1 M-0912D

Labor Permeameter

Eijkelkamp Soil & WaterP.O. Box 4, 6987 ZG Giesbeek, the Netherlands

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Meet the difference

Gebrauchsanweisung

Herstellerangaben Labor-Permeameter

Typnummer:

Seriennummer:

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Inhalt

Über diese Gebrauchsanweisung ........................................................................................................................... 3Einleitung ............................................................................................................................................................. 31. Beschreibung ...................................................................................................................................................... 32. Technische Daten ............................................................................................................................................... 43. Sicherheit ............................................................................................................................................................ 54. Ingebrauchnahme .............................................................................................................................................. 5 4.1 Installation .................................................................................................................................................... 5 4.2WahlderMessflüssigkeit .............................................................................................................................. 55. Benutzung ........................................................................................................................................................... 5 5.1 Proben und Probenentnahme ..................................................................................................................... 5 5.2 Durchtränkung der Probe ............................................................................................................................. 6 5.3EinführenvonStechzylinderinRinghalter ..................................................................................................7 5.4 Durchlässigkeitsbestimmung ........................................................................................................................7 5.4.1 Konstanter Höhenunterschied .......................................................................................................... 8 5.4.2 Abnehmender Höhenunterschied .................................................................................................... 96. Verarbeitung der Ergebnisse ............................................................................................................................. 9 6.1 Durchlässigkeitsbestimmung bei konstantem Höhenunterschied .......................................................... 9 6.2 Durchlässigkeitsbestimmung mit abnehmendem Höhenunterschied ...................................................10 6.3 Temperaturkorrektion ................................................................................................................................. 117. Diskussion .......................................................................................................................................................... 118. Anwendungen .................................................................................................................................................... 129. Probleme und Lösungen ................................................................................................................................... 1210. Wartung ............................................................................................................................................................ 13Literatur ............................................................................................................................................................ 13Anhang Formelableitungen .................................................................................................................................................14Durchlässigkeitsbestimmung mit konstantem Höhenunterschied ...................................................................14Durchlässigkeitsbestimmung mit abnehmenden Höhenunterschied ...............................................................14Verdunstungskorrektion ........................................................................................................................................ 15

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Über diese GebrauchsanweisungWenn ein Text nach diesem Zeichen folgt, (wie links abgebildet) bedeutet dies, dass ein wichtiger Hinweis folgt.

Wenn ein Text nach diesem Zeichen folgt, (wie links abgebildet) bedeutet dies, dass eine wichtige Warnung folgt, die auf eine Gefahr vor Verletzungen des Benutzers oder vor Beschädigung des Geräts hinweist. Der Benutzer ist selbst für ausreichenden Arbeitsschutz verantwortlich.

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EinleitungDerPermeameteristeinGerät,mitdemimLabordieDurchlässigkeitvongesättigteBodenprobengemessenwerdenkann,wiebeschriebeninNEN5789SoilUnsaturatedzone,Determinationofthesaturatedhydraulicconductivity;ISO/FDIS17312Determinationofthehydraulicconductivityofsaturatedporousmaterials;ISO/TS17892-11Laboratoytestingofsoil:part11DeterminationofpermeabilitybyconstantandfallingheadandinMethodsofSoilAnalysisvandeAmericanSocietyofAgronomyendeSoilScienceSocietyofAmericaSSSABookseries5.DasGerätgibtesinunterschiedlichenAusführungenfür5bis25Proben.DurchdenGebrauchderWasserpumpekanneingeschlossenesWassersystemerzeugtwerden,daseinekonstanteWasserqualitätund –temperatur gewährleistet und gleichzeitig Wasser spart.

Wasserdurchlässigkeit istdieFähigkeiteinesBodens,denPoreninhaltunternormalenDruckverhältnissenhindurchfliessenzulassen.DerDurchlässigkeitsbeiwert(K-Faktor)isteinMassfürdieWasserdurchlässigkeitundwirdeinerseitsdurchdieGeometriedesPorensystemsbestimmt,abhängigvomGefügeundderBeschaffenheitdesBodens,undandererseitsdurchdieinnerenEigenschaftenderBodenfeuchtigkeit(ViskositätundDichte).DieDurchlässigkeitwirdausserdemdurchdenBodenfeuchtigkeitsgehaltbeeinflusst.Mansprichtdabeivoneiner Durchlässigkeit durchtränkter Böden.Einfluss auf dieDurchlässigkeit desBodenshabenBodenverdichtung,QuellungundSchrumpfunddieBelegungdesAdsorbatsderBodenmineralien.EinheterogenerBodenkanninvertikalerRichtungeineandereDurchlässigkeit haben als in horizontaler. Dies wird als Anisotropie bezeichnet.

DieDurchlässigkeitvongesättigteBödenwirdbeihydrogeologischenUntersuchungenbestimmt,diehäufigvorPlanungundAusführungwasserbaulicherundkulturtechnischerProjektedurchgeführtwerden(zumBeispielbeiEnt-undBewässerungen).AuchaufdemGebietdesUmwelt-undLandschaftsschutzessindErkenntnisseüberdievorherrschendenhydrologischenVerhältnissevongrosserBedeutung.DerPermeameterwirdfürdieBestimmungderhorizontalenodervertikalenWasserdurchlässigkeiteinzelnerBodenschichteneingesetzt. Es ist eineAlternative für Felduntersuchungsmethoden zurBestimmungderDurchlässigkeitdurchtränkterBödenwiedieBohrlochmethode,Doppelring-InfiltrometeroderPumpenprobe.

