Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-94
Main Title: Die Morphologie von Oberflächenverschlämmungen bei variierten Entstehungsbedingungen und ihre Bestimmung mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie
Translated Title: The morphology of soil surface seals under varying boundary conditions and its determination using X-ray computed tomography
Author(s): Berkenhagen, Jörg
Advisor(s): Diestel, Heiko
Referee(s): Diestel, Heiko
Renger, Manfred
Granting Institution: Technische Universität Berlin, ehemalige Fakultät VII - Architektur Umwelt Gesellschaft
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Untersuchungsobjekt der vorliegenden Arbeit ist die Verschlämmungsschicht, die auf unbedeckten Bodenoberflächen infolge des Aufpralls von Regentropfen entsteht. Diese wenige Millimeter dicke Schicht weist gegenüber dem unverschlämmten Boden eine schwächere Gefügedifferenzierung sowie eine erhöhte Lagerungsdichte auf und hat eine deutlich geringere Wasserleitfähigkeit. Ziel der Untersuchung war es, den Einfluss relevanter Steuergrößen auf die Struktur der Verschlämmungsschicht zu quantifizieren. Als Kenngrößen für die morphometrische Charakterisierung wurden Krustendicke, maximale Lagerungsdichte, Lagerungsdichten-Tiefen-Profil und Bedeckungsgrad bestimmt. Die morphometrischen Parameter wurden auf gegenseitige Abhängigkeiten überprüft. Als Messverfahren wurde die Röntgen-Computertomographie (CT) eingesetzt. Bei der Anwendung des medizinischen CT-Scanners zur Analyse von Bodenproben traten Messwertverfälschungen auf, die, soweit möglich, quantifiziert und bei der Bildauswertung berücksichtigt wurden. Für die Bildauswertung wurden Verfahren modifiziert oder entwickelt, um die gesuchten morphometrischen Größen anhand der CT-Aufnahmen bestimmen zu können. Die untersuchten Bodenproben wurden im Regensimulator unter definierten Bedingungen beregnet. Als Steuergrößen wurden Bodenart, Mikrorelief,Ausgangsfeuchte und Niederschlagsmenge variiert. Die Untersuchungen brachten folgende Ergebnisse: - Die maximale Lagerungsdichte in der Kruste und die mittlere Lagerungsdichte im unverschlämmten Bereich hängen von der Bodenart ab. Sie sind um so höher, je ungleichförmiger die Korngrößenverteilung ist. - Ein Einfluss der Bodenart auf die Dicke der Verschlämmungsschicht und auf den Verlauf des Lagerungsdichten-Tiefen-Profils konnte nicht gefunden werden. - Der Anteil der Verschlämmungsschicht an der Gesamtoberfläche (Bedeckungsgrad) ist um so größer, je feiner das Mikrorelief ist. Der größte Teil des nicht verschlämmten Bereiches besteht aus größeren Aggregaten beziehungsweise Aggregatresten. - Mikrorelief und Ausgangsfeuchte zeigen keinen eindeutigen Einfluss auf die maximale Lagerungsdichte, die Differenz des Maximums zur unverschlämmten Lagerungsdichte, die Krustendicke und das Lagerungsdichten-Tiefen-Profil. - Es zeigte sich kein Zusammenhang zwischen der maximalen Lagerungsdichte in der Verschlämmungsschicht und der mittleren Lagerungsdichte im darunter liegenden, unverschlämmten Bereich. - Zwischen den einzelnen morphometrischen Parametern konnten keine Abhängigkeiten voneinander gefunden werden. - Mit der Niederschlagsmenge nehmen Krustendicke und maximale Lagerungsdichte bis zu einem Endwert zu. Auch die Werte der Lagerungsdichten für die einzelnen Tiefenschichten zwischen der Schicht mit dem Maximum und der Untergrenze steigen mit der Niederschlagsmenge an; ein Endwert wurde bei den gewählten Regenmengen nicht erreicht. - Zwischen Parallelproben wichen die morphometrischen Kennwerte zum Teil stärker voneinander ab als zwischen unterschiedlich behandelten Proben. Eine Ursache hierfür konnte nicht gefunden werden. Es ist denkbar, dass bei den Proben eine Steuergröße der Verschlämmungsbildung variierte, die nicht erfasst wurde. Es ist auch denkbar, dass dieses Phänomen auf die natürliche kleinräumige Heterogenität der Bodeneigenschaften zurückgeht. Die gemessenen morphometrischen Größen erscheinen als Eingabeparameter für bestehende hydraulische Simulationsmodelle nicht ohne weiteres geeignet. Die erzielten Ergebnisse können herangezogen werden, um Annahmen über den Aufbau der Verschlämmungsschicht zu überprüfen, wie sie in derartigen Modellen getroffen werden. Aus den Ergebnissen resultiert die Frage nach dem Zusammenhang zwischen den Steuergrößen der Verschlämmungsbildung, den gemessenen oder neu zu definierenden morphometrischen Parametern und dem Infiltrationsverlauf.
This study focuses on the soil surface seal which develops during raindrop impact on bare surfaces. The sealed layer with a thickness of few millimeters is more homogeneous in strucure and has a higher bulk density and a lower water permeability than the undisturbed soil. The aim of this study is to quantify the influence of relevant factors on the seal structure. Seal thickness, maximum bulk density, density-depth-profile and percentage of surface coverage are determined as morphometric parameters to characterize the seal. These parameters are tested for mutual correlation. The measurements areperformed using X-ray computed tomography (CT). When using medical X-ray scanners on soil samples, measurement inaccuracies appear. These inaccuracies have been quantified and considered for correction of the image analysis as much as possible. Image analysis procedures are modified and developed for the determination of morphometric parameters from the x-ray CT images. The soil samples that are used for the measurements are subjected to simulated rainfall under well defined conditions. Particle size distribution (PSD), microrelief, initial moisture content and cumulated rainfall are varied as factors of influence. The investigation yields the following results: - The maximum bulk density within the seal and the average builk density in the undisturbed layer depend upon the PSD. The density values increase with increasing degree of heterogeneity of the PSD. - An influence of PSD on the thickness of the seal or on the shape of the bulk density-depth-profile can not be demonstrated. - The amount of the seal on the total surface area increases with decreasing surface roughness. The non-sealed surface area mainly consists of bigger aggregates or aggregate residues. - Microrelief and initial moisture content show no distinct influence on maximum bulk density, the difference between maximum bulk density and initial bulk density, the seal thickness, and the density-depth-profile. - No correlation can be found between the different morphometric parameters. - Seal thickness and maximum bulk density increase with cumulative rainfall to a maximum. The bulk density within the layers between the surface and the undisturbed material increases with cumulative rainfall without reaching a maximum value during the treatments. - In some cases, morphometric parameters show a higher variation between parallel treatments than between different treatments. There is no obvious explanation but it is possible that an additional factor controls the seal formation but was not state. The measured morphometric parameters do not seem to be suited for an immediate integration into existing hydraulic simulation models. The results however, may be taken into account to reconsider the assumptions which serve as a basis for these models. The results of this study raise the question how the parameters controlling the seal formation, the measured or new morphometric parameters, and the features of the infiltration process correlate.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-154
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/391
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-94
Exam Date: 28-Apr-1998
Issue Date: 20-Jul-2000
Date Available: 20-Jul-2000
DDC Class: 630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
Subject(s): Bildverarbeitung
Bodengefüge
Computertomographie
Infiltration
Morphometrie
Oberflächenabfluss
Verschlämmung
Wassererosion
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