Bestimmung bodenhydrologischer Parameter mit der spektralen induzierten Polarisation - Laboruntersuchungen und numerische Simulationen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden Messungen mit dem Verfahren der spektralen Induzierten Polarisation (SIP) und mit bodenhydrologischen Methoden, u. a. mit dem Multi‐ Step Outflow (MSO) Verfahren, an Lockersedimentproben im Labor durchgeführt. Zur Bestimmung charakteristischer Parameter wurden die SIP‐Spektren mit der Debye‐Zerlegung ausgewertet. Für die Beschreibung der Ergebnisse der bodenhydrologischen Untersuchungen wurde das van Genuchten‐Mualem Modell verwendet. Ziel war es, mögliche Zusammenhänge zwischen den mit Hilfe der SIP bestimmten Parametern und den durch die van Genuchten‐Mualem Parameter beschriebenen bodenhydrologischen Eigenschaften zu entdecken. Da eine Lockermaterialprobe nach dem Einbau in eine Messzelle unterschiedliche Porositäten aufweisen kann, wurde eine Messzelle entwickelt, die sowohl SIP‐ als auch MSO‐Untersuchungen an Lockersedimentproben ermöglicht. Zudem wurden systematische Untersuchungen zum Einfluss der Einbaumethodik auf die SIP‐Spektren durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Vorgehensweise beim Einbau des Probenmaterials in die Messzelle nicht nur einen starken Einfluss auf die Porosität der Probe hat, sondern sich auch auf die SIP‐Spektren auswirken kann. Für eine bestmögliche Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von SIP‐Messungen kommen, abhängig vom Korngrößenbereich des Probenmaterials, unterschiedliche Methoden in Frage. Während bei sandigen Proben die besten Ergebnisse durch seitliche Schläge an die Messzelle erreicht wurden, führt bei feinkörnigen Proben die Kompaktion der Probe durch Druck von oben zu einer guten Reproduzierbarkeit der SIP‐Spektren nach erneutem Packen der Probe. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Beschreibung der Vorgehensweise bei der Probenpräparation ein wichtiger Aspekt für die Vergleichbarkeit von SIP‐Untersuchungen an Lockersedimenten ist. Die Porosität der Proben kann als Indikator für Unterschiede bei der Präparation dienen. Für die Studie zu möglichen Zusammenhängen zwischen Parametern aus SIP‐Messungen und bodenhydrologischen Eigenschaften haben wir einen Satz von sieben natürlichen Bodenproben, der sowohl lehmiges als auch sandiges Material umfasste, und eine reine Quarzsandprobe mittels SIP und bodenhydrologischen Verfahren untersucht. Zur Sättigung der Proben wurden CaCl2‐Lösungen in unterschiedlichen Konzentrationen verwendet. Wir haben verschiedene Kombinationen von Parameter auf mögliche Zusammenhänge hin untersucht. Zwei mögliche Beziehungen, die aus theoretischen Überlegungen abgeleitet wurden, konnten durch unsere Ergebnisse nicht bestätigt werden. Stattdessen beobachteten wir einen starken Zusammenhang zwischen dem van Genuchten‐Mualem Parameter α und der normierten Gesamtaufladbarkeit mn aus der Debye‐Zerlegung der SIP‐Spektren. Dadurch konnte ein Ansatz für die Abschätzung von α durch mn in Kombination mit der Leitfähigkeit des Porenfluids σw formuliert werden. Wir fanden einen empirischen Ansatz zur Abschätzung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit mit Hilfe eines Potenzgesetzes, in das neben den aus den SIP‐Messungen stammenden Parametern Gleichstromwiderstand und mn auch σw eingeht.
Publications
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(2011): Influence of the packing methodology on induced polarisation spectra of unconsolidated sediments, AGU Fall Meeting, 05.‐ 09.12.2011, San Francisco, CA, USA
Bairlein, K., Hördt, A. und Nordsiek, S.
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(2011): Relationship between hydrological parameters and induced polarization spectra of soil samples, AGU Fall Meeting, 05.‐09.12.2011, San Francisco, CA, USA
Nordsiek, S., Durner, W., Hördt, A. und Diamantopoulos, E.
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(2011): The influence of the preparation method on the SIP spectra of unconsolidated sediments, Second International Workshop on Induced Polarization in Near‐Surface Geophysics, 31.10.‐02.11.2011, Colorado School of Mines, Golden, CO, USA
Bairlein, K., Nordsiek, S., Hördt, A. und Durner, W.
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(2012): Relationships between Hydrological Parameters obtained from MSO Experiments and IP Spectra of Soil Samples, General Assembly of the European Geosciences Union, 22.‐27.04.2012, Wien
Nordsiek, S., Hördt, A., Durner, W. und Diamantopoulos, E.
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(2013): Estimation of van Genuchten‐Mualem Parameters from Spectral Induced Polarization Measurements, Near Surface Geoscience, European Association of Geoscientists and Engineers, 09.‐11.09.2013, Bochum
Nordsiek, S., Hördt, A., Diamantopoulos, E. und Durner, W.
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(2014): The influence of the sample preparation on spectral induced polarization of unconsolidated sediments, Near Surface Geophysics, Vol 12, No 5, October 2014 pp. 667 - 677
Bairlein, K., Hördt, A. und Nordsiek, S.
