Sieb- und Schlämmanalyse zur Gewinnung detaillierter ... · Bachelorarbeit Pascal Offermann...

Bachelorarbeit Pascal Offermann

I

Technische Universität München

Fakultät für Bau Geo Umwelt

Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Prof. Dr.-Ing. Markus Disse

Autor: Pascal Offermann

Bachelorarbeit: ____________________________________________________________________________

Sieb- und Schlämmanalyse zur Gewinnung detaillierter

Bodeninformationen im Sachenbachgebiet

Matrikelnummer: 3622143

Studiengang: Umweltingenieurwesen (Bachelor of Science)

Betreuer: Dr.-Ing. Wolfgang Rieger

Email: [email protected]

2014


II

Aufgabenstellung

Der Niederschlag-Abfluss-Prozess wird vor allem innerhalb der Abflussbildung maßgeblich

durch die im Einzugsgebiet vorliegenden Bodeneigenschaften beeinflusst. Eine wichtige

charakteristische Kenngröße von Böden ist dabei die, die Bodenart definierende

Korngrößenverteilung, welche neben weiteren Faktoren bestimmend für das Speicher- und

Infiltrationsverhalten von Böden ist. Eine allgemein anerkannte Methode zur Bestimmung der

Dispersität von Böden ist das kombinierte Sieb- und Sedimentationsverfahren, das der

Ermittlung von Korngrößenintervallen dient. Im Rahmen dieser Arbeit soll diese Methode zur

Analyse der im alpinen Einzugsgebiet des Sachenbachs gewonnen Bodenproben angewendet

und mit alternativen Methoden verglichen werden.

Arbeitsschwerpunkte:

- Erarbeitung der theoretischen Grundlagen zur Bodenklassifizierung und Laboranalyse

unter Verwendung ausgewählter Fachliteratur

- Laborarbeit: Einarbeitung in die Messtechnik zum kombinierten Sieb- und

Sedimentationsverfahren, Aufbereitung der Bodenproben und Analyse

- GIS-Arbeit: Erstellung von Bodenkarten (verschiedene Horizonte) für das

Sachenbachgebiet auf Grundlage der bisher gewonnenen Ergebnisse

- Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse unter Berücksichtigung der Ergebnisse

alternativer Analysemethoden (Fingerprobe)


III

Kurzfassung

Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Grundlagen der Bodenklassifizierung mit einer

kombinierten Sieb- und Schlämmanalyse. Die Analyse ist an Bodenproben aus dem

Sachenbachgebiet vorgenommen worden, um die Ergebnisse im Anschluss für eine

Abflusssimulation verwenden zu können. Unter Einsatz entsprechender Messtechnik zum

kombinierten Sieb- und Sedimentationsverfahren wird die Analyse der Bodenproben

durchgeführt sowie eine anschließende Überprüfung der Ergebnisse. Auf Grundlage der

ermittelten Bodenarten werden Vergleiche zwischen der Laboranalyse und einer

Felduntersuchung gezogen. Außerdem werden weitere Methoden für die

Dispersitätsbestimmung dargestellt. Die Analyseergebnisse werden mit Hilfe des Programms

„ArcMap“ in eine digitale GIS-Bodenkarte eingefügt. Dadurch lässt sich die räumliche

Verteilung der unterschiedlichen vorliegenden Bodenarten darstellen.

Abstract

This work outlines the basics of soil definition with the sift- and elutriation-analysis. The

analysis is carried out on samples from the Sachenbach area to ensure their usage in an

outflow simulation. Using special measurement equipment a sift- and elutriation-analysis was

performed with soil samples that also included a verification of the results. Based on the

determined soil type a field analysis and the lab work are compared. Further there are

introduced more methods for dispersity purposes. The analytical results are then pasted in a

digital GIS soil-map with the help of a particular program called “ArcMap”. Thus helps to

display the spatial distribution of the different soil types.


1

II. Inhaltsverzeichnis

II. Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................................ a

III. Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................. b

1. Einleitung ..................................................................................................................................... 1

2. Grundlagen der Bodenklassifizierung.......................................................................................... 3

2.1. Klassifikationskriterien ........................................................................................................ 3

2.2. Kornfraktionen und Bodenarten ......................................................................................... 4

2.3. Überblick möglicher Bodenversuche................................................................................... 6

2.3.1. Laser-Beugung ............................................................................................................. 8

2.3.2. Windsichtung ............................................................................................................... 9

3. Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse ........................................................................... 10

3.1. Theoretisches Vorgehen .................................................................................................... 10

3.2. Probenarten....................................................................................................................... 13

3.3. Probentransport ................................................................................................................ 15

4. Analyse der Bodenproben ......................................................................................................... 16

4.1. Verwendete Geräte ........................................................................................................... 16

4.2. Vorbereitungen im Labor .................................................................................................. 19

4.3. Versuchsdurchführung ...................................................................................................... 20

4.3.1. Trockensiebung ......................................................................................................... 20

4.3.2. Nasssiebung ............................................................................................................... 21

4.3.3. Pipettanalyse ............................................................................................................. 23

5. Auswertung ............................................................................................................................... 26

5.1. Darstellung der Ergebnisse ................................................................................................ 26

5.2. Möglichkeiten zur Überprüfung der Ergebnisse ............................................................... 30

5.3. Erstellung einer GIS Bodenkarte ........................................................................................ 32

5.4. Bewertung der Analyse ..................................................................................................... 33

6. Diskussion der Ergebnisse ......................................................................................................... 35

6.1. Vergleich mit alternativen Analysemethoden ................................................................... 35

6.2. Kombination mit der Fingerprobe ..................................................................................... 36

7. Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................................... 37

IV. Literaturverzeichnis ................................................................................................................... 38

V. Eidesstattliche Erklärung ............................................................................................................... 39

VI. Anhang....................................................................................................................................... 40


2

III. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Übersicht Lage Sachenbachgebiet (rote Linie) (Google Maps, 2014) ................................ 1

Abbildung 2: Korngrößenklassifikation (DIN 4022, 2008) ....................................................................... 4

Abbildung 3: Bodenarten (DIN 4022, 2008) ............................................................................................ 5

Abbildung 4: Korngrößenfraktionen nach (DIN EN ISO 14688-1, 2003) ................................................. 7

Abbildung 5: Beugungsmuster unterschiedlicher Partikelgrößen (Sympatec, 2014) ............................. 8

Abbildung 6: Nassdispergiergerät mit Laserbeugungssensors (Sympatec, 2014) .................................. 8

Abbildung 7: Prinzip eines Windsichters (MADARA, 2010) ..................................................................... 9

Abbildung 8: Masse der Bodenprobe für das Sieben (DIN 11277, 1994) ............................................. 10

Abbildung 9: Pürckhauer Bohrstock (Bürkle, 2014) .............................................................................. 14

Abbildung 10: Retsch AS 200 control (Retsch, 2014) ............................................................................ 16

Abbildung 11: Wasserbad für die temperaturkonstante Analyse ......................................................... 17

Abbildung 12: bewegliche Pipettiereinheit ........................................................................................... 17

Abbildung 13: Trockenschrank .............................................................................................................. 18

Abbildung 14: Präzisionswaage mit Glashaube ..................................................................................... 18

Abbildung 15: genormtes Sieb (Öffnungsweite 2 mm) ......................................................................... 20

Abbildung 16: Beispiel für Körnungslinien ............................................................................................ 21

Abbildung 17: Deckel zur Nasssiebung mit Wasseranschluss und Düse ............................................... 21

Abbildung 18: Auffangschale Nasssiebung mit Auslauf ........................................................................ 22

Abbildung 19: Schlämmzylinder 1000 ml .............................................................................................. 23

Abbildung 20: Pipette (S) mit Entnahmeapparatur (Eijkelkamp Agrisearch Equipment, 2009) ........... 24

Abbildung 21: Eindampfschälchen nach Ofentrocknung ...................................................................... 25

Abbildung 22: Stabdarstellung der Schlämmanalysenergebnisse ........................................................ 26

