auf die Beregnungsserie.
Tabelle 4: Charakteristik der Makroporen, aufgrund der Färbversuche bestimmt.
Charakteristik der Makroporen Messpunkt 1 Messpunkt 2 mittlerer Durchmesser 8 mm 5 mm mittlere Länge 0.70 m 0.50 m Makroporensystem kontinuierlich diskontinuierlich 3 3 Gesamtvolumen 0.014 (m /m ) 0.0016 (m3/m3)
Modellierung des Wassergehaltes mit dem Modell MACRO: Der Wassergehalt wurde mit der inverse modelling-Methode modelliert. Das Modell wurde an die in 0.20 – 0.30 m gemessene Wassergehaltskurve angepasst. Die automatische Kalibrierung wurde mit dem Programm qmodel (Acutis et al., 2001) durchgeführt, im Detail bei Alaoui et al. (2003) beschrieben. Dadurch konnte der Beitrag der Mikro- und Makroporen am Wassertransport bestimmt werden (Abbildung 24). Das Modell zeigt, dass an den Messpunkten 1 und 2 die Makroporen intakt sind und signifikant zum Wassertransport beitragen. Im rekultivierten Boden (Parzelle B, Messpunkt 5 und Parzelle C, Messpunkt 9) wurden die besten Simulationen des Wassergehaltes in 0.20 – 0.30 m Tiefe erzielt, wenn der Wasserfluss nur in den Mikroporen (one domain flow) betrachtet wurde (Abbildung 24). Dieses Ergebnis entspricht unseren Beobachtungen: das Makropo-
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rensystem ist beschränkt und die Porosität (Mikroporosität) ist an diesen Messpunkten grösser als an den anderen. An den Messpunkten 1 und 2 wurde bei der dritten Beregnung in 0.20 –0.30 m Tiefe 70 % beziehungsweise 100 % des Wassers in den Makroporen transportiert, obwohl die Makroporen nur 1.4 % beziehungsweise 0.16 % des Gesamtvolumens ausmachen.
Abbildung 24: Wassergehaltsänderungen in 0.20 – 0.30 m Tiefe bei den Messpunkten 1, 2, 5 und 9: Vergleich zwischen den gemessenen und den mit dem Modell MACRO simulierten Werten; die maximale Verdichtung wurde mit einem ödometrischen Verdichtungsversuch bestimmt; Kirchberg, Rüdtligen (Bern).
Ödometrischer Verdichtungsversuch: Die ödometrischen Messungen wurden bis zu einem mechanischen Druck von 1000 kPa durchgeführt. Dieser maximale Druck wurde aus folgenden Gründen gewählt: 1) Ab diesem Druck ändert sich der Wassergehalt, welcher der maximalen Verdichtung entspricht, nicht mehr signifikant. 2) Ein grösserer Druck kann die Bodenteilchen deformieren. Die Versuche wurden vom Labor „Boden- und Felsmechanik“ der EPFL Lausanne durchgeführt. Sie ermöglichten die maximale Verdichtung des Bodens zu bestimmen, welche in der Abbildung 24 angegeben ist und 20 % beträgt.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 49
Die mit dem Modell MACRO bestimmte Mikroporosität an den Messpunkten 1 und 2 ist grösser als die maximale Verdichtung (Abbildung 24). Folglich blieb ein Teil der Mikroporen erhalten und ermöglicht den aktiven Wassertransport während den Beregnungsversuchen.
