Kontrolle von Barrieren: Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit an Hand des Bodenwassergehaltes [online]

Kurzfassung

Mülldeponien und sonstige Anlagen zur Langzeitlagerung von
umweltrelevanten Stoffen sind mit Abdichtungen gegen die
Umgebung abzukapseln. Diese Barrieren sollen verhindern, dass
Niederschlagswasser in den Müllkörper einsickert und
Sickerwasser und Deponiegas den Müllkörper unkontrolliert
verlassen. Die Funktion der Barriere muss über eine lange Zeit
aufrecht erhalten bleiben. Die Wirksamkeit der Barriere wird
über den gesetzlich festgelegten Überwachungswert, die
hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert), kontrolliert.

Verfahren, die den aktuellen kf-Wert direkt bestimmen, sind sehr
aufwändig und destruktiv, d.h. sie zerstören die Barriere an der
Stelle der Probenahme. Ein geeignetes Verfahren soll in der Lage
sein, zu jedem gewünschten Zeitpunkt und flächendeckend, dazu in
hoher vertikaler Auflösung, den kf-Wert darzustellen. Indirekte
Verfahren haben bisher über die Messung der Wasserspannung im
Boden, die dem Potenzial gleichgesetzt wird, den aktuellen
Bodenwassergehalt und den kf-Wert berechnet. Diese
bodenspezifische Beziehung ist mit einer starken Hysterese
behaftet, d.h. je nach dem bodenhydraulischen Zustand (Be- oder
... mehrEntwässerung) weichen die daraus berechneten kf-Werte um den
Faktor 200 voneinander ab. Berechnet man den kf-Wert aus dem
gemessenen Bodenwassergehalt, so wird dieser Faktor um das
500-fache auf 0,4 reduziert. Somit ist der Weg vorgegeben, den
kf-Wert aus dem gemessenen Bodenwassergehalt zu berechnen.

Dazu ist der Bodenwassergehalt mit hoher Genauigkeit zu
bestimmen. Aus einem Vergleich der möglichen Verfahren wurde ein
elektromagnetisches Verfahren gewählt. Es bestimmt die
Dielektrizitätszahl (DZ) des Bodengemisches (Boden, Wasser,
Luft). Diese DZ wird von der DZ des Wassers dominiert, ist also
über eine Kalibrierung direkt mit dem Wassergehalt des
Bodengemisches verknüpfbar. Das Verfahren benötigt Sensoren, die
in einer Bodenschicht mit definiertem Material unter dem
Abdichtungssystem eingebaut werden.

Das Verfahren wurde an einem Lysimeter verifiziert. Dieser wurde
in Analogie zu einem entwickelten bodenhydraulischen Modell
dimensioniert, das die Durchsickerung von Bodenschichten in ihre
Grundmechanismen zerlegt. Dabei ist durch den Ausschluss der
Verdunstung aus der Bodenschicht der Hauptstrom des vertikalen
Aufstiegs des Wassers ausgeschlossen. Der Fortgang der
Feuchtefront, d.i. die vertikale Darstellung der
Bodenwassergehalte, konnte qualitativ und quantitativ belegt
werden. Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit ist somit zu
jedem Messzeitpunkt eindeutig berechenbar. Das wird auch über
die Bilanzierung der Modellregenereignisse bestätigt.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, Verfahren zur numerischen
Simulation des Wasserhaushaltes von Deponien zu kalibrieren.
Unsicherheiten der Größe der Evapotranspiration und der
"Alterung" des Bodenmaterials können mit gemessenen
Bodenwassergehalten und berechneten aktuellen hydraulischen
Leitfähigkeiten zumindest gemindert werden. Mit den berechneten
hydraulischen Leitfähigkeiten kann der gesetzliche
Überwachungsparameter verifiziert werden.


Abstract

Waste disposal sites and other landfills for long-term storage
of hazardous materials must be encapsulated to protect the
environment. Technical barriers are to prevent precipitation
from migrating into the landfill as well as to avoid an
uncontrolled escape of seepage water and landfill gas into the
surroundings. The efficiency of the barrier must be sustained
over a long time period. It is controlled by the hydraulic
conductivity (kf-value), a measurement parameter defined and
established in law.

Methods that directly determine the hydraulic conductivity are
very time-consuming and destructive, i.e. they destroy the
barrier at the sampling spot. A suitable technique should be
capable to display the kf-value comprehensively and with a high
temporal and spatial resolution. Indirect methods used to
determine the hydraulic conductivity and the volumetric soil
water content by measuring the pressure head of the soil water,
which is set equal to the potential. This soil specific
relationship shows a high hysteresis, i.e. the water content at
a particular pressure head depends upon the previous wetting and
drying history of the sample and deviations of kf-values by a
factor of 200 can occur. If the hydraulic conductivity is
determined by the measured soil water content, the deviations
are reduced by factor 500 to 0,4. Therefore, it is obvious to
determine the kf-value from the measured soil water content.

It is necessary to determine the soil water content with a very
high accuracy. From several possible methods, an electromagnetic
measurement technique was selected. This technique determines
the dielectric constant of the soil mixture (soil matrix, water,
and air), which is mainly a function of the water content of the
soil and thus it is possible to quantify the water content with
a suitable calibration. The method requires sensors that are
installed in a soil layer with a defined material below the
barrier system.

The technique was verified with a lysimeter. The lay out of the
lysimeter was designed according to a soil hydraulic model that
describes the principal mechanisms of water migration in the
unsaturated zone. In the model, the evaporation from the soil
layer is ignored, thus eliminating the main flow of the vertical
rise of the water. The movement of the water front, i.e. the
vertical projection of the soil water contents, could be
demonstrated both qualitatively and quantitatively, that way
allowing a precise determination of the unsaturated hydraulic
conductivity at any time. This is also confirmed by the
balancing of several model precipitation events.

With this technique it is possible to calibrate methods for the
numerical simulation of the water economy. With the measured
soil water contents and the calculated current hydraulic
conductivities, uncertainties such as the size of the
evapotranspiration and the "aging" of the soil material can at
least be minimized. With the calculated hydraulic conductivities
the legal control parameter can be verified.