Abbildung 23: Körnungslinie eines schluffigen Lehms .......................................................................... 27

Abbildung 24: Auswertung zu Beispiel 1: „schluffiger Lehm“ .............................................................. 27

Abbildung 25: Körnungslinie eines mittel schluffigen Tons .................................................................. 28

Abbildung 26: Auswertung zu Beispiel 2: „mittel schluffiger Ton“ ...................................................... 28

Abbildung 27: Vereinfachte Flächendarstellung ................................................................................... 29

Abbildung 28: Faktoren der Genauigkeit (Thiery, 2011) ....................................................................... 31

Abbildung 29: GIS Karte mit Feature-Punkten ...................................................................................... 32


3

Bachelorarbeit Pascal Offermann Einleitung

1

1. Einleitung

Gelegen am Walchensee in den bayrischen Alpen, kann man das Sachenbachgebiet als ein

typisches alpines Einzugsgebiet mit gemischter Landnutzung beschreiben. Das

Sachenbachgebiet ist 2,19 km² groß und darf vom Lehrstuhl für Hydrologie und

Flussgebietsmanagement der TU München zu Forschungszwecken genutzt werden. Die

flacheren Unterhänge werden als Kuhweiden/Almwiesen genutzt, während an den

bewaldeten steileren Berghängen Forstwirtschaft betrieben wird. Der Lehrstuhl unterhält drei

Messstationen zur Niederschlags- und Abflussmessung in unterschiedlichen Hangbereichen

und Höhen.

Die Abflussbildung als eine der drei Abflussprozesse hängt stark mit den im Gebiet

vorliegenden Bodenarten zusammen. Verschiedene Bodenarten weisen deutliche

Unterschiede in ihren Infiltrationseigenschaften auf, denn der abflusswirksame Niederschlag

bzw. Effektivniederschlag ist abhängig von der Korngrößenverteilung des Bodens. Genaue

Aufschlüsse über die vorliegenden Bodenarten und deren relativer Verteilung sollen nun

anhand zweier Bachelorarbeiten dargestellt werden. Die Arbeit von Adrian Ostermann

beschäftigt sich mit der Planung eines repräsentativen Probenahmeverfahrens und einem

Feldversuch, der Fingerprobe, mit der sich bereits im Gelände die Bodenarten grob

bestimmen lassen.

Abbildung 1: Übersicht Lage Sachenbachgebiet (rote Linie) (Google Maps, 2014)

Bachelorarbeit Pascal Offermann Einleitung

2

Die hier vorliegende Arbeit gibt einen kurzen Überblick zur Bodenklassifizierung und widmet

sich dann im Folgenden allen Schritten und Parametern, die bei einer Sieb- und

Schlämmanalyse von Bedeutung sind. Mit dieser Analyseform können aus Bodenproben

exakte Kornverteilungskurven erstellt werden. In Kornverteilungskurven, die die Grundlage

einer Bodenklassifikation bilden, lassen sich die verschiedenen Bodenfraktionen und ihre

relativen Anteile darstellen. Je nach Zusammensetzung der Bodenfraktionen ergeben sich

eindeutige verschiedene Bodenarten. Das Abflussverhalten des Einzugsgebiets lässt sich dann

über die bestimmten Bodenarten modellieren. Durch die abschließende Erstellung einer GIS-

Karte lassen sich die Probenahmeorte und die dortigen Böden visualisieren.

Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung

3

2. Grundlagen der Bodenklassifizierung

2.1. Klassifikationskriterien

Erst im 19. Jahrhundert wurde in Russland damit begonnen, Böden unter Anwendung

eindeutiger Klassifikationen zu unterscheiden. Hieraus entwickelten sich die einzelnen

nationalen Klassifikationssysteme wie die „Deutsche Bodensystematik“ (AG Bodenkunde,

1994), die „Soil Taxonomy - A Basic System of Soil Classification for Making and Interpreting

Soil Surveys“ der Natural Resources Conservation Service, USA (NRCS, 1999) oder die

international gültige Einteilung des „World Reference Base of Soil Resources“ (BGR, 2007).

Diese Systeme variieren zum Teil stark, aufgrund verschiedener Gegebenheiten auf anderen

Kontinenten oder bei anderen klimatischen Verhältnissen. Grundsätzlich lassen sich Böden

nach drei möglichen Ordnungsprinzipien einteilen. Diese sind:

- Faktoren (z.B. Klimazone, Vegetationszone)

- Merkmale (z.B. Horizonte, Farbe)

- Prozesse (z.B. Suffusion, Verbraunung, Podsolierung).

Keine Klassifikation nutzt dabei ein Prinzip allein. Eines dieser Prinzipien bildet das

Grundgerüst und die anderen werden meist ergänzend genutzt. In großen Ländern wird meist

faktororientiert nach Klimazonen unterschieden was für Deutschland, in dem nur eine

Klimazone vorherrscht, unsinnig wäre. Diese Arbeit orientiert sich an der „Bodenkundlichen

Kartieranleitung“ (AG Bodenkunde, 1994), die sich stark nach dem Ordnungsprinzip der

Prozesse richtet. Dafür benötigt man ein fundiertes Wissen im Bereich der Bodenprozesse,

macht damit aber die deutsche Einteilung im internationalen Vergleich zu einer der

Genauesten (KUNTZE et al, 1988). Begleitend existieren mehrere DI-Normen. Diese

beschreiben entweder das Vorgehen bei einer Bodenklassifikation wie z.B. die „DIN ISO 11277

– Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Mineralböden“ oder nehmen eine Einteilung

nach bestimmten Kriterien vor, z.B. die „DIN 18196 - Klassifizierungssystem für Böden nach

der Korngröße“.

Diese Arbeit beschränkt sich ausschließlich auf mechanische Verfahren zur Bodenanalyse,

jedoch ist zu berücksichtigen, dass der Boden auch unzählige Mikroorganismen enthält. Sie


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führen verschiedenste chemische Reaktionen durch, um ihren Stoffwechsel zu betreiben und

verändern dabei die Bodeneigenschaften entscheidend mit. Daher ist für eine umfassende

Bodenanalyse die rein mechanische Betrachtung der Bodeneigenschaften bei Weitem nicht

ausreichend (KUNTZE et al, 1988).

2.2. Kornfraktionen und Bodenarten

Unter der Korngröße, auch als Äquivalentdurchmesser von Bodenpartikeln bezeichnet,

versteht man die Größe eines Körnchens der Bodenmatrix. Hierbei kann es sich um einzelne

Mineralkörner oder Mineralkombinationen handeln (KÖSTER, 1960). Die Bestimmung der

verschiedenen in der Bodenprobe enthaltenen Korngrößen stellt die Hauptaufgabe der

Korngrößenanalyse dar. Weiter lassen sich die Korngrößen zu vier Kornfraktionen

zusammenfassen, die auch als die vier Hauptbodenarten definiert sind.

Aus Abbildung 2 wird ersichtlich, wie sich diese gliedern. Innerhalb einer Kornfraktion gibt es

eine weitere Unterteilung in Fein-, Mittel- und Grobanteile. Die Korngrößenverteilung

beschreibt den Boden aufgrund der mittleren geometrischen Ausdehnung seiner Bestandteile

und deren Massenanteile (DIN 18123, 2011), d.h. aus unterschiedlichen Gemischen von

Kornfraktionen ergeben sich verschiedene Bodenarten (siehe Abbildung 3).

Abbildung 2: Korngrößenklassifikation (DIN 4022, 2008)


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Im Diagramm werden die Hauptfraktionen mit Großbuchstaben (U = Schluff, T = Ton, S = Sand,

L = Lehm) und die weiteren Fraktionen mit Kleinbuchstaben (u = schluffig, t =tonig, s = sandig,

l = lehmig) bezeichnet. Die Zahlen (2 = schwach, 3 = mittel, 4 = stark) stehen dafür, wie

dominant eine Unterfraktion ausgeprägt ist. Eine Bodenart liest sich dementsprechend wie

folgt: „Slu = schluffig lehmiger Sand“, „Ts4 = stark sandiger Ton“. Lehm tritt durch die

Mischung aus Sand, Schluff und Ton auf, deren Einzelanteile dabei innerhalb definierter

Grenzen schwanken können (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2009). Aus Abbildung 3 wird

ersichtlich, dass sich Lehmboden ausschließlich im mittleren Bereich des Diagramms befindet.

