1、Juli 2012DEUTSCHE NORM Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DINPreisgruppe 9DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 13.080.20; 65.060.35!$|E+“1893408www.din.deDDIN
2、19683-9Bodenbeschaffenheit Physikalische Laboruntersuchungen Teil 9: Bestimmung der Wasserdurchlssigkeit in wassergesttigtenStechzylinderbodenprobenSoil quality Physical laboratory tests Part 9: Determination of the saturated hydraulic water conductivity in the cylindricalcore-cutterQualit du sol Ex
3、amens physique de laboratoire Partie 9: Dtermination de la permabilit leau dans des chantillons de sol saturs eneau pris par la canne dchantillonnage cylindriqueAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinErsatz frDIN 19683-9:1998-05www.beuth.deGesamtumfang 13 SeitenDIN 19683-9:201
4、2-07 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 Einleitung 4 1 Anwendungsbereich 5 2 Normative Verweisungen . 5 3 Begriffe 5 4 Grundlagen 5 5 Durchfhrung 5 5.1 Allgemeines . 5 5.2 Vorbereitung der Proben . 6 5.3 Messung 6 5.3.1 Allgemeines . 6 5.3.2 Stationre Strmung 7 5.3.3 Instationre Strmung . 7 6 Prfbericht . 9
5、 Anhang A (normativ) Prinzipskizzen zur Messung der Wasserdurchlssigkeit in wassergesttigten Stechzylinderbodenproben bei stationrem und instationrem Wasserfluss . 10 Literaturhinweise . 13 DIN 19683-9:2012-07 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Unterausschuss NA 119-01-02-02 UA Chemische und physik
6、alische Verfahren“ des Arbeitsausschusses NA 119-01-02 AA Abfall- und Bodenuntersuchung“ im Normenausschuss Wasserwesen (NAW) erarbeitet. Es wird empfohlen, bei den Felduntersuchungen Fachleute oder Facheinrichtungen einzuschalten. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dok
7、uments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Die Normenreihe DIN 19683 Bodenbeschaffenheit Physikalische Laboruntersuchungen besteht aus: Teil 9: Bestimmung der Wasserdurchlssigkeit in wass
8、ergesttigten Stechzylinderbodenproben Teil 13: Bestimmung des Substanzanteils, Porenanteils und der Porenziffer Teil 14: Bestimmung des Substanzanteils von Moorbden Teil 16: Bestimmung der Aggregatstabilitt nach dem Siebtauchverfahren Die Teile 1 bis 5 sowie 11 und 12 dieser Normenreihe wurden durch
9、 DIN ISO-Normen ersetzt (siehe Literaturhinweise). Die Teile 6 bis 8, 10, 15, 17 bis 19 dieser Normenreihe wurden ohne Ersatz zurckgezogen. nderungen Gegenber DIN 19683-9:1998-05 wurden folgende nderungen vorgenommen: a) Titel den noch gltigen Normen der Reihe DIN 19683 angepasst; b) normative Verwe
10、isungen aktualisiert; c) Einleitung inhaltlich berarbeitet; d) Grundlagen redaktionell berarbeitet; e) Vorbereitung der Proben genauer beschrieben; f) Bilder aufgenommen (siehe Anhang A); g) Norm redaktionell berarbeitet. Frhere Ausgaben DIN 19683-9: 1973-04, 1998-05 DIN 19683-9:2012-07 4 Einleitung
11、 Die Wasserdurchlssigkeit oder Wasserleitfhigkeit eines wassergesttigten Bodens ist von Gre, Form und Kontinuitt der Hohlrume, von Bodenstruktur, Ausprgung der Sekundrporen und vom Gehalt an organischer Substanz abhngig und kann vor allem in inhomogenen Bden sehr stark entsprechend der Flierichtung
12、variieren. Sie ist eine wichtige Kenngre zur Charakterisierung des Wasserhaushalts eines Bodens, bei der Abschtzung physiko-chemischer Sorptionsprozesse, zur Beurteilung der mechanischen Filtereigenschaften und zur Bewertung der Erosionsanflligkeit sowie Drnbarkeit von Bden. Die Wasserdurchlssigkeit
13、 in wassergesttigten Stechzylinderbodenproben kann in geringem Umfang im Gelnde mit mobilen Messgerten bestimmt werden. Fr grere Serien, die eine statistische Absicherung ermglichen, sind Laborverfahren am besten geeignet, die unter vergleichbaren und weitgehend konstanten Untersuchungsbedingungen a