Die Abbildung 24 zeigt, dass der während den drei Beregnungen maximal gemessene Wassergehalt an den Messpunkten 5 (Parzelle B) und 9 (Parzelle C) deutlich grösser ist als die maximale Verdichtung. Die Differenz zwischen maximalem Wassergehalt und dem Wassergehalt, welcher der maximalen Verdichtung entspricht, beträgt am Messpunkt 5 14 % und am Messpunkt 9 26 %. Am Messpunkt 5 ist die Differenz wegen dem geringen Anfangswassergehalt nicht so gross (Anfangswassergehalt beim Messpunkt 5 beträgt 22% und beim Messpunkt 9 31 %). Diese Resultate zeigen die aktive Rolle der nicht zerstörten Mikroporen. Vergleich zwischen den Parzellen A, B und C: Die Wassergehaltskurven der Messpunkte 1 und 2 (in der Weide gelegen) sind typisch für präferentielle Flüsse. Das heisst, auf den Wassergehaltsanstieg folgt gleich nach Beregnungsende eine rasche Drainage (Alaoui et al., 2004). Dies wurde besonders ausgeprägt während dem zweiten Beregnungsversuch in 0.30 – 0.40 m Tiefe am Messpunkt 1 beobachtet. Die Differenz zwischen maximalem Wassergehalt und Endwassergehalt beträgt 3.1 %. Keine andere Wassergehaltskurve zeigt eine solche Wassergehaltsabnahme in so kurzer Zeit. Im Fall von Kirchberg wird der Endwassergehalt innerhalb den 27 Minuten nach Beregnungsende bestimmt, weil er danach nicht mehr signifikant ändert. Die Wassergehaltskurven der Parzellen B (Messpunkte 3, 4, 5, 6 und 7) und C (Messpunkte 8, 9 und 10) sind durch eine sehr schwache Wassergehaltsabnahme nach dem Beregnungsende gekennzeichnet (Alaoui et al., 2004). Die Geschwindigkeiten der Feuchtefronten sind in der Parzelle A grösser als in den Parzellen B und C. Am Messpunkt 1 betragen sie bis 9.72x10-4 m/s und am Messpunkt 2 8.33x10-4 m/s. In den Parzellen B und C liegen sie zwischen 0.1x10-4 m/s und 3.8x10-4 m/s. Diese Resultate erlauben zwischen einem natürlichen, strukturierten und einem jungen, vor kurzem rekultivierten Boden zu unterscheiden.
4.3 Versuch einer Klassifikation der Bodenschadverdichtung
Aufgrund der oben diskutierten Fallbeispiele Frauenfeld, Grenchen und Kirchberg wurde versucht, eine Klassifikation der Bodenschadverdichtung aufzustellen (Tabelle 5). Diese drei Klassen von Bodenschadverdichtung sind unabhängig von der Bodentextur. Sie werden Bestand weiterer Untersuchungen sein, um die Klassifikation weiter zu verfeinern.
50 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
Tabelle 5: Klassifikation der Bodenschadverdichtung.
Sehr starke Bodenschadverdichtung Zeichen
sehr verminderte Mikroporosität - a) Makroporen zerstört (Frauenfeld) - b) sehr gut entwickeltes Makroporensystem (Kirchberg: Messpunkte 1 und 2) + Mittlere oder lokale Bodenschadverdichtung Zeichen
Makroporen zerstört - c) Mikroporen zerstört (Grenchen: Messpunkte 4, 10, 13) - d) Mikroporen erhalten (Grenchen, Messpunkt 7) + Keine Bodenschadverdichtung Zeichen
Mikroporen erhalten +
• sehr gut entwickeltes Makroporensystem +
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 51
5 Schlussfolgerungen
Die von Alaoui (2002) entwickelte Methode kennzeichnet sich besonders dadurch, dass sie direkt und nicht-destruktiv ist. Mit ihr können die Hauptfunktionen der Bodenstruktur, welche der Wassertransport und die Belüftung sind, beurteilt werden. Diese Methode wird in situ angewendet. Sie ermöglicht dadurch die Untersuchung des Bodens in seinem realen Zustand ohne ihn dabei zu beschädigen. Mit ihr kann die grobe Bodenstruktur beurteilt werden und verschiedene Böden miteinander verglichen werden.
In diesem Benutzerhandbuch ist das Vorgehen für die Untersuchung der Bodenschadverdichtung sowohl in technischer als auch in wissenschaftlicher Hinsicht beschrieben. Das Material und seine Anwendung wird detailliert erklärt.
