Ein Langzeit-Versickerungsversuch im lehmigen Mutterboden

Ein Versickerungsversuch mit wenig Erfolgsaussichten?

Im Garten habe ich diesmal einen einfachen Versickerungsversuch im Mutterboden geplant. Ich habe diesen als open-end-test mit einem Versickerungsrohr durchgeführt, wobei sich schon zu Beginn und aus Erfahrung herausstellte, dass der Versickerungsversuch länger dauern und ein schlechtes Ergebnis ergeben würde. Aber im eigenen Garten ist die Dauer kein Problem. Der Zeitraum war vom 11.06.2021 bis zum 18.06.2021.

Die Abnahme des Wasserstandes betrug in einer Stunde nur wenige Millimeter. Damit ist die Versickerung und der k_f-Wert zu gering, um die oberflächennahe Versickerung z.B. in einer flachen Versickerungsmulde zu ermöglichen. Da auf dem Grundstück verbreitet Lösslehm ansteht, ist eine Versickerung von Niederschlagswasser in dieser Bodenschicht allerdings sowieso nicht möglich.

Die Dokumentation dient aber zur Veranschaulichung der Messmethodik des open-end-tests und zum Test dieser Versickerungsmethode in der Praxis. Der Versickerungsversuch dauerte insgesamt 8 Tage, mit insgesamt 16 Messungen (s. Tabelle und Diagramme).

Bodenmaterial

Der Mutterboden war bis 18 cm Tiefe sehr fest, nur leicht erdfeucht und schwer zu bohren. Ich habe das Aluminiumrohr mit Druck mehrmals hineingedreht und wieder gezogen und dann den Boden darin entfernt. Die Endteufe betrug 18 cm. Mehr war von Hand nicht möglich.

Das Bild zeigt das entnommene Bodenmaterial: Schluff, stark tonig, schwach humos, hellgraubraun, leicht erdfeucht. Durch den Rohrkontakt beim Hineindrehen ist das Bodenmaterial außen verschmiert. Insgesamt ist die Feinkörnigkeit und die dichte Struktur zu erkennen. Es handelt sich um eine Parabraunerde mit der Messtiefe im tonreichen B_t-Horizont, der aus Lösslehm entstanden ist.

Versuchsvorbereitung

Der open-end-test soll in einer geringen Tiefe im Mutterboden durchgeführt werden. Es wurde mit dem Versickerungsrohr ein Bohrloch von 18 cm Tiefe hergestellt. Zur Versuchsanordnung s. Seite open-end-test (=instationärer Versuch).

Das erforderliche Material für den open-end-test (s. Fotos):

• Versickerungsrohr: hier DN 36 mm, L = 448 mm
• Messgefäße: 1,0 Liter, 100 ml, 5 und 10 ml Spritze
• Zollstock
• Uhr (Handy), Notizblatt, Stift

In das 18 cm tiefe „Bohrloch“ wurde das Versickerungsrohr stramm bis an die Loch-Basis eingedrückt. Im Rohr wurde dann eine freie Höhe (= ergibt Druckspiegel h_o) von 446 mm mit einem rechnerischen Rohrvolumen von 454 ml gemessen. Damit entspricht 1 mm Wassersäule etwa 1 ml Wasservolumen (s. Tabelle). Mit den Spritzen konnte die nachgefüllten Wassermengen sehr genau dosiert werden (0,5 bis 1 ml).

Versuchsdurchführung, Messergebnisse

Beginn der Messung am 11.06.2021 um 13:20 mit der 1. Wasserfüllung von ca. 460 ml (1,00 L – 0,46 L = Rest 0,54 L, s. Bild). Es erfolgte keine Vorwässerung, was später bei der Auswertung bzw. Bewertung zu berücksichtigen ist (s. unten).

Messungen: Die Zeit und die eingefüllte Wassermenge wurden gemessen (Daten s. Tabelle). Nach 3 Stunden erfolgte die 1. Messung, mit dem Messbecher wurden ca. 9-10 ml aufgefüllt (s. Bild 3). Danach wurde zu den Messungen das Wasser mit einer 5 bzw. 10 ml Einwegspritze nachgefüllt. Eine genauere Mengendosierung war dadurch möglich.