14、blaufen. DIN 19683-9:2012-07 5 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserdurchlssigkeit in wassergesttigten Stech-zylinderbodenproben fest. Das Verfahren ist fr Moorbden und Mineralbden in grundwasserfreien Horizonten mit geringem Grobbodenanteil anwendbar. 2 Normati
15、ve Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genomme
16、nen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 4047-3, Landwirtschaftlicher Wasserbau Begriffe Teil 3: Bodenkunde, Bodensystematik und Boden-untersuchung DIN 19672-1, Bodenentnahmegerte fr den Landeskulturbau Teil 1: Gerte zur Entnahme von Boden-proben in ungestrter Lagerung DIN ISO 10381-4, Bod
17、enbeschaffenheit Probenahme Teil 4: Anleitung fr das Vorgehen bei der Untersuchung von natrlichen, naturnahen und Kulturstandorten 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 4047-3. 4 Grundlagen Die Bodenwasserbewegung folgt den im Porenraum wirkenden Krften, vor allem
18、 der Gravitation, der Kapillaritt und dem Wasserdruck. Nach Darcy besteht in einer mit Wasser gesttigten Bodensule ein linearer Zusammenhang zwischen dem Durchfluss Q und dem antreibenden Druckgeflle I. Der Durchfluss je Zeiteinheit bezieht sich auf den Querschnitt des durchstrmten Bodens. Nach Einf
19、hrung der Propor-tionalittskonstante k ergibt sich die als Gesetz von Darcy bekannte Gleichung (1): Q = k I oder k = IQ(1) Durch eine mit Wasser voll gesttigte Stechzylinderbodenprobe wird senkrecht zum Probenquerschnitt ein Wasserstrom unter der Wirkung einer bekannten hydraulischen Druckdifferenz
20、geleitet. Aus dem Wasser-volumen, welches die Stechzylinderbodenprobe innerhalb einer bestimmten Zeitspanne oder mehrerer definierter Zeitabschnitte durchstrmt, ist die Wasserdurchlssigkeit (kf-Wert) zu berechnen. Die Messung der Wasserdurchlssigkeit in wassergesttigten Stechzylinderbodenproben kann
21、 nach zwei verschiedenen Messprinzipien durchgefhrt werden: a) mit stationrer Strmung (siehe 5.3.2); b) mit instationrer Strmung (siehe 5.3.3). 5 Durchfhrung 5.1 Allgemeines Von den verfgbaren Messgerten sollten die gewhlt werden, die bei Anwendung der Darcy-Gleichung unter grter Schonung der Stechz
22、ylinderbodenprobe und vertretbarem Arbeitsaufwand mglichst viele Proben mit ausreichender Genauigkeit zu untersuchen ermglichen. DIN 19683-9:2012-07 6 Vorzugsweise sind fr Durchlssigkeitsmessungen Stechzylinder mit einem Volumen von 250 cm3zu verwenden. Bei greren Volumina darf die Hhe des Zylinders
23、 seinen Durchmesser nicht berschreiten. Fr nicht bindige fein- bis grobsandige Bden knnen wegen der mechanischen Stranflligkeit der Probe allerdings hufig nur Stechzylinder mit einem Volumen von 100 cm3eingesetzt werden. 5.2 Vorbereitung der Proben Wasserdurchlssigkeitsmessungen knnen an Stechzylind
24、erbodenproben in gestrter oder in ungestrter Lagerung durchgefhrt werden. Bei einer in-situ-Probenahme in horizontbezogener, ungestrter Lagerung ist nach DIN 19672-1 und DIN ISO 10381-4 zu verfahren, wobei die Entnahmerichtung, horizontal oder vertikal, nach dem Anwendungszweck und dem Aussageziel f
25、estzulegen ist. Die Stechzylinderbodenproben sollen nach DIN ISO 10381-4 entnommen werden, wobei darauf zu achten ist, dass diese mglichst feldfrisch in ausgequollenem Zustand, also nahe Feldkapazitt entnommen werden. Die zu verwendende Stechzylindergre richtet sich nach Bodenart, Grobbodenanteil un
26、d Konsistenz, nach Horizontmchtigkeit, Durchwurzelung und Beimengungen. Vor der Messung und Aufsttigung ist jede Stechzylinderbodenprobe an den Schnittflchen auf raue, natrliche Bruchflchen visuell zu prfen. Proben mit Randstrungen sind zu verwerfen; ein Gltten der Oberflchen ist nicht zulssig. Der
27、Stechzylinder mit der Probe im naturfeuchten Zustand wird zur kapillaren Aufsttigung mit entlftetem (abgestandenem oder abgekochtem), elektrolytarmem Wasser von Raumtemperatur so in ein Gef mit Sandbett oder Filterplatte gestellt, dass er 1 cm in das Wasser eintaucht und Wasser ungehindert zutritt.