Konkret lässt sich daraus ermitteln, dass im Lehm die Anteile von Schluff im Bereich zwischen

15 % bis 65 %, von Ton im Bereich zwischen 17 % bis 45 % und von Sand somit im Bereich

zwischen 5% bis 68% liegen.

Wurde eine Korngrößenanalyse (siehe Punkt 2.3.) durchgeführt, werden die Masse-% an den

Achsen abgetragen und so die Bodenart bestimmt.

Abbildung 3: Bodenarten (DIN 4022, 2008)


6

2.3. Überblick möglicher Bodenversuche

Bodenphysikalische Eigenschaften werden mit genormten Labor- und Feldversuchen ermittelt

und durch definierte Kennzahlen ausgedrückt. Es können hierbei vier Hauptgruppen von

Versuchen unterschieden werden (PRINZ & STRAUß, 2011).

Versuche zur Bestimmung

· der Bodenart

o Korngrößenanalysen

o Konsistenzbestimmungen

o Kornverteilungsanalysen

· der Zustandsform

o Wassergehaltsbestimmung

o Bestimmung des Porenanteils

· des Verhaltens bei mechanischer Beanspruchung

o Scherversuche

o Dichtebestimmungen

o Kompressionsversuche

o Plattendruckversuche

· des Verhaltens bei hydraulischer Beanspruchung:

o Wasserdurchlässigkeitsbestimmungen

o Versickerungsversuche

Kornverteilungsanalysen sind den Trennverfahren zuzuordnen, da eine Bodenprobe zur

Körnungsanalyse immer in die verschiedenen Anteile gleich großer Bodenpartikel zerlegt wird.

Der prozentuale Anteil einzelner Korngrößen an der Gesamtprobe gibt Aufschluss über die

vorliegende Bodenart (siehe Abbildung 4).


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Insbesondere für feinkörnige Böden stehen neben der Sedimentationsanalyse nach DIN 18123

auch nicht genormte Methoden zur Verfügung. Diese beruhen auf Laser-Beugung,

photometrischen Techniken, Zählermethoden oder Luftströmen. Diese Methoden mögen

weniger zeitintensiv als die Durchführung einer Sedimentationsanalyse sein, aber die

Ergebnisse einer Körnungsanalyse hängen stark von der verwendeten Methode zur

Auftrennung der Fraktionen sowie der Art der Vorbehandlung ab. Aus diesem Grund ist die

Verwendung standardisierter Verfahren sehr wichtig, denn nur so ist die Vergleichbarkeit von

Untersuchungsergebnissen gewährleistet. Die nächsten Punkte gehen auf zwei Alternativen

näher ein – die Laser-Beugung und die Windsichtung. Es wird aber empfohlen der

bodenmechanischen Klassifikation die Untersuchungsmethode der Sedimentationsanalyse

nach DIN 18123 zugrunde zu legen, da die Klassifikation auf den Erfahrungen aus dieser

Methode auch beruht (KEZDI, 1969).

Abbildung 4: Korngrößenfraktionen nach (DIN EN ISO 14688-1, 2003)


8

2.3.1. Laser-Beugung

Bei der Laser-Beugung werden Partikelgrößenverteilungen durch Messung der

Winkelabhängigkeit der Intensität von gestreutem Licht eines Laserstrahls ermittelt, der eine

dispergierte Partikelprobe durchdringt. Große Partikel streuen Licht mit kleinen Winkeln

relativ zum Laserstrahl, während kleine Partikel zu großen Streuwinkeln führen. Die Daten der

winkelabhängigen Streulichtintensität werden analysiert und sind die Basis zur Berechnung

der Partikelgröße, die für das Beugungsmuster verantwortlich sind.

Die Größe des Partikels wird als Durchmesser der volumengleichen Kugel angegeben. Diese

Annahme liegt der Mie-Theorie (MIE, 1908) zugrunde. Bei der Messung wird gleichzeitig das

gesamte Partikelkollektiv analysiert. Die Zeit für eine Einzelanalyse ist dadurch ausgesprochen

gering. Ein Laser-Beugungs-Messgerät ist für einen Korngrößenbereich von 0,2 µm bis

1500 µm ausgelegt. Die Partikel können sowohl in flüssiger Phase (Suspension, Emulsion,

Blasen) oder im luftgetragenen Zustand (Freistrahl, Spray) vorliegen (RUSCHKE, 2013).

Abbildung 6: Nassdispergiergerät mit Laserbeugungssensor (Sympatec, 2014)

Abbildung 5: Beugungsmuster unterschiedlicher Partikelgrößen (Sympatec, 2014)


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2.3.2. Windsichtung

Als weiteres Verfahren wäre die Windsichtung zu nennen. Hier trennt ein Luftstrom die

Kornfraktionen in sogenannten Windsichtern (KÖSTER, 1960). Dabei wird ein Glasrohr,

ähnlich einem Schlämmzylinder, senkrecht aufgestellt und die Bodenprobe von der Seite

eingeführt. Von unten wird ein konstanter Luftstrom eingeblasen. So können alle Teilchen

ausgeblasen werden, deren Fallgeschwindigkeit aufgrund ihrer Korngröße kleiner als die der

eingestellten Strömungsgeschwindigkeit des Zustroms ist. Das ausgeblasene Material kann

aufgefangen, ausgewogen und der entsprechende Anteil an der Gesamtprobe ermittelt

werden. Dieses Verfahren ist für analytische Bodenuntersuchungen jedoch zu ungenau

(GESSNER, 1931).

Abbildung 7: Prinzip eines Windsichters (MADARA, 2010)

Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse

10

3. Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse

3.1. Theoretisches Vorgehen

Die kombinierte Sieb- und Schlämmanalyse ist ein Verfahren zur Bestimmung der Korngröße

und der Kornverteilung eines Mineralbodens. Anwendung findet dieses Verfahren zumeist bei

mineralischen Lockergesteinen. Bodenanteile mit über 63 µm Korndurchmesser werden

durch Siebung ermittelt, kleinere Körnungen werden aufgeschlämmt (in Suspension gebracht)

und durch Sedimentation ermittelt. Der Anteil der verschiedenen Korngrößen wird als

Prozentwert zur Gesamttrockenmasse angegeben und nach DIN 18123: „Untersuchung von

Bodenproben - Bestimmung der Korngrößenverteilung“ in ein Kornverteilungsdiagramm

eingetragen. Die hierbei entstehende Kurve wird als Körnungslinie oder

Körnungssummenkurve bezeichnet und hat für jede Bodenart eine charakteristische Form

(siehe Abbildung 16).

Bei der Siebanalyse hängt die Menge des Aufgabegutes vom vorher geschätzten Größtkorn

ab. Dieses macht mindestens 10 % der Probe aus und kann zwischen 50 kg und 100 g betragen

Abbildung 8: Masse der Bodenprobe für das Sieben (DIN 11277, 1994)


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(siehe Abbildung 8). Bei der Siebung werden generell zwei Verfahren unterschieden, die

Trockensiebung und die Nasssiebung. Die Trockensiebung findet ausschließlich bei der

Ermittlung der Kiesfraktionen Anwendung. Hierfür wird eine zuvor eingewogene und

luftgetrocknete Probenmenge in ein Siebgerät gegeben, das aus übereinandergestapelten

Sieben besteht, deren Öffnungsweiten den Grenzkorngrößen der Bodenfraktionen

entsprechen. In jedem Sieb bleiben so die Bodenanteile der einzelnen Fraktionen zurück und

können ausgewertet werden.

