Bestimmung des k_f-Wertes mit einem einfachen Versickerungstest

Aber nur mit der richtigen Auswertung!

(s. Punkt 2. auch als Onlineauswertung möglich)

Zu den Anforderungen zur Durchführung eines Versickerungsversuches siehe Anforderungen an einen Versickerungsversuch.

Durchführung: Versickerungstest in einer kleinen Grube

Vorbereitung der Versickerungsgrube

Der k_f-Wert kann im Gelände direkt im Boden mit einem einfachen Versickerungstest überschlägig ohne große Hilfsmittel bestimmt werden. Dabei wird eine kleine Grube von ca. 50 x 30 (50) cm bis ca. 30 bis 60 cm Tiefe (bis ca. 20 cm unter den Mutterboden) ausgehoben und ca. 2 cm hoch mit Feinkies oder Splitt ausgefüllt.

Es wird seitlich ein Maßstab (Zollstock) fest angebracht und dann Wasser eingefüllt und so lange vorgewässert, bis etwa das Volumen der Grube versickert ist (hier min. ca. 30-45 Liter oder eine Stunde lang). Dabei wird zur Vorwässerung immer wieder Wasser nachgefüllt bis auf etwa 2/3 bis 3/4 der Höhe.

Sickertest durchführen

Die eigentliche Messung erfolgt dann nach Befüllung auf 15 bis 20 cm Wasserstand mit genauer Ablesung der Anfangshöhe. Nach einem Zeitintervall von ca. 10 bis 30 min. wird die abgesenkte Höhe des Wasserspiegels abgelesen (= instationäre Messung).

Das Zeitintervall ist nach Beobachtung der Vorwässerung so zu wählen, dass mindestens ca. 2 – 3 cm Absenkung abgelesen werden. In einer Messreihe wird die Absenkung 4 mal bei stetigem Absinken abgelesen. Daraus wird dann die versickerte Wassermenge (Mittelwert) berechnet (sie könnte auch zusätzlich mit dem Einfüllgefäß oder bei Schlauchbefüllung mit der Wasseruhr gemessen werden). Mehreres Ablesen der Wasserstandshöhe mit gleichzeitiger Zeitmessung als Messreihe sind für die Auswertung im Diagramm sehr hilfreich (z.B. 4 x 15 min., s. Beispiel Link unten).

Diese Messreihe des Sickertests sollte 2 bis 3 mal wiederholt werden, bis sich nur noch ein geringer Unterschied in der Höhendifferenz (= Wassermenge) bei gleichem Zeitintervall ergibt. Zur Vergleichbarkeit sollte dabei auch die gleiche Anfangshöhe gewählt werden. Eine Abweichung < 10 % wird meist als hinreichend konstant angenommen und kann toleriert werden.

Bei dieser einfachen Feldmethode wird der k_f-Wert überschlägig ermittelt. Das Ergebnis dient zur ersten Einschätzung der Bodenduchlässigkeit. Man sieht dabei auch schon, wie schnell oder langsam das Wasser im Boden versickert. Bei sehr geringer Versickerungsrate ist die Messzeit auf bis zu 1 – 2 Stunden zu verlängern (das ist schon ein Hinweis auf eine geringe Bodendurchlässigkeit).

Auswertung: k_f-Wert

Zur Auswertung siehe hier zunächst als Beispiel unter Punkt 1. mit der einfachen Formel nur mit der Grundfläche A als Versickerungsfläche. Sie sollte aber nicht angewandt werden (Eräuterung dazu s.u.). Hierbei geht durch Kürzung von Q/A rechnerisch neben der Zeit nur die Absenkung in die Rechnung ein.

Unter Punkt 2. wird dann vorzugsweise mit der wirksamen Versickerungsfläche A_w gerechnet, die die benetzten Seitenflächen der Grube während der Versickerung berücksichtigt. Bitte nur diese erweiterte Formel unter Punkt 2 anwenden!

1. Einfache Formel zur Berechnung des k_f-Wertes

In diesem Beispiel ist die Grube 50 cm lang und 30 cm breit (Grundfläche A = 0,15 m²). Die versickerte Wassermenge Q bei einer Höhendifferenz von 7 cm in 10 min. beträgt 10,5 Liter (15_*0,7 dm³). Daraus berechnet sich nach der oft angewandten einfachen Formel (s. Abbildung 1) ein k_f-Wert von ca. 1,2_*10^-4 m/s. Das würde einem gut durchlässigen Sand entsprechen (Mittelsand).

Der k_f-Wert liegt etwas über dem „durchlässigen Bereich“ von 1_*10^-4 bis 1_*10^-6 m/s am unteren Ende des „stark durchlässigen Bereichs“ von 1_*10^-2 bis 1_*10^-4 m/s nach DIN 18130 Teil 1.

Anmerkung zur einfachen Formel unter Punkt 1.

Bei dieser einfachen Auswertung des Versickerungstests geht rechnerisch nur die Grundfläche A als Versickerungsfläche in die Berechnung ein (Q wird dann mit A gekürzt, so dass rechnerisch nur die Höhendifferenz der Absenkung übrig bleibt). Dabei ist es hier für diese Berechnung auch unerheblich, wie hoch der Wasserstand zu Beginn der Versickerung ist. Beides beeinflusst aber die tatsächliche Versickerung und die Versickerungszeit nicht unwesentlich (dazu mein Ausführungsbeispiel, s. Punkt 2.).