28、Die kapillare Sttigung ist beendet, wenn die obere Schnittflche der Bodenprobe durch einen dnnen Wasserfilm glnzend erscheint. Die Zugabe von Wasser auf die Stechzylinderoberflche zwecks Beschleunigung der Wasseraufsttigung ist nicht zulssig. Wassergesttigte Stechzylinderbodenproben, vor allem aus n
29、icht bindigem Bodenmaterial, sind gegen mechanische Erschtterungen zu schtzen und besonders vorsichtig zu bewegen. Ein erneutes Austrocknen der Stechzylinderbodenprobe vor der Messung ist unbedingt zu vermeiden. Die so vorbehandelte Probe wird oben und unten mit einem feinmaschigen Gewebe bedeckt, u
30、m das Aussplen der Bodensubstanz zu verhindern, und in die Messapparatur eingebracht. Das Gewebe darf die Wasserdurchlssigkeit der Stechzylinderbodenprobe vor allem bei sehr gut durchlssigen Sandbden nicht behindern. In der Messapparatur wird zur vollstndigen Sttigung der Stechzylinderbodenprobe und
31、 zur Austreibung der Luft aus den weiten Grobporen der Wasserspiegel um 2 mm bis 5 mm je h angehoben, bis das Wasser knapp ber der Probenoberflche steht. Damit gilt die Probe als wassergesttigt und die Messung darf durchgefhrt werden. 5.3 Messung 5.3.1 Allgemeines nderung des Quellungszustandes der
32、Stechzylinderbodenprobe, des Ionenbelages der Austauscher, Luftabscheidung aus dem Perkolationswasser und Bakterienwuchs knnen die Messungen stark beeinflussen. Zu hohe Fliegeschwindigkeiten und Drcke verursachen Turbulenzen und berschreiten damit den Gltigkeitsbereich der Darcy-Gleichung. Auch sind
33、 wassergesttigte strukturarme Bden hufig instabil, weshalb es durch Erosion innerhalb der Stechzylinderbodenprobe zu irreversiblen Vernderungen kommen kann. Um im Labor den weit verbreiteten natrlichen Fliebedingungen am nchsten zu kommen, sollte mit kurzen Perkolationszeiten, geringen Gradienten be
34、i laminaren Strmungsverhltnissen sowie sto- und erschtte-rungsfrei gearbeitet werden. DIN 19683-9:2012-07 7 Die Messdurchfhrung richtet sich nach der Konstruktion der jeweiligen Messapparatur. Grundstzliche Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen nur hinsichtlich der Perkolationsrichtung (siehe
35、 Anhang A). Die Richtung des Wasserflusses in der Stechzylinderbodenprobe hat in der Regel keinen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis. Die Empfindlichkeit fr die Wasserniveaufhler muss bei 1 mm, fr die Perkolationsmenge bei 0,1 ml liegen. Temperaturschwankungen von 2 C knnen unbercksichtigt blei
36、ben. Die Messung selbst beginnt nach etwa 10 min bis 15 min, nachdem sich aufgrund von berschlagsmessungen oder nach Augenschein ein konstanter Durchlauf eingestellt hat. Whrend der Messung muss die Stechzylinderbodenprobe vllig im Wasser stehen. 5.3.2 Stationre Strmung Es wird die durch eine Stechz
37、ylinderbodenprobe perkolierende Wassermenge unter Einhaltung eines konstanten Druckgeflles (Druckhhendifferenz) in einem bestimmten Zeitabschnitt gemessen. Die Flierichtung ist je nach Messapparatur vertikal abwrts oder vertikal aufwrts gerichtet (siehe Anhang A, Bilder A.1 und A.2). Fr Serienunters
38、uchungen in entsprechend gro ausgelegten Messapparaturen ist es zweckmig, entweder die Zeitabschnitte oder das perkolierende Wasservolumen konstant zu halten. Die Berechnung der gesttigten Wasserdurchlssigkeit (kf-Wert) in cm/s nach dem Verfahren der stationren Strmung erfolgt aus der Ableitung der
