4 Hauptversuche: Quantitäten des Wasser- und Stofftransportes in 1 m³-Glaslysimetern

4.2 Messvorrichtungen, Füllmaterial und Analytik

4.2.1 Lysimeter

4.2.1.1 Ausmaße und Material

Form: Quader (oben offen)

Grundfläche: 1500 • 600 mm (Innenmaß)

Höhe: 1200 mm

Füllhöhe: 1150 mm

Sandinhalt: ≈ 1 m³

Sandgewicht: ca. 1,7 t trockener Sand

Lagerungsdichte: Ø 1,73 g/cm³ im ersten Versuch mit Sand 630 - 355 µm Ø

Ø 1,71 g/cm³ im zweiten Versuch mit Sand 630 - 355 µm Ø Ø 1,66 g/cm³ im dritten Versuch mit Sand < 355 µm Ø (in allen Fällen Dichtezunahme von oben nach unten) Seitenwände: Spiegelglas 12 mm

Bodenplatte: PVC-Platte mit eingefräster Führungsnut für die Wandplatten mit Gewinde-bohrungen (6 mm) für 171 Einzelabflüsse und mit aufgesetzten Abflusszellen Abflusszellen: PVC-Rohr

Ø innen: 70 mm Ø außen: 75 mm

Höhe: 120 mm

Einzelabflüsse: PVC-Schlauchstutzen mit 6 mm-Gewinde.

Ø innen: 2 mm Ø außen: 5 mm

Gestell: 40 mm-Vierkantstahl (geschweißt), Höhe 800 mm

Auffangbehälter: drei auswechselbare Sätze zu je 171 Getränkedosen (Ø außen: 66 mm, In-halt: 0,5 l) auf sechs austauschbaren Holzschubfächern.

Schlauch: 171 Stück PVC-Schlauch (von Schlauchstutzen zu Auffangdosen) Ø innen: 4 mm

Ø außen: 6 mm

Länge: 380 mm

Befestigungen: Abflusszellen und Bodenplatte: Kunststoffkleber

Schlauchstutzen und Bodenplatte: Verschraubung Bodenplatte und Seitenwände: Silikonkautschuk

Seitenwände (Eckverklebung): Silikonkautschuk

Stabilisierung: Abschluss: Ringanker aus vier verschweißten Eisen-L-Profilen (30 mm) Frontseiten: Ringanker aus zwei mit Gewindestangen (12 mm) miteinander

verschraubten Stahl-U-Profilen (50 mm)

Abb. 4.1: Glaslysimeter (Seitenansichten)

Abb. 4.2: Glaslysimeter mit aufgesetzterBeregnungsanlage oberer Ringanker

Ringanker

Abflusszellen

Schläuche Schlauchstutzen

Auffangbehälter Schubladen

Gestell Maßstabsleiste

Glaswand

PVC-Bodenplatte

1500 mm 600 mm

1200 mm800 mm

Ringanker PVC-Bodenplatte Auffangbehälter

Plattform für Beregnungsanlage Beregnungswagen Motor

Gestell

4 Hauptversuche 4.2.1.1 – 4.2.1.3

Abb. 4.3: Anordnung der Abflusszellen über den Abflusslöchern

4.2.1.2 Sicherung gegen Ausfließen

Um ein Ausfließen des durch die nachfolgende Beregnung angefeuchteten Sandes durch die 171 Zellen zu vermeiden, mussten diese durch einen Filterkörper abgedeckt werden. Von den beiden Alternativen Kiesbett oder Kunstfaserfilter wurde ersterem der Vorzug gegeben - trotz des zu er-wartenden Durchmessersprungs der Kapillaren und dem dadurch ermöglichten Stau von Wasser.

Bei Kunstfaserfiltern erschien das Risiko des Verstopfens durch Ton und Schluff zu groß. Die unte-ren 9 cm des Lysimeters, d.h. alle PVC-Zylinder der Abflusszellen und ihre Zwischenräume bis zu drei Vierteln ihrer Höhe, wurden mit Kies gefüllt. In das obere Viertel lagerte sich bereits der Füll-sand des Lysimeters ein. Dadurch und durch die Abflusszellen wurde eine Verzerrung des Ab-flussbildes durch Wasserbewegungen im Kieskörper vermieden.