Die Analyse der hydrodynamischen Prozesse im Boden wurde an drei in-situ- Fallbeispielen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass für die Beurteilung der Bodenschadverdichtung die Bestimmung des Beitrages der Makroporen am Wassertransport entscheidend ist.
Im Anhang III werden mögliche Weiterentwicklungen der Methode von Alaoui vorgeschlagen.
Das Erscheinen von neuen Softwareversionen und technologischen Weiterentwicklungen würde eine Überarbeitung dieses Benutzerhandbuches nötig machen.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 53
Anhänge
A1: Time Domain Reflectrometer
Principle
TDR is a technique used to measure the reflection time t of an electromagnetic wave in a medium (soil). The time generated by the TDR unit is expressed in 10-9
The straight rods serve as conductors and the soil between the conductors is the dielectric medium. The rods act as wave guide and the signal propagates as a plane wave.
For measurement, steplike electromagnetic signals are transmitted into the soil along the guide. When the signal has travelled to the end of the guide, it is reflected back to the instrument where its return is recorded (Fig. 1).
Figure 1. Evaluation of typical TDR trace. The time it takes the pulse to move down the TDR probe and back is proportional to the distance L between the intersections of two tangents, as indicated by the dotted lines; l is the length of the wave guide (L = 2xl).
If the dielectric constant of the material is high, the signal propagates more slowly. Because the dielectric constant of water is much higher than most other materials, a signal within a wet or moist medium propagates more slowly than in the same medium when dry. Ionic conductivity affects the amplitude of the signal but not the propagation time. Thus, moisture content can be determined by measuring the propagation time over a fixed length probe embedded in the medium being measured.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 55
This signal depends on the velocity of the signal and the length of the wave guide. The velocity depends on the dielectric constant of the material surrounding the wave guide (soil). The relationship can be expressed by:
⎛ c.t ⎞ εc = ⎜ ⎟ (1) ⎝ 2.l ⎠ or 2.l ε c t= (2) c where εc is the dielectric constant of soil, c is the velocity of electromagnetic signals in free space (c = 3x108 m/s), t is the travel time, and l is the wave guide length
The relationship between dielectric constant and volumetric water content has been described by, among others, Topp et al. (1980) in an empirical fashion using polynomial form. Although calibration equation does not require the determination of any additional soil parameters, its validity has not been demonstrated for the whole range of possible water contents and porosities.
Calibration according to Roth et al., 1990
The calibration according to Roth et al. (1990) is based on the dielectric mixing model of Dobson et al. (1985). The mixing law approach was used to obtain a single calibration curve whose validity is not restricted to laboratory conditions, specific soil types, or to a limited water content range. The dielectric mixing model relates the composite dielectric number of a multiphase mixture to the dielectric numbers and volume fractions of its constituents. The mixing law used considers three-phase system to describe wet soil:
ζ αc − (1 − η) ζ αs − η ζ αa θ= (3) ζ αw − ζ αa where
α summarizes the geometry of the medium with relation to the applied electric field η is the porosity of soil εw ε w (20°) dielectric number of aqueous soil phase 82.612 dielectric number of pure water at 20°C 80.36
εs dielectric number of solid 3.9 ζs = = = = 0.04853 ε w (20°) dielectric number of pure water at 20°C 80.36
εc dielectric number of gaseous soil phase 1 ζc = = = = 0.012444 ε w (20°) dielectric number of pure water at 20°C 80.36
56 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
εw(T) was defined for a temperature T = 14°C according to the following equation:
Measurements of volumetric water content and dielectric number at eleven different field sites representing a wide range of soil types were used to determine the parameter α of the model by weighted nonlinear regression. Varying the values for the observed (thermogravimetric) water content, composite dielectric number, and temperature at random and independently of each other within a range given by the uncertainty of each parameter, and repeating the minimization procedure 1000 times, the uncertainty σα = 0.007 was found for the optimized value of α = 0.46 (Roth et al., 1990). Setting:
l = 0.15 m (length of rods used here)
Equation 3 will be simplified: 0.46 ⎜ ⎟ − 0.1948 ⎜ 80.36 ⎟ 0.87933 (4)
The reflection time t will be recorded in 10-9 m/s by instruction 119 using TDR unit.
