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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
Bachelorarbeit Pascal Offermann
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann
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.
Bachelorarbeit Pascal Offermann
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
4
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
5
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
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).
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
7
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Grundlagen der Bodenklassifizierung
9
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse
11
(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)).
Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse
12
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]
Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse
13
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse
14
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse
15
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
16
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
17
· 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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
18
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
19
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.
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Analyse der Bodenproben
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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“
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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.
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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)
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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
Bachelorarbeit Pascal Offermann Auswertung
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.
Bachelorarbeit Pascal Offermann Zusammenfassung und Ausblick
38
IV. Literaturverzeichnis AG Bodenkunde. (1994). Bodenkundliche Kartieranleitung. Hannover.
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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trueness_precision.png
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.
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Ort, Datum Pascal Offermann
Bachelorarbeit Pascal Offermann Zusammenfassung und Ausblick
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VI. Anhang
A Auswertung Analyseergebnisse
B Statistische Auswertung der Analyseergebnisse
C Nomogramm nach CASAGRANDE
D GIS-Bodenkarte