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Main Title: Water and Heavy Metal Fluxes in Paved Urban Soils
Translated Title: Wasser- und Schwermetallransport in teilversiegelten urbanen Böden
Author(s): Nehls, Thomas
Advisor(s): Wessolek, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Weltweit werden in Städten die Strassen und Gehwege gepflastert. Diese Befestigungen erlauben eine gewisse Infiltration von Regenwasser und vermindern so den Oberflächenabfluss. Pflastersysteme bestehen aus Pflastersteinen, technogenem Sand und dem sogenannten Fugenmaterial. Es wurde angenommen, dass alle drei Komponenten den Transport von Wasser und gelösten Substanzen beeinflussen. Das Fugenmaterial ist die oberste Schicht des Bodens zwischen den Pflastersteinen. Es ist unklar, woraus es sich zusammensetzt. Es wurde vermutet, dass es durch Einwaschung von Stäuben gebildet wird und das ein großer Teil seiner organischen Substanz aus Black Carbon besteht. Dies würde dessen dunkle Färbung erklären. Aufgrund der Einträge müsste das Fugenmaterial eine spezielle Poren- und Oberflächenstruktur und damit spezielle physikalische und chemische Filtereigenschaften aufweisen. Fugenmaterialien wurden in Berlin, Warschau und Paris beprobt und erstmals auf ihre Materialeigenschaften hin untersucht. Dabei wurden neben allgemeinen bodenchemischen Parametern die Korngrößenverteilungen, die Porengrößen und -strukturen, die Oberflächengrößen und -formen, die Adsorptionsenergieverteilungen und die Schwermetalladsorptionsisothermen untersucht. Es wurde festgestellt, dass Black Carbon bis zu 30% der organischen Fraktion des Fugenmaterials ausmachen kann. Die organische Substanz hat verglichen mit der naturnaher Böden eine kleine spezifische Oberfläche und weist eine geringe Ladungsdichte auf, was auf ihren unpolaren Charakter schliessen lässt. Adsorptionsenergieverteilungen bestätigen dies. Zusammengenommen erklärt sich dadurch die sehr geringe Kationenaustauschkapazität des Fugenmaterials verglichen mit naturnahen sandigen Böden. Vergleicht man das Fugenmaterial jedoch mit dem ursprünglichen Bausand, so weist es allgemein günstigere ökologische Eigenschaften auf: es hat eine höhere nutzbare Feldkapazität, eine höhere Kationenaustauschkapazität und hält Schwermetalle effektiver zurück, wie die Schwermetalladsorptionsisothermen beweisen. Nach allem, was bislang über präferenzielle Fließwege in Böden bekannt war, müsste die Anordnung der Pflastersteine in teilversiegelten Böden ebenfalls zur Ausbildung bevorzugter Fließbahnen führen. Untersucht wurde diese These an fünf Standorten in Berlin durch Versickerung mit Brilliant Blue gefärbten Wassers. Für die qualitative und quantitative Auswertung dieser Versuche wurde die digitale Bildverarbeitung eingesetzt. Aufgrund der heterogenen Färbung der urbanen Böden musste dazu eigens eine neue Methode entwickelt werden. Abhängig von der Größe der Pflastermaterialien und dem Aufbau der darunterliegenden Schichten kommt es zur Ausprägung präferentieller Fließwege in teilversiegelten Böden. Dabei nehmen die Fließwege teilweise die Form der Fugengeometrie an. Der effektive Fließquerschnitt verringert sich so teilweise auf 60%. Welchen Einfluß Fugenmaterial und präferentielle Fließwege auf die Verlagerung von Blei und Cadmium haben, wurde in numerischen Simulationen mit den Programmen HYDRUS 1D und HYDRUS 2D untersucht. Dazu wurden sämtliche gemessenen Eigenschaften des Pflastersystems verwendet. Eine akute Gefährdung der Verlagerung von Blei besteht nicht. Anders sieht es es bei Cadmium aus: es ist zu erwarten, dass die Speicherkapazität des Pflastersystems bereits nach wenigen Dekaden ausgeschöpft ist und dann ein Austrag aus dem Pflastersystem einsetzt. Partikulärer Transport und schnelles Fließen durch Makroporen wurden im Modell dabei noch nicht berücksichtigt. Aufgrund der positiven Wirkung auf den urbanen Wasserkreislauf sind Teilversiegelungen der Verwendung total versiegelnder Materialien wie Beton oder Teer vorzuziehen. Die Speicherung von Black Carbon und Schwermetallen zeigt außerdem, dass offene Bodenoberflächen in urbanen Gebieten wichtige Senkenfunktionen wahrnehmen.
Worldwide, the streets and sidewalks in urban areas are often perviously paved. This kind of sealing allows at least a little infiltration of rainwater and thereby decreases the run-off. Pavements consist of the pavers, a construction material and the so called seam material. It was hypothesized, that these three components influence the transport of water and solved substances. The seam material is the first layer of soil material which is situated in the gaps between single pavestones. It was hypothesized, that it develops by incorporation of different deposits of urban dust and that it contains great portions of Black Carbon. This would explain its dark colour. Because of this inputs, the seam material was expected to have a special surface and pore structure. Therefore, special chemical and physical filter properties were expected. Seam materials have been sampled in Berlin, Warsaw and Paris and their properties have been investigated for the first time. Beside the general soil chemical properties, the following parameters have been measured: grain size distribution, pore size distribution and pore structure, specific surface area and surface form, adsorption energy distribution function, and the heavy metal adsorption isotherm. Up to 30% of the organic matter consists of Black Carbon. The organic substance of seam materials has small specific suface area and a low surface charge density. This indicates a non-polar character. The seam material shows a high fractions of low adsorption energy, which proves this statement. However, the seam material shows positive ecological properties compared to the original construction sand: it has a higher available water capacity, a higher cation exchange capacity and shows a higher heavy metal retardation, as seen from the heavy metal adsorption isotherms. From what we know about preferential flow paths, the arrangement of pavers and seams would have to introduce preferential flow patterns. This hypothesis was tested on five sites in Berlin, were brilliant blue coloured water was infiltrated. Digital image analysis has been used for the qualitative and quantitative investigation of the dye tracer experiments. Because of the heterogeneous background colouration of urban soils, a special method was develeoped. Preferential flowpath were frequently found. their development depends on the size of the pavestones and the structure of the soils underneath the pavement. Sometimes, the preferential flow patterns show the same geometry like the pavement seams. The effective cross sectional flow area decreased to 60%. The influence of the seam material and the preferential flow patterns has been evaluated by a simulation of Pb and Cd displacement using HYDRUS 1D and HYDRUS 2D. Thereby, all investigated features of the pavement system have been included in the analysis. There is no acute danger of a displacement of Pb. Cd behaves different, here the retardation capacity is exhausted after some decades. Thereby, particulate transport and fast flow in macro pores has not been considered. Because of its positive influence on the water cycle inside urban areas, pervious pavements are favourable to complete sealing by tar or concrete. The accumulation of Black Carbon and heavy metals furthermore demonstrates, that open soil surfaces can fulfil important sink functions in urban areas.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16224
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1954
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1657
Exam Date: 27-Jan-2007
Issue Date: 1-Aug-2007
Date Available: 1-Aug-2007
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Black carbon
Farbtracer
Fugenmaterial
Präferenzielle Fließwege
Urbane Böden
Black carbon
Dye tracer
Preferential flow
Seam material
Urban soils
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