Die Wirkung von Böden auf Energiekabel
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Die Wirkung von Böden auf Energiekabel
Bodeneigenschaften in der Umgebung von Erdkabeln Mathias Quast (207023) Landschaftsplanung Die selbstständige und eigenhändige Anfertigung versichert an Eides statt. Berlin, den 30.01.2009 2 I. Inhalt II. Einleitung 5 III. Theoretischer Hintergrund Energiekabel 7 Aufbau von Starkstromkabeln 7 Kabel im 10(6)-kV-Netz in Berlin 11 Dreiadriges Mittelspannungskabel 11 Einadriges Mittelspannungskabel 12 Kabellegung 13 Störfallarten bei Energiekabeln 14 Alterungsmechanismen von Energiekabeln 14 Fehlerortung bei Energiekabeln 17 Stadtböden 18 Verändernde und belastende Einwirkungen auf Böden im besiedelten 19 Raum Ursachen für rasche städtische Bodenentwicklung 20 Bodengesellschaften im Berliner Raum 20 Bodenwasser 22 Einfluss auf andere Komponenten 22 Wasserhaushaltsgleichung 23 Wasserspannung 23 Wasserspannungs-/Wassergehaltsgleichung 23 Einfluss der Körnung auf die Wasserspannungskurve 25 Einfluss des Gefüges auf die Wasserspannungskurve 25 Bodentemperatur 25 Thermische Eigenschaften 26 Wärmebewegung 28 IV. Material und Methoden Profilaufnahme – standortkundliche Aufnahme vor Ort Aufbau des Profilbogens 30 30 Laborarbeit 35 Wassergehalt 35 Lagerungsdichte 36 3 V. Auswertung Beschreibung der aufgenommenen Profile Störfallauswertung im Hinblick auf 37 die Bodengesellschaft, den 41 Schätzung der nutzbaren Feldkapazität und der Luftkapazität von 49 Grundwasserflurabstand und die Versiegelungsrate anthropogenen Bodenhorizonten aus einfach zu bestimmenden Kenngrößen Überprüfung der Wassergehaltsberechnungen 52 VI. Literatur; Anhänge 54 VII. Abbildungen, Tabellen, Diagramme 56 4 II. Einleitung Diese Diplomarbeit befasst sich mit den Bodeneigenschaften in der Umgebung von Erdkabeln. Es wird davon ausgegangen, dass eine gegenseitige Beeinflussung auftritt. Einerseits wird bei dem Transport von (elektrischer) Energie Wärme erzeugt, welche die Eigenschaften des Bodens verändern. Andererseits wird vermutet, dass der Boden nicht immer in der Lage ist, die entstehende Wärme ausreichend „abzuführen“ – dies kann in Extremfällen zur Entstehung von Kurzschlüssen im Stromverteilungsnetz führen. Das Untersuchungsgebiet für diese Arbeit ist Berlin. Böden in städtischen Ballungsräumen zeichnen sich meist durch anthropogen verändertes Material aus. Sie werden intensiv genutzt und sind starken Belastungen ausgesetzt. „Sichtbar“ werden diese Einflüsse unter anderem durch eine Zunahme der Lagerungsdichte und einem hohen Versiegelungsgrad. Diese Faktoren wirken sich auf die verschiedenen Eigenschaften von Böden (wie z.B. dem Wasserhaushalt und der Temperaturleitfähigkeit) aus. Bei der Bereitstellung von Energie für die Stadt Berlin kommt es im Durchschnitt jeden zweiten Tag zu Störungen im Versorgungsnetz. Dies bedeutet Kosten für die Netzbetreiber, welche die Störung schnellstmöglich wieder beheben müssen. Hinzu kommen ungewollte Einschränkungen bei dem Endabnehmer – es kommt zu einem Stromausfall, die Energieversorgung ist für unbestimmte Zeit nicht gewährleistet. Die Arbeitshypothese besteht in der Annahme, dass die vom Kabel ausgehende Übertragungswärme in Abhängigkeit von den physikalischen Bodeneigenschaften in unterschiedlicher Quantität weiter geleitet wird. Im ersten Teil der Arbeit werden die verschiedenen Kabeltypen des Berliner Stromnetzes vorgestellt. Des Weiteren wird ein kurzer Abriss über städtische Böden gegeben und die physikalischen Bodeneigenschaften erläutert, welche den Temperaturtransport maßgeblich beeinflussen. 5 Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit wurden Bodenprofile direkt bei Kabelkurzschlüssen aufgenommen. Um diese Daten repräsentativer zu gestalten, und gegebenenfalls Beziehungen zu den Störfällen aufzuweisen, wurde zusätzlich eine Störfallstatistik aus dem Jahr 2006 und dem ersten Quartal 2007 ausgewertet. Dies geschah in Hinblick auf die Bodengesellschaften, das Ausgangsmaterial, den Grundwasserflurabstand und die Versiegelungsrate in unmittelbarer Nähe des Störfalls. Diese Arbeit wurde mit Hilfe des digitalen Umweltatlasses der Stadt Berlin durchgeführt. Abschließend wird eine Methode für die Schätzung der nutzbaren Feldkapazität und der Luftkapazität an Hand von einfach zu bestimmenden Kennwerten vorgestellt und auf die praktische Anwendung überprüft. Der Grundgedanke bei dieser Betrachtung ist, dass diese beiden Parameter einen entscheidenden Einfluss auf die Wärmeleitung und Konvektion, die Formen der Wärmebewegung im Boden, haben. Mit Hilfe dieser Methode soll eine erste Aussage über die Temperaturleitfähigkeit gegeben werden. Diese Arbeit versucht mögliche Zusammenhänge zwischen bodenphysikalischen Eigenschaften und Kabelschäden aufzuzeigen. Des Weiteren soll sie Denkanstöße liefern und Grundlage für weiterführende Betrachtungen zu diesem Thema sein. 6 III. Theoretischer Hintergrund Dieses Kapitel soll eine Einführung in die Thematik der Energieübertragung geben. Der Aufbau von Stromkabeln und die verschiedenen Arten werden erläutert. Des Weiteren wird auf die Problematik von Störfällen eingegangen. Der zweite Teil des Kapitels beschäftigt sich mit den Grundlagen des Wärmehaushalts des Bodens und bildet somit die Basis für die Erstellung des Profilaufnahmebogens (siehe Kapitel IV, Seite 30) und die Auswertung der Schadfallstatistik (Kapitel V, Seite 37). Energiekabel Aufbau von Starkstromkabeln Grundsätzlich unterscheidet man zwischen dreiadrigen und einadrigen Mittelspannungskabeln im Berliner Kabelnetz (W ENDLAND, 2007). Die dreiadrigen Mittelspannungskabel (Abb. 1a) sind papierisoliert mit EinzelBleikabeln, die einadrigen (Abb. 1b) kunststoffisoliert. Abgesehen von der Isolierung, sind sie im Aufbau identisch (VDEW, 1986). 1 Leiter 2 Isolierung 3a Innere Leitschicht 3b Äußere Leitschicht 4 Metallmantel 6 Kunststoffmantel 7 Konzentrischer Leiter 8 Schirm 9 Bewehrung 10 Schutzhülle Abb. 1: Aufbau von Starkstromkabeln (a. dreiadriges, b. einadriges Mittelspannungskabel) 7 1. Leiter Zur Herstellung von Leitern wird Kupfer (E-Cu) oder Leitaluminium (E-Al) verwendet. Sie dienen der Stromleitung. 2. Isolierung Es wird hier zwischen Leiterisolierung (Isolierung der Leiter gegeneinander oder gegen metallische Umhüllung) und Gürtelisolierung (gemeinsame Isolierung über mehrere Adern) unterschieden. Weiterhin differenziert man bei dem Material der Isolierung zwischen Papier-Öl und Kunststoff. Papier-Öl-Isolierung wird für sämtliche Spannungsbereiche der Starkstromkabel verwendet. Spannung und Verwendungszweck bestimmen die Dicke der Isolierung. Der Leiter wird mit dem Papier umwickelt und daraufhin in Öl getränkt. Der Wassergehalt des verwendeten Papiers beträgt 0,1%. Noch vorhandene Hohlräume im Papier werden vom Öl gefüllt, sodass eine homogene Feldverteilung und damit eine gleichmäßige Beanspruchung des Materials erzielt wird. 3. Leitschichten a. Innere Leitschicht Diese Schicht soll die Entstehung von Teilentladungen verhindern. Des Weiteren wird eine geringere thermische und mechanische Beanspruchung der Isolierung im Falle eines Kurzschlusses erzielt. Die innere Leitschicht liegt auf dem Leiter und homogenisiert das elektrische Feld auf der Leiteroberfläche. Verwendet werden leitfähiges Papier- bzw. Gewebeband oder extrudierter leitfähiger Kunststoff. b. Äußere Leitschicht Die äußere Leiterschicht bewirkt eine elektrisch gleichmäßige Belastung des Isolierstoffs. Die Materialien sind mit denen der inneren Leitschicht identisch. 8 6. Kunststoffmantel Hauptsächlich werden zur Ummantelung in der Kabeltechnik Thermoplaste und Thermoelaste verwendet. Thermoplaste (Polyvinylchlorid/PVC, Polyethylen/PE) sind Polymerisate aus fadenförmig linearen aber auch verzweigten Molekülen. Sie sind bei hinreichend hoher Temperatur plastisch formbar. Thermoelaste (vernetztes Polyethylen/VPE, Ethylen-Propylen-Gummi/EPR) bestehen aus räumlich vernetzten Molekülen. Sie sind auch bei hohen Temperaturen nicht plastisch formbar. Tabelle 1 geht auf die Eigenschaften der einzelnen Materialien näher ein. Tabelle 1: Eigenschaften von Kunststoffen Werkstoff Vorteile Nachteil PVC einfach zu verarbeiten, Erweichung bei hoher Temperatur, einfach montierbar, Versprödung bei niedriger Temperatur, schlecht brennbar begrenzte dielektrische Eigenschaften PE sehr gute Eigenschaften, elektrische Erweichung bei hoher Temperatur, einfach zu empfindlich gegen Teilentladungen, verarbeiten, einfache Montage, brennbar, wasserempfindlich kältebeständig VPE Formbeständigkeit bei hoher Dielektrikum Temperatur, verschlechtert, durch schwierige Zuschlagstoffe Fertigung im geringere Kristallinität als PE, Vergleich zu PE, brennbar sehr gute elektrische Eigenschaften EPR sehr flexibel, großer zulässiger geringe Temperaturbereich, Zugfestigkeit, elektrische amorphe Eigenschaften schlechter als bei PE und VPE Struktur Auf Grund ihrer Eigenschaften werden Kabel aus PVC und VPE im Bereich der Niederspannung, aus VPE und PE im Mittel- und Hochspannungsbereich verwendet. 9 4. Metallmantel Der Mantel soll vor mechanischen Einwirkungen von außen schützen und Feuchtigkeit abwehren. Ein Metallmantel besteht aus schwachgekupfertem Blei, anderen Bleilegierungen (z.B. mit Tellur) oder Aluminium. Das Kabelmaterial wird nahtlos auf die Kabelseele gepresst. Eine Alternative sind Mäntel aus PVC oder PE gefertigt; sie sind leichter als Metallmäntel. 