1. BeschreibungDerPermeameterarbeitetnachdemuntendargestelltenPrinzip(sieheAbbildungaufdernächstenSeite):DieWasserdurchlässigkeit wird bestimmt, indem an beiden Seiten einer gesättigteProbe ein unterschiedlicher WasserdruckerzeugtundderdadurchentstehendeWasserdurchflussgemessenwird.

BeieinemgeschlossenenSystemwirdWasserauseinemVorratsbehälter(1)mittelseinerTauchpumpe(2)übereinFilter(3)ineineninderHöheverstellbarenWasserstandsregler(4)gepumpt.DerWasserstandsregleristeinerseitsmiteinemKunststoffbehälter(5)verbundenundandererseitsmiteinemRohr,durchwelchesüberschüssigesWasserindenVorratsbehälterzurückfliesst.ZurBeschränkungderVerdunstungwährendderMessungkannderKunststoffbehältermiteinerKlappeverschlossenwerden.BeieinemoffenenSystemfliesstWasserdirektausderWasserleitungindenWasserstandsregler.

Text

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WeilderWasserstandsreglerundderKunststoffbehälterkommunizierendeRöhrenbilden,beeinflusstderWasserstandsreglerdieWasserhöheimKunststoffbehälter(dieHöhedesWasserstandsimRegleristgleichdemimKunststoffbehälter).EinvollständigdurchtränkterProbezylinder(6)wirdineinenRinghaltereingeführtundmiteinerSiebkappeversehen.DerRinghalterwirddanachindenKunststoffbehältereingesetzt.ÜbereinenKunststoff-Saugheber(7)wirdüberderProbestehendesWasserineineBürette(8)geleitet.DieBürettenhabenverschiedeneLängen,sodassdieHähnebequemzubedienensind.DasWasserausdenBürettenfliesstineineAuffangschale(9)unddannzurückindenVorratsbehälter.BeieinemoffenenSystemfindetderAbflussausderAuffangschalezumBeispiel in einem Becken statt.Durch die Wirkung des Saughebers entsteht ein Höhenunterschied (h) zwischen demWasserstandinnerhalb und ausserhalb des Ringhalters. DerHöhenunterschiedverursachteinenkontinuierlichenWasserflussdurchdieProbe.DieHöhedesWasserstandswirdmiteinerEinpunkt-Messbrückegemessen(sieheAbbildung). Durch Auffangen desWassers in derBüretteübereinebestimmteZeitkannmitHilfeeinerFormelderDurchlässigkeitsbeiwert(derK-Faktor)derbetreffenden Probe berechnet werden.

DerPermeameterwirdinunterschiedlichenGrössengeliefert.DieGrösseistvonderZahlderBodenprobenabhängig,vondenengleichzeitigdieWasserdurchlässigkeitgemessenwerdensoll.EsgibtAusführungenfür5,10und25Proben.StandardmässigistderPermeameterfürStechzylindermiteinemDurchmesservon53und 60 mm geeignet.

2. Technische DatenAusführungenDurchlässigkeitsmesserOffenesSystem StechzylinderØ53und60mm 5,10oder25ProbenGeschlossenesSystem StechzylinderØ53und60mm 5,10oder25Proben

PumpeTyp Eheim1048

Strömungsrichtung

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Betriebsspannung 230 V, 50 HzLeistung 10 WKapazität 10 Liter pro MinuteIP67 bis1Meter(fürDauerbetriebbiszueinerTiefevon1Metergeeignet)MaximaleFörderhöhe 1,5Meter.EswirdeinemaximaleFörderhöhevon1,0Meterempfohlen.

3. SicherheitDie Pumpe an die richtige Netzspannung anschliessen und diese nicht tiefer als 1 Meter unter Wasser betreiben (siehe 2. Technische Daten).

Beim Drehen des Hahns an der Bürette ist Vorsicht geboten. Bei zuviel Kraftaufwand kann die Bürette brechen.

4. Ingebrauchnahme

4.1 Installation

DerPermeameteristfürdieBenutzungwiefolgtvorzubereiten:

1. DenPermeameterwaagrechtaufstellen,eventuellaufeinerErhöhung.

2.DenVorratsbehältermitWasserfüllen.

EinoffenesSystemkannjetztbenutztwerden.FüreingeschlossenesSystem:3. Die Pumpe anschliessen.

4.DieLuftausdenLeitungenvertreiben.DenmitWassergefülltenSchlauchzwischenPumpeundFilteramFilter befestigen.

4.2 WahlderMessflüssigkeit

DasgeschlosseneSystembietetdieMöglichkeit,dieBestimmungenmitanderenFlüssigkeitenalsLeitungs-wasserdurchzuführen.EswirddieVerwendungeinerMessflüssigkeitempfohlen,diemöglichstderoriginalenBodenfeuchtigkeit entspricht.BeiProbenauseinersalzigenUmgebungmusseineSalzlösungverwendetwerden,umzuverhindern,dasseinKationenaustausch amAustauschkomplexderBodenteilchen stattfindet. Bei einerVerringerungderElektrolytkonzentrationnimmtdieDurchlässigkeiteinerBodenprobeab.BeieinerhohenKonzentrationvonNa+-IonenkönnenTonteilcheninDispersiongehen,wodurchPorenverstopfenkönnenunddieWasserdurchlässigkeitabnimmt.InallenFällenwirdvonderVerwendungvollentsalztenoderdestilliertenWassersabgeraten.