Enthält eine Bodenprobe mehr als 10 % Anteil an Feinfraktionen wird eine Nasssiebung

angeschlossen. Besteht der Boden hauptsächlich aus Schluff- und Tonanteilen kann ebenso

von einer Trockensiebung abgesehen werden. Bei der Nasssiebung wird die zuvor

getrocknete, gewogene und dispergierte Probe (siehe 4.2.) in Suspension gebracht und durch

Feinsiebe gewaschen. Der Siebrückstand wird abermals getrocknet und trockengesiebt, um

vorhandene Sandfraktionen eindeutig vom restlichen Feinanteil zu trennen. Die Bodenanteile,

die das Sieb mit einer Öffnungsweite von 63 µm passiert haben, dienen als Ausgangsmaterial

für eine weiterführende Sedimentationsanalyse (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL, 2009).

Durchgeführt wird eine Schlämmanalyse bevorzugt mit einem Pipettierapparat oder alternativ

mit einem Aräometer. Beide Verfahren beruhen auf dem STOKES`schen Widerstandsgesetz

unter folgenden Prämissen (DIN 11277, 1994):

· Die Partikel müssen als starre glatte Kugeln angesehen werden.

· Die Suspensionsflüssigkeit umströmt die Partikel laminar (Reynolds-Zahl < 0,2).

· Es ist genügend Suspensionsflüssigkeit vorhanden, um zu verhindern, dass sich die

Partikel gegenseitig beim Absetzen stören.

· Zwischen den Partikeln und der Flüssigkeit herrschen keine Wechselwirkungen.

· Das Verhältnis von Teilchendurchmesser zu Schlämmzylinderdurchmesser sollte sehr

groß sein ( ), da sich sonst der Widerstand der Flüssigkeit gegenüber den

Teilchen ändert (KÖSTER, 1960).

· Die Partikel haben ihre Endgeschwindigkeit erreicht und diese muss klein sein

(„OSEEN hat nachgewiesen, dass die Fallgeschwindigkeit von Kugeln mit einem

Durchmesser über 0,05 mm nicht mehr nach der Formel von STOKES berechnet

werden kann“ (KÖSTER, 1960)).


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Bei den Schlämmverfahren erfolgt die Trennung aufgrund der unterschiedlichen

Sinkgeschwindigkeiten verschiedener Bodenpartikel. Diese werden bedingt durch unter-

schiedlich große, auf die Partikel einwirkende, Widerstandskräfte. Unter der Annahme, dass

die Bodenkörner Kugeln gleichen und sich als solche in Suspension verhalten, wurde der

Begriff des Äquivalentdurchmessers geprägt. Kennt man den Äquivalentdurchmesser der

Teilchen, in dem Fall definiert durch die Abgrenzung von Grob- zu Mittel- und Feinschluff

sowie zu den Tonteilchen, und deren Dichtedifferenz zu Wasser, so kann man unter

Hinzunahme weiterer Parameter mit dem Gesetz von STOKES ihre Sinkgeschwindigkeit

errechnen. Als Parameter möchte ich außerdem die von der Temperatur abhängige Viskosität

des Wassers erwähnen.

Mit: = Sinkgeschwindigkeit [ ]

= Äquivalentdurchmesser eines Partikels [mm]

= Dichte eines Partikels [ ]

= Dichte des Wassers [ ]

= (temperaturabhängige) Viskosität [ ]

Für meine Anwendung mit dem Pipettiergerät kann das STOKES`sche Widerstandsgesetz wie

folgt umgeschrieben werden:

Mit: =

= Eintauchtiefe (der Pipette) [cm]

= Sinkzeit [s]


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Sind die Sinkzeiten der relevanten Korngrößen bestimmt, können so, mittels einer Pipette, zu

den entsprechenden Zeitpunkten Proben gezogen werden. Für die praktische Laborarbeit

existieren Tabellen für unterschiedliche Wassertemperaturen und Eintauchtiefen, anhand

derer man die Pipettierzeiten ablesen kann. Es sei noch gesagt, dass auch die Partikeldichte

keinen unveränderlichen Wert darstellt und zum Teil große Unterschiede bestehen. In der

Praxis wird jedoch davon ausgegangen, dass die mittlere Partikeldichte der von Quarz, mit

2,65 , entspricht. Des Weiteren sollte möglichst eine Wassertemperatur von genau 20°C

angestrebt werden. Unter vorheriger Zugabe von Dispergiermittel, kann dadurch die Dichte

des Wassers mit einem Wert von 1,000 angenommen werden.

3.2. Probenarten

In der Regel werden fünf Arten von Bodenproben unterschieden. Es existieren gestörte,

ungestörte, aufgearbeitete, wiederhergestellte und rekonsolidierte Proben (PRINZ &

STRAUß, 2011). Bodenproben werden als gestört bezeichnet, wenn sich die

Zusammensetzung oder räumliche Struktur der Bodenprobe aufgrund des

Probeentnahmevorgangs geändert hat. Von aufgearbeiteten Proben spricht man, wenn diese

bereits zerkleinert und mit anderen Proben zu einer Mischprobe vereint wurden.

Wiederhergestellte Proben existieren nur unter Laborbedingungen, da hier gestörte Proben

künstlich rekonstruiert werden. Welche Probenart bzw. welche Art der Probennahme

Anwendung findet (DIN 4021, 1990), orientiert sich an den unter Punkt 2.2. vorgestellten

Bodenversuchen. Diese wiederum orientieren sich an den gewünschten

Ergebnissen/Kennzahlen. Für die Korngrößenverteilung kann mit gestörten Proben gearbeitet

werden, da diese ohnehin in ihre Bestandteile zerlegt werden. Ein weiteres

Unterscheidungsmerkmal von Proben stellen Massen- und Volumenproben dar.

Volumenproben sollten sehr vorsichtig entnommen werden, um das bestehende

Bodengefüge so wenig wie möglich zu verändern. Dies ist zweckmäßig bei Untersuchungen,

die mit der Porosität eines Bodens zusammenhängen, wie z.B. Porenvolumen,

Porengrößenverteilung oder Wasservolumen. Für die Untersuchung der Zusammensetzung

von Mineralhorizonten, die im Rahmen dieser Bachelorarbeit durchzuführen sind, genügen

bescheidenere Massenproben. Hierbei ist das ausschlaggebende Kriterium eine definierte


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Mindestmenge, abhängig von der Zusammensetzung der Probe wie unter Punkt 3.1.

beschrieben. Um zudem möglichst repräsentative Proben zu erhalten, sollten nur Proben

verwendet werden, deren größter Äquivalentdurchmesser maximal ein Drittel des

Durchmessers des Entnahmegeräts aufweist. Allerdings hat sich dieser Richtwert im

voralpinen Gelände des Sachenbachgebiets mit dem Pürckhauer-Entnahmegerät als schwer

umsetzbar herausgestellt, bedingt durch den hohen Anteil sehr groben Materials bzw. Fels.

Der Pürckhauer Bohrstock ist ein patentierter Hohlmeißelbohrer benannt nach Dr.

Pürckhauer, der bei bodenkundlichen Untersuchungen im Gelände zum Einsatz kommt. Mit

ihm lassen sich Aufschlüsse bis in 1 m Tiefe durchführen, was bei den meisten Böden ausreicht,

um alle existenten Horizonte zu erfassen. Im Rahmen der Bodenanalyse des

Sachenbachgebiets wurde an drei Tagen jeweils eine Probenreihe gezogen. Die Proben

wurden in einer Linie hangabwärts entnommen, um Zusammenhänge zwischen der

geodätischen Höhe und den Böden herstellen zu können.

