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A-5.6 Open-End-Test als Feldmethode zur kf-Wert-Bestimmung
Verlässliche Daten über die Durchlässigkeit eines Bodens lassen sich vor allem durch Feldversuche gewinnen. Insbesondere gilt dies für Versuche, die speziell auf die Ermittlung der Versickerungsraten eines Standorts ausgerichtet sind. Als robust hat sich der sog. Open-End-Test herausgestellt.
Der Open-End-Test wird mit einer einfachen Versuchsanordnung durchgeführt. Wie in Abb. A-5 - 5 dargestellt ist, handelt es sich um eine Einfachrohranordnung. Bei dem Versuch geht die infiltrierte Wassermenge bei konstanter Druckhöhe direkt in die Gleichung zur Bestimmung der Sickerrate ein. Die Bestimmungsgleichung hat einen eindeutigen empirischen Charakter und ist am elektrischen Analogon entwickelt worden.
mit
k =
Infiltrationsrate [m/s]
 
Q =
Wasserzugabe [m3/s]
 
r =
Radius [m]
 
H =
konstante Druckhöhe [m]
 
Abb. A-5 - 5 Versuchsanordnung des Open-End-Tests (schematisch)
 
Abb. A-5 - 6 Prinzipieller Versuchsaufbau des Open-End-Tests
Durchführung
Abb. A-5 - 6 zeigt den prinzipiellen Versuchsaufbau. Alle erforderlichen Einzelheiten sind dargestellt und die Maßangaben ermöglichen einen problemlosen Nachbau.
Die erforderlichen Schritte zur Anordnung der Versuchsgeräte und zur Versuchsdurchführung werden im Folgenden beschrieben:
1.
Nach Möglichkeit sollten die Versickerungsversuche in einer Tiefe durchgeführt werden, die der späteren Sohlenlage der Versickerungsanlage entspricht. Dies bedeutet, dass bei Tiefen größer als 90 cm zunächst eine Grube auszuheben ist, in deren Sohle das Messrohr eingebaut werden kann.
2.
Mit dem Büchsenbohrer (Außen Ø Bohrer = Außen Ø Messrohr) ist bis in die gewünschte Tiefe ein Bohrloch vorzubereiten. Bei leicht bindigen Böden ist die Bohrlochsohle anschließend mit einer Stange ein wenig aufzurauen, da durch die Drehbewegung des Erdbohrers die Bohrlochsohle verschmiert sein könnte.
3.
Nun wird das Messrohr in das Bohrloch eingebracht und durch leichtes Nachklopfen etwa 0,5 – 1 cm in die Bohrlochsohle eingedrückt. Es empfiehlt sich, daraufhin einige Handvoll Kies in das Messrohr zu geben. Dadurch wird ein Verschlämmen der Bohrlochsohle bei Befüllung des Messrohres mit Wasser verhindert.
4.
Da für die spätere Messung eine weitestgehende Sättigung des Bodens unterhalb des Messrohres anzustreben ist, kann nun bereits eine Befüllung des Messrohres mit Wasser erfolgen. Man wird feststellen, dass zunächst, entsprechend der Bodenart, ein hoher Wasserverbrauch vorhanden ist. Deshalb ist meistens ein mehrfaches Nachfüllen erforderlich. Ist zwischen Bohrlochwand und Messrohr ein Wasseraustritt zu beobachten, lässt dies auf einen Grundbruch an der Messrohrsohle schließen, und der Versuch muss abgebrochen werden. Dies kann natürlich nur festgestellt werden, wenn der Wasserspiegel im Messrohr über GOK liegt. Ein solcher Wasserstand sollte deshalb beim Befüllen angestrebt werden. Die Ursache für einen Grundbruch ist die unsachgemäße Vorbereitung des Bohrloches, vornehmlich im Sohlenbereich, so dass kein bindiger Schluss zwischen Messrohr und Bohrlochwandung vorhanden ist.
In der Regel wird man spätestens nach einer Stunde feststellen, dass sich eine etwa konstante Versickerungsleistung eingestellt hat. Nun können die eigentlichen Messungen vorbereitet werden.
5.