4.2.1.3 Vorrichtung zur Beregnung

Vorratsbehälter: Plexiglas (12 mm) verschraubt und mit Kunststoffkleber verklebt Zwischentank: Plexiglas (12 mm) verschraubt und mit Kunststoffkleber verklebt

Ausläufe: 59 1ml-Einmalspritzen (DIN/EN/ISO 7886-1), dazu vier Sätze austauschbarer Einmalkanülen (DIN/EN/ISO 7864) zur Variation der Beregnungsraten und zur Vermeidung von Verstopfungen bei Tracer- und Tonzugabe

Pravaz 20 Ø 0,40 mm, Länge 20 mm Pravaz 18 Ø 0,45 mm, Länge 25 mm Pravaz 16 Ø 0,60 mm, Länge 25 mm Pravaz 2 Ø 0,80 mm, Länge 40 mm

Wagen: Plexiglas (12 mm) verschraubt und mit Kunststoffkleber verklebt vier Kunststoffräder (Gummilaufflächen) mit Aluminiumflachmaterial an Plexiglas befestigt

Plattform: Holz mit zwei aufgeschraubten Aluminium-U-Profilen zur Radführung

abflusszellenlose Abflussstutzen Bohrung Bodenplatte

600 mm

1500 mm Abflusszelle

Abb. 4.4: Beregnungseinrichtung

Abb. 4.5: Antrieb des Beregnungswagens Vorratsbehälter

Zwischentank Einmalspritzen Einmalkanülen (austauschbar) Schwimmer Füllöffnung

Silikonschlauch Wasserstand

Wasserstand

Wagen

Lager Tanks Tankhalterung

Antriebswelle

4 Hauptversuche 4.2.1.3 – 4.2.1.5

Antrieb: BOSCH LKW-Scheibenwischermotor

Geschwindigkeitsregelung durch CONRAD Labornetzgerät PS-405-D Kraftübertragung: Zahnscheiben und Zahnriemen

Antriebswelle: in Lagern ruhende 16 mm-Gewindestange

Steuerung: Relaisumschaltung für Laufrichtung in Kunststoffschaltkasten

zwei Kontaktschalter

4.2.1.4 Vorrichtung zur Befüllung mit Sand

Abb. 4.6: Selbstentladewagen zur Lysimeterbefüllung

Wagen: Rahmen: Holz

Entladespaltregulierung: eine feste und eine durch Stellschrauben verschieb-bare Holzplatte, Spaltlänge 60 cm, Spaltbreite 0 - ca. 20 mm - Öffnung beim Befüllungsvorgang max. 5 mm.

vier auf dem oberen Ringanker des Lysimeters laufende PVC-Rollen

4.2.1.5 Befüllung des Lysimeters

Zahlreiche eigene und von anderen Autoren durchgeführte Versuche zur Befüllung von Lysimetern mit Sand haben gezeigt, dass weder in Luft noch in Wasser die Erzeugung eines homogenen Sandkörpers ohne Korngrößenentmischung möglich ist. Die Bildung von feinen Schichten mit von oben nach unten gewichteten Korngrößen-Gradienten grob zu fein, ist aufgrund variierender Fall-zeiten unvermeidbar. Um möglichst dünne Schichten gleicher Stärke im Bereich 0,5 - 3 mm zu er-zeugen, wurde der mit ca. 20 dm³ befüllte Selbstentladewagen bei einer Spaltbreite von 2 bis 4 mm mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit von ca. 2 m/min manuell über den oberen Ringanker des Lysimeters bewegt (Abb. 4.7). Wegen der Dimensionierung des Ringankers ließ sich der Wagen nicht ganz bis an die Seitenwände des Lysimeters heranführen, so dass sich hier ein je-weils 20 cm breiter Bereich mit geneigten Schichten ausbildete (Abb. 4.8).

Abb. 4.7: Lysimeterbefüllung mit Selbstentladewagen

Abb. 4.8: Füllungsbedingte Strukturen im trockenen Sand

4.2.1.6 Beregnung

Die Beregnungsanlage (Abb. 4.4) lief auf einer Holzplattform mit Beregnungsfenster, die auf dem oberen Ringanker des Lysimeters arretiert worden war.