Abbildung 9: Pürckhauer Bohrstock (Bürkle, 2014)


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3.3. Probentransport

Volumenproben sollten möglichst erschütterungsfrei transportiert werden, um

Gefügeveränderungen zu vermeiden (BLUME et al., 2010). Sollen biologische oder chemische

Prozesse innerhalb eines Bodens analysiert werden, so empfiehlt es sich, die Proben luftdicht

zu verschließen und zu kühlen. So wird das Entweichen leicht flüchtiger Anteile verhindert und

gewährleistet, dass labile Bodeneigenschaften nur unerheblich verändert werden. Die zur

Korngrößenbestimmung entnommenen Massenproben werden nach der Entnahme mit dem

Pürckhauer und der Aufnahme der Geländeparameter (genauere Ausführungen hierzu siehe

Bachelorarbeit Adrian Ostermann) in Plastikbeutel abgefüllt. Pro Probe werden zwischen zwei

und drei Beutel benötigt, die nach Bodenhorizonten getrennt und mit Probennummern

beschriftet werden. Da bei Massenproben Gefügeveränderungen unberücksichtigt bleiben,

stellt der Transport vom Untersuchungsgebiet zum Bodenlabor in der Regel kein Hindernis

dar.

Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben

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4. Analyse der Bodenproben

4.1. Verwendete Geräte

Für die Trockensiebung wurden folgende Geräte verwendet:

· Rüttelmaschine „Retsch AS 200 control“

· 5 Siebe mit Öffnungsweiten von:

· Pinsel

· Mörser mit Pistill

Für die Nasssiebung kamen zum Einsatz:

32 mm

16 mm

8 mm

4 mm

2 mm

Abbildung 10: Retsch AS 200 control (Retsch, 2014)


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· Rüttelmaschine „Retsch AS 200 control“ mit Nasssiebungszubehör

· 5 Feinsiebe mit Öffnungsweiten von:

· Bechergläser

Die Schlämmanalyse wurde mit diesen Geräten durchgeführt:

· Eijkelkamp Pipettiergerät „08.16.SA“

· 6 Schlämmzylinder

· Stoppuhr

· Eindampfschalen

1 mm

500 µm

250 µm

125 µm

63 µm

Abbildung 11: Wasserbad für die temperaturkonstante Analyse

Abbildung 12: bewegliche Pipettiereinheit


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Weitere verwendete Ausrüstung:

· Trockenschrank der Firma Binder

· Präzisionswaage mit Wägschälchen

Alle zum Einsatz gekommenen Geräte wurden vor der Durchführung der Analyse genauestens

auf Fehler untersucht, auf Beschädigungen überprüft und exakt kalibriert.

Abbildung 13: Trockenschrank

Abbildung 14: Präzisionswaage mit Glashaube


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4.2. Vorbereitungen im Labor

Im Bodenlabor wird mit der Einwaage der Proben, auf 0,1 g genau, begonnen. Anschließend

werden die Leergewichte der einzusetzenden Siebe bestimmt. Sind alle Einzelmassen auf ±

0,1 g genau ausgewogen, kann mit der Trockensiebung begonnen werden (siehe 4.3.1.).

Nach Abschluss des ersten Schritts werden die Proben von organischen Anteilen befreit,

indem 10 g luftrockener Boden mit 100 ml einer 15 %-igen -Lösung versetzt werden.

„Wasserstoffperoxid kann sich mit einigen Formen organischer Substanzen,

Manganverbindungen und fein partikularisierten Eisensulfiden, die alle im Boden vorhanden

sein können, sehr heftig zersetzen.“ (DIN 11277, 1994) Dies kann durch die Zugabe einer

geringen Menge Ethanol oder Methanol gesteuert werden. Nach 15 stündiger Einwirkzeit

kann die Probe verwendet werden, sofern die organische Substanz restlos reagiert hat. Nach

Trocknung im Trockenschrank bei 40°C werden die Proben erneut gewogen und ihre

Trockenmasse notiert. Der nächste Schritt ist das Herstellen eines Dispergiermittels. Es wird

benötigt, um das Phänomen der Koagulation, was als Flockenbildung zwischen Teilchen

beschrieben werden kann, zu unterbinden. Dazu werden 40 g eines Antikoagulationsmittel

wie z.B. Natriumpyrophosphat nach (DIN 18123, 2011) mit einem Liter

deinonisiertem Wasser gemischt. Nach einer Einwirkzeit von 24 Stunden kann die Lösung

verwendet werden.

Vorbereitungen für die Schlämmung bestehen aus der präzisen auf 0,0001 g genauen

Einwaage der Eindampfschälchen, in denen die abpipettierte Suspension getrocknet werden

soll. Dazu mussten die Schälchen noch vor der Einwaage etikettiert werden, um eindeutig

zuordenbar zu sein und das Eigengewicht der Etiketten nicht unberücksichtigt zu lassen. Des

Weiteren werden die Schlämmzylinder mit exakt 1000 ml deionisiertem Wasser gefüllt. Um

anerkannter Analysereinheit zu entsprechen, muss das Wasser bei 25°C eine Leitfähigkeit

< 0,1 haben.


20

4.3. Versuchsdurchführung

4.3.1. Trockensiebung

Die luftgetrocknete Probe wird gemörsert, falls sich Bodenbestandteile verhärtet haben. Die

Zerkleinerung ist sehr vorsichtig durchzuführen, damit die natürliche Kornzusammensetzung

erhalten bleibt. Es ist darauf zu achten, dass keine Bruchteile von Primärteilchen abgetrennt

werden (DIN 11277, 1994), was bei der Auswertung zu abweichenden Ergebnissen führen

würde. Anschließend werden die Siebe mit von oben nach unten abnehmenden

Öffnungsweiten gestapelt und ein Auffangbehälter unter das feinste Sieb gestellt. Die

Trockensiebung kann bis zu einer Öffnungsweite von 2 mm erfolgen, da dies die Grenze zu

den Sandfraktionen darstellt. Sind die Siebe mit der Probe bestückt und der Siebstapel mittels

eines Glasdeckels fixiert, kann das Gerät mit einer Amplitudeneinstellung von 2 mm und einer

Zeiteinstellung von 10 min (DIN 66165-1, 1987) in Betrieb genommen werden. Nach Ablauf

der Zeit werden die einzelnen Siebe mit ihrem jeweiligen Inhalt erneut gewogen und die

Differenz zum Leergewicht der Siebe gebildet. Die errechneten Teilmassen müssen jetzt noch

ins Verhältnis zur Gesamtmasse der aufgegebenen Probe gesetzt werden. Anschließend

Abbildung 15: genormtes Sieb (Öffnungsweite 2 mm)


21

lassen sich, wie in Abbildung 16 zu sehen, die unterschiedlichen Korngrößen und ihr

prozentualer Anteil an der Gesamtmasse als Körnungslinien in einem Diagramm darstellen.

4.3.2. Nasssiebung

Auf die Trockensiebung folgt für einen genaueren Aufschluss der Feinfraktionen die

Nasssiebung. Wurden alle in 5.2. genannten Schritte durchgeführt, kann als Ausgangsmaterial

für eine Nasssiebung dann der Anteil der Gesamtprobe verwendet werden, der das 2 mm Sieb

Abbildung 16: Beispiel für Körnungslinien

Abbildung 17: Deckel zur Nasssiebung mit Wasseranschluss und Düse


22

passiert hat. Der Versuchsaufbau bleibt gleich, nur dass der Deckel des Siebturms durch einen

mit Wasserschlauchadapter und der Siebboden durch einen mit Wasserablauf ersetzt werden.

Die Öffnungsweiten der Siebe für die Nasssiebung liegen im Bereich von Grob- bis Feinsand.

Hier werden für die Nasssiebung Öffnungsweiten von 1 mm, 500 µm, 250 µm, 125 µm und

63 µm verwendet. Das Aufgabegut wird in einem Becherglas mit 150 ml bis 200 ml gereinigtem

Wasser in Suspension gebracht und 25 ml Dispergierlösung zugegeben. Nach der Einwirkzeit

wird die Suspension auf den obersten Siebboden gegeben und mit einem feinen Pinsel

möglichst gleichmäßig verteilt. Alle verwendeten Gefäße werden mit gereinigtem Wasser

nachgespült und auch das Spülwasser wird dem Nasssiebungsapparat zugeführt. Ist der

Glasdeckel befestigt und durch einen angeschlossenen Schlauch mit dem Wasseranschluss

verbunden, wird die Nasssiebung gestartet. Durch den Siebdeckel wird mittels einer Düse

vorsichtig destilliertes Wasser eingespritzt, um die feinen Bodenpartikel durch das Sieb zu

„waschen“. Das Gesamtvolumen der während der Siebung zugegebenen Flüssigkeit sollte

nicht mehr als 500 ml betragen (DIN 11277, 1994). Dieser Wert kommt durch das Volumen

des Schlämmzylinders zustande, das nur maximal 1000 ml betragen darf. Die am Siebboden

ausfließende Suspension wird wenn möglich direkt in einem Schlämmzylinder aufgefangen,

um eine Pipettanalyse der Fraktionen < 63 µm anschließen zu können.