7. Konzentrischer Leiter Konzentrische Leiter, auch vierte Leiter genannt, werden nur bei Niederspannungsleitungen verwendet. Konzentrische Leiter bestehen aus umseilten Kupfer-Drähten oder Ceander-Leitern. Sie dienen als Berührungsschutz, Neutralund Schutzleiter und ermöglichen die Montage von Abzweigmuffen ohne den Mittelund Schutzleiter zu unterbrechen. 8. Schirm Der Schirm besteht aus Kupfer-Drähten, welche um die Kabeladern gelegt sind. Er dient als Berührungsschutz und als Leiter der Ableit- und Fehlerströme. 9. Bewehrung Die Bewehrung soll das Kabel gegen mechanische Schäden bei Transport und Einbau schützen. Sie besteht aus Stahldrähten. Auf Bewehrungen wird bei einem Aluminiummantel bzw. Kunststoffkabel verzichtet. 10. Schutzhüllen Gegen chemische und elektrolytische Korrosionsschäden sollen die Schutzhüllen dienen. Sie können aus mehreren Lagen in bituminöser Masse getränktem Papier oder Faserstoff bzw. Kunststoff(folien) bestehen. 10 Kabel im 10(6)-kV-Netz in Berlin Das Berliner teilungsnetz drei- und Stromver- besteht aus einadrigen Mittelspannungskabeln (siehe Diagramm 1). Im Folgenden wird der Aufbau der verschiedenen Kabel erläutert. Die Angaben über Diagramm 1: Anteil der einzelnen Mittelspannungskabel das Stromverteilungsnetz am Berliner Stromverteilungsnetz stammen von BERND WENDLAND (2007), der Aufbau der einzelnen Kabel wird mit Hilfe von HEINHOLD UND STUBBE (1999) bzw. der VEREINIGUNG DEUTSCHER ELEKTRIZITÄTSWERKE, kurz VDEW, (1986) erläutert. Dreiadriges Mittelspannungskabel In Berlin wurden von 1905 bis 1990 dreiadrige Mittelspannungskabel in Form von Massekabeln verlegt. Der prozentuale Anteil an Mittelspannungsnetz beträgt 71%. Es gibt zwei verschiedene Formen von Massekabeln: NAKBA, NKBA. Beide Kabelarten bestehen aus einem Leiter aus Aluminium (1), einer Isolierung aus massegetränktem Papier (2), einer Gürtelisolierung (3), einem Bleimantel (4), einer inneren Schutzhülle (5), einer Stahlbandbewehrung (6) und einer äußeren Schutzhülle (7) – siehe Abb. 2. Abb. 2.: Massekabel 11 Einadriges Mittelspannungskabel Des Weiteren werden in Berlin drei verschiedene Varianten von einadrigen Mittelspannungskabeln genutzt. Ihr prozentualer Anteil am Stromnetz liegt bei knapp einem Drittel – ein wesentlicher Grund hierfür liegt in der erst spät aufkommenden Verwendung (seit etwa Mitte der 1970er Jahre). Hier wird zwischen der ersten und zweiten Kabelgeneration unterschieden. Zu der ersten Generation zählen die PE- und VPE-Einleiterkabel. Das PE-Kabel (nach TGL-Norm: NA2YHCaY bzw. nach polnischer Norm: NA2YHCuY) besteht aus einem Aluminiumleiter (1), einer PE-Isolierung (2), einer extrudierten inneren (3a) und einer graphitierten äußeren Leitschicht (3b). Kabel nach TGL-Norm bestehen aus einem Aluminiumschirm, nach polnischer Norm aus einem Kupferschirm (4). Der PVC-Außenmantel (5) ist bei beiden Arten wieder identisch (siehe Abb.3). VPE-Einleiterkabel (NA2XSY, N2XSY) besitzen einen Leiter aus Aluminium oder Kupfer (1), eine innere Leitschicht (2), eine VPE-Isolierung (3), eine äußere Leitschicht (4), einen Schirm aus Kupferdrähten mit Querleitwendel (5), einer Trennschicht (6) und einem PE-Mantel (Abb. 4). Abb. 3: PE-Einleiterkabel der ersten Generation Abb. 4: VPE-Einleiterkabel der ersten Generation 12 Zu der zweiten Kabelgeneration zählt das weiterentwickelte VPE-Einleiterkabel. Es wird seit 1982 verwendet und ist heutzutage das einzige, welches neu verlegt wird. VPE-Kabel (NA2XS2Y, NA2XSF2Y) bestehen aus einem Aluminiumleiter (1), einer trockenvernetzten VPE-Isolierung (2), einer inneren und äußeren Leitschicht (3), einem leitfähigen Band (4), einem Kupferschirm (5), einer Trennschicht (6) und einem PE-Außenmantel (7) (Abb. 5). Abb. 5: VPE-Einleiterkabel (zweite Generation) Kabellegung Die Breite und Tiefe des Kabelgrabens richtet sich nach der Anzahl der zu verlegenden Kabel. Die Energiekabel liegen normaler Weise in einer Tiefe von mindestens 0,6m unter der Fahrbahn von Straßen bzw. mindestens 0,8m unter der Geländeoberkante. Nach dem Aushub des Grabens wird die Grabensohle planiert. Der Schacht darf keine Steine, Schlacken oder andere scharfkantige Gegenstände sowie für das Kabel schädliche Stoffe (Chemikalien) aufweisen. 13 Störfallarten bei Energiekabeln Die VDEW führt drei Fehlerarten auf, welche zu einer Unterbrechung im Stromkreislauf führen können: 1. Erdschluss: es kommt zu einer Verbindung von Leiter mit Erdreich 2. Kurzschluss: es wird eine galvanische Verbindung zwischen zwei (oder mehreren) Leitern eingegangen 3. Unterbrechung: ein (oder mehrere) Leiter werden getrennt. Auf die Ursachen für die Fehlerauslösung wird näher im Kapitel „Alterungsmechanismen von Energiekabeln“ eingegangen. Alterungsmechanismen von Energiekabeln Die folgenden Erläuterungen über die Fehlerursachen bei Energiekabeln dienen dem allgemeinen Verständnis. Bei der Störfallbetrachtung in Kapitel V (Seite 37) konnten sie auf Grund fehlender Datenerhebung jedoch nicht berücksichtigt werden. Als Alterung wird die Gesamtheit aller, im Laufe der Zeit, irreversibel ablaufenden chemischen und physikalischen Veränderungen in einem Material bezeichnet. Alterung ist grundsätzlich mit Eigenschaftsveränderungen des Werkstoffs verbunden. HEINHOLD und STUBBE (1999) unterteilen Alterung in zwei Bereiche: nichtelektrische Alterung und elektrische Alterung. Da es in dieser Arbeit um die äußeren Beeinflussungen von Kabel geht, wird hier nur auf die nichtelektrische Alterung eingegangen. Besonders der Mantel von Energiekabeln, bestehend aus Polymeren (Kunststoffen), ist für Alterung anfällig. Nichtelektrische Alterung Diese Art der Alterung tritt bei der Lagerung und dem Betrieb der Kabel auf. Eine Übersicht über die einzelnen Mechanismen der nichtelektrischen Alterung gibt Tabelle 2 (Seite 15). 14 Tabelle 2: Nichtelektrische Alterungsmechanismen von Kunststoffen Beanspruchung durch Alterungsmechanismus Kräfte Druck Verformung durch Lösen der Eigenspannung Torsion Zug Flüssige Stoffe Wasser Diffusion, Polymerquellung möglich Organische Lösungsmittel Polymerquellung, bei nichtvernetztem Polymeranteil: Auflösung möglich Öle, Fette Polymerquellung, Auflösung möglich, Herauslösung von Rezepturbestandteilen Säuren, Laugen Hydrolytische Lösung des Ester zu Alkohol und Säure (Verseifung) Tenside, Seifen, Methanol Spannungsrissbildung Strahlung Energiereiche oder ionisierende Kettenbruch, -abbau, Oxidation möglich Strahlung (Strahlenalterung) UV-Strahlen, Licht (Lichtalterung) Oxidation, Vernetzung, Versprödung Wärme und atmosphärische Beanspruchung Wärme Thermisch Zustände, aktivierte Veränderung thermischer physikalischer Polymerabbau, HCl- Abspaltung bei PVC Luftsauerstoff Thermische Oxidation (thermooxidative Alterung) Ozon Oxidation, Versprödung (Ozonisierung) Gegenseitige Beeinflussung der Aufbauelemente Direkter Kontakt der Kunststoffe Weichmacherwanderung Kupferleiter Kupfer-katalytisch Alterung 15 beschleunigte thermooxidative Beanspruchung durch Kräfte Das Wirken von Kräften ist keine Alterung im definierten Sinn, jedoch beeinträchtigen sie die Gebrauchsdauer. Äußere Einwirkungen können als Druck-, Torsions- oder Zugkraft bei der Lagerung, Legung und im Betrieb von Kabeln/Leitungen auftreten. Sie wirken sich auf den Aufbau der Polymerketten und ihre physikalischen (inneren) Bindungskräften aus und werden als Einkerbungen im Kabelmantel oder sonstige mechanische Beschädigung sichtbar. Beanspruchung durch Flüssigkeiten Flüssigkeiten (Chemikalien, Wasser) können die Werkstoffoberfläche benetzen, es kann zu einer Diffusion von Flüssigkeitsmolekülen in das Polymer kommen. Es kommt in Folge zu mehr oder weniger stark ausgeprägten Polymerquellungen, die letztendlich zur Auflösung der Polymerketten führen kann. Der endgültige Zustand des Kabels hängt, neben der Temperatur und der Zeit, von den chemischen Eigenschaften des Stoffes ab. Zum Beispiel können organische Lösungsmittel (unter anderem Xylol) nichtvernetzte Polyolefine auflösen, wohingegen H2O nur Polymerquellung zur Folge hat. Diffundierende Chemikalien können auch Rezepturbestandteile (Weichmacher, Stabilisatoren) aus dem Werkstoff lösen, was zu irreversiblen Eigenschaftsveränderungen führt – die Weichmacher aus einem PVC-Mantel können durch einen mineralölbelasteten Boden herausgelöst werden, der Mantel wird hart und versprödet. Auch können saure und alkalische Wässer Hydrolysevorgänge in Kunststoffmänteln auslösen – chemische Bindungen werden aufgelöst, die Polymerketten abgebaut und Eigenschaften können verloren gehen. Beanspruchung durch Strahlung Je nach dem Frequenzbereich der Strahlung unterteilt man die Strahlung in zwei Bereiche: - energiereiche, ionisierende Strahlung Die energiereiche, ionisierende Strahlung geht durch das Material. In erster Linie wird dabei Wärme erzeugt, wobei es zu chemischen Reaktionen kommt, die das Material bleibend verändern. Folgen sind Abbau, Bruch oder Vernetzung der Polymerketten. 