Note that the program written with Edlog using equation (4) to measure water
The following programs are written to measure directly the water content according to Roth et al. (1990).
References
Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., Fl-Rayes M.A., 1985. Microwave dielectric behavior of wet soil. II. Dielectric mixing models. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. , GE-23(1): 35−46. Roth K., Schulin R., Flühler H. & Attinger W., 1990. Calibration of Time Domain Reflectrometry for Water Content Measurement Using a Composite Dielectric Approach. Water Resour. Res., 26(10): 2267−2273. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P., 1980. Electromagnetic determination of soil water 582.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 57
Program for one TDR probe
;Written with EDLOG program by A. Alaoui - 2004 ;One diagonal TDR probe ;Water content is calculated directly according to Roth (1990) ;Probe length = 0.15 m *Table 1 Program 01: 60 Execution Interval (seconds) 1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 2001 MMMP Mux & Probe Selection (Addressing scheme ABCR: 4: 100 Waveform Averaging A:Channel in the first Multiplexer 5: 1.0 Vp B:Channel in the 2d. Multiplexer 6: 256 Points C:Channel in the 3rd. Multiplexer 7: 16.5 Cable Length (meters) R:number of consecutive probes) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.144 Probe Length (meters) 10: 0.081 Probe Offset (meters) 11: 1 Loc [ a ] (Click on the right key of the mouse to insert a) 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 0.46 F 2: 00 Exponent of 10 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1 Y Loc [ a ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 0.01244 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 2 Y Loc [ b ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: -0.1948 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1.13723 F 3: 1 Z Loc [ a ]
58 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
1: 10 Set Output Flag High (Flag 0)
1: 3 Z Loc [ c ]
11: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 1 Loc [ a ]
12: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 3 Loc [ c ]
*Table 2 Program 02: 0.0000 Execution Interval (seconds)
*Table 3 Subroutines
End Program
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 59
Program for three TDR probes
;Written with EDLOG program by A. Alaoui - 2004 ;Three diagonal TDR probes ;Water content is calculated directly according to Roth (1990) ;Probe length = 0.15 m *Table 1 Program 01: 30 Execution Interval (seconds)
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 2001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 1 Loc [ a ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 0.46 F 2: 00 Exponent of 10 3: 4 Z Loc [ d ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1 Y Loc [ a ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 0.01244 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 4 Y Loc [ d ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: -0.1948 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1.13723 F 3: 1 Z Loc [ a ]
60 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 3001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 2 Loc [ b ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 2 X Loc [ b ] 2: 2 Y Loc [ b ] 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 0.01244 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 4 Y Loc [ d ] 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: -0.1948 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 1.13723 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 4001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 3 Loc [ c ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 61
1: 3 X Loc [ c ] 2: 3 Y Loc [ c ] 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 0.01244 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 4 Y Loc [ d ] 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: -0.1948 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 1.13723 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 10 Set Output Flag High (Flag 0)