Die aufzubringende Tages-Wasserrate tropfte aus 59 in zwei Reihen gleichmäßig versetzt ange-brachten, im Zwischentank verankerten Einmalspritzen mit aufgesteckten, austauschbaren Ein-malkanülen. Der Zwischentank wurde über eine Röhre aus einem Vorratstank (max. Inhalt 11 l) ge-speist. Die Tanks wurden auf einem Wagen, der über eine Welle von einem Motor angetrieben wurde, über das Lysimeter bewegt. Eine Richtungs-Umschaltvorrichtung, welche ihre Schaltsignale über zwei Kontaktschalter erhielt, ermöglichte ein ständiges Hin- und Herfahren des Wagens über die zu beregnende Fläche. Die Geschwindigkeit des Wagens wurde über ein Labor-Netzgerät

ge-4 Hauptversuche ge-4.2.1.6 - ge-4.2.1.8

steuert. Je nach Beregnungsintensität wurden bei den Versuchen Geschwindigkeiten von 3 - 6 m/h gefahren. Das heißt der Beregnungswagen bewegte sich innerhalb von 15 - 30 Minuten einmal von einer Seite des Lysimeters zur anderen.

Die Rate des abtropfenden Wassers war durch die Wahl verschieden großer Einmalkanülen zu va-riieren. Je nach Wahl der vier verwendeten Kanülengrößen betrug die Länge der Aufbringungszeit von 10 mm Wasser zwischen 2 und 14 h.

Die hauptsächlich gewählte Tages-Beregnungsrate lag für alle Versuche bei 10 mm/d während ei-ner Aufbringungszeit von sieben Stunden. Diese Rate ließ nicht zu große Auswirkungen eiei-ner inne-ren Erosion befürchten und ermöglichte die Beobachtung von Sandbefeuchtung, Tracereintrag und Traceraustrag in angemessenen Zeitabschnitten. Um Auswirkungen unterschiedlicher Bereg-nungsraten zu beobachten, wurde auch mit den BeregBereg-nungsraten 5 mm/d, 20 mm/d und 50 mm/d gearbeitet.

Bei einer zu beregnenden Lysimeteroberfläche von 0,9 m² ergibt sich die in Tab. 4.1 wiedergege-bene Umrechnung der Beregnungsrate von l zu mm.

Tab. 4.1: Umrechnung der Beregnungsrate von l zu mm

Beregnung schwach normal intensiv sehr intensiv

l 5 10 20 50

mm 4,5 9 18 45

4.2.1.7 Verdunstung

Um eine Abschätzung der täglichen Verdunstungsrate vornehmen zu können, wurden mit Sand gefüllte Kontrollgefäße in Lysimeternähe aufgestellt. Diesen 10 • 10 • 8 cm großen, zur Hälfte mit Versuchssand gefüllten Gefäßen wurden 100 ml Wasser zugegeben. Täglich wurde gravimetrisch der Wasserverlust gemessen und anschließend die Wassermenge im Gefäß wieder auf 100 ml aufgefüllt. Mit Hilfe der so ermittelten Tages-Verdunstungsraten wurde aus der täglichen Bereg-nungsrate die effektive Tages-BeregBereg-nungsrate berechnet. Wie sich beim Entleeren des Lysimeters bzw. bei der anschließenden Wassergehalts-Bestimmung des Lysimetersandes zeigte, lag die be-rechnete Verdunstung etwas höher als die tatsächliche Verdunstung. Sie lag aber in einem tole-rierbaren Bereich, der das Rechnen mit den effektiven Beregnungsraten gestattete.

4.2.1.8 Lysimeter-Entleerung

Um nach Beendigung der Beregnungsversuche genaue Daten zu Wassergehalt, Stoffinhalt und Dichte des San-des im 1 m³-Lysimeter zu erhalten, wurde dieses mittels eines Stechwürfels (s. Abb. 4.9) dm³-weise entleert. Da-bei wurden die oberen 100 cm des Lysimeters würfel-weise für die Ermittlung von Wasser- und Solutgehalt entnommen. Der restliche im Lysimeter befindliche Sand konnte wegen der Abflusszellen nicht mit dem Stechwür-fel entnommen werden. Er wurde zusammen mit dem Kies mittels eines Industriestaubsaugers aus dem Lysi-meter entfernt und anschließend untersucht.

Abb. 4.9: Stechwürfel

Im Dokument Transport von Wasser, Soluten und Dispersionen in wasserungesättigtem Sand (Seite 51-58)