16 - infrarotes, sichtbares und UV-Licht Bei dieser Reaktion entstehen Radikale (Voraussetzung sind Doppelbindungen in den Polymerketten oder leicht abspaltbare H-Atome). Die Folgen sind identisch mit denen der anderen Alterungsprozesse. Beanspruchung durch Wärme und andere atmosphärische Einflüsse Zu der rein thermischen Alterung gehören Reaktionen des Polymers, welche ohne Sauerstoff ablaufen: Schrumpfen, Verwinden, Ausschwitzen. Bei der thermooxidativen Alterung werden Oxidationsprozesse durch Wärme ausgelöst, zunehmende Temperatur wirkt beschleunigend. Ozonalterung führt zur Versprödung von Natur-/Synthesekautschuk. In ozonhaltiger Atmosphäre läuft die Ozonisierung ab – Ozon (O3) reagiert oxidierend mit C-CDoppelbindungen. Fehlerortung bei Energiekabelstörfällen Um die Fehlerstelle zu orten, wird das Tonfrequenz-Verfahren angewendet. Wechselstrom (stark tonfrequent) wird in das fehlerhafte Kabel geschickt und baut dort ein elektromagnetisches Feld auf. Die Kabeltrasse wird mit einer Suchspule (gekoppelt an ein Messinstrument und Kopfhörer) abgelaufen und so der Kraftlinienverlauf akustisch und optisch aufgezeichnet. Kurz- und Erdschlüsse stören den Linienverlauf. 17 Stadtböden Allgemein ist der Boden ein Teil der belebten oberen Erdkruste. Nach unten wird er von festem oder lockerem Gestein, nach oben durch eine Vegetationsdecke bzw. die Atmosphäre begrenzt. Zur Seite hin gehen Böden gleitend in benachbarte Böden über. Böden sind Lebensgrundlage und –raum für Mensch, Tier und Pflanze Teil der Ökosysteme mit den dazu gehörigen Stoffkreisläufen (besonders in Hinblick auf den Wasser-, Nährstoff- und Schadstoffhaushalt) prägendes Element der Natur und der Landschaft. Böden dienen dem Menschen als Anbaufläche für die Erzeugung von Nahrungs- und Futtermitteln sowie pflanzlichen Rohstoffen Fläche für Siedlung, Produktion, Verkehr und Kommunikation Lagerstätte für Abfälle und Filter für eingetragene Stoffe Grundwasserspeicher Lagerstätte für Bodenschätze und Energiequellen Erholungsraum Archiv der Natur- und Kulturgeschichte. Durch die Konsum- und Lebensgewohnheiten heutiger und vergangener Gesellschaften sind die Böden in Siedlungsräumen im starken Maße beeinflusst (HILLER, MEUSER - 1998). Daraus ergeben sich differenzierte Funktionen/Potentiale für städtische Böden: 1. biotisches Potential: der Boden wird als Pflanzenstandort und von Bodenlebewesen genutzt. Die Kriterienmerkmale sind Bodenfruchtbarkeit und Stoffabbau. 18 2. abiotisches Potential: Bestandteilen und die Nutzung Eigenschaften von von anorganischen Böden. Der Produkten, Boden wird als Rohstofflieferant, Schadstoffpuffer und –speicher angesehen. 3. Flächenpotential: Nutzung des Bodenuntergrundes für die Bebauung. Im urban-industriell überformten Gebieten sind Böden unterschiedlichster Ausprägung entstanden. In der Regel sind diese Stadtböden gegenüber dem Umland trockener und verdichteter. Sie sind mit organischen und anorganischen Stoffen belastet. Verändernde und belastende Einwirkungen auf Böden im besiedelten Bereich Böden werden als Stoffsenken angesehen: emittierte (Schad-)Stoffe aus der Atmosphäre, und auch der Hydrosphäre, gelangen als Sedimente in die Geosphäre. Die Schadstoffe im innerstädtischen Bereich stammen überwiegend aus Bewirtschaftung und Unfällen. Ebenso ist ein Eintrag von Salzen durch Streuung im Winter zu verzeichnen. Verdichtung ist ein weiterer entscheidender Grund für die Veränderung von bodenphysikalischen Eigenschaften. Im Allgemeinen spricht man von Verdichtung bei einer Lagerungsdichte von > 1,6 g/cm 3. Verdichtung kann durch Freizeitnutzung, Tritt, Befahren mit schweren Maschinen und gezielt zur Baugrundvorbereitung erfolgen. Beeinflusst werden kann durch die anthropogenen Einwirkungen die Bodenchemie; so kann der pH-Wert durch carbonathaltigen Bauschutteintrag erhöht bzw. durch die Oxidation von Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen, und der damit verbundenen Protonenfreisetzung, gesenkt werden; eine Folge hiervon wäre eine Zunahme der Schadstoffmobilität. Die bodenphysikalischen Eigenschaften (der Wasser-, Luft-, Wärmehaushalt), und im Zusammenhang mit ihr letztendlich die Bodenbiologie (Veränderung der Lebensbedingungen für Flora und Fauna), stehen in engen Beziehungen zu den menschlichen Tätigkeiten. Somit wird auch der Boden als Basis für Biotope, also die Standortökologie, verändert (PIETSCH, KAMIETH - 1991). 19 Ursachen für rasche städtische Bodenentwicklung Das Ausbringen von Häckselgut oder Kompost, das Aufkommen von tierischen Exkrementen (besonders Hundekot) und ähnliche Handlungen, haben einen hohen organischen Stoffimport zur Folge. Diese Zufuhr spiegelt sich durch eine erhöhte Humusakkumulation wieder. Bei der Überschüttung von gewachsenen Böden mit Substraten kann es zu einer beeinträchtigten Bodenbildung, einer so genannten „ererbten“ Bodengenese, kommen. Stadtklimatische Besonderheiten, wie ein veränderter Wasser- und Lufthaushalt, höhere Temperaturen, und eine stadttypische Vegetation haben ebenso einen Einfluss auf die Eigenschaften/Bildung von urbanen Böden. Häufige Phänomene, die in diesem Zusammenhang verstärkt auftreten sind z.B. ein höherer Grundwasserflurabstand auf Grund der Grundwassersenkung durch bauliche Maßnahmen, Trinkwassergewinnung und Förderung der Bodenversauerung durch Koniferen (SUKOPP, 1990). Bodengesellschaften im Berliner Raum GERSTENBERG und SMETTAN (2005) gehen bei ihren bodengesellschaftlichen Betrachtungen von einer Stadtfläche von 74.704,19ha aus (im Gegensatz hierzu spricht das AMT FÜR STATISTIK FÜR BERLIN-BRANDENBURG von einer Stadtgebietsfläche von 892km2). Es kommen 79 unterschiedliche Bodengesellschaften vor. Jedoch wird hierbei das unterschiedliche Ausgangsmaterial und die Flächennutzung berücksichtigt – so wird z.B. zwischen dem Regosol-Pararendzina-Hortisol auf Talsand, Geschiebesand, Geschiebemergel und Flugsand unterschieden bzw. gibt es einen Pararendzina-Lockersyrosem-Regosol auf Siedlungsfläche und auf Rieselfeldern. Tabelle 3 zeigt die Bodengesellschaften mit den größten Flächenanteilen. Aus Platzgründen werden nur die Gesellschaften mit einem prozentualen Flächenanteil von größer als 3% aufgelistet. Für eine detailliertere Betrachtung wird an dieser Stelle auf das Werk „Erstellung von Karten zur Bewertung der Bodenfunktionen“ von GERSTENBERG und SMETTAN (2005) verwiesen. 20 Tabelle 3: Berliner Bodengesellschaften (Auswahl nach Flächengröße) Fläche (in ha) Fläche (in %) Rostbraunerde/vergleyte Braunerde/Gley-Braunerde 10.892,48 14,569 Lockersyrosem + Regosol + Pararendzina (Industrie auf 6.769,34 9,054 Parabraunerde/Sandkeilbraunerde 6.658,90 8,908 Lockersyrosem + Humusregosol + Pararendzina 4.312,21 5,768 Pararendzina + Lockersyrosem + Regosol (auf Talsand) 3.664,58 4,901 (auf 3.527,01 4,717 Rostbraunerde/kolluviale Braunerde 3.109,23 4,159 Lockersyrosem + Regosol + Pararendzina (Innenstadt, auf 2.896,40 3,874 Regosol + Pararendzina + Hortisol (auf Talsand) 2.756,05 3,686 Syrosem + Kalkregosol + Pararendzina 2.412,93 3,227 Regosol + Pararendzina + Hortisol (auf Geschiebemergel) 2.367,19 3,166 andere Bodengesellschaften 25.337,87 33,918 Aufschüttungs- bzw. Abtragungsfläche) Pararendzina + Lockersyrosem + Regosol Geschiebemergel) Aufschüttung) Gesamtfläche 21 74.704,19 Bodenwasser Die folgenden Texte in den Kapiteln Bodenwasser und Bodentemperatur sind mit Hilfe der Werke von HARTGE (1978), HINTERMAIER-ERHARD und ZECH (1997), MÜCKENHAUSEN (1994), RID (1984) und SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (2002) erarbeitet. Unter natürlichen Bedingungen enthält jeder Boden stets Wasser. Der prozentuale Wasseranteil des Bodens wird als Wassergehalt (in Masse-% oder Vol-%) angegeben. Als Bodenwasser wird das gesamte im Boden vorhandene Wasser, mit Ausnahme des Kristallwassers der Bodenminerale, angesehen. Zu den wassergehaltsbestimmenden Faktoren zählen die Textur, der Humusgehalt und die Art der Hohlräume im Boden. Das Bodenwasser wird über Niederschlag, Grundwasser und im geringen Maße über Kondensation aus der Atmosphäre gespeist. Erfüllt das Wasser den gesamten Porenraum, bezeichnet man diesen Zustand eines Bodens als wassergesättigt. Einfluss auf andere Komponenten Das Bodenwasser stellt einen Teil des Wasserkreislaufs der Natur dar. Ökologisch betrachtet ist das Bodenwasser der entscheidende Faktor für den Pflanzenstandort – der Pflanze wird das lebensnotwendige Wasser und mit ihm die Nährstoffe geliefert. Gesteinsverwitterung, der Umsatz organischer Substanz und Bodenbildung sind ohne Bodenwasser nicht möglich. Eine entscheidende Rolle spielt Wasser bei bodenphysikalischen/-chemischen Prozessen wie dem Transport und der Umwandlung von Bodenteilchen. Letztendlich ist Wasser an den Kreisläufen der Bodenluft und Bodentemperatur maßgeblich beteiligt. 