1: 5 Z Loc [ e ]
23: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 1 Loc [ a ]
24: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 2 Loc [ b ]
25: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 3 Loc [ c ]
26: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 5 Loc [ e ]
*Table 2 Program 02: 0.0000 Execution Interval (seconds)
*Table 3 Subroutines
End Program
62 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
Program for five TDR probes
;Written with EDLOG program by A. Alaoui - 2004 ;Five diagonal TDR probes ;Water content is calculated directly according to Roth (1990) ;Probe length = 0.15 m *Table 1 Program 01: 30 Execution Interval (seconds)
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 2001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 1 Loc [ a ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 0.46 F 2: 00 Exponent of 10 3: 7 Z Loc [ f ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1 Y Loc [ a ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 0.01244 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 7 Y Loc [ f ] 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: -0.1948 F 3: 1 Z Loc [ a ]
1: 1 X Loc [ a ] 2: 1.13723 F 3: 1 Z Loc [ a ]
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 63
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 3001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 2 Loc [ b ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 2 X Loc [ b ] 2: 2 Y Loc [ b ] 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 0.01244 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 7 Y Loc [ f ] 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: -0.1948 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 2 X Loc [ b ] 2: 1.13723 F 3: 2 Z Loc [ b ]
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 4001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 3 Loc [ c ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
64 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
1: 3 X Loc [ c ] 2: 3 Y Loc [ c ] 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 0.01244 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 7 Y Loc [ f ] 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: -0.1948 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 3 X Loc [ c ] 2: 1.13723 F 3: 3 Z Loc [ c ]
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 5001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 4 Loc [ d ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 4 X Loc [ d ] 2: 4 Y Loc [ d ] 3: 4 Z Loc [ d ]
1: 4 X Loc [ d ] 2: 0.01244 F 3: 4 Z Loc [ d ]
1: 4 X Loc [ d ] 2: 7 Y Loc [ f ] 3: 4 Z Loc [ d ]
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 65
1: 4 X Loc [ d ] 2: -0.1948 F 3: 4 Z Loc [ d ]
1: 4 X Loc [ d ] 2: 1.13723 F 3: 4 Z Loc [ d ]
1: 00 SDM Address 2: 00 Output Option 3: 6001 MMMP Mux & Probe Selection 4: 100 Waveform Averaging 5: 1.0 Vp 6: 256 Points 7: 16.5 Cable Length (meters) 8: 4 Window Length (meters) 9: 0.145 Probe Length (meters) 10: 0.022 Probe Offset (meters) 11: 5 Loc [ e ] 12: 1.0 Mult 13: 0.0 Offset
1: 5 X Loc [ e ] 2: 5 Y Loc [ e ] 3: 5 Z Loc [ e ]
1: 5 X Loc [ e ] 2: 0.01244 F 3: 5 Z Loc [ e ]
1: 5 X Loc [ e ] 2: 7 Y Loc [ f ] 3: 5 Z Loc [ e ]
1: 5 X Loc [ e ] 2: -0.1948 F 3: 5 Z Loc [ e ]
1: 5 X Loc [ e ] 2: 1.13723 F 3: 5 Z Loc [ e ]
1: 10 Set Output Flag High (Flag 0)
66 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
1: 8 Z Loc [ g ]
35: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 1 Loc [ a ]
36: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 2 Loc [ b ]
37: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 3 Loc [ c ]
38: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 4 Loc [ d ]
39: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 5 Loc [ e ]
40: Sample (P70) 1: 1 Reps 2: 8 Loc [ g ]