Abbildung 18: Auffangschale Nasssiebung mit Auslauf


23

4.3.3. Pipettanalyse

Die Pipettanalyse zählt zu den „Sedimentationen in der ruhenden

Flüssigkeit“ (GESSNER, 1931), weil die Trennung der verschiedenen

Korngrößen anhand ihrer unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten

erfolgt und jede Turbulenz innerhalb der Suspension im

Schlämmzylinder das langsame Absinken der Bodenpartikel

empfindlich stören kann. Nach dem Auswaschen der Feinanteile

durch die Nasssiebung befinden sich diese nun in Suspension in

einem Schlämmzylinder. Der Zylinder wird für die Analyse in ein

Wasserbad mit eingetauchter Heizspirale gestellt, um die

Temperatur konstant halten zu können und dadurch den

reibungslosen Ablauf der Sedimentation zu gewährleisten. Die

Temperatur für das Wasserbad ist frei wählbar, da in der Gleichung

von STOKES die sich aufgrund der Temperatur verändernden

Viskositätseigenschaften des Wassers berücksichtigt werden. Somit

können die Sinkgeschwindigkeiten mit dieser Gleichung neu

errechnet werden. Es bietet sich allerdings an, eine Temperatur von

20°C zu wählen. So ergeben sich - wie bereits unter 4.1. erwähnt - die

rechnerisch einfachsten Parameterwerte. Orientiert man sich beim

Vorgehen an der DIN 11277, können bereits vorgerechnete Werte für

die Entnahmezeiten bei der Pipettanalyse genutzt werden. Ist die

Probe in den Schlämmzylinder (Abbildung 14) eingefüllt und durch

Schütteln gleichmäßig verteilt, wird die Stoppuhr gestartet. Die erste

Entnahme mit Pipette S (vgl. Abb. 12) in einer Eintauchtiefe von

10 cm erfolgt nach 56 s (siehe Anhang D). Über den Ansaugballon an

Punkt A wird so lange pipettiert bis das Probeentnahmevolumen P

gänzlich gefüllt ist. Jetzt wird Hahn K2 so eingestellt, dass Ablauf D

geöffnet ist und überschüssige Probenflüssigkeit abfließen kann.

Nach Öffnen von Hahn K3 reinigt Spülwasser aus Vorratskugel W die

Überlaufkugel F und wird über D abgeführt. Nach Schließen von Hahn

Abbildung 19: Schlämmzylinder

1000 ml


24

K3 wird Hahn K1 geöffnet, damit die Probe über Auslauf E in eine Eindampfschale fließen kann.

Ist dies geschehen, werden K2 und K3 wieder geöffnet um erneut Spülwasser aus W zu

entlassen. Dieses fließt durch P und E, um am Glas haftende Restpartikel auszuspülen

(Eijkelkamp Agrisearch Equipment, 2009). Auch das Spülwasser wird mit der

Eindampfschale aufgefangen. Das hier beschriebene Vorgehen bleibt für alle folgenden

Entnahmen gleich. Ist die erste Menge zur Analyse des Grobschluffanteils (0,063 mm) aus

einer Probe entnommen, erfolgt nach 4 min 38 s die zweite Entnahme für den

Mittelschluffanteil (0,020 mm) , darauf nach 51 min 35 s die dritte für den Feinschluffanteil

(0,006 mm) und nach 7 h 44 min 16 s die Letzte für den Tonanteil (0,002 mm).

Sind alle Proben abpipettiert und in den Eindampfschalen, werden diese in den

Trockenschrank gestellt und bei 105°C beheizt.

Abbildung 20: Pipette (S) mit Entnahmeapparatur (Eijkelkamp Agrisearch Equipment, 2009)


25

Während dieser Zeit verdampft das Wasser und zurück bleibt der reine Anteil der

Feinfraktionen. Nach der Trocknung werden die Eindampfschalen mit Inhalt erneut auf

0,0001 g genau gewogen und wiederum die Differenz zum Leergewicht errechnet. Nach DIN

11277 lautet die Berechnungsformel der Feinanteile wie folgt:

Mit: = Masse der Schwebstoffe in 1000 ml Suspension [g]

= Masse des Materials bei der x-ten Probenahme [g]

= kalibriertes Volumen der Pipette [ml]

Abbildung 21: Eindampfschälchen nach Ofentrocknung

Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung

26

5. Auswertung

5.1. Darstellung der Ergebnisse

Die Ergebnisse der Dispersitätsbestimmung eines Bodens sollten grundsätzlich graphisch

dargestellt werden (GESSNER, 1931). Dies kann auf drei verschiedene Arten erfolgen.

„Die einfachste Darstellungsart ist der Stab, auf welchem die prozentualen Anteile

übereinander als Strecken aufgetragen und angeschrieben werden.“ (GESSNER, 1931)

Abbildung 22: Stabdarstellung der Schlämmanalysenergebnisse


27

Am häufigsten wird allerdings die Darstellung anhand der Summenlinie der Fraktionen

gewählt. Im Folgenden werden beispielhaft zwei Körnungslinien besprochen.

Abbildung 23: Körnungslinie eines schluffigen Lehms

Alle Teilchen < 0,002 mm gehören der Tonfraktion an, somit hat dieser Boden ca. 27 %

Tonanteil. Der Anteil des Schluffs liegt zwischen 0,002 mm und 0,063 mm und macht somit

knapp 50 % aus. Der Rest (23 %) ist ausschließlich der Sandfraktion zuzuordnen, da bereits bei

einer Öffnungsweite von 1 mm 100 % der Probe erfasst sind und diese Probe daher keinen

Kiesanteil besitzt. Mit den Werten aus der Körnungslinie lässt sich nun die Bodenart mit Hilfe

des Bodenartendreiecks aus Punkt 2.2. bestimmen:

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0,001 0,010 0,100 1,000 10,000

Beispiel 1

Abbildung 24: Auswertung zu

Beispiel 1: „schluffiger Lehm“


28

Weiteres Indiz für einen Lehmboden ist die Tatsache, dass die drei dem Lehm zugrunde

liegenden Fraktionen zu etwa gleichen Teilen auftreten. In diesem Fall sind Ton- und

Sandfraktion gleichstark ausgeprägt und die Schlufffraktion macht die restliche Hälfte an der

Gesamtprobe aus. Das führt zu der Bezeichnung „schluffiger Lehm“.

Abbildung 25: Körnungslinie eines mittel schluffigen Tons

Abbildung 26: Auswertung zu Beispiel 2: „mittel schluffiger Ton“

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0,001 0,010 0,100 1,000 10,000

Beispiel 2


29

Wenn Beispiel 1 dem B Horizont des analysierten Bodens entspricht und Beispiel 2 dem C

Horizont, dann kann mit Hilfe der „Standortkundlichen Bodenkarte“ (FETZER et al, 1986) der

gesamte Bodentyp ermittelt werden. Dazu sind in einem Beiheft für nahezu alle in Bayern

vorkommenden Bodentypen Vergleichswerte aufgeführt. Diese werden mit den ermittelten

Werten verglichen, um den Bodentyp möglichst genau bestimmen zu können. In diesem Fall

entspricht das Ergebnis dem Bodentyp Nr. 35 „Pseudogley aus tonig-schluffiger Jungmoräne“

(FETZER et al, 1986). Weitere Auswertungen finden sich in Anhang B.