22 Wasserhaushaltsgleichung (Wasserbilanz) Die Wasserbilanz ist eine vereinfachte Darstellung der Komponenten, welche für die Menge des Bodenwassers verantwortlich sind. Die Gleichung N + (Z) = A + V + R gibt die Beziehung der verschiedenen Faktoren wieder. N ist die Wasserzufuhr durch Niederschlag, (Z) steht für die Zufuhr aus dem Bodenkörper oder über frei fließende Gerinne. A Oberflächenabfluss und gibt den den Wasserverlust durch Grundwasserneubildung an. V ist die Verdunstung bzw. Evapotranspiration und ist Abb. 6: die Faktoren der Wasserbilanz vordergründig von der Ausprägung der Vegetation abhängig. Vorratsänderung, wird A nur und bei V besitzen kurzzeitiger negative Vorzeichen. Betrachtung R, die berücksichtigt; bei vorherrschender Zufuhr ist die Vorratsänderung positiv, bei überwiegendem Wasserverlust negativ. Die einzelnen Einflussgrößen sind schematisch in der Abb. 6 dargestellt. Wasserspannung Die Adsorptions- und Kapillarkräfte der Bodenmatrix üben auf das Bodenwasser eine Saugspannung aus. Diese Spannung wird in cm Wassersäule oder in bar gemessen. Die Wasserspannung ist am höchsten bei niedrigen Wassergehalten, am niedrigsten bei hohen Wassergehalten. Wasserspannungs-/Wassergehaltskurve Die Wassermenge in einem Boden ist von dem Porenvolumen und der Porengrößenverteilung abhängig. Die Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasserspannung ist daher für jeden Horizont charakteristisch. Dieses Verhältnis wird durch die Wasserspannungskurve graphisch dargestellt. Abb. 7 zeigt die 23 Wasserspannungskurve unterschiedliche Verlauf für drei der Böden Kurven unterschiedlicher beruht auf der Textur. Der verschiedenartigen Porengrößenverteilung der Böden. Ist der gesamte Porenanteil mit Wasser gefüllt, so ist der maximale Wassergehalt (niedrige Wasserspannung) erreicht, dieser Zustand wird als Feldkapazität (FK) bezeichnet. Der permanente Welkepunkt (PWP) kennzeichnet die Wasserspannung, bei der das Bodenwasser so stark durch die Saugspannung des Bodens gehalten wird, dass es nicht mehr pflanzenverfügbar ist. Abb. 7: Beziehung zwischen Wasserspannung und Wassergehalt bei einem Sandboden, einem tonigen Schluffboden und einem Tonboden 24 Einfluss der Körnung auf Wasserspannungskurve Der Verlauf der Wasserspannungskurve steht im direkten Zusammenhang mit der Korngrößenverteilung – die Kurve ist eine Summenkurve der Wasseranteile bei verschiedenen Kapillaraufstiegshöhen. Im Boden wird der überwiegende Wasseranteil im Porenraum des Bodens gebunden. Der Rest (etwa 5%) verbleibt mit steigender Bindungsstärke in Form dünner Filme von Adsorptionswasser auf der Kornoberfläche und als Meniskenringe um die Kontaktstellen zwischen den Körnern. Aus der Textur ergeben sich verschiedene Porengrößenverteilungen. Mit zunehmendem Tongehalt sind eine Zunahme der adsorbierenden Oberfläche und eine Abnahme des Porendurchmessers zu verzeichnen. Hieraus ergeben sich für die verschiedenen Böden bei gleichem Wassergehalt folgende Bindungsstärken: Sandboden < Schluffboden < Tonboden. Einfluss des Gefüges auf die Wasserspannungs-/Wassergehaltskurve Die verschiedenen Gefügeformen (im Besonderen Aggregate) können zur Bildung von sekundären Poren beitragen. Bei quellenden/schrumpfenden Böden ist die Abbzw. Zunahme des Porenvolumens (und damit auch der Lagerungsdichte) am größten – hierdurch verändert sich auch die Porengrößenverteilung und wirkt sich so auf die Wasserleitfähigkeit aus. Bodentemperatur Der Boden wird von mehreren Quellen erwärmt. Hauptsächlich ist hierfür die Sonne verantwortlich. Außerdem sind die Erdwärme (z.B. vulkanische Aktivität) und die mikrobiologische Umsetzung beim Abbau von organischer Substanz (Substraterwärmung in Mistbeeten) für die thermische Beeinflussung des Bodens zu nennen. In Ballungsräumen mit hoher Bevölkerungsdichte kommt punktuell Besiedlung als Wärmequelle in Betracht. Die Sonne und die Erdwärme werden als primäre Energiequellen angesehen, die anderen zählen zu den sekundären. Thermische Energie wird vom Boden durch Bodenstrahlung und Evaporation an die Umwelt wieder abgegeben. 25 Thermische Eigenschaften Die spezifische Wärmekapazität (cw) ist eine intrapedologische Größe, dass heißt sie ist nicht von äußeren Einwirkungen abhängig. Die Wärmekapazität gibt die Wärmemenge an, welche benötigt wird, um eine Volumeneinheit Boden um eine Wärmeeinheit zu erwärmen. Daraus folgt dass c w das Produkt aus der spezifischen Wärme (c) und der (Lagerungs-)Dichte () ist cw = c * ; die Maßeinheit für cw ist J * cm-3 * K-1. cw ist abhängig von der Menge der verschiedenen festen, flüssigen und gasförmigen Bodenkomponenten. Besonders großen Einfluss üben die Lagerungsdichte, die Zusammensetzung der festen Bodensubstanz und der Wassergehalt aus. Die spezifischen Wärmekapazitäten einiger Bodenkomponenten sind in Tab. 4 dargestellt, alle Werte der Tabelle beziehen sich auf homogene Substanzen. Wasser hat von allen Bodenbestandteilen die größte spezifische Wärmekapazität, deshalb ist die Wirkung von Wassergehaltsänderungen auf das gesamte thermische Verhalten des Bodens besonders groß. Tabelle 4: Wärmeleitfähigkeit () und Wärmekapazität (c) von Bodenbestandteilen (nach SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL und HARTGE) Boden- () (cw) komponente J * cm-1 * s-1 * K-1 J * cm-3 * K-1 Quarz 8,8 * 10-2 2,1 Biotit - 2,6 Dolomit - 2,8 Orthoklas - 2,2 Kaolinit - 2,5 Limonit - 3,0 Tonminerale 2,9 * 10-2 2,1 Humus 2,5 * 10-3 2,5 Wasser 5,7 * 10-3 4,2 Eis 2,2 * 10-2 1,9 Luft 2,5 * 10-4 1,3 * 10-3 26 Eine weitere Möglichkeit die thermischen Eigenschaften des Bodens zu beschreiben, ist die Wärmeleitfähigkeit (). Die Wärmeleitfähigkeit gibt die Wärmemenge (l ) an, welche durch einen Querschnitt von 1cm2 bei einem Gradienten von 1 K * cm-1 in einer Sekunde fließt. l = * Die Grundlage für die dT dx Berechnung von ist die Darcy-Gleichung. Die Wärmeleitfähigkeit ist stark von den Bodenkomponenten, der Lagerungsdichte und vom Wassergehalt abhängig. Ihre Maßeinheit ist J * cm-1 * s-1 * K-1. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Proportionalitätsfaktor, der den Einfluss des Bodens auf den Wärmetransport durch Leitung in einer Transportgleichung erfasst. Der Einfluss des Wassers ist so groß, dass schon Wasserspannungsänderungen sich stark auf die Wärmeleitfähigkeit auswirken. Bei geringen Wassergehalten zieht es sich zu kleinen, ringförmigen Menisken um die Berührungspunkte der Bodenkörner zusammen. Die Menisken vergrößern den leitenden Querschnitt und erhöhen so die Wärmeleitfähigkeit beachtlich. Mit zunehmendem Meniskenradius (ab einem Wassergehalt von etwa 10 Gew-%) wird mehr Wärmeenergie benötigt. Der Anstieg von , wie in Abb. 8 zu erkennen ist, verläuft nicht mehr so stark. Abb. 8: Verlauf der Wärme- () bzw. Temperaturleitfähigkeit ( * cw-1) (links) und der Wärmekapazität (cw) 27 Einfacher zu erfassen als die Wärmeleitfähigkeit ist die Temperaturleitfähigkeit, auch thermische Diffusität (K) genannt. K ist von der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit abhängig, die Beziehung drückt sich durch K = * cw-1 aus. Die Temperaturleitfähigkeit setzt sich aus der Temperaturveränderung (dT) in Bezug zu der Zeit (t ) und der Strecke (x ) zusammen. dT = dt d2T * c* dx Dies gestaltet eine Bestimmung im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit (Betrachtung von Wärmeflussmengen) einfacher. Die Temperaturleitfähigkeit kann für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit herangezogen werden. Die Temperaturleitfähigkeit ist, ebenso wie die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit, stark von dem Wassergehalt abhängig. Bei Wasserzufuhr zu einem anfänglich trockenen Boden steigt die Wärmeleitfähigkeit () zuerst stärker an als die Kapazität (cw) (Abb. 8, Seite 27). Mit steigendem Wassergehalt nimmt weniger zu, cw bleibt konstant – dies ist der Grund, warum der grafische Verlauf der Temperaturleitfähigkeit bei einem bestimmten Punkt abknickt. Wärmebewegung Temperaturunterschiede im Boden rufen Wärmebewegungen hervor. Diese Bewegungen finden in Form von Wärmeleitung und Konvektion statt. Die Wärmeleitung ist stark vom leitenden Querschnitt des Bodens (also dem Porenvolumen) abhängig. Hierbei spielt die Wärmeleitfähigkeit der Luft eine untergeordnete Rolle. Konvektion ist von einem „Träger“ abhängig – in der Regel ist dies Wasser. Des Weiteren ist die Konvektion von der Quantität des Trägers, der Fließgeschwindigkeit und der Kapazität abhängig. In der flüssigen Phase besitzt Wasser eine hohe Wärmekapazität. In der Gasphase ist die cw von Wasser geringer, dies wird jedoch durch hohe Verdampfungs- und Kondensationswärme ausgeglichen. Bei hoher Wassersättigung der Bodenluft hängt die Temperaturänderung eng mit der 28 Dampfdruckänderung Wasserdampf zu zusammen; Wasser und bei abnehmender setzt dabei Temperatur kondensiert Kondensationswärme frei. Wasserdampftransport als Wärmetransportmechanismus spielt in trockenen Böden eine erhebliche Rolle. Zusammenfassend ist davon auszugehen, dass Böden, die einen Wassergehalt nah der Feldkapazität (Wasserspannung zwischen 1,8 bis 3 pF) besitzen, die Wärme von Energiekabeln schneller ableiten als Böden mit höherer Wasserspannung. 29 IV. Material und Methoden Profilaufnahme - standortkundliche Bewertung vor Ort In dem folgenden Kapitel wird der Aufbau des Profilbogens, die Vorgehensweise bei der Profilaufnahme und die dabei verwendeten Hilfsmittel beschrieben. „Die bodenkundliche Aufnahme der Störfälle bei Energiekabeln im städtischen Raum Berlin“ ist als Anhang beigefügt. Eine Darstellung der Vorgehensweise der Laborarbeit, in Bezug auf die Ermittlung der Lagerungsdichte und des Wassergehalts, findet im Kapitel Laborarbeit (ab Seite 32) statt. An Hand einer Gegenüberstellung der im Gelände ermittelten bodenkundlichen Eigenschaften wird im Kapitel V – Auswertung (Seite 37) versucht, eine Schätzung der thermischen Eigenschaften abzuleiten. Der Aufbau des Profilbogens Der Aufnahmebogen wurde in vier Themenbereiche untergliedert: 1. Lokalität – hierdurch sollte einerseits die Nachvollziehbarkeit des jeweiligen Profils gewährleistet werden und andererseits eine Vergleichbarkeit der Böden untereinander ermöglicht werden. Die hierfür verwendeten Merkmale sind die Adresse und die GPS-Daten der Profile. 