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 67
A2: TDR system: Connection between TDR system components
Direct connection to the laptop for PCTDR program
G
Batterie
the laptop by means of SC32A interface
68 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
A3: Proposed methodology to investigate a dual-porosity medium
TDR probes
Field Rainfall simulator
Laptop
Laboratory
Determination of the critical void index (CVI)* Total water content Soil reaction
Time
Modelling (MACRO) Determination of matrix / macroporosity
Evaluation of the hydrodynamic contribution of the two domains: matrix and macroporosity
Evaluation of the degree of compaction
* To avoid the laboratory step for each investigation, it is necessary to establish CVI for each soil texture.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 69
Verzeichnisse
1 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Organisation und Planung der Arbeit: Hauptphasen 12 Abbildung 2 Komponenten des TDR-Systems 16 Abbildung 3 Kommunikation zwischen den Multiplexern und dem Reflektrometer TDR100; Zuteilung der SDM-Adressen in Abhängigkeit der Position des Jumpers bei MSD und LSD auf dem Multiplexer 17 Abbildung 4 Für die Messung des Wassergehaltes verwendete Sonden 18 Abbildung 5 Bohrung der diagonalen Löcher für den Einbau der Sonden 21 Abbildung 6 Einsetzen der provisorischen PVC-Röhren, um die Stabilität der Löcher zu erhalten; in diesem Beispiel sind es 5 Tiefen; A) Einbau der Röhren, B) die Röhren sind auf einer Linie eingebaut und liegen maximal 1 Meter auseinander 22 Abbildung 7 Hauptmenu des Programms PCTDR für die Kalibrierung der TDR-Sonden (Campbell Scientific, Inc., 2000−2001) 24 Abbildung 8 Hauptmenu des Programms PC208W (Campbell Scientific, Inc., 2000−2001) 25 Abbildung 9 Menu für die Einstellungen der Verbindung zwischen Datalogger und Laptop (Campbell Scientific, Inc., 2000−2001) 26 Abbildung 10 Verbindungsmenu (Campbell Scientific, Inc., 2000−2001) 26 Abbildung 11 Messanordnung: A) Beregnungsanlage, B) TDR-System, C) in einem Winkel von 45° eingebaute TDR-Sonden 28 Abbildung 12 Schema der Installation der TDR-Sonden; 1-2: eingesetztes PVC-Rohr für die Stabilisierung des Loches, 3-5: Einbau der TDR-Sonden 29 Abbildung 13 Komponenten und Aufstellen der Beregnungsanlage – UNI Bern 31 Abbildung 14 Die Luft aus den Schläuchen hinaustreiben 33 Abbildung 15 Menu für die Visualisierung der Wassergehaltskurve (Campbell Scientific, Inc.) 34 Abbildung 16 Beispiele von Reaktionen des Bodens auf eine Beregnung; Fallbeispiel Frauenfeld 37 Abbildung 17 Beeinträchtigung der Matrix durch Bodenschadverdichtung; Kurve 1: gemessener Wassergehalt; Kurve 2: Grenze zwischen Matrix und Makroporen, mit dem Modell MACRO bestimmt; Kurve 3: maximale Verdichtung (dient als Referenz), mit einem ödometrischen Verdichtungsversuch ermittelt; MA: Makroporen 38 Abbildung 18 Wassergehaltsänderungen in 0.20 m, 0.40 m, 0.50 m und 0.70 m während den beiden Beregnungen. Vergleich zwischen einem intakten und einem schadverdichteten Boden; Region Frauenfeld 40 Abbildung 19 Für die Infiltrationsversuche ausgewählte Messpunkte in Grenchen. An jedem Punkt wurde der Wassergehalt in fünf Tiefen gemessen 42
Abbildung 20 Beispiele der Reaktion des Bodens in Grenchen. Messpunkt 10: schadverdichteter Boden; Messpunkt 5: rekultivierter, nicht schadverdichteter Boden 43 Abbildung 21 Lage des Untersuchungsgebietes in Kircberg. Karte mit der Bewilligung des Bundesamtes für Landestopographie reproduziert (JD042503) 45 Abbildung 22 Reaktion des schadverdichteten Bodens in Kirchberg auf die Beregnungsserie 46 Abbildung 23 Reaktion des rekultivierten Bodens in Kirchberg auf die Beregnungsserie 48
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 71
Abbildung 24 Wassergehaltsänderungen in 0.20 – 0.30 m Tiefe bei den Messpunkten 1, 2, 5 und 9: Vergleich zwischen den gemessenen und den mit dem Modell MACRO simulierten Werten; die maximale Verdichtung wurde mit einem ödometrischen Verdichtungsversuch bestimmt; Kirchberg, Rüdtligen (Bern) 49