5. Benutzung

5.1 Proben und Probenentnahme

FürdieBestimmungderWasserdurchlässigkeitmitdemPermeameterwirdvonungestörtenBodenprobeninEdelstahl-Stechzylindern(pF-Zylindern)Gebrauchgemacht.FolgendeStechzylindereignensichfürdenDurchlässigkeitsmesser:• ZylinderØ53x50mm,Höhe51mm,Inhalt100cm3

• ZylinderØ60x56mm,Höhe40,5mm,Inhalt100cm3

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DieProbenentnahmekannanderBodenoberflächestattfinden,inBohrlöchernundinBodenprofilmulden(dafürkönnenverschiedeneStech-SetsbeiEijkelkampSoil&Waterbezogenwerden).

DieProbenzylindermüssensorgfältiggestochenwerden.DieZylindermüssendasrichtigeVolumenungestörtenBodensenthaltenunddieProbedarfandenSchnittflächenkeineSchmiereffekteaufweisen.GestörteProbenkönnenfürdieMessungennichtverwendetwerden.FürdenErhalt repräsentativerDaten istdieEntnahmeeinerausreichendenZahlanProbenerforderlich.In homogenen sandigen Ablagerungen reichen drei Proben aus. In schweren Tonböden dagegen, wo die BodenbeschaffenheiteinegrosseRollespielt,könnendurchQuell-undSchrumpferscheinungenRisse imBoden entstehen, wodurch die örtlichen Durchlässigkeitsschwankungen gross sein können. In Tonböden sollten deshalb zwanzig bis dreissig Proben genommen werden.Auchder Feuchtigkeitszustandbei der Probenentnahme ist von grosserBedeutung. Bei einemhohenFeuchtigkeitsgehaltkanneinSchmiereffektanderTonprobeauftreten,wodurchPorenundRisseverstopfen.In trockenem Zustand werden schwere Tonböden hart und bröckelig

5.2 Durchtränkung der Probe

NachdemStechenderProbenwerdendiesedurchtränkt. Jenach verfügbaremMaterial unddenandieUntersuchunggestelltenAnforderungenkanndasnachfolgendenMethodenerfolgen:• In einem Wasserbehälter• IneinemExsikkator(unterVakuum,mitentlüftetemWasser)• Im Kunststoffbehälter des Durchlässigkeitsmessers

WasserbehälterAnderProbenunterseiteeinehydrophileGazeundeinenSiebdeckelanbringen.DieProbenzumDurchtränkenin einen Wasserbehälter setzen. Der Wasserstand in diesem Behälter muss ungefähr einen Zentimeter unter der Probenunterseite bleiben.

Das Wasser darf niemals über den oberen Rand der Probe ansteigen, weil sonst eine Störung der Probe auftritt.

DieDauerderDurchtränkunghängt vonderBodenart ab. Eine Sandprobe ist schon innerhalb 1 Tagesdurchtränkt, während ein wenig durchlässiger Ton manchmal erst nach ein paar Wochen durchtränkt ist. DurchLufteinschlüsseindenPorenwährendderDurchtränkungwirdmitdieserMethodekeinevollständigeDurchtränkung erreicht.

ExsikkatorEinerelativschnelleArtderProbendurchtränkungistdiemitdemExsikkator.DieDurchtränkungfindethierunterVakuumstatt,wodurchzugleicheinvollständigerDurchtränkungsgraderzieltwird(keineLufteinschlüsseindenPoren).ErstmussdasWasserimExsikkatorentlüftetwerden.DanndieProbemitderhydrophilenGazeanderUnterseitefürzirka15MinutenunterVakuumindenExsikkatorgeben,wonacheineDurchtränkungmitdementlüftetenWasserstattfindet.Nach12StundenistdievollständigeDurchtränkungderProbenerreicht.

Kunststoffbehälter im DurchlässigkeitsmesserDieProbenkönnenauchimKunststoffbehälterdesDurchlässigkeitsmessersdurchtränktwerden.Dazumüssendie Stechzylinder erst indenRinghalter eingeführtwerden (sieheAbschnitt 5.3).DieRinghalterwerdendanachindenPermeametereingesetzt(Abschnitt5.4),womitHilfedesWasserstandsreglerseinelangsameDurchtränkungstattfindet.DieDurchtränkungszeitistvonderBodenartabhängigundvariiertvoneinembisdrei Tage.

Es ist wichtig, die Proben nicht zu schnell zu durchtränken, was sonst zu einer Verringerung der Durchlässigkeit führt.

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5.3 Einführen von Stechzylinder in Ringhalter

1. DieAussenseitederStechzylindergutreinigen.

2. Die hydrophile Gazemit einem Kunststoff-O-Ring amDoppelsiebdeckelbefestigen.DenSiebdeckel (3) anderstumpfen Seite des Stechzylinders befestigen (sieheAbbildung).

3. Den S techzy l inder (2 ) mi t der Schne ide zum(auswechselbaren) O-Ring (1) hin in den Ringhaltereinführen.AufdieseWeisefliesstdasWasserwährendderMessunginderselbenRichtungdurchdieProbe,wieesbeieiner abwärtsgerichteten Wasserströmung in der Natur auchgeschehenwürde.