2. Faktoren welche sich auf die Bodeneigenschaften auswirken. Hierunter zählen das Relief (Inklination und Reliefposition können das Profil an sich beeinflussen, die Exposition hat Einfluss auf die Lichtverhältnisse an der Profilwand und somit auf die Ansprache) die Nutzungsart (wirkt sich z.B. im Versiegelungsgrad aus) die Vegetation (in erster Linie ein Indikator für den Wasserhaushalt) die anthropogenen Veränderungen (Auswirkungen auf den Großteil der bodenphysikalischen Merkmale) zu den beeinflussenden Faktoren. 30 3. bodenkundliche Merkmale – hier wurde in erster Linie versucht, Bodenparameter, welche den Wärmehaushalt des Bodens beeinflussen, zu erfassen. Dazu zählen: Bodenart, Fremdmaterialien Kies-, Steingehalt Gefüge Bodenfarbe -> Humusgehalt (organische Substanz) Hydrophobie Durchwurzelungsintensität Ebenso kann sich der pH-Wert bzw. CO3-Gehalt auf die biologische Aktivität und somit indirekt auch auf den Wasser-, Luft- und Wärmehaushalt auswirken. Hinzu kommt, dass bei einem bestimmten pH-Wert eine Versauerung des Bodens einsetzt, welche eine Beeinträchtigung des Kabelmaterials zur Folge haben kann. 4. Kabel – dieser Teil des Aufnahmebogens soll auf die verschiedenen Aspekte der Kabelalterung eingehen. Der Kabelwerkstoff, das Kabelalter, die Bodeneigenschaften in direkter Kabelnähe sowie die eventuelle Beeinflussung von verschiedenen Kabeln untereinander wurden erfasst. Auf die Punke 2 (siehe Kapitel Stadtböden – ab Seite 18), 3 (Kapitel Bodenwasser – ab Seite 22) und 4 (Kapitel Energiekabel – ab Seite 11) wird in den jeweiligen Kapiteln näher eingegangen. 31 Das Vorgehen bei der Profilaufnahme Die Kartierung wurden mit Hilfe der Anleitung zur Kartierung, Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden von Wessolek und Renger (2001) und der Bodenkundlichen Kartieranleitung der Ad-Hoc-Arbeitsgruppe Boden (2005) vorgenommen. Bestimmung der Bodenart Die Bodenart wurde im Gelände durch die Fingerprobe ermittelt. Die Probe wurde durch befeuchten in den frischen Zustand versetzt und anschließend auf dem Handteller ausgerollt. Dadurch wurde die Körnigkeit, Bindigkeit und Formbarkeit geprüft (siehe Tabelle 5). Tabelle 5: Eigenschaften der Hauptbodenarten Bodenart Formbarkeit Körnigkeit Bindigkeit Ausrollbarkeit Sand nicht formbar körnig nicht nicht ausrollbar, beschmutzend zerbröckelt Schluff Ton wenig formbar, mehlig, raue kaum auf halbe zerbröckelnd Gleitfläche beschmutzend Bleistiftstärke formbar, bindig schmierig, glatte beschmutzend halbe Bleistiftstärke glänzende Gleitfläche 32 zum Ring geformt Kies- und Steingehalt Der Anteil des Grobbodens im Profil wurde nach Raumprozenten entsprechend der Abbildung 9 vor Ort geschätzt. Bodenfarbe Die Farbansprache wurde unter Zuhilfenahme der Munsell-Farbtafel im „Feld“ vorgenommen. Der Boden wurde so sehr angefeuchtet, dass bei weiterer Wasserzugabe keine Farbänderung mehr auftrat (entspricht so dem Wassergehalt bei Feldkapazität). Bei der Munsell-Farbtafel wird der Boden in Bezug auf Farbe (Hue), Helligkeit/Grauwert (Value) und Intensität (Chroma) charakterisiert. Dies geschieht über Symbole aus Buchstaben und Zahlen. Die Probe wird auf die Tafel, bzw. die Tafel gegen das Profil gehalten, Abb. 9: Muster für und nach Übereinstimmungen untersucht. Skelettgehaltsschätzug Humusgehalt Der Humusgehalt wurde mit einer standartisierten Tabelle (AD-HOC-ARBEITSGRUPPE BODEN, 2005) unter Berücksichtigung der Bodenart und des Chroma- und Valuewertes (bestätigt durch die Munsell-Farbtafel) bestimmt. Dabei wird angenommen, dass die Farbe eines Horizontes eine Mischfarbe aus schwarzen Huminstoffen und anders gefärbten Mineralstoffen darstellt. Hydrophobie Um das Verhalten des Bodens gegenüber Wasser zu untersuchen, wurde der üblicherweise im Labor durchzuführende Tropfentest leicht modifiziert und im Freiland ausgeführt: hierfür wenige Tropfen Wasser auf die einzelnen Horizonte der Profilwand gegeben. Je nachdem ob das Wasser vom Boden aufgenommen wurde 33 oder die Tropfen auf der Oberfläche verweilten bzw. abperlten, wurde der Horizont als hydrophil oder hydrophob klassifiziert. Durchwurzelungsintensität Unter Durchwurzelungsintensität wird die mittlere Anzahl der Wurzeln pro dm 2 verstanden. Die Wurzeln wurden an der leicht angerauten Profilwand erfasst. pH-Wert Der pH-Wert wurde im Gelände mit Indikatorstäbchen in einer Suspension aus Bodenprobe und 0,01M CaCl2 im Volumenverhältnis 1 : 2,5 gemessen. Die angesetzte Probe wurde ca. 10min stehen gelassen und dann wurde der pHWert an der Färbung des Indikators abgelesen. Carbonatgehalt Der Gehalt an Carbonaten, Calcium- und Calcium-Magnesium-Carbonate in Form von Kalk und Dolomit, wurde durch die Salzsäureprobe ermittelt. 10%ige Salzsäure (HCl) wurde auf befeuchteten Boden getropft und der CO 3-Gehalt nach optisch und akustisch erkennbaren Reaktionen der CO 2-Entwicklung geschätzt (Tabelle 6). Da die Art und Weise der Reaktion weitgehend von Bodenart, Porengehalt, Porengrößenverteilung, Wassergehalt der Probe, Carbonatverteilung im Boden und Carbonatbindung abhängig ist, ist diese Methode eher als oberflächlich zu betrachten. Tabelle 6: Schätzungskriterien für die Bestimmung des Carbonatgehalts Reaktion Bezeichnung ungefährer Carbonatgehalt in Gew.% sehr schwache Reaktion, nicht sichtbar sehr carbonatarm < 0,5 schwache Reaktion, kaum sichtbar carbonatarm 0,5 – 2 nicht anhaltendes Aufbrausen carbonathaltig 2 – 10 stark anhaltendes Schäumen carbonatreich > 10 34 Hilfsmittel bei den Aufnahmen der Profile Stechzylinder, Gummihammer Munsell-Farbtafel pH-Stäbchen, Calciumchlorid, Spachtel und Probebecherchen Salzsäure Maßband GPS-Gerät Fotoapparat Laborarbeit Wassergehalt Der Wassergehalt wird durch die Trocknung bei 105oC im Trockenschrank bestimmt. Hierbei wird der Gewichtsverlust berücksichtigt und prozentual auf die Masse umgelegt. Benötigte Geräte sind eine Laborwaage (mit einer Genauigkeit auf 0,01g), Wägeschälchen, ein Spatel und ein Trockenschrank. Da die Proben in Kunststoffbeuteln gelagert wurden, an dessen Innenseiten es zu Kondensation des Bodenwassers kommen kann, wurde darauf geachtet, dass die Proben vor dem Einwiegen homogenisiert wurden und es zu einer gleichmäßigen Durchfeuchtung der Probe kam. Dadurch wurde verhindert dass die Außenseiten der Aggregate feuchter sind als das Innere. Es wurde darauf geachtet die Proben schnellstmöglich nach Probennahme zu bearbeiten, in der Regel innerhalb von 24h nach der Entnahme. Die Wägeschälchen wurden im ersten Schritt separat gewogen, mit der frischen Probe befüllt und ein weiteres Mal eingewogen. Um das Nettogewicht der Frischprobe (Bdn) zu ermitteln, wurde die Differenz aus dem ersten und zweiten Wiegen gebildet. Von jedem Horizont wurden zwei Proben bearbeitet – die jeweiligen Parallelproben wurden gemittelt um eine höhere Repräsentativität zu erreichen. 35 Die Proben verblieben etwa 24h bei einer Temperatur 105 oC im Trockenschrank. Nach dieser Zeit hatte sich die Gewichtskonstante eingestellt, dass heißt das Wasser ist aus der Bodenprobe verdunstet. Die Schälchen wurden ca. 45min verschlossen bzw. in einem Exsikkator abgekühlt und daraufhin gewogen, das Trockengewicht des Bodens (Bdtr) wurde ermittelt. Berechnung der Ergebnisse Die Wassermenge, welche durch die Trocknung aus dem Boden entfernt wurde, muss in Bezug zu der Bodenmenge betrachtet werden. Wgw = Bdn – Bdtr Bdtr Hierbei ist Bdn der nasse Boden, Bdtr der trockene Boden und W gw der Wassergehalt. Die Gewichtseinheit wurde weiterführend, um eine Vergleichbarkeit der Profile untereinander zu gewährleisten, in Gewichtsprozent umgerechnet. Gew.-% = W gw x 100 = Bdn – Bdtr x 100 Bdtr Lagerungsdichte Da sich die (Lagerungs-)Dichte aus dem Volumen und der Masse ergibt, kann man diese durch die Bestimmung des Gewichts einer Bodenprobe in einem Stechzylinder (mit einer Höhe von 5cm und einer Fläche von 20cm 2 also einem Volumen von 100cm3) ermitteln (FAKLAM, TRINKS mündlich). dL = mB VB Bei der Gleichung ist dL die Lagerungsdichte, mB das Gewicht und VB das Volumen der Bodenprobe. Die Ergebnisse der einzelnen Horizonte jedes aufgenommenen Profils befinden sich im Anhang Tab A1 „Wassergehalt und Lagerungsdichte der aufgenommenen Profile“). 36 V. Auswertung Beschreibung der aufgenommenen Profile Bei den aufgenommenen Böden handelt es sich um zwei Bodentypen, welche eindeutig klassifiziert werden konnten (vier Profile Braunerde, ein Profil Pseudogley). Des Weiteren kommen drei Profile vor, bei denen eine bauliche Störung auftritt; einerseits wurde Boden aufgetragen, andererseits wurde der oberste Horizont durch den Straßenbau abgetragen. Im Folgenden werden die Profile und ihre Charakteristik erläutert. Braunerde Profil 1, 2, 5, 7: Die Hälfte der aufgenommenen Profile werden als Braunerden angesprochen. Sie bestehen teilweise aus mehreren Bv-Horizonten, die Ursache hierfür ist in der baulichen Veränderung des Bodens zu vermuten. Der Bv reicht minimal bis in eine Tiefe von 100cm, bei einigen Profilen ist der C-Horizont noch nicht sichtbar (>130cm). Der Bv weist die typische dunkelbraune Färbung gegenüber dem Ausgangsmaterial auf. Der Ah-Horizont besitzt eine Mächtigkeit von 1,5 bis 3dm. Bei einem Profil ist auf Grund von baulichen Veränderungen (Erstellung eines Gehwegs) mit dem Auftrag von einer 15cm starken Sandschicht auszugehen – dieser weist eine leichte Humusakkumulation auf, sodass er mit Ai angesprochen wird. Braunerde auf Lockersyrosem Profil 3: Der Lockersyrosem fängt in einer Tiefe von 89cm an. Er besteht aus einem gut 10cm starken Humushorizont (Ah) auf Sand. Über dem Ai befinden sich noch Betongehwegplatten; Gespräche mit