39、Darcy-Gleichung (1) nach Zurckfhrung auf die einzelnen zu messenden Gren nach Gleichung (2): hltFVk=f(2) Dabei ist V das perkolierende Wasservolumen, in cm3; F der Fliequerschnitt der Stechzylinderbodenprobe, in cm2; t die Zeit des Wasserdurchflusses, in s; l die Hhe der Bodensule in Flierichtung, i
40、n cm; h die hydraulische Druckhhendifferenz, in cm. Bei Wasserdurchlssigkeitswerten ber 3,5 103cm/s sollte der gertespezifische Wasserdurchlssig-keitswert kfGbercksichtigt werden. Er wird unter sonst gleichen, stationren Bedingungen an einem leeren Stechzylinder bestimmt. Der korrigierte Wasserdurch
41、lssigkeitswert des Bodens kfkin cm/s errechnet sich nach Gleichung (3): )/1/1/(1fGfkfkkk = (3) Dabei ist kfGder gertespezifische Wasserdurchlssigkeitswert, in cm/s. 5.3.3 Instationre Strmung Das Verfahren der instationren Strmung stellt hufig ein ergnzendes Messverfahren zur stationren Strmung dar,
42、wenn die Werte der Wasserdurchlssigkeit einer Stechzylinderbodenprobe so gering werden, DIN 19683-9:2012-07 8 dass uere Einflsse (z. B. Verdunstungseffekte) oder gertetechnische Einschrnkungen das Ergebnis zu beeinflussen beginnen. Beim instationren Verfahren wird die durch eine Stechzylinderbodenpr
43、obe perkolierende Wassermenge nicht gemessen, sondern aus der nderung des absinkenden Wasserstandes in einem Messrohr (Druck-hhendifferenz) berechnet. Die Flierichtung ist vertikal abwrts gerichtet (siehe Anhang A, Bild A.3). Die Berechnung der Wasserdurchlssigkeit (kf-Wert) in cm/s nach dem Verfahr
44、en der instationren Strmung erfolgt aus der umgeformten Darcy-Gleichung (1) nach Gleichung (4): 21flnhhtlFfk= (4) Dabei ist f die innere Flche des Messrohres, in cm2; F der Fliequerschnitt der Stechzylinderbodenprobe, in cm2; kfdie Wasserdurchlssigkeit in cm/s; l die Hhe der Bodensule in Flierichtun
45、g, in cm; t die Zeit von Messbeginn h1bis Messende h2, in s; h1die hydraulische Druckhhendifferenz bei Messbeginn, in cm; h2die hydraulische Druckhhendifferenz bei Messende, in cm. Die Messspanne liegt zwischen 103cm/s und 107cm/s. Sie kann nach oben und unten durch Vergrerung oder Verkleinerung der
46、 Messrohrskala geringfgig erweitert werden. Um einen durchschnittlichen, reprsentativen kf-Wert zu erhalten, sind aufeinanderfolgende Messungen i auch mit dem instationren Verfahren mglich. Bei kreisfrmiger Flche des Messrohres und der Stechzylinderbodenprobe sowie bei Umwandlung des natrlichen in d
47、en dekadischen Logarithmus ergibt sich kfin cm/s aus Gleichung (4): 1lg3,2iii2pMf+=hhtlrrk(5) Dabei ist i die Anzahl an Messungen, i = 1 bis n; rMder innere Radius (oder Durchmesser) des Messrohres, in cm; rpder Radius (oder Durchmesser) der Stechzylinderbodenprobe, in cm; tidie Zeitschritte von Mes
48、sbeginn hibis Messende hi+1, in s. Die Messungen knnen entweder kontinuierlich oder durch Nachfllen des Messrohres erfolgen, wobei das Verhltnis hi/hi+1nicht grer als 1,10 sein sollte. DIN 19683-9:2012-07 9 Der Wasserdurchlssigkeitswert oder kf-Wert kann auch als Einheit auerhalb des SI-Systems (Systme International dUnits) in cm/d angegeben werden. BEISPIELE cm/s = 8,64 104cm/d oder cm/d = 1,16 105cm/s Die Streuungen der Einzelwerte knnen erfahrungsgem mehr als zwei Zehnerpotenzen betragen, zumal wenn Randeinflsse, Wurmrhren oder stark