Der Schwimmerführungsdeckel mit dem Schwimmer wird auf das Messrohr gesetzt und die Zufluss-Feinregulierung durch eine Schelle in der erforderlichen Höhe am Messrohr befestigt, so dass der Hebelarm der Feinregulierung auf der Schwimmerstange aufliegt. Am Feinregulierungsventil sollte das Gegengewicht so eingestellt werden, dass vom Schwimmer nur eine geringe Auftriebskraft zur Schließung des Ventils aufgebracht werden muss. Der Ventil-Ablaufschlauch ist zum Schwimmerdeckel zu führen und der Zulaufschlauch zum Ventil ist mit dem Wasserbehälter zu verbinden. Bei weniger stark durchlässigen Böden empfiehlt es sich, als Wasserbehälter ein kleines Gefäß, z. B. gefertigt aus einem Plexiglasrohr Ø 10 cm mit etwa 5 l Inhalt, zu verwenden, das auf ein Stativ für Vermessungsgeräte aufgesetzt wird. Böden mit großer Durchlässigkeit erfordern einen größeren Wasserbehälter. Geeignet ist ein (gereinigtes) 50 l-Ölfass, das entsprechend mit 2 Absperrventilen und einem Schauglas oder außen angebrachten Plexiglasröhrchen bestückt wird. Die Wasserbehälter sind so aufzustellen, dass ein Wasserdruck von mindestens 1 m WS gewährleistet ist. Die Durchflussleistung der schwimmerabhängigen Feinregulierung beträgt maximal etwa 1 l/Min. Ggf. ist durch eine Schlauchverbindung zwischen dem Wasserbehälter und dem Messrohr ein zusätzlicher Zufluss herzustellen. Das Absperrventil ist dabei so einzustellen, dass der Zufluss etwas geringer ist als die Versickerungsleistung. Der zusätzliche Wasserbedarf wird durch die Schwimmer-Ventil-Anordnung geregelt. Insgesamt wird damit ein konstanter Wasserstand im Messrohr erreicht.
6.
In zeitlichen Abständen von etwa 15 – 30 min wird nun der gesamte Wasserverbrauch in Abhängigkeit der Zeit festgestellt und protokolliert. Die Messdauer soll so gewählt werden, dass mögliche Fehler beim Ablesen des Wasserstandes im Wasserbehälter keine signifikanten Auswirkungen auf das Ergebnis haben. Es muss streng darauf geachtet werden, dass alle Zuleitungsschläuche jederzeit blasenfrei mit Wasser gefüllt sind. Eine sinnvolle Messdauer liegt im Bereich von 5 – 15 Minuten. Diese Messungen werden so oft wiederholt, wobei ggf. die Wasserbehälter zwischenzeitlich wieder aufzufüllen sind, bis drei aufeinanderfolgende Messungen etwa den gleichen Wasserverbrauch zeigen. Erst dann gilt der Versickerungsversuch als abgeschlossen.
7.
Sofern die Wasserbeschaffung nicht durch eine nahegelegene Zapfstelle einer zentralen Wasserversorgung erfolgen kann, ist es sinnvoll, einen größeren zusätzlichen Wasserbehälter (500 – 1000 l) vorzuhalten, um die kalibrierten Behälter nachfüllen zu können. Der Wasserverbrauch beträgt in Abhängigkeit der Versickerungsleistung je Versuch etwa 15 – 100 l.
8.
Auch für kleine Versickerungsanlagen (z. B. Versickerungsmulden) sollten im Bereich des zukünftigen Standorts mindestens 2 – 3 Einzelversuche durchgeführt werden. Im Hinblick auf eine verbesserte Güte und Sicherheit der Versuchsergebnisse ist es in jedem Falle sinnvoll, bei stark unterschiedlichen Messergebnissen einen oder mehrere zusätzliche Versuche durchzuführen, um den Messungen die notwendige Plausibilität zu verleihen. Die Unterschiede der Ergebnisse sind vornehmlich auf die Inhomogenität des Bodens zurückzuführen, weniger auf die gewählte Feldmethode.
9.
Zur Beschleunigung der Versuchsdurchführung ist es sinnvoll, mehrere Messrohre bereitzuhalten. Während an einem Messpunkt die Messungen durchgeführt werden, kann an weiteren Messpunkten schon die Vorsättigung erfolgen. Auf diese Weise können mit 2 Personen bis zu 10 Einzelversuche pro Tag abgeschlossen werden.
Ein Formular zur Erstellung eines Messprotokolls und Auswertung der Ergebnisse steht als PDF-Datei und als Excel-Datei zur Verfügung.
Letzte Aktualisierung: 01.06.2001
Die Berechnung der Versickerungsrate k erfolgt mit der empirischen Formel
mit
k =
Infiltrationsrate [m/s]
 
Q =
Wasserzugabe [m3/s]
 
r =
Radius [m]
 