den Anwohnern haben ergeben, dass das Gelände aus bautechnischen Gründen aufgeschüttet wurde. Dies erklärt das Vorhandensein der Braunerde über dem Syrosem. Der humose A-Horizont der Braunerde hat eine Mächtigkeit von etwa 15cm; da sich das Profil neben dem Gehweg in einem Blumenbeet befindet, ist anzunehmen, dass er anthropogen aufgetragen wurde. In dem Bv-Horizont (67cm mächtig) befinden 37 sich anthropogene Einschlüsse wie z.B. Schotter, Reste von Abflussrohren aus Kunststoff etc. Lockersyrosem auf Braunerde Profil 6: Das Profil befand sich in Nähe einer Brücke, auch hier wird von einem Auftrag von Sand (Mächtigkeit etwa 3dm) auf das ursprüngliche Profil aus bautechnischen Gründen ausgegangen. Dieser Horizont weist leichte Humusakkumulationen auf und wird als Ai angesprochen. gekappte Braunerde Profil 8: Das Profil befand sich in der unmittelbaren Nähe einer stark befahrenen Straße. Die oberen 20cm bestehen aus Beton – es wird davon ausgegangen, dass der Ah-Horizont abgetragen wurde. Der Bv weist die charakteristischen Merkmale (dunkelbraune Färbung) auf. Aufschüttung über Pseudogley Profil 4: Die Profilwand weist eine vertikale Zweiteilung auf; durch das Verlegen von Versorgungskabeln zu unterschiedlichen Zeiten hat hier eine Aushebung und Wiederverfüllung des Erdreiches stattgefunden. Jedoch kann man tiefenversetzt die typischen Eigenschaften (Rostflecken, Marmorierung in dem Sw- und eine schluffigsandige Bodenart im Untergrund) eines Pseudogleyprofils deutlich erkennen. In der Tabelle 7 (Seite 39) werden die für die thermischen Eigenschaften entscheidenden Merkmale der aufgenommenen Profile gegenüber gestellt. Die aufgenommenen Profile können alle als stark anthropogen beeinflusst angesehen werden. Allgemein wird davon ausgegangen, dass ein hoher Wassergehalt (Wasserspannungen zwischen pF 1,8 bis 3) einen positiven Einfluss auf die Temperaturableitung in Energiekabelnähe haben müsste. Der im Labor bestimmte Wassergehalt der einzelnen Horizonte liegt im Durchschnitt bei 7,90 Prozent – der geringste Wert wurde mit 2,25 Vol.-% bei einem yAh eines Lockersyrosems auf einer Pararendzina, der höchste Wert (15,97 Vol.-%) in einem IIyC einer Pararendzina festgestellt. Nach Abb. 8 (Seite 27) liegt der Wassergehaltsdurchschnitt kurz unter dem Temperaturleitfähigkeitsoptimum. 38 Tabelle 7: Eigenschaften der Bodenprofile bei aufgenommenen Störfällen Standort Bodenart 1 – Berliner Straße 36, mS Lagerungs- GW- Wasser- dichte Flurabstand gehalt gering 30 – 40 4,58 Krautschicht, (7,08) vereinzelt Sträucher 15,97 Rasenstreifen Heinersdorf 2 – Berliner Straße 32, gS, fS mittel 30 - 40 Heinersdorf (12,13) 3 – Wernerstraße 10, mS 1,51 (1,60) Kaulsdorf mSu4 mSu2 1,70 (1,63) 137/138, Tempelhof – Wittenberger Teilestraße 10 - 15 (mittel) mS 1,47 (1,59) Straße, Marzahn 6 10 – 15 (mittel) 4b – Germaniastraße 20 – 30 (gering) 19, mS/fS 15 – 20 (gering) 7 – Grazer Damm 205, mS/fS 10 - 15 (mittel) 8 – Kaiserin-Augusta- mS/fS 12,70 Gehweg mit (8,61) vereinzelten Bäumen 12,38 Gehweg (9,32) vereinzelten Bäumen 13,19 Gehweg mit 6,34 Gehweg (4,30) 1,66 (1,56) Friedenau Gehweg neben Hecke (8,51) 1,55 (1,49) Tempelhof 9,52 (9,78) 1,70 (1,63) 137/138, Tempelhof – 30 – 40 (gering) 4a – Germaniastraße 5 Vegetation 1,61 (mittel) 2–3 Allee 114, Moabit 9,51 vereinzelt (6,85) und Bäume 6,34 Gehweg Sträucher (6,34) Die Bestimmung der Bodenart wurde mit der „Fingerprobe“ vorgenommen, wodurch Interpretationsfehler entstehen können. Des Weiteren kann es bei der Wassergehaltsbestimmung im Labor zu Abweichungen vom tatsächlichen Ergebnis gekommen sein. Bodenart und die Lagerungsdichte sind entscheidend für die Größe der Bodenporen. Größere Bodenfraktionen bedingen größere Poren, feinere Bodenarten haben kleinere Poren zur Folge. Je kleiner die Porenräume, desto mehr Wasser kann vom Boden gehalten werden. Bei den aufgenommenen Profilen gibt es keine verdichteten Horizonte 3 (Lagerungsdichte > 1,8 g/cm ). Die Lagerungsdichten liegen zwischen 1,4 bis 1,8 g/cm3. Somit können die einzelnen Horizonte als gering bis mittel verdichtet angesehen werden. Die dominante Bodenart ist Sand. Es ist davon auszugehen, 39 dass unter diesen Umständen die Böden nicht in der Lage sind das Wasser über längere Zeit zu speichern. Durch den kapillaren Wasseraufstieg vom Grundwasser wird der Wassergehalt positiv beeinflusst. Je tiefer der Grundwasserflurabstand liegt umso schwächer wirkt sich dieser Effekt aus. Bis auf ein Profil weisen alle Störfälle einen Grundwasserflurabstand von über 10m auf. Ein Einfluss auf den Wassergehalt ist bei dieser Tiefe und Bodenart nicht mehr zu erwarten. Der Vegetationsbestand wird als „wasserziehend“ angesehen. Größere Pflanzen (mit tiefreichendem Wurzelwerk) und ein enger Flächenbestand wirken sich negativ auf den Wassergehalt des Bodens aus. 40 Störfallauswertung in Hinblick auf die Bodengesellschaft, den Grundwasserflurabstand und die Versiegelungsrate Zusätzlich zu den aufgenommenen Profilen wird eine Schadensfallstatistik von der Vattenfall Europe AG (W ENDLAND, B. 2007) ausgewertet. Die Statistik erfasst Fälle von Störungen bei 10kV-Leitungen aus dem Zeitraum Januar 2006 bis März 2007. Es werden 417 Störungen im Berliner Stadtraum aufgeführt. Die Betrachtungen der Störfälle werden mit Hilfe des digitalen Umweltatlas von Berlin (SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG) vorgenommen. Eine detaillierte Auflistung der Störfälle in Hinsicht auf die Bodengesellschaft, den Grundwasserflurabstand und die Versiegelungsrate befindet sich im Anhang (Tab A2 „Störfallauswertung hinsichtlich der Bodengesellschaft, des Versiegelungsgrades und dem GW-Flurabstand“). Für eine weiterführende Betrachtung wäre an eine Untersuchung der Störfälle mit Hilfe eines Geo-Informations-Systems zu denken. Dies könnte z.B. durch die Überlagerung eines Lageplans der Energiekabel mit entsprechenden thematischen Karten aus dem Umweltatlas geschehen. Hierdurch könnten unter anderem genauere Angaben zu den prozentualen Flächenverteilungen der jeweiligen Themenbereiche oder eine gleichzeitige Betrachtung der verschiedenen Karteninhalte für einen bestimmten Ort ermöglicht werden. Im ersten Schritt werden die Störfälle auf den Bodentyp, in denen sie stattfanden, untersucht. Hierdurch sollen erste Aussagen hinsichtlich des charakteristischen Profilaufbaus und dem Ausgangsmaterial getroffen werden. Jedoch liefert der Umweltatlas nur Angaben über die Bodengesellschaften; bei dieser Darstellungsweise werden verschiedene Bodentypen auf Grund des gleichen Ausgangsmaterials bzw. ähnlichen Entwicklungsstadien zu einer Einheit zusammengefasst. Das Ergebnis dieser Betrachtung ist in Diagramm 2 dargestellt. Zur detaillierteren Untersuchung wird die Anzahl der Störfälle mit den Gesellschaften in Tabelle 8 (Seite 42) in Beziehung gesetzt. 41 Diagramm 2: Störfälle im Verhältnis zu den Bodengesellschaften Tabelle 8: Bodengesellschaften in Bezug zu der Anzahl der Störfälle Bodengesellschaften Anzahl der Störfälle prozentualer Anteil Lockersyrosem, Regosol, Pararendzina 251 60,19 Lockersyrosem, Humusregosol, Pararendzina 59 14,15 Regosol, Pararendzina, Hortisol 54 12,95 Parabraunerde 28 6,71 Rostbraunerde, kolluviale Braunerde 10 2,40 Podsolbraunerde 4 <1 vergleyte Braunerde 4 <1 Syrosem, Kalkregosol, Pararendzina 2 <1 Pararendzina, Kalkregosol, Lockersyrosem 2 <1 vererdetes Niedermoor, Kalkniedermoor 2 <1 (kalkhaltige) Parabraungley, Gley 1 <1 42 Um eine Aussage über die Häufigkeit der Störfälle in Hinsicht auf die Gesamtfläche zu geben, wird die Anzahl der Störfälle in Bezug zu dem prozentualen Flächenanteil in Berlin gestellt (Tabelle 9). Der sich daraus ergebene Wert wird hier als Verhältnisgröße QBod bezeichnet. prozentualer Anteil Störfälle Bodengesellschaft prozentualer Flächenanteil Bodengesellschaft = Verhältnisgröße QBod Man kann davon ausgehen, dass bei Bodengesellschaften bei denen Q Bod größer 1 ist, es verhältnismäßig häufiger zu Störungen kommt. Tabelle 9: Störfälle in Beziehung zu den Bodengesellschaften unter Berücksichtigung des prozentualen Flächenanteils Bodengesellschaften Störfälle (in %) Lockersyrosem, Regosol, Flächenanteil Verhältniswert (in %) QBod 60,19 3,874 15,53 14,15 5,768 2,45 12,95 8,29 1,56 Parabraunerde 6,71 8,906 0,75 Rostbraunerde, kolluviale Braunerde 2,40 1,104 2,17 Podsolbraunerde 0,99 1,868 0,53 vergleyte Braunerde 0,99 2,601 0,38 Syrosem, Kalkregosol, Pararendzina 0,47 3,227 0,15 Pararendzina, Kalkregosol, 0,47 1,16 0,41 0,47 1,983 0,24 0,23 0,134 1,72 Pararendzina Lockersyrosem, Humusregosol, Pararendzina Regosol, Pararendzina, Hortisol Lockersyrosem vererdetes Niedermoor, Kalkniedermoor (kalkhaltige) Parabraungley, Gley Ein besonders hoher Prozentsatz der Schadensfälle tritt bei den Bodengesellschaften der Lockersyrosem-Regosol-Pararendzina (15,53%) auf. Auch gehören die Lockersyrosem-Humusregosol-Pararendzina 43 (2,45), Regosol- Pararendzina-Hortisol (1,56) und Rostbraunerde/kolluviale Braunerde (2,17) zu den Bodentypen, in denen vermehrt Defekte auftreten. Der Parabraungley/Gley (1,72) ist in dieser Betrachtungsweise auf Grund seiner geringen Störfallanzahl und dem kleinen prozentualen Flächenanteil zu vernachlässigen. Die Ursachen für die Häufung in den aufgezählten Bodengesellschaften kann einerseits in der Dominanz der Gesellschaften im Kabeltrassengebiet liegen, andererseits auf die thermischen Eigenschaften der Bodengesellschaften zurückgeführt