4. Die Brücke (5) schliessen, den Nylon-Andrückblock(4) gegen den Siebdeckel andrehen, wodurch derStechzylinderfestgegendenO-Ringgedrücktwird.DurchdenDoppelsiebdeckelwird verhindert, dass die Probedurch das Eindrücken des Siebdeckels gestört wird,währendderDurchflussdesWassersdurchdieProbenichtbehindert wird.

5.4 Durchlässigkeitsbestimmung

BeiderBestimmungderWasserdurchlässigkeitvonBodenprobenkönnenzweiMessmethodenunterschiedenwerden:• MessungmiteinemkonstantenDruckhöhenunterschied(Engl.:constant

headmethod)• MessungmiteinemabnehmendenDruckhöhenunterschied(Engl.: falling

headmethod)

Die Messproben können in drei Gruppen unterteilt werden.a.GutdurchlässigeProben;derWasserstandimRinghalteristinnerhalbeiner

Stunde mehr oder weniger gleich dem Wasserstand im Kunststoffbehälter. Es ist nach der ersten Messmethode zu messen.

b.MässigdurchlässigeProben;biszumAusgleichderbeidenWasserständekönnenmehrereStundenvergehen.IndenmeistenFällenkönnendieseProben nach der ersten Messmethode gemessen werden.

c.WenigdurchlässigeProben;erstnacheinemTagestehteineSchichtWasserüberderProbe.EsistnachderzweitenMessmethodezumessen.FallsnachdreiTagennochimmerkeinWasserüberderProbezusehenist,kanndieDurchlässigkeitauspraktischenGründenzuNullangenommenwerden.

1. Permeameter inGang setzen: KunststoffbehältermitWasser füllenunddie Pumpeeinschalten.DieMessbrückeeventuellkippen,sodassdiesebeimEinsetzenderRinghalternichtimWegesteht.

DiePumpemusssichimmervollständigunterWasserbefinden.BeiTrockenlauftretenBeschädigungenauf. Falls erforderlich, den Vorratsbehälter rechtzeitig mit Wasser füllen.

2.DieRinghaltermitden(fast-)gesättigteProbenaufdieabnehmbarenKunststoffplattenimKunststoffbehältersetzen.

3. Mit Hilfe des Wasserstandsreglers die Wasserhöhe einstellen. Beim Einsetzen der Proben eine niedrige Wasserhöheeinstellenunddieselangsam(übereinigeStunden)biszurgewünschtenHöheansteigen

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lassen.Dadurchwirdverhindert,dassdieProbendurcheinenzuhohenWasserdruckausdemStechzylindernach oben kommen.

Der erzeugte Wasserhöhenunterschied inner- und ausserhalb der Ringhalter ist gleich dem Wasserdruckunterschied an beiden Seiten der Probe und sorgt dafür, dass das Wasser durch die Probenachobenfliesst.

4.FürdieBestimmungderDurchlässigkeitdiegeeigneteMethodewählenunddafürdasSchema(unten)verwenden,sieheauchAbschnitt5.4.1und5.4.2.

NachdiesenMethodenkannsowohldiehorizontalealsauchvertikaleDurchlässigkeitbestimmtwerden,abhängigvonderArtundWeise,wiedieProbengestochensind.

5.4.1 Konstanter Höhenunterschied

Diese Methode wird bei den nahezu meisten Böden angewendet, ausgenommen bei sehr wenig durchlässigen Böden wie Ton und Moor.

1. Warten, bis derWasserspiegel imRinghalter genausohoch istwie imKunststoffbehälter. DanndieSaughebereinsetzen,dieseabererstmitWasser füllen:DenSaugheberunterWasserhaltenundalleLuft herauslassen. Dazu den Saugheber unter Wasser einige Male langsam kippen, bis alle Luftblasen verschwundensind.DanachdenSaughebermit einem ‚Bein‘ indenRinghalterunddasandereBeinindasnumerierteKunststoffrohreinsetzen.DasWasserüberderProbeimRinghalterfälltnunbisaufSaugheberniveau.DasabfliessendeWasserfliesstindasRohr,undnachdemdiesesgefülltist,tropftesausderAuslassöffnungderBürette(nurwenndasNiveauderAuslassöffnungniedrigeristalsderWasserstandimKunststoffbehälter).DieAuslassöffnungistinderHöheverstellbar.

2.Durch vertikalesVerschiebendesWasserstandsreglersdieWasserhöhe imKunststoffbehälteraufdengewünschtenStandbringen.FürdieMessungmusseinkonstanterHöhenunterschiedinner-undausserhalbdesRinghalterseingestelltsein. JenachDurchlässigkeitderProbemussdiesvon2mm, fürsehrgutdurchlässigeBöden,bis20mm,fürwenigdurchlässigeBöden,variieren.

Der Wasserdurchlässigkeitswert kann am besten bei einem möglichst kleinen Höhenunterschied bestimmt werden.

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3.DieWassermengebestimmen,dieineinerbestimmtenZeitdurchdieProbeläuft.DenHahnderBüretteschliessenundinAugenhöhedenBeginnstandablesen(inml).NacheinerbestimmtenZeitwiederumdenWasserstandanderBüretteablesen.DerDurchflussiststationär,wennproZeitabschnitteinekonstanteWassermengedurchdieProbefliesst.DurchÖffnendesHahnskanndieBürettegeleertwerden,wobeidas Wasser in die Auffangschale läuft.