Die dritte Methode ist die Veranschaulichung mittels der Flächendarstellung (siehe Abbildung

27). Hier werden wie bei der Summenlinie (Körnungslinie) auf der Abszisse die Korngrößen

angetragen und auf der Ordinate eine Funktion der Korngröße, welche der ersten Ableitung

der Summenlinie entspricht. Die so entstehenden Rechtecke geben durch ihre Höhe

Aufschluss über den prozentualen Anteil einer Korngröße.

Aus den Analyseergebnissen aller Proben vom Untersuchungsstandort konnten die folgenden

Bodentypen festgestellt werden. In Bereichen starker Hangneigung herrschen hauptsächlich

verschiedene Arten von Pararendzinaböden vor. Dies begründet sich im kalkhaltigen

Ausgangsgestein der nördlichen Alpen, denn dieser Bodentyp bildet sich häufig über

carbonathaltigem Ausgangsgestein. In flacheren Bereichen höherer Lagen sind Pseudogley

sowie pseudovergleyte Braunerde anzutreffen. Im Bereich des Unterhangs, der als Weide

genutzt wird, liegen verschiedene Typen von Braunerdeböden vor. Auf den prozentualen

Anteil der einzelnen Bodentypen am gesamten Untersuchungsgebiet lassen sich aufgrund des

begrenzten Probenahmebereichs keine Rückschlüsse ziehen.

Abbildung 27: Vereinfachte Flächendarstellung


30

5.2. Möglichkeiten zur Überprüfung der Ergebnisse

Generell können bei einer Siebanalyse folgende Fehlerquellen auftreten (DIN 66165, 1987):

· Fehler beim Wiegen

· Masseverluste durch in den Sieböffnungen verklemmte oder am Sieb anhaftende

Partikel

· Fehler bei der Trenngrenzenermittlung

· Änderung des Siebgutes während der Siebung durch Agglomeration oder Abrieb

Für die Auswertung der Ergebnisse muss deshalb der Gesamtfehler ermittelt werden. Wenn

dieser größer drei Prozent beträgt, sollte die vorhergehende Analyse wiederholt werden

(BLUME et al., 2010).

Der Gesamtfehler ist ein negativer Wert, der den Siebverlust bezogen auf die Gesamtmasse

angibt. Die Ermittlung dieses Werts ist in Anhang C zu finden.

Fehlerquellen während der Schlämmanalyse stellen meist die angenommenen Parameter dar.

Die Widerstandsformel enthält den Faktor der Teilchendichte und wird in der Regel mit 2,65

angenommen. Würde die tatsächliche Teilchendichte einer Bodenprobe von diesem Wert

abweichen, müssen die errechneten Sedimentationszeiten und –tiefen um drei Prozent je

0,05 Dichteabweichung angepasst werden (BLUME et al., 2010). Außerdem muss

teilweise auch davon ausgegangen werden, dass Partikel der annähernden Kugelform nicht

entsprechen, vgl. die unter Punkt 3.1. genannte Prämisse. Solche Teilchen könnten

fälschlicherweise einer feineren Fraktion zugeordnet werden, da sie beim Sedimentations-

vorgang im Schlämmzylinder eine unverhältnismäßig höhere Reibung aufweisen und somit

langsamer absinken. Die bei der Schlämmanalyse eventuell entstandenen Fehler konnten mit

der für die Untersuchung verwendeten Laborausrüstung nicht überprüft werden.


31

Eine weitere Möglichkeit, die Genauigkeit eines Analyseergebnisses zu bestimmen, besteht

durch die Ermittlung der Richtigkeit und der Präzision/Reproduzierbarkeit. Als Richtigkeit

eines Ergebnisses bezeichnet man die Abweichung vom wahren Wert. Ursachen hierfür stellen

sogenannte systematische Fehler dar, die z.B. durch unsauberes Arbeiten, falsche

Handhabung der Messgeräte oder ein zu ungenaues Analyseverfahren entstehen können. Den

zweiten Faktor der Genauigkeit stellt die Präzision dar. Die Präzision, auch Reproduzierbarkeit

genannt, ist eine Größe aus der mathematischen Statistik. Ihr liegen die Varianz bzw.

die Standardabweichung zugrunde, die ein Maß für die Streuung der

Ergebnisse um den Mittelwert sind (siehe Abbildung 28). ist hierbei eine Zufallsvariable,

wobei mögliche Realisierungen dieser Variablen in Form verschiedener Ergebnisse

derselben Analyse darstellen (DIN ISO 5725-2, 2002). Diese Art der Überprüfung wurde der

Vollständigkeit wegen erläutert jedoch nicht durchgeführt.

Abbildung 28: Faktoren der Genauigkeit (Thiery, 2011)


32

5.3. Erstellung einer GIS Bodenkarte

Die Erstellung der GIS (Geo-Informations-System) Bodenkarte dient der Veranschaulichung

der genauen Orte, an denen Proben entnommen wurden, sowie der an diesen Punkten

vorherrschenden Bodentypen. Eine solche Bodenkarte kann mit Hilfe des Programms

„ArcMap“ (ESRI (Environmental Systems Research Institute)) erstellt werden. Das

Programm arbeitet mit sogenannten „Layern“. Diese können topologische Karten mit

Raumbezug, d.h. Karten mit Lageinformationen in Form von kartesischen Koordinaten oder

Kartenausschnitte mit speziellen Eigenschaften sein. Werden mehrere Layer im Programm

übereinandergelegt, so kann man z.B. für einen Wald dessen Totholzfläche ermitteln. Dazu

wird eine geographische Landkarte mit den Luftbildern eines Waldüberflugs überlagert. Durch

die in der Karte hinterlegten Flächendaten lässt sich nach Auswahl der betroffenen Gebiete

deren Gesamtfläche ermitteln. Nach demselben Prinzip funktioniert dies mit den

Informationen über Bereiche eines bestimmten Bodentyps.

Abbildung 29: GIS Karte mit Feature-Punkten


33

Weiterhin lassen sich auch sogenannte „Features“ kreieren, wie es in dieser Arbeit

Anwendung fand. Hier wurden die Probenahmeorte mittels der vor Ort bestimmten GPS-

Daten als Feature eingefügt und mit „Feature-Infos“ versehen, die Aufschluss über den

Bodentyp an der entsprechenden Entnahmestelle geben (Tabelle in Abbildung 29). Die

Originalkarte ist in der Anlage D beigefügt.

5.4. Bewertung der Analyse

Durchgeführte Arbeiten: Aufteilung der Arbeitszeit

von ca. 300h

Beschaffung Literatur 5% = 15 h

Einlesen in die Methodik 10% = 30 h

Vergleich der im Labor vorhandenen Ausrüstung mit den

tatsächlich Benötigten und Beschaffung

2% = 6 h

Probenahme im Gelände 8% = 24 h

Trocknung der feldfrischen Proben im Labor 2% = 6 h

Durchführung der Trockensiebung 10% = 30 h

Herstellen eines geeigneten Dispergiermittels 1% = 3 h

Durchführung der Nasssiebung 10% = 30 h

Durchführung der Schlämmanalyse mit dem Pipettgerät 35% = 105 h

Berechnung und Aufbereitung der Ergebnisse 5% = 15 h

Einfügen der Probenahmepunkte mit ermittelten

Resultaten in GIS-Karte

5% = 15 h

Sonstiges 10% = 30 h

Die Literaturrecherche und die Theorie der angewendeten Analysemethode stellten durch das

bereits vorhandene Basiswissen keine Probleme dar. Zur Laboreinrichtung lässt sich

anmerken, dass ein voll ausgestattetes Bodenlabor mit allen Geräten, die für eine genaue

Korngrößenbestimmung vonnöten sind, sehr kostspielig ist, da nicht nur die Analysegeräte

selbst, sondern auch eine Präzisionswaage und diverse weitere Hilfsmittel benötigt werden.