werden. Ausgehend von den Bodengesellschaften lassen sich mit Hilfe von GERSTENBERG und SMETTAN (2005) die in Tabelle 10 dargestellten Angaben zu den Ausgangsmaterialien ableiten. Tabelle 10: Bodengesellschaften und ihre Ausgangsmaterialien Bodengesellschaft Ausgangsmaterial Lockersyrosem+Humusregosol+Pararendzina Aufschüttung Lockersyrosem+Regosol+Pararendzina Aufschüttung Pararendzina+Kalkregosol+Lockersyrosem Bauschuttdeponie, Verfüllung Syrosem + Kalkregosol + Pararendzina Bauschuttdeponie, Verfüllung vergleyte Braunerde Fein- und Mittelsand Podsolbraunerde Feinsand Parabraunerde Geschiebemergel Rostbraunerde - kolluviale Braunerde Mergel Regosol+Pararendzina+Hortisol Tal-, Geschiebe-, Flugsand, Geschiebemergel vererdetes Niedermoor - Kalkniedermoor Talsandfläche kalkhaltiger Parabraungley/Gley Talsandfläche aus Fein- und Mittelsand 44 Bezogen auf die Störfälle ergibt sich folgende Verteilung für das Ausgangsmaterial (Tabelle 11, Diagramm 3). Hervorstechend sind die Schäden in Böden auf Aufschüttungen. Tabelle 11: Störfälle in Beziehung zu den Ausgangsmaterialien Ausgangsmaterial Aufschüttung Bauschuttdeponie, Verfüllung Fein-, Mittelsand Feinsand geschiebehaltiger Sand Geschiebemergel Mergel Tal-, Geschieb-, Flugsand, Geschiebemergel Talsandfläche Talsandfläche aus Fein- und Mittelsand Störfälle 300 4 12 4 1 28 11 54 2 1 proz. Anteil 71,94 0,96 2,88 0,96 0,24 6,71 2,64 12,95 0,48 0,24 Diagramm 3: Verteilung der Störfälle in Bezug zum Ausgangsmaterial 45 Der Grundwasserflurabstand und die Versiegelungsrate sind zwei entscheidende Faktoren, welche den Wasserhaushalt eines Bodens beeinflussen können. Die Grundwasserstände in Ballungsgebieten unterliegen nicht nur naturbedingten Abhängigkeiten wie Niederschlag, Verdunstungen und unterirdischen Abflüssen. Sie werden auch durch menschliche Einwirkungen (Grundwasserentnahme, Bebauung, Versiegelung, Entwässerungsanlagen und Wiedereinleitung) stark beeinflusst. Kenntnisse über den Grundwasserflurabstand können Informationen über die Beeinflussung des Bodenwasserhaushalts liefern – je weiter der Grundwasserleiter von der Oberfläche entfernt ist, desto schneller/häufiger kann der Boden trocken fallen. Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit sind in Kapitel Bodentemperatur (ab Seite 25) eingehender beschrieben. Diagramm 4: Verteilung der Störfälle in Bezug zum Grundwasserflurabstand Die prozentualen Anteile des Grundwasserflurabstands für das Gesamtgebiet Berlin sind in der entsprechenden Literatur (SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG) sehr ungenau angegeben. Der Verhältniswert QGW kann deshalb nur als ungefähre 46 Tendenz betrachtet werden. Wie Diagramm 4 (Seite 46) und Tabelle 12 zeigen ist hiernach ist eine Schadfallhäufung mit zunehmendem GW-Flurabstand zu vermuten. Tabelle 12: Grundwasserabstände der Störfälle Grundwasserflur Anzahl der prozentualer Flächenanteil in Verhältniswert abstand in m Störfälle Störfallanteil % QGW <1 4 0,95 12 0,27 1–2 10 2,40 2–4 141 33,81 20 1,69 4 – 10 69 16,55 20 0,83 10 – 20 94 22,54 20 1,13 20 – 40 98 23,50 20 1,18 > 40 1 0,24 1 0,24 Unter Versiegelung versteht man die Bedeckung des Bodens mit festen, nur teilweise bzw. nicht durchlässigen Materialien. Großflächige Versiegelung führt unter anderem zu einem Stadtklima mit Extremwerten (gekennzeichnet durch die Aufheizung der Luft bei einer gleichzeitigen Verminderung der Luftfeuchtigkeit). Ein weiterer Effekt der Versiegelung ist die Beeinflussung des Bodenwasserhaushalts. Verdunstungs- und Versickerungsflächen für Niederschläge gehen verloren. Das Regenwasser wird über die Kanalisation abgeführt und geht so dem Boden vor Ort verloren. Die zu erwartenden Folgen für den Wärmetransport werden ausführlich im Kapitel Bodentemperatur (ab Seite 25) beschrieben. Eine Verteilung der Störfälle in Hinsicht auf den vorliegenden Versiegelungsgrad geben das Diagramm 5 und die Tabelle 13 (Seite 48) wieder. Betrachtet man die Verteilung der Störfälle ist keine deutliche Häufung von Fehlern unter bestimmten Versiegelungsraten zu erkennen. Auffallend wenig Defekte liegen in den Bereichen mit einem sehr geringen (offen bis 10 Prozent Versiegelungsfläche) und einem sehr hohen Versiegelungsgrad (voll versiegelt). Ein wesentlicher Grund dafür ist wahrscheinlich auf die Art der Flächen und deren Nutzung zurückzuführen; zu den un- bzw. geringversiegelten Flächen zählen Wald, Grünland und Friedhöfe. 47 Diagramm 5: Versiegelungsgrad der Störfälle Tabelle 13: Versiegelungsgrad der jeweiligen Störfälle Versiegelung in % Anzahl der Störfälle prozentualer Anteil offen 2 <1 <5 1 <1 5 – 10 9 2,16 11 – 20 56 13,43 21 – 30 69 16,55 31 – 40 54 12,95 41 – 50 34 8,15 51 – 60 41 9,83 61 – 70 63 15,11 71 – 80 56 13,43 81 – 90 31 7,43 voll versiegelt 1 <1 Abschließend wurden die Störfälle in Hinsicht auf ihr Ausgangsmaterial in Verbindung mit dem Grundwasserflurabstand betrachtet. Tabelle 14 (Seite 49) zeigt eine Auflistung der häufigsten Störfallvorkommen. 48 Aus Platzgründen wurden in der Arbeit nur die Beziehungen mit einem Anteil über 10 Fälle je Kriterium aufgelistet, die ausführliche Tabelle befindet sich im Anhang (Tab A3 „Störfälle in Bezug zum und dem Ausgangsmaterial Grundwasserflurabstand“). Auffällig ist auch hier wieder die Häufung von Tabelle 14: Störfälle in Bezug zu dem Ausgangsmaterial und dem Grundwasserflurabstand Störfällen auf Aufschüttungsmaterial dem mit einem Grundwasserflurabstand der tiefer als 2m liegt. Der Anteil Merkmalskombination aufsummiert bei 66,9%. 49 dieser liegt Schätzung der nutzbaren Feldkapazität (nFK) und der Luftkapazität (LK) von anthropogenen Bodenhorizonten aus einfach zu bestimmenden Kennwerten TAUBNER UND HORN haben im Jahr 2000 ein Schätzverfahren für die nutzbare Feldkapazität und die Luftkapazität von anthropogenen Horizonten auf der Grundlage von eigenen Messwerten und Literaturergebnissen erarbeitet. Die Datenbasis umfasst insgesamt 197 Bodenhorizonte. Mit Hilfe multipler, linearer Regressionen wurden Modelle erstellt, mit denen die nFK und die LK aus den einfach zu ermittelnden Kennwerten Lagerungsdichte, Körnung, Skelettgehalt und organische Substanz näherungsweise berechnet werden können. Nach TAUBNER UND HORN’S Definition versteht man unter anthropogenen Böden solche, welche sich aus anthropogenen und/oder natürlich umgelagerten bzw. umgearbeiteten Substraten entwickeln. Zu den nicht natürlichen Substraten zählen Bauschutt, Müll, Aschen/Schlacken und Schlämme. Die Anzahl der Substrate lässt eine vielfältige Mischung zu; hinzu kommt die nicht natürliche und deshalb heterogene Lagerung im urbanen Gebiet. Diese Fakten lassen eine quantitative Beurteilung von ökologischen Kennwerten (wie dem nFK und der LK) nach ökologischen Kartieranleitungen nur begrenzt zu (menschliche Störungen werden hier nicht hinreichend berücksichtigt). TAUBNER UND HORN stellen eine einheitliche Gleichung für alle Horizonte auf (siehe Ziel-Regressionsgleichung, Seite 51). Detaillierter werden die einzelnen Substratgruppen, unterteilt in Schüttungen aus weitgehend natürlichem Material oder aus anthropogenen Gruppen – Aschen und Schlacken, Bauschutt, Müll mit Bauschutt – betrachtet. Die Gleichungen basieren auf rein rechnerischen Beziehungen, sachliche Überlegungen bei der Auswahl der Grundkennwerte und der Aufteilung nach Substraten gingen voraus. Abgesehen von den Berechnungen der nFK für Aschen/Schlacken und Bauschutt, ist die Lagerungsdichte eine bestimmende Größe. 50 Ziel-Regressionsgleichung für: (1) alle Horizonte r MSF nFK = 55,37 – 13,40 * dB – 0,247 * oS - 0,447 * T – 0,196 * S 0,6150 6,11 LK = 26,66 -18,33 * dB + 0,251 * S 0,6139 7,32 (2) Horizonte in den Substratgruppen Schüttungen aus lehmigen, schluffigen Material oder Schlamm nFK = 37,8 – 10,7 * dB – 0,313 * Skt – 0,253 * T 0,8140 3,40 LK = 42,14 – 12,818 * dB – 0,583 * T 0,7080 6,17 Schüttungen aus sandigem Material oder Sand nFK = 68,6 – 12,9 * dB – 0,966 * T – 0,354 *S 0,5390 5,55 LK = 67,215 – 24,868 * dB – 1,033 * oS – 0,518 * U 0,7004 5,88 Aschen und Schlacken nFK = 27,29 – 0,315 * Skt + 1,351 * T 0,7603 9,13 LK = 56,1 – 27,1 * dB + 0,24 * Skt – 1,25 * T – 0,19 * U 0,8080 7,27 Bauschutt nFK = 17,26 + 0,898 * oS – 0,133 * Skt 0,4729 5,45 LK = 80,35 – 34,227 * dB – 1,273 * oS – 0,51 * U 0,7371 5,77 Müll mit Bauschutt nFK = 52,88 – 22,39 * dB – 0,697 * oS 0,5695 5,98 LK = 55,2 – 24,9 * dB – 0,152 * Skt 0,6600 7,83 nFK = nutzbare Feldkapazität LK = Luftkapazität dB = Lagerungsdichte oS = organische Substanz S = Sandgehalt U = Schluffgehalt Skt = Skelettgehalt T = Tongehalt r = Korrelationskoeffizient MSF = mittlerer Schätzfehler 51 Bei Bauschutt- oder Mischsubstrathorizonten mit einem Skelettgehalt über 15% (auf Grund des porösen Ausgangsmaterials) empfehlen sie prozentuale Zuschläge für den nFK-Wert. Umsetzungsprodukte anthropogener Materialien und Kohle werden ebenso wie der Humuskörper als organische Substanz angesehen – hohe Anteile organischer Substanz führen zu sehr geringen Lagerungsdichten (<1,25g * cm -3) und zu hohem Porenvolumen von über 50%. Die Ergebnisse der Berechnungen werden als hochsignifikant eingeschätzt, der absolute mittlere Schätzfehler der einzelnen Modelle liegt zwischen 3,4 und 9,1 Vol%. Überprüfung der Wassergehaltsberechnungen Um eine Aussage über die Genauigkeit der im Labor bestimmten Wassergehalte bzw. die Regressionsgleichung von TAUBNER und HORN (2000) geben zu können, wurden die beiden Ergebnisse für die einzelnen Profile in Tabelle 15 (Seite 53) nebeneinander gestellt. WG-Labor zeigt die prozentualen Wassergehalte, welche im Labor ermittelt wurden. WG-Berechall ergibt sich aus der Regressionsgleichung für alle Horizonte, WG-Berechspez berücksichtigt die verschiedenen Substratgruppen. Da in Berlin überwiegend sandige Böden vorkommen, wird die Gleichung für Schüttungen aus sandigem Material/Sand angewendet. Ab einem Schluffgehalt von über 17,5 Prozentanteilen, wird die Gleichung für Schüttungen aus lehmig, schluffigem Material/Schlamm gebraucht. Die Gegenüberstellung der auf unterschiedlichem Weg ermittelten Wassergehalte eines jeweiligen Profils zeigt eine durchschnittliche Abweichung von 7,26. Die geringste Abweichung zwischen den Laborwerten und den durch die Regressionsgleichung von TAUBNER und HORN ermittelten Werte beträgt 1,29; die größte 12,74 bei der Verwendung der spezifischen Gleichungen. Jedoch geben TAUBNER und HORN einen mittleren Schätzfehler von 5,45 an (siehe ZielRegressions-Gleichung, Seite 51). 