Beim Drehen des Hahns an der Bürette ist Vorsicht geboten. Bei zuviel Kraftaufwand kann die Bürette brechen.

4.Durch Verschieben derMessbrückemit zwei Händen, diese an diegewünschte Stellebringen.DieMessbrückebesitzt einenmit einemLichtsignal arbeitendes Füllstandsmessgerät. Durch Drehen derSchraubedenMessfühlernachuntenbewegen.SobalddieSpitzedesMessfühlersdieWasseroberflächeberührt,leuchtetdieLampeaufundderWasserstandkannabgelesenwerden (mit einerGenauigkeit voneinemhalbenMillimeter).AufdieseWeisesowohldenWasserstandimKunststoffbehälteralsauchindenRinghalternmessen.DergemesseneWasserhöhenunterschiedwirdfürjedeProbebeiderBerechnungdesDurchlässigkeitsbeiwertesdurchtränkterBödenverwendet(sieheKapitel6).

5.4.2 Abnehmender Höhenunterschied

DieseMethodewirdbeiderMessungvonniedrigenDurchlässigkeiten inzum Beispiel Ton- oder Moorproben angewendet. Der Saugheber wird dann nichtverwendet.DerprinzipielleUnterschiedzuderunter5.4.1genanntenMethodebestehtdarin,dassnichtdieabgeführteWassermengegemessenwird,sonderndieÄnderungdesWasserhöhenunterschiedes(∂h)ineinembestimmtenZeitintervall(∂t).

1. Warten,bisderWasserstandimRinghaltergenausohochistwieimKunststoffbehälter.Daskann(auchbeivollständiggesättigteProben)TageundmanchmalselbstWochendauern.

2.WasserstandimRinghalterbisetwasüberderProbeabsenken.DafürzumBeispieleinenSaugheberodereine Pipette benutzen.

3.MitderMessbrückedieWasserhöheimRinghaltermessen(siehevorherigenAbschnitt,Schritt4),diesistdieStarthöhe.KlappeamKunststoffbehälterschliessen,umVerdunstungzuvermeiden.NacheinerbestimmtenZeitwiederumdieWasserhöheimRinghaltermessen(Endhöhe).AuchdenWasserstandimKunststoffbehältermessen.DieÄnderungdesWasserhöhenunterschiedeswirdbeiderBerechnung inAbschnitt6.2verwendet.

Weil das Wasser aus dem Kunststoffbehälter in offener Verbindung mit der Luft steht, muss bei diesen Messungenmit einerbestimmtenVerdunstungdesdurchgeflossenenWassers gerechnetwerden (siehe6.VerarbeitungderErgebnisse).

6. Verarbeitung der Ergebnisse

6.1 Durchlässigkeitsbestimmung bei konstantem Höhenunterschied

Bei Anwendung der Messmethode mit einem konstanten Höhenunterschied kann der K-Faktor nach dem DarcyschenGesetzberechnetwerden(fürFormelableitungensieheAnhang).NachdemDarcyschenGesetzgilt:

V = K * i * A * t

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Wobei: V = WasservolumendasdurchdieProbefliesst (cm3) K = Durchlässigkeitsbeiwertoder“K-Faktor” (cm/d) h = Wasserhöhenunterschiedinner-undausserhalbRinghalter (cm) L = LängederBodenprobe (cm) i= Steighöhengradientoder:h/L (-) A = QuerschnittsflächederProbe (cm2) t= ZeitbenötigtzumDurchflussvonWasservolumenV (d) (d = ZeitdimensionTag)

BeiderMessung(Abschnitt5.4.1)werdenfolgendeParameterbestimmt:LundA : Konstanten,abhängigvomverwendetenStechzylindertypV : mitderBurettegemessenenVolumen(1ml=1cm3)h : berechnetmitdenmitdemWasserhöhenmessergemessenenWasserhöhen

Der K-Faktor wird wie folgt berechnet:

V . L K = ————— A . t . h

Bei den Formeln ist zu beachten, dass die Einheiten der verschiedenen Parameter übereinstimmen. Es wird empfohlen, den K-Faktor in cm/d oder m/d auszudrücken.

6.2 Durchlässigkeitsbestimmung mit abnehmendem Höhenunterschied

Bei der Anwendung der Messmethode mit einem abnehmenden Höhenunterschied kann der K-Faktor nach demDarcyschenGesetzberechnetwerden(fürFormelableitungensieheAnhangA).DasichabersowohldieSteighöhealsauchderDurchflussinderZeitändern,wirdeineangepassteFormdesDarcyschenGesetzesangewendet:

Wobei:V = WasservolumendasdurchdieProbefliesst (cm3)K = Durchlässigkeitsbeiwertoder“K-Faktor” (cm/d)A = QuerschnittsflächederProbe (cm2)h = Wasserhöhenunterschiedinner-undausserhalbRinghalter (cm)L = LängederBodenprobe (cm)t = ZeitintervallzwischenAnfangundEndederMessung(t2 - t1) (d)a = QuerschnittsflächevonRinghalter (cm2)

BeiderMessung(Abschnitt5.4.2)werdenfolgendeParameterbestimmt:L,Aunda :Konstanten,abhängigvomverwendetenStechzylinderoderHülsentypV :mitderBurettegemessenenVolumen(1ml=1cm3)t2 – t1 :ZeitintervallzwischenStartundEndederMessungh1 und h2 :Wasserhöhenunterschiedinner-undausserhalbderRinghalteranjeweilsdenZeitpunkten t1 (Start)undt2(Ende)