2 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Standort der Messgeräte 20 Tabelle 2 Charakteristik der Beregnungsversuche; Region Frauenfeld 40 Tabelle 3 Wassergehaltsanstieg ∆θ=(θmax-θinit) im nicht schadverdichteten Referenzboden in Frauenfeld und die entsprechende Zeit ∆t; t0: Beregnungsbeginn; t1: Zeitauer bis der maximale Wassergehalt θmax erreicht wird. Das Messintervall beträgt 5 min 41 Tabelle 4 Charakteristik der Makroporen, aufgrund der Färbversuche bestimmt 48 Tabelle 5 Klassifikation der Bodenschadverdichtung 51
72 Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode
3 Literatureverzeichnis
Acutis M., Mdaghri-Alaoui A., Jarvis N. & Donatelli M., 2001. A Software for Sensitivity Analysis, Calibration and Inversion of MACRO Model. Modeling Cropping Systems, 2nd International Symposium, Florence, Italy, July 16–18, 2001. Alaoui A., 2002. Evaluation du tassement du sol par l’étude de l’évolution hydrodynamique de la teneur en eau: Mise au point d’une méthode non destructive. Rapport, OFEFP – UNI Berne, institut de géographie, section des sols, Berne, 14 pp. Alaoui A., Germann P., Jarvis N. & Acutis M., 2003. Dual-porosity and Kinematic Wave Approaches to assess the degree of preferential flow in unsaturated porous media. Hydrological Sciences Journal, 48(3): 455–472. Alaoui A., Helbling A. & Germann P., 2004. Etude de la compaction des sols par des mesures hydrodynamiques de la teneur en eau, région de Kirchberg (Berne). Rapport, OFEFP – UNI Berne, institut de géographie, section des sols, Berne, 19 pp. Brooks R. H. & Corey A. T., 1964. Hydraulic properties of porous media. Hydrology Paper no. 3, Colorado State University, Fort Collins, Colorado, 27 pp. Campbell Scientific, Inc., 2000. CR10X Measurements and Control Module, Instruction Manual, issued 28.01.00. Campbell Scientific, Inc., 2001. TDR100 Instruction Manual 2000-2001. Guerif J., Richard G., Dürr C., Machet J.M., Recous S., Roger-Estrade J., 2001. A review of tillage effects on crop residue management, seedbed conditions and seedling establishment. Soil Tillage Res. 61: 13−32. Jarvis N. J., 1994. The MACRO model Version 3.1 - Technical description and sample simulations. Reports and Dissertations no. 19, Department of Soil Science, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden, 51 pp. Mdaghri-Alaoui A., 1998. Transferts d’eau et de substances (bromures, chlorures et bactériophages) dans des milieux non saturés à porosité bimodale: Expérimentation et modélisation. Thèse de doctorat, Section des Sols, Institut de Géographie, Université de Berne, 154 pp. Mdaghri-Alaoui A., & Germann P., 2000. Evaluation du tassement du sol par la méthode TDR (Time Domain Reflectrometry), Région de Frauenfeld, Suisse. Rapport interne, université de Berne, institut de géographie, section des sols, Berne, 11 pp. Mualem Y., 1976. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resour. Res. 12: 513−522.
Richards L. A., 1931. Capillary conduction of liquids in porous mediums. Physics 1: 318−333. Roth K., Schulin R., Flühler H. & Attinger W., 1990. Calibration of Time Domain Reflectrometry for Water Content Measurement Using a Composite Dielectric Approach. Water Resour. Res., 26(10): 2267−2273.
Benutzerhandbuch - Evaluation der Bodenverdichtung mittels TDR-Methode 73
4 Verdankungen
Peter Germann (UNI Bern): Finanzielle und wissenchaftliche Unterstützung Daniel Zürcher (BUWAL): Finanzielle Unterstützung und Koordinierung Jean-Pierre Clément (BUWAL): Technische Begleitung Werner Rohr (Geotest), Pascal Boivin (EPFL), Peter Lüscher (WSL), Samuel Isler (BSF-Zürich): Begleitungsgruppe Matthias Kuratli, Urs Bieri (UNI Bern): Hilfe bei der Feldarbeit (Grenchen) Andréas Helbling: Hilfe bei der Feldarbeit (Kirchberg) und Übersetzung Martin Zürrer (myx GmbH): Zusamenarbeit Lyesse Laloui, Gilbert Gruaz (LMS - EPFL, Lausanne): Ödometrischer Verdichtungsversuch Fam. Lehmann (Rüdtligen, Kirchberg): Einverständnis für die Feldversuche