52 Tabelle 15: Gegenüberstellung der Wassergehalte (in Vol.-%) der Bodenprofile Profil Horizont WG-Labor WG-Berechall WG-Berechspez 3 IyAh 12,13 19,30 20,38 IyC 9,52 14,59 15,82 IIAi 7,70 15,78 14,09 IyC 6,10 14,43 12,67 IISw 7,03 14,82 12,93 IISd 12,70 20,94 25,67 ySw 6,26 15,01 13,19 ySd 12,38 15,67 18,04 IIAh 6,45 17,41 17,24 IIBv 5,42 13,10 11,51 IIC 13,19 16,35 14,48 yAh 2,25 16,91 14,99 yC 6,34 15,23 13,44 IyAh 6,14 14,18 14,22 IyC 4,91 15,41 13,57 IIyC 9,51 13,76 12,03 yBc 6,34 14,43 12,67 IIC 4a 4b 5 6 7 8 IyC Zwar kann man aus der geringen Anzahl an Profilen keine signifikanten Aussagen treffen, jedoch ist ein Trend zu größeren Abweichungen als sie von TAUBNER und HORN angegeben sind, erkennbar. Sehr wahrscheinlich ist dies auf die Eingangsparameter für die Regressionsgleichung zurückzuführen. Die Werte wurden größtenteils im Feld mit einfachen Schätzverfahren erhoben. Bei einer Analyse unter Laborverhältnissen ist eine Annäherung der Resultate zu erwarten. Weitere Gründe für die Abweichungen könnten ungenaues Arbeiten im Labor und die Ungenauigkeit der Regressionsgleichung sein. 53 Literatur - Anhänge AD-HOC-ARBEITSGRUPPE Bundesanstalt für BODEN (2005): Geowissenschaften und Bodenkundliche Rohstoffe – Kartieranleitung, Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart GERSTENBERG, J. H.; SMETTAN, U. (2005): Erstellung von Karten zur Bewertung der Bodenfunktionen im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Stand 31.01.2008 HARTGE, K. H. (1971): Die physikalische Untersuchung von Böden (eine Labor- und Praktikumsanweisung) Ferdinand Enke Verlag Stuttgart HARTGE, K. H. (1978): Einführung in die Bodenphysik, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart HEINHOLD, L.; STUBBE, R. (Hrsg.) (1999): Kabel und Leitungen für Starkstrom, 5. Ausgabe Publicis MCD Verlag Erlangen HILLER, D. A.; MEUSER, H. (1998): „Urbane Böden“, Springer Verlag Berlin – Heidelberg HINTERMAIER-ERHARD, G.; ZECH, W. (1997): Wörterbuch der Bodenkunde, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart MÜCKENHAUSEN, E. (1994): Die Bodenkunde und ihre geologischen, geomorphologischen, mineralogischen und petrologischen Grundlagen, 4. ergänzte Auflage DLG-Verlag Frankfurt am Main PIETSCH, J.; KAMIETH, H. (1991): „Stadtböden – Entwicklungen, Belastungen, Bewertung und Planung“, Eberhardt Blottner Verlag – Taunusstein RID, H. (1984): Das Buch vom Boden, Eugen Ulmer Verlag – Stuttgart SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P. (2002): Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin SUKOPP, H. (Herausgeber) (1990): Stadtökologie – Das Beispiel Berlin, Dietrich Reimer Verlag Berlin TAUBNER, H.; HORN, R. (2000): „Schätzung der nutzbaren Feldkapazität und Luftkapazität von anthropogenen Bodenhorizonten aus einfach zu bestimmenden 54 Kennwerten“ aus Journal of Plant Nutrition and Soil Science, Wiley-VCH Verlag GmbH Weinheim VDEW (VEREINIGUNG DEUTSCHER ELEKTRIZITÄTSWERKE E.V.): Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main WESSOLEK, G.; RENGER, M.: Anleitung zur Karierung, Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden, Fassung von April 2001 Technische Universität Berlin, Fakultät VII – Institut für Ökologie, Fachgebiet für Bodenkunde und Standortkunde/Bodenschutz mündlich FAKLAM, M. – Dipl. Ing. an der Technischen Universität Berlin, Institut für Ökologie, Fachgebiet Standortkunde & Bodenschutz, Gespräch vom 05.03.2007 TRINKS, S. – Dipl. Ing. an der Technischen Universität Berlin, Institut für Ökologie, Fachgebiet Standortkunde & Bodenschutz, Gespräch vom 07.03.2007 WENDLAND, B. – Betriebsmanagement Vattenfall Europe Berlin, Mail mit Anhang („Örtlichkeiten von 10(6)-kV-Störungen_kj2006_2007“) vom 10.04.2007 Internet SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG: Geoinformation – Digitaler Umweltatlas Berlin, http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/ (Stand 06.06.2007) AMT FÜR STATISTIK BERLIN-BRANDENBURG: Statistiken, http://www.statistik-berlin- brandenburg.de/ (Stand 01.12.2008) Anhang: Bodenkundliche Aufnahme von Störfällen bei Energiekabeln im Raum Berlin Anhang: Bodeneigenschaften in der Umgebung von Erdkabeln - Tabellen 55 Abbildungen – Tabellen – Diagramme Abb. 1: Aufbau von Starkstromkabeln, Seite 7 (aus VDEW: Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main, bearbeitet) Abb. 2.: Massekabel, Seite 11 (aus VDEW: Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main, bearbeitet) Abb. 3: PE-Einleiterkabel Kabelhandbuch, 4. der Auflage ersten Generation, Verlags- und Seite 12 (aus VDEW: Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main, bearbeitet) Abb. 4: VPE-Einleiterkabel der ersten Generation, Seite 12 (aus VDEW: Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main, bearbeitet) Abb. 5: VPE-Einleiterkabel Kabelhandbuch, 4. Auflage (zweite Generation), Verlags- und Seite 13 (aus VDEW: Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main, bearbeitet) Abb. 6: die Faktoren der Wasserbilanz, Seite 23 (aus RID, H.: Das Buch vom Boden, Eugen Ulmer Verlag – Stuttgart, bearbeitet) Abb. 7: Beziehung zwischen Wasserspannung und Wassergehalt bei einem Sandboden, einem tonigen Schluffboden und einem Tonboden, Seite 24 (aus SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P.: Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin, bearbeitet) Abb. 8: Verlauf der Wärme- () bzw. Temperaturleitfähigkeit ( * cw-1) (links) und der Wärmekapazität (cw), Seite 27 (aus SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P.: Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin, bearbeitet) Abb. 9: Muster für Skelettgehaltsschätzung, Seite 33 (aus W ESSOLEK, G.; RENGER, M.: Anleitung zur Karierung, Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden, Technische Universität Berlin, Fakultät VII – Institut für Ökologie, Fachgebiet für Bodenkunde und Standortkunde/Bodenschutz) 56 Tabelle 1: Eigenschaften von Kunststoffen, Seite 9 (aus VDEW: Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main) Tabelle 2: Nichtelektrische Alterungsmechanismen von Kunststoffen, Seite 15 (aus VDEW: Kabelhandbuch, 4. Auflage Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.H. – VWEW Frankfurt/Main) Tabelle 3: Berliner Bodengesellschaften (Auswahl nach Flächengröße), Seite 21 Tabelle 4: Wärmeleitfähigkeit () und Wärmekapazität (c) von Bodenbestandteilen, Seite 26 (aus SCHEFFER, F.; SCHACHTSCHABEL, P.: Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin und HARTGE, K. H.: Einführung in die Bodenphysik, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, bearbeitet) Tabelle 5: Eigenschaften der Hauptbodenarten, Seite 32 (aus W ESSOLEK, G.; RENGER, M.: Anleitung zur Karierung, Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden, Technische Universität Berlin, Fakultät VII, Institut für Ökologie, Fachgebiet für Bodenkunde und Standortkunde/Bodenschutz) Tabelle 6: Schätzungskriterien für die Bestimmung des Carbonatgehalts, Seite 34 (aus WESSOLEK, G.; RENGER, M.: Anleitung zur Karierung, Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden, Technische Universität Berlin, Fakultät VII – Institut für Ökologie, Fachgebiet für Bodenkunde und Standortkunde/Bodenschutz) Tabelle 7: Eigenschaften der Bodenprofile bei aufgenommenen Störfällen, Seite 39 Tabelle 8: Bodengesellschaften in Bezug zu der Anzahl der Störfälle, Seite 42 Tabelle 9: Störfälle in Bezug zu den Bodengesellschaften unter Berücksichtigung des prozentualen Flächenanteils, Seite 43 Tabelle 10: Bodengesellschaften und ihr Ausgangsmaterial, Seite 44 Tabelle 11: Störfälle in Bezug zum Ausgangsmaterial, Seite 45 Tabelle 12: Grundwasserabstände der Störfälle, Seite 40 Tabelle 13: Versiegelungsgrad der jeweiligen Störfälle, Seite 42 Tabelle 14: Störfälle in Bezug zu dem Ausgangsmaterial und Grundwasserflurabstand, Seite 49 Tabelle 15: Gegenüberstellung der Wassergehalte der Bodenprofile, Seite 54 57 dem Diagramm 1: Anteil der einzelnen Mittelspannungskabel am Berliner Stromverteilungsnetz, Seite 11 (aus WENDLAND, B. – Betriebsmanagement Vattenfall Europe Berlin, Mail mit Anhang) Diagramm 2: Störfälle im Verhältnis zu den Bodengesellschaften, Seite 42 Diagramm 3: Verteilung der Störfälle in Bezug zum Ausgangsmaterial, Seite 45 Diagramm 4: Verteilung der Störfälle in Bezug zum GW-Flurabstand, Seite 46 Diagramm 5: Versiegelungsgrad der Störfälle, Seite 48 58