DadieMessungeinigeTagedauernkannunddieWasserflächeinoffenerVerbindungmitderAtmosphäresteht,kanndieVerdunstungvonWasserimRinghalterverglichenmitdermeistgeringenDurchlässigkeitderProben(trotzdergeschlossenenAbdichtklappe)nichtmehrvernachlässigtwerden.BeisehrniedrigerDurchlässigkeitkanndieÄnderungdesWasserhöhenunterschiedesmanchmalvölligderVerdunstungzugeschriebenwerden.ZumAusgleichderVerdunstungwirdeineKorrekturvorgenommenunterVerwendungeinesMittelwertesfürdenWasserhöhenunterschied(sieheAnhang).x : Verdunstungsfaktor(Literaturwert):0,0864cm/doder0,000864m/d.

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Der K-Faktor wird wie folgt berechnet:

a . L h1 x . a . L K = ——————— . ln —— + ———————— A . (t2 - t1) h2 A . √ (h1 . h2)

Bei den Formeln ist zu beachten, dass die Einheiten der verschiedenen Parameter übereinstimmen. Es wird empfohlen, den K-Faktor in cm/d oder m/d auszudrücken.

6.3 Temperaturkorrektion

Wiebereits inderEinleitungerwähnt,wirddieDurchlässigkeit vonBödenauchdurchdieViskositätderBodenfeuchtigkeit bestimmt.Die Viskosität (Zähflüssigkeit) ist temperaturabhängig (siehe Tabelle). DieTemperaturvonWasserimLaborschwanktzwischen18und22°C,währenddieTemperaturvonGrundwasserimMittel 10°C beträgt. ImWinter kann die Grundwassertemperatur bis auf zirka 5°C absinken (alleWerte für gemäßigtenKlimas; in andereRegionenabweichend). FürbestimmteAnwendungenmussdieWasserdurchlässigkeithinsichtlichderViskositätderBodenfeuchtigkeit (meistWasser) korrigiertwerdenmüssen.

Temperatur °C Viskosität Wasser (10-3 Pa.s)

5 1,52

10 1,31

15 1,14

18 1,05

20 1,01

22 0,96

25 0,89

30 0,81

DerK-FaktorwirdinBezugaufdieViskositätnachfolgenderFormel(Wit1963)korrigiert:

k10 = kT · hT/h10

Wobei:k10 = korrigierterK-Faktorbei10°C(unternatürlichenBedingungen) (cm/d)kT = K-FaktorbeiIst-Temperatur (cm/d)h10 = dynamischeViskositätvonWasserbei10°C (Pa·s)

ht = dynamischeViskositätvonWasserbeiT°C (Pa·s) 7. Diskussion• TrotzderGenauigkeitdesLabor-DurchlässigkeitsmesserswerdenMesswertefürdieWasserdurchlässigkeit

durchtränkterBöden aufgrund vonUngenauigkeitenbei der Probenentnahmeundder räumlichenVariabilitätimmervondenFeldverhältnissenabweichen.

• DieMessergebnissegebendieDurchlässigkeitanderStellederProbenentnahmewieder(Punktmessung).UmeinBildvonderUmgebungzuerhalten,musseineVielzahlvonMessungendurchgeführtwerden.

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• DieangewendetenMethodenbasierenaufdemDarcyschenGesetz.DasDarcyscheGesetzgeht jedochvonhomogenenBödenundeinereindimensionalenStrömungaus.InWirklichkeitisteinBodenimmerheterogenundenthältmitunterRisseoderandereMakroporen,wodurchdieAnnahme,dassdieProbendemDarcyschenGesetzgenügen,manchmalnichtgerechtfertigtist.

• FüreineProbenahmevonRissenundMakroporenistdieAbmessungderProbenzugering.DiegemesseneDurchlässigkeitinTonbödenwirdalsomeistniedrigerseinalsdiereellenWerteimFeld.DerBeitragvonMakroporenamWassertransportistvielgrösser,alsderBeitragdesVolumenäquivalentskleinerPoren.DadurchsindbeideMethodenfürschwereTonprobenwenigergeeignet.

• DerPermeameteristfürsehrgutdurchlässigeBödennichtgeeignet,daeseinfachnichtmöglichist,einenWasserstandaufdenProbenaufrechtzuerhalten.DasWasserwirdschnellerabgeleitet,alseszugeführtwerden kann.

• BeieinemoffenenSystem,wodemMessystemLeitungswasserhinzugefügtwird,kannnichtverhindertwerden, dass gelöste Gase freikommen und sich in den Poren anhäufen. Der dadurch entstehende Fehler(eswirdeineetwasgeringereDurchlässigkeitgemessen)fälltinnerhalbderMargendersonstigenUngenauigkeitenwiedurchdieProbenentnahme.EsistgegebenenfallsentgastesWasserzuverwenden.

