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, NA2XSF2Y) 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
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