Die Durchführung der Trocken- und Nasssiebung lief reibungslos ab. Die anschließende

Berechnung des Siebfehlers führte in nur zwei Fällen zu größeren Abweichungen. Ein Grund


34

für die guten Ergebnisse stellte das neue und ausgezeichnet funktionierende Siebgerät dar.

Eine direkt am Siebgerät anschließbare Waage sowie eine Vollversion des nur als Demoversion

zum Gerät mitgelieferten Programms „easy sieve“ (RETSCH) wäre in Bezug auf effiziente

Arbeitsabläufe sehr zu empfehlen. Die Schlämmanalyse hat sich in erster Linie als sehr

zeitaufwändig erwiesen, wobei hier insbesondere die Ermittlung der Tonfraktionen zu

erwähnen ist. Würde man allein die Schlufffraktionen ermitteln wollen, so könnten pro Tag

wahrscheinlich bis zu 20 Proben ausgewertet werden. Durch die Wartezeit von knapp acht

Stunden, die sich aus der sehr langsamen Sedimentation der Tonfraktion ergibt, können pro

Arbeitstag jedoch nur so viele Schlämmungen durchgeführt werden, wie Schlämmzylinder zur

Verfügung stehen bzw. wie viele Schlämmzylinder in das temperaturkonstante Wasserbad des

Pipettiergeräts passen. In diesem Fall waren sechs Zylinder vorhanden, von denen, bedingt

durch die unterschiedlichen Entnahmezeiten, nie alle parallel betrieben werden konnten.

Die Erstellung einer GIS Karte ist für einen im Umgang mit dem Programm „ArcMap“

Ungeübten zunächst durchaus schwierig. Die im Programm integrierten Tools werden erst

nach intensiver Benutzung des Hilfeprogramms verständlich.

Bachelorarbeit Pascal Offermann Diskussion der Ergebnisse

35

6. Diskussion der Ergebnisse

6.1. Vergleich mit alternativen Analysemethoden

Weitere gebräuchliche Sedimentiermethoden sind der Zylinder nach ATTERBERG, das

Dekantieren durch Heber, das Aräometerverfahren und die Windsichtung.

Der ATTERBERG-Schlämmzylinder fasst ebenfalls ein Volumen von einem Liter, besitzt eine

wenige Zentimeter über dem Boden befindliche Auslassöffnung mit Hahn und ist

zentimeterskaliert. Nach Zugabe der Suspension in den Schlämmzylinder werden durch den

Hahn zur Bestimmung einer Korngröße, mehrfach 20 cm von der Suspension entnommen. Die

Entnahmezeiten folgen dabei tabellierten Werten. Bereits sedimentierte Partikel verbleiben

unterhalb des Entnahmehahns und dies ermöglicht die Analyse der im Zylinder schwebenden

Bodenanteile. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Wasser nach den

vorgeschriebenen Zeiten keine Trübung mehr aufweist (ATTERBERG, 1912). Diese Methode

ist insgesamt jedoch verhältnismäßig zeitraubend, da bei 20°C konstanter Temperatur

Sedimentationszeiten von über 57 Stunden nötig sind.

Die zweite Methode, das Dekantieren durch Heber, funktioniert ähnlich der ATTERBERG-

Methode, nur dass die Suspension nicht über einen Hahn abgeführt, sondern mit einem Heber

dekantiert wird. Dies erfordert einiges Geschick, um Wasserverwirbelungen zu vermeiden

(KÖSTER, 1960)

Das Aräometer ist so beschaffen, dass es sich in destilliertem Wasser in einer bestimmten

Schwimmlage befindet. Die Schwimmlage ist abhängig von der Dichte einer Suspension und

kann so mittels einer Skala auf dem Schwimmkörper erfasst werden. Bei dieser Methode

können dann über ein von CASAGRANDE entwickeltes Nomogramm (DIN 18123, 2011) die

STOKES´schen Fallzeiten mit den Aräometerablesungen verbunden werden (siehe

Anhang D).

Bachelorarbeit Pascal Offermann Diskussion der Ergebnisse

36

6.2. Kombination mit der Fingerprobe

Die Fingerprobe ist ein Feldversuch, der sich zur Bestimmung der Bodenart die speziellen

Eigenschaften der Bodenpartikel und ihres Verhaltens beim Zerreiben zunutze macht. So

können auf jeden Fall die vier Hauptbodenarten (Abbildung 2) unterschieden werden. Die

Sieb- und Schlämmanalyse kann insofern gut mit einer vorausgehenden Fingerprobe

kombiniert werden, da man aus dem Feldversuch bereits die Hauptbestandteile des Bodens

kennt und nur noch die genauen Massenprozentanteile der Fraktionen ermitteln muss, um

die Bodenart eindeutig zu bestimmen. Das hat bei der Erstellung dieser Arbeit sehr gut

bewährt, da die beim Feldversuch bestimmten Bodenarten meist mit den Ergebnissen der

Laboranalyse übereingestimmt haben. Schwierigkeiten waren zu erkennen, wenn zwei sehr

dominante Feinfraktionen vorlagen. Hier konnte erst durch die Schlämmung deren genaue

Anteile bestimmt und daraus die Bodenart abgeleitet werden. Festgestellt wurde bei der

Laboranalyse, dass es sich anbietet, jeweils eigene Proben für die Fingerprobe und das

kombinierte Sieb- und Schlämmverfahren zu ziehen. Durch die Auswertung mit der

Fingerprobe wurde die Bodenprobe oft stark zusammengedrückt, so dass bindige Böden nach

der Trocknung in großen Klumpen vorlagen. Diese mussten erst aufwendig zerkleinert

werden, bevor mit der Siebung fortgefahren werden konnte.

Bachelorarbeit Pascal Offermann Zusammenfassung und Ausblick

37

7. Zusammenfassung und Ausblick

Das Ziel dieser Arbeit lag in der Ermittlung der im Sachenbachgebiet vorkommenden

Bodentypen mit der Sieb- und Schlämmanalyse.

Nach Darstellung der für diese Art von Analyse wichtigsten bodenkundlichen Grundlagen

wurde das theoretische Vorgehen bei einer Sieb- und Schlämmanalyse beleuchtet.

Anschließend wurden wichtige Punkte für die Probenbeschaffung erläutert.

Mit der Sieb- und Schlämmanalyse wurde dann die Korngrößenverteilung der aus dem

Untersuchungsgebiet stammenden Bodenproben ermittelt. Auf Grundlage der Ergebnisse

dieser bodenkundlichen Laboranalyse wurden Körnungssummenlinien erstellt, die mit Hilfe

der zu Beginn der Arbeit erläuterten Grundlagen der Bodenklassifikation zur eindeutigen

Bestimmung der Bodentypen genutzt wurden.

Weiterhin wurden alternative Analysemethoden dargestellt sowie Möglichkeiten zur

Überprüfung der Ergebnisse besprochen. Eine Visualisierung der Probenahmeorte und der

zugehörigen Bodentypen wurde mit einer GIS-Bodenkarte bewerkstelligt.

Die Resultate dieser Arbeit können Aufschluss über die langfristige Bodenentwicklung und

ihres Abflussverhaltens geben sowie als Basis für weitere bodenkundliche Untersuchungen im

Sachenbachgebiet genutzt werden.


38

IV. Literaturverzeichnis AG Bodenkunde. (1994). Bodenkundliche Kartieranleitung. Hannover.

ATTERBERG, A. (1912). Die mechanische Bodenanalyse und die Klassifikation der Mineralböden

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V. Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, die vorliegende Bachelorarbeit nach FPO 20081 selbstständig verfasst

und keine anderen als die angegebenen Quellen benutzt zu haben. Alle Ausführungen, die

anderen Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden und Abbildungen sind

kenntlich gemacht und die Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Fassung nicht Bestandteil einer

anderen Studien- oder Prüfungsleistung gewesen.

_________________________ _________________________

Ort, Datum Pascal Offermann


40

VI. Anhang

A Auswertung Analyseergebnisse

B Statistische Auswertung der Analyseergebnisse

C Nomogramm nach CASAGRANDE

D GIS-Bodenkarte

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