8. AnwendungenDerPermeameteristgeeignetfürdieMessungderWasserdurchlässigkeitvonungestörten,gesättigteBoden-und Erdproben in Stechzylindern oder Stechhülsen. DerDurchlässigkeitsbeiwert oder “K-Faktor” kannfürnahezualleBodenartenbestimmtwerden, ausgenommensehrgutdurchlässigeoderausdehnungs-/schrumpfsensibleBöden. Jenachdem,wiedieProbegestochenwird,wirddievertikaleoderhorizontaleDurchlässigkeit bestimmt.DieBestimmungderDurchtränkungsdurchlässigkeitmitdemPermeameterwird fürdieBestimmungderGeschwindigkeitangewendet,mitderGrundwasserfliesstbeider:• Trinkwassergewinnung• Be- und Entwässerung• Strassen-undWasserbauwieBauundBefestigungvonDämmenundDeichen• Kulturtechnik• Umweltuntersuchungenwie Verlegung von umweltverschmutzenden Lösungen, Düngemitteln oder

radioaktivenAbfallstoffenimGrundwasser• ÖkologischeStudienundNaturschutz• Landwirtschaft und Gartenbau

9. Probleme und Lösungen• DieLampeamWasserstandsmesserleuchtetbeiBerührungdesWassersnichtauf.Daskannverschiedene

Ursachenhaben: - DieBatterieistleerundmussausgewechseltwerden(siehe10.Wartung). - DerStromkreisistunterbrochen.Stromkreisüberprüfen.DieserverläuftvonderBatterieüberdie QuerstrebenderMessbrückenacheinemEdelstahlrohr.SchraubenstellendieVerbindungzwischen denTeilenher.DasRohrmachtübereinenDrahtineinederEckenKontaktmitdemWasser.Die VerbindungkanndurcheinelockereSchraubeunterbrochensein,oderweilSchmutzaufdemRohr denKontaktzwischenQuerstrebeundRohrunterbricht.

• BeieinemgeschlossenenSystemzirkuliertzuwenigWasserimSystem.MöglicheUrsachen: - DiePumpeläuftimTrockenen.VorratsbehältermitWasserfüllen. - DieSchläuchedesWasserstandsreglersund/odervonderAuffangschaleführennichtinden Vorratsbehälter,wodurchWasserverlustauftritt.SchläucheindieÖffnungdesVorratsbehälters einführen.

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• Luft im Schlauch zwischen Filter und Wasserstandsregler. Wasserstandsregler hochheben, damit die Luft aus dem Schlauch entweicht.

• EsfliesstkeinWasserindieBürette.MöglicheUrsachen: - Luft in einem Saugheber. Den Saugheber ganz unter Wasser halten und ihn einige Male kippen, so dass alle Luft entweicht. Den Saugheber in der Mitte fassen und ihn gerade aus dem Wasser holen. DanachdenSaughebermiteinem‚Bein‘indenRinghaltereinsetzenundmitdemanderenindas numerierte Kunststoffrohr. - DasKunststoffrohristnochnichtganzmitWassergefüllt.DasRohreventuellvorhermitWasserfüllen oderwarten,bissovielWasserdurchdieProbegeflossenist,dassdasRohrvonselbstgefülltwird. - LuftimSchlauchunterdemRohr.DenSchlauchsobewegen,dassdieLuftentweicht. - DieAusflussöffnungüberderBüretteliegthöheralsderWasserstandimKunststoffbehälter. AusflussöffnungunterdenWasserstandimKunststoffbehälterbringen. - DieBodenprobeistnichtdurchtränkt.DieProbevorderDurchlässigkeitsbestimmungmitdem Permeameter durchtränken oder warten, bis sie durchtränkt ist. - Die Bodenprobe ist wenig durchlässig. Die Durchlässigkeitsbestimmung mit abnehmendem Druckunterschied anwenden.

• DerHahnanderBürettelässtsichschwerdrehen.DieblaueKappehinterdemHahnentfernenunddenHahnvorsichtigausderBürettenehmen.DenHahnmitVaselineschmieren.

Daraufachten,dassdieDurchflussöffnungimHahnnichtverschlossenwird.

• DieBüretteistabgebrochen.Eineneuebestellen(aufdieLängederBüretteachten!).

• Die Probe bewegt sich aus demStechzylinder. An der Probenunterseite (zwischen Siebdeckel undStechzylinder)einenFilterstrumpfbefestigen.Dafürsorgen,dassnachEinsetzenderneuenProbendieWasserhöheimKunststoffbehälterlangsam(einigeStunden)vonniedrignachhochgebrachtwird.

10. Wartung• Batteriewechsel. Abdeckung entfernen und Batterie gegen eine neue 9 V Blockbatterie auswechseln.

Abdeckung wieder anbringen.

• NachderBenutzungdasGerät reinigen (Kunststoff-Saughebernichtmit zuheissemWasser reinigen,ziehenrecht).

• ZurVerhinderungvonAlgenwuchsdenVorratsbehälterregelmässigreinigen.

• WennalsMessflüssigkeiteineSalzlösungverwendetwurde,allesgründlichreinigen,umdieAblagerungvonSalzkristallenzuverhindern.

• DieBeschriftungaufdenBürettenistnichtsäureresistent.NichtreinigenmitSäurelösungen!

LiteraturKlute,A.&C.Dirksen, 1986.HydraulicConductivityandDiffusivity:LaboratoryMethods. In: A. Klute (ed.).

Methods of Soil Analysis. Part I. Physical and Mineralogical Methods. SSA Book Series: 5.

Koorevaar,P,G.Menelik&C.Dirksen,1983.ElementsofSoilPhysics.Developments in Soil Science 13. Elsevier, Amsterdam.