Nach der 1. Messung wurde die Zeit erhöht und die Wassermenge mit einer Einwespritze möglichst genau nachgefüllt. Aus der Wassermenge wurde mit dem Rohrquerschnitt A die Höhendifferenz dh und dann mit h_o die Druckhöhe h_t berechnet (s. Beispiel Messung 2 für 9 ml). Das Messintervall wurde dann auf 2 mal pro Tag ausgedehnt (ca. 12 h), um noch genauere Werte bei einer jetzt größeren Menge zu bekommen (s. Bild 4).

Beispiel: h_t = h_o – Q/A = 44,6 – Q / (r² _* Pi) = 44,6 cm – 9 cm³ / (1,8 _* 1,8 cm² _* 3,14) = 44,6 cm – 0,88 cm = 437,2 mm

Zeit t [h]	Wassermenge Q [ml]	höhendifferenz dh [mm]	Druckhöhe ht [mm]	kf [m/s]
13:20 [0]	voll (ca. 460 ml)	ho = 446 -0 mm	ht = ho	–
16:20 [3]	ca. 9 bis 10 ml	ca. -9 mm	446 mm	1,91*10-8
21:20 [5]	9 ml	-8,8 mm	437,2 mm	1,14*10-8
9:20 [12]	17 ml	-16,7 mm	429,3 mm	9,08*10-9
21:20 [12]	23 ml	-22,6 mm	423,4 mm	1,24*10-8
11:20 [14]	24 ml	-23,6 mm	422,4 mm	1,11*10-8
22:20 [11]	34 ml	-33,4 mm	412,6 mm	2,02*10-8
10:20 [12]	37,5 ml	-36,8 mm	409,2 mm	2,05*10-8
21:20 [11]	39,5 ml	-38,8 mm	407,2 mm	2,36*10-8
8:00 [10,67]	39,5 ml	-38,8 mm	407,2 mm	2,44*10-8
20:30 [12,5]	49 ml	-48,1 mm	397,9 mm	2,61*10-8
9:30 [13]	51,5 ml	-50,6 mm	395,4 mm	2,65*10-8
22:00 [12,5]	52,5 ml	-51,6 mm	394,4 mm	2,81*10-8
10:00 [12]	48 ml	-47,2 mm	398,8 mm	2,66*10-8
22:00 [12]	50,6 ml	-49,7 mm	396,3 mm	2,81*10-8
10:00 [12]	48 ml	-47,2 mm	398,8 mm	2,66*10-8
22:00 [12]	48 ml	-47,2 mm	398,8 mm	2,66*10-8

Auswertung: open-end-test

Für den Versickerungsversuch als instationärer open-end-test gilt die empirische Formel:

k_f  =  π _* r / (5,5 _* t) _* ln (h_o / h_t)   [m/s]

k_f         gesuchter Durchlässigkeitsbeiwert
r           Radius (Rohr, innen)
t           Zeit, Messintervall
h_o        Ausgangsdruckhöhe, Wasserstand
h_t         Druckhöhe zur Messzeit t (aus Wasservolumen rückberechnet)

Der natürliche Logarithmus wird aus dem Quotienten der Druckhöhen h_o/h_t berechnet. Weiter geht der Rohrradius r und die Zeit t ein. In der Tabelle sind die Messungen und die Zwischenergebnisse zur Berechnung aufgeführt.

Erste Messung: (11.06.2021; 3 h, ca. 9 ml)

k_f  =  3,1416 _* 0,018 / (5,5 _* 3 _* 60 _* 60) _* ln (0,446 / 0,437)   [m/s]

k_f  =  0,05655 / (5,5 _* 10800) _* ln (1,0206) = 1,94 _* 10^-8   [m/s]

Messung 6: (13.06.2021: 11 h, 34 ml)

k_f  =  0,05655 / (5,5 _* 39600) _* ln (1,08095) = 2,02 _* 10^-8   [m/s]

Messung 16: (18.06.2021: 12 h, 48 ml)

k_f  =  0,05655 / (5,5 _* 43200) _* ln (1,11823) = 2,66 _* 10^-8   [m/s]