Daher kann diese Auswertemethode, obwohl sie immer wieder empfohlen wird (im Internet und auch in verschiedenen Hinweisempfehlungen, s. Link unten), recht ungenau für das Ergebnis des k_f-Wertes sein und führt dazu, dass der k_f-Wert meines Erachtens dann als zu gut berechnet und eingestuft wird (s. das folgende Beispiel mit A_w berechnet). Je kleiner die Grube (Grundfläche) und je höher der Ausgangswasserstand ist, desto größer wird der „Fehler“ für den k_f-Wert mit der 1. Formel sein.

Die Bemessung von Versickerungsanlagen kann mit einem zu guten k_f-Wert ein zu kleines Speichervolumen ergeben, mit entsprechenden Auswirkungen einer höheren Wahrscheinlichkeit der Überflutung im Starkregenfall.

2. Berechnung des k_f-Wertes mit wirksamer Versickerungsfläche A_w

Auf der Seite Versickerungsfläche ist eine Beispielberechnung mit unterschiedlichen Wasserständen in einem Baggerschurf unter Berücksichtigung der seitlichen Versickerungsflächen aufgeführt und die Abhängigkeit des k_f-Wertes von der Ausgangsmesshöhe in einem Diagramm von 0,1 bis 1,0 m Höhe dargestellt (nur zur Verdeutlichung der Auswirkungen der Wasserstandshöhe auf das Ergebnis).

Hier folgt für das o.g. 1. Beispiel einer kleinen Grube die Berechnung des k_f-Wertes bei einem Anfangswasserstand von h_o = 15 cm und wie oben mit der gleichen Absenkung um 7 cm mit Berücksichtigung der seitlichen Versickerungsflächen bei mittlerer Druckhöhe (h_m = 11,5 cm) während dieser Messung. Die wirksame Versickerungsfläche A_w ist hier um mehr als das Doppelte erhöht und der k_f-Wert wird damit mehr als halbiert. Und dabei ist der Anfangswasserstand mit 15 cm noch als relativ gering angenommen. Bei höherem Wasserstand wäre das Ergebnis ein noch geringerer k_f-Wert (vgl. o.g. Beispielberechnung).

Es berechnet sich nach der erweiterten Formel mit A_w (s. Abbildung 2) ein k_f-Wert von ca. 5,2_*10^-5 m/s. Das würde nicht mehr einem o.g. Mittelsand entsprechen, eher einem Feinsand.

Eine Onlineberechnung können Sie mit genau dieser Formel hier auf meiner Blog-Seite durchführen: Versickerungsversuch online auswerten.

Für einen höheren Ausgangswasserstand von z.B. 30 cm ergibt sich bei sonst gleichen Bedingungen ein geringerer k_f-Wert von ca. 3,0_*10^-5 m/s (s. Abbildung 3 aus Onlineberechnung). Er liegt bei einem Viertel des Wertes vom Beispiel 1 oben und bei ca. 58 % des k_f-Wertes bei halber Anfangshöhe von 15 cm.

Anmerkung zur Auswertung nach Punkt 2.

Bei einem unterschiedlich hohen Wasserstand kommt es durch die geänderte Druckhöhe auch zu einer Veränderung der Sickergeschwindigkeit und damit der versickerten Wassermenge und wahrscheinlich auch der Zeit. Dazu habe ich o.g. Beispielberechnungen durchgeführt. Je höher die Druckhöhe (bei hier gleicher Zeit), desto größer wird die Versickerungsfläche und um so kleiner der damit errechnete k_f-Wert.

Ob sich dabei die Versickerungszeit mit der Druckhöhe in gleichem Maße verändert (verringert) und sich der Effekt möglicherweise nicht so stark auswirkt oder gar aufhebt, bleibt z.Zt. noch unklar. Dazu sind vergleichende Versuche erforderlich. Ggf. ist in der Formel dafür ein höhenabhängiger Faktor (linear oder logarithmisch?) zu berücksichtigen.

Mit Versickerungshöhen im Ausgangsbereich von h_o = 15 bis 20 cm (max. bis 30 cm) dürfte der Effekt der Auswirkungen der Druckhöhe auf die Sickergeschwindigkeit in Grenzen bleiben (im Beispiel ca. 45 bis 36 % (26 %) der einfachen Berechnung).

Hier der Link zu meiner Blog-Seite Versickerungstests mit der Bewertung verschiedener Anleitungen aus dem Internet. Dabei sind teilweise Wasserstände bis 1 m Höhe im Schurf angegeben, was zu Problemen bei der Auswertung auch mit der Formel A_w führt, da hierbei die Versickerungsfläche mit der Höhe extrem zunimmt.

Eine Beispielauswertung des k_f-Wertes in Diagrammform sehen Sie auf der Blog-Seite Auswertung Sickertest.

Eine Onlineberechnung können Sie mit genau dieser Formel mit A_w hier auf meiner Blog-Seite durchführen: Versickerungsversuch online auswerten.

Die Anleitung zur Durchführung und Auswertung dieses Versickerungstests kann als pdf heruntergeladen werden.

Da sich u.a. mit der Höhe des Wasserstandes beim Sickertest auch die Versickerungsfläche und damit das Ergebnis für den k_f-Wert ändert, empfehle ich bevorzugt meine Methode des Versickerungsversuches mit einem eingebauten Versickerungsrohr anzuwenden. Hierbei bleibt die Versickerungsfläche im Versickerungsrohr konstant.