Wit,K.E.,1963.Metingvandedoorlatendheidinongeroerdemonsters.Rapport 17. ICW, Wageningen.

OhnevorherigeschriftlichesEinverständnisderFirmaEijkelkampSoil&WaterdürfenausdieserAusgabekeineVervielfältigungenmittelsDruck,Fotokopie,MikrofilmoderirgendeineandereArtundWeisepubliziertwerden.TechnischeDatenkönnenohnevorherigeMitteilunggeändertwerden.EijkelkampSoil&WaterhaftetnichtfürSachschäden/persönlicheSchädeninFolge(fehlerhafter)AnwendungdiesesGeräts.EijkelkampSoil&WateristanIhrenReaktionenundBemerkungenüberdieProdukteundGebrauchsanweisungeninteressiert.

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Anhang FormelableitungenFür weitere Informationen über das Darcysche Gesetz, Durchtränkungsdurchlässigkeit und die Berechnungsmethoden bei Benutzung des Durchlässigkeitsmessers, siehe: Klute & Dirksen 1986, Koorevaar et al. 1983, Wit 1963.

Durchlässigkeitsbestimmung mit konstantem Höhenunterschied

DasDarcyscheGesetzfüreindimensionale,vertikaleStrömunglautet:

∂ H q = -K.i =K.—— ∂ z

DasMinuszeichendrücktaus,dassderEnergiezustandinRichtungderWasserströmungabnimmt.

K = Durchlässigkeitsbeiwert(oderK-Faktor) (cm/d)t = ZeitbenötigtzumDurchflussvonWasservolumenV (d)V = WasservolumendasdurchdieProbefliesst (cm3)Q = Durchflussmengeoder“Volumenstrom”:Wasservolumen,dasproZeiteinheitdurchdie (cm3/d) Probefliesst,oderaberV/tq = Flussoder“Durchsatz”:Wasservolumen,dasproZeiteinheitundproFlächeneinheitdurch (cm/d) dieProbefliesst,oderaberQ/AI = Steighöhengradient (–)H = Steighöhe (cm)z = TiefederBodensäule,durchwelcheWasserfliesst (cm)h = WasserhöhenunterschiedinnerhalbundausserhalbdesRinghalters (cm)L = LängederBodenprobe (cm)A = QuerschnittsflächederBodenprobe (cm2)(d = ZeitdimensionTag)

Ineinemhomogenen,mitWassergesättigteBoden(wieeinergesättigteBodenprobe)istdieDurchlässigkeit(K)konstant.DerDurchsatz(q)istdanndemSteighöhengradienten(i)proportional.

Bei der BestimmungderDurchtränkungsdurchlässigkeitmit demPermeameter findet ein stationärer,eindimensionalerDurchflussunterEinflusseinesDruckdifferenzesverursachtdurchWasserhöhenunterschiedinnerhalbundausserhalbdesRinghalters.Für dieBerechnungderDurchtränkungsdurchlässigkeitmit demPermeameter für eineProbemit demQuerschnittAundderLängeLgiltsomit:

Q.LK = —— h . A

Durchlässigkeitsbestimmung mit abnehmenden Höhenunterschied

Bei der Durchlässigkeitsbestimmungmit abnehmendemWasserhöhenunterschied verändert dieDurchflussmengemitderZeit.DerFluss(oderDurchsatz)istproportionalmitderWasserhöhenunterschiedh.DieÄnderungsgeschwindigkeitdesWasservolumensergibtsichaus:

dV/dt=-K.h.A/L

DerWasserhöhenunterschiedwirdaberauchniedrigerdurchdenDurchfluss.DieÄnderungdesVolumensisjetzauchdahzustellenalsFunktionderÄnderungdesNiveaus:

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dV = a.dh

AufgrunddieseskannfolgendeGleichungaufgestelltwerden:

dh/h = -K.A/a.L.dt

dh -K . A . dt —— =————— h a . L

DieIntegrationderFormelführtzu:

a . L h1 K= ———————.ln—— A.(t2 - t1) h2

Wobei:

h1,h2 = Wasserhöhenunterschied an den Zeitpunkten t1(Start)undt2(Ende) (cm)a = QuerschnittsflächevonRinghalter (cm2)t = ZeitspannezumerreichendesEndniveaus (d) Verdunstungskorrektion

Der durch die Verdunstung im Ringhalterer verursachte Wert von K wirdmit der Formel für dieDurchlässigkeitsbestimmung bei abnehmendem Wasserstand berechnet. Daran ist ein Verdunstungsfaktor hinzugefügt.

DieVerdunstungimRinghalterbeträgtzirka0,00006cm/min.Abweichungendavonsindgering(Wit1963).DerVerdunstungsfaktorwirdmitxbezeichnetundistgleich0,000864m/doder0,0864cm/d(gleich0,00006cm/minoder0,0036cm/st).

FürdenVerdunstungsanteilvonKwirdfolgendeFormelverwendet:wobeix·adasimRinghalterverdunstendeWasserincm/d.

Der mittlere Wasserhöhenunterschied zwischen t1 und t2ist:

hmit = √ (h1 . h2)

Der Formel fürdieDurchlässigkeitsbestimmungbei abnehmendenWasserhöhenunterschiedhinzugefügterhältman:

a . L h1 x . a . L K = ———————.ln——+———————— A.(t2 - t1)h2 A . √ (h1 . h2)