H =
konstante Druckhöhe [m]
Der Radius des Messrohres r ist eine Gerätekonstante. Der Zufluss Q jedoch, der erforderlich ist, um einen konstanten Wasserstand im Rohr zu halten, ist zeitabhängig. Die Druckhöhe H sollte eigentlich konstant sein. Sie kann sich jedoch von einer Messung zur anderen aufgrund der schwimmerabhängigen Zuflussregelung geringfügig verändern. Die Messwertaufnahme und –auswertung werden anhand des nachfolgenden Beispiels erläutert:
Allgemeine Angaben
Hierzu gehören Angaben zum Standort, den Untergrundverhältnissen, der Flächennutzung, zu Wetterverhältnissen, Geländeneigung. Ebenso sind Beobachtungen von Anwohnern bezüglich der GW-Stände, stauende Nässe o.ä. aufzuführen. Wichtige Angaben sind natürlich auch die Versuchsnummer und die Messtiefe unter GOK.
Nach Versuchsende und Ziehen des Messrohres ist es ratsam, mit dem Erdbohrer das Bohrloch um weitere 30 – 50 cm zu vertiefen, um entsprechende Aufschlüsse der Bodenverhältnisse zu bekommen. Besonders wichtig ist es, festzustellen, dass man auf keinen stauenden Horizont stößt. Stellt man einen Stauer im Bereich der geplanten Sohlenlage der Versickerungsanlage fest, so ist die Eignung des Standorts zu überdenken bzw. der Versickerungsversuch in entsprechender Tiefe zu wiederholen und ggf. die Versickerungsanlage neu zu konzipieren.
Eine noch bessere und ohne großen zusätzlichen Geräteaufwand durchzuführende Methode zur Erkundung der Bodenverhältnisse im Bereich des Bohrloches ist die Schlitzsondierung bis in mindestens 2 m Tiefe. Das im seitlichen Schlitz des Sondierstabes verbleibende Bodenmaterial zeigt die horizontale Schlichtung des Untergrundes und damit eventuelle Stauhorizonte. Weiterhin liefert die Schlitzsondierung wertvolle Aussagen hinsichtlich Bodennässe, Wasserstandsschwankungen (Oxidationshorizonte), Lagerungsdichte, usw. Natürlich sind bei einem solchen Eingriff in den Untergrund die üblichen Sicherheitsvorsorgemaßnahmen (Versorgungsleitungen, Kampfmittel) zu treffen. Sämtliche Beobachtungen und Messergebnisse sind anhand von Bodenkarten abzugleichen.
Gerätekonstanten
Als Messrohr wird ein Stahlrohr der Länge HR und dem Innenradius r verwendet. Desweiteren muss die Grundfläche (innen) des verwendeten Wasserbehälters bekannt sein. Es ist sinnvoll, in jedem Fall einen zylindrischen Wasserbehälter zu verwenden, so dass das Volumen proportional dem Wasserstand ist. Bezüglich der Messanordnung ist Abb. A-5 - 6 als Vorschlag zu verstehen, mit der gute Erfahrungen gemacht wurden. Denkbar ist natürlich auch, dass ein Messrohr mit einem eingebauten Überlauf verwendet wird. Die Differenz zwischen Zu- und Überlauf stellt dann die Versickerungsrate dar. Der Nachteil ist jedoch, dass ein kalibriertes Auffanggefäß vorhanden sein muss und zwei zeitgleiche Ablesungen notwendig sind.
Messprotokoll und Auswertung
Es ist sinnvoll, die Uhrzeit der Einzelmessungen zu notieren, weil damit eine spätere Plausibilitätskontrolle erfolgen kann. In den Spalten 4 und 5 ist der Wasserstand im Wasserbehälter zu Beginn und am Ende der jeweiligen Messdauer Δt (Spalte 3) einzutragen und die Differenz zu ermitteln. Der Wasserstand im Messrohr ergibt sich aus der Länge des Messrohres HR und der Schwimmerstellung HS. Die Schwimmerstellung HS ist abhängig vom Eigengewicht und Auftrieb des Schwimmers, der Auflast der Feinregulierungsanordnung und des Zuflusses. Deshalb ist es sinnvoll, für jede Messung das mittlere HS festzustellen (Spalte 7). Die Differenz HR-HS ergibt dann den Wasserstand H im Messrohr (Spalte 8). Der Zufluss Q und danach die Versickerungsrate k können dann mit bekannten Werten berechnet werden.
Die Einzelmessungen sind solange zu wiederholen, bis sich eine etwa konstante Versickerungsleistung einstellt.
Trägt man die ermittelten Versickerungsleistungen in Abhängigkeit der Zeit auf, so muss sich ein exponentieller Verlauf ergeben, es sei denn, es hat eine sehr lange Vorsättigung stattgefunden.