Die Darstellung in Diagramm 1 zeigt den Verlauf der Messergebnisse über einen Messzeitraum bis zum 3. Tag. Ein erhöhter k_f-Wert – auf sehr geringem Niveau – ergibt sich zu Beginn. Danach folgt zunächst eine Abnahme mit Schwankungen um ca. 1_*10^-8 m/s (bis 46 h) und dann wieder ein Anstieg auf etwa 2_*10^-8 m/s. Als erstes Ergebnis ist zunächst ein k_f-Wert von 1 bis 2_*10^-8 m/s festzustellen. Die Messungen werden fortgesetzt mit 2 Messwerten pro Tag.

In Diagramm 2 ist der weitere Verlauf bis zum 6. Tag (Messung 11) dargestellt. Der Anstieg ist flacher und hat sich stabilisiert. Er setzt sich aber noch mit leichter Zunahme des k_f-Wertes von ca. 2_*10^-8 m/s auf ca. 2,6_*10^-8 m/s fort (Diagramm 3).

Diagramm 4 zeigt das Ergebnis bis zum 8. Tag. Der k_f-Wert hat sich auf ca. 2,7_*10^-8 m/s eingestellt, mit Messschwankungen von ca. 0,06_*10^-8 m/s (bei 1 ml Fehler). Eine weitere Zunahme ist nicht mehr feststellbar.

Thema Vorwässerung: Eine Vorwässerung des Versickerungsbereiches sollte erfolgen, um den Boden zu durchfeuchten, damit die eingeschlossene Bodenluft entweicht und die Wasserwegsamkeit sich dadurch verbessert. Das entspricht dann eher den Bedingungen, wie sie sich bei einem längeren Starkregen einstellen.

Da sich an der Bodenstruktur und im Versuch sehr schnell zeigte, dass eine Vorwässerung auch sehr lange dauern würde, wurde sofort mit den Messungen begonnen. Der fehlende Durchnässungseffekt sollte sich später in den Ergebnissen zeigen und berücksichtigt werden. Das ist auch in den ersten beiden Tagen zu sehen.

Einschätzung: Die Verschlechterung des k_f-Wertes zu Beginn könnte auf eine langsame Normalisierung der Feuchtebedingungen in den ersten 1 bis 2 Tagen hinweisen. Die Bodenluft wird durch das Sickerwasser zunehmend verdrängt. Ein größerer Messfehler, der das Ergebnis deutlich ändern würde, ist auszuschließen.

Mit längerer Messzeit und dadurch größerer Wassermenge nimmt ein möglicher Fehlereinfluss von geschätzt ca. 0,5 bis max. 1,0 ml auf das Ergebnis ab und liegt zuletzt im Bereich von ca. 2 %. Damit ist der Anstieg des k_f-Wertes am 3. Tag um ca. 0,8 bis 0,9 Einheiten eine real gemessene Verbesserung. Dies wird durch die Folgemessungen bestätigt, die sich mit nur sehr geringer Schwankung fortsetzen.

Der Effekt der zunehmenden Bodendurchfeuchtung der näheren Umgebung des Wasseraustritts am Rohrende dürfte somit für die Verbesserung des k_f-Wertes ursächlich sein. Er ist bis in den 4. Tag hinein feststellbar. Danach scheint sich der Einfluss nicht mehr messbar auszuwirken.

Ergebnis und Bewertung

Der k_f-Wert von 2,7_*10^-8 m/s liegt im sehr gering durchlässigen Bereich für tonigen Schluff und damit weit unterhalb des entwässerungstechnisch relevanten k_f-Bereiches von 1_*10^-3 bis 1_*10^-6 m/s für eine Versickerung nach den Vorgaben des Arbeitsblattes DWA-A 138.

Er liegt damit auch im unteren „schwach durchlässigen Bereich“ von 1_*10^-6 bis 1_*10^-8 m/s nach DIN 18130 Teil 1 und ist typisch für tonigen Schluff (Parabraunerde aus Lösslehm).

Ergebnis: Damit ist unter diesen Bedingungen eine Versickerung im lehmigen Mutterboden nicht möglich.