Rheologische Untersuchungen an tidebeeinflussten Uferböden der Elbe als Grundlage für die Entwicklung mikromechanischer Pedotransferfunktionen

Die Bodenmikrostruktur ist das Produkt einer Vielzahl physikalischer, chemischer und biologischer Wechselwirkungen und bestimmt das Verhalten gegenüber mechanischer Belastung auf der Meso- bzw. Makroebene (Aggregatebene bzw. Bodenvolumen). Aufgrund der Komplexität der möglichen Interaktionen zwischen physiko-chemischen Eigenschaften und Textur sowie daraus resultierender Partikelanordnung, Porengrößenverteilung und Wassergehalte, ergibt sich für die Boden(mikro)struktur ein viskoelastisches Deformationsverhalten, dass durch rheologische Analyseverfahren untersucht und charakterisiert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde das rheologische Verhalten tidebeeinflusster Uferböden der Unteren Elbeniederung mittels Amplitudentests (AST) im Platte-Platte-Messsystem unter Vorgabe der Scherdeformation bei unterschiedlichen Matrixpotentialen (quasi-gesättigt, -6 kPa, -15 kPa) analysiert. Auf Grundlage des Flächenparameters Integral z, welcher die Mikrostabilität quantifiziert, konnte gezeigt werden, dass die mikrostrukturelle Stabilität deutlich von Textur und Wassergehalt abhängt. Hierbei erfolgt der Abbau der Mikrostruktur bei zunehmender Deformation je nach Textur in charakteristischer Art und Weise. Eine zunehmende Austrocknung stabilisiert die Mikrostruktur durch Meniskenkräfte, wobei die Reaktion auf Entwässerung in feinkörnigen Proben deutlicher ausgeprägt war als in grobkörnigen Substraten. Des Weiteren unterstreichen die gewonnenen Ergebnisse, dass strukturungünstige oder strukturgünstige Kombinationen der physiko-chemischen Eigenschaften nicht zwangsläufig an einen bestimmten Bodenentwicklungsgrad geknüpft sind. Besonders bei weiter fortgeschrittener Pedogenese können in den hier untersuchten Marschböden sowohl strukturgünstige als auch strukturungünstige Kombinationen auftreten. Unter Berücksichtigung der kombinierten Effekte der bodenchemischen Parameter wurden mit Hilfe statistischer Tests die für die Mikrostruktur signifikanten bodenchemischen Parameter identifiziert. Basierend auf den ermittelten statistischen Beziehungen wurden plausible Pedotransferfunktionen für definierte Bodengruppen entwickelt, die eine rechnerische Ableitung des Integral z erlauben. Stabilisierende Faktoren sind demnach: organische Bodensubstanz, Calciumkonzentration, Carbonatgehalt und dithionitlösliche, pedogene Eisenoxide; dagegen stellen Natriumkonzentration und Wassergehalt strukturungünstige Faktoren dar.Soil structure is the product of a variety of physical, chemical and biological interactions and determines the deformation behavior with respect to external stress on mesoscale resp. macroscale (i.e. soil aggregates resp. bulk soil). Due to the complexity of possible interactions between physicochemical properties and texture and the resulting particle arrangement, pore size distribution and water content, the soil´s microstructure exhibit viscoelastic deformation behavior, which can be evaluated and characterized by rheological measurements. In the present work the rheological behavior of tide influenced Marshland soils of the River Elbe (North Germany) were analyzed. Soil samples were equilibrated to different matric potentials (quasi-saturated, -6 kPa, -15 kPa) and amplitude sweep tests (AST) were conducted with a parallel-plate measuring system under controlled shear deformation. Based on the area parameter integral z, that quantifies the microstructural stiffness, it could be shown that microstructural stability clearly depends on water content and texture. Therefore, the gradual depletion of microstructural stiffness takes place in a characteristic manner depending on texture. With increased desiccation the microstructure is stabilized by menisci forces. The reaction of drying is much more pronounced in fine textured samples than in coarse grained substrates. Furthermore, the results obtained emphasize that structurally unfavorable or favorable combinations of physicochemical properties are not inevitably linked to a certain degree of pedogenesis. Especially for more advanced soil development both structurally unfavorable and favorable combinations can occur in the studied soils. Taking into account the combined effects the physicochemical factors influencing microstructural stability could be identified using statistical tests. Based on the determined statistical relationships between rheological and physicochemical parameters influencing soil microstructure, plausible pedotransfer functions have been developed for defined texture groups, which allow a mathematical estimation of the rheological value integral z. Thus, stabilizing factors are: soil organic matter, calcium concentration, carbonate content and dithionite soluble, pedogenic iron oxides; whereas the concentration of sodium and water content represent structurally unfavorable factors

Die rheologische Charakterisierung tidebeeinflusster Böden mittels Daten aus der Mikropenetrometrie

Mit Hilfe rheologischer Tests lassen sich mikrostrukturelle Prozesse in Böden und deren Einflussfaktoren relativ einfach und schnell beschreiben und quantifizieren. Dabei wird das visko-elastische Verhalten innerhalb eines Bodenmaterials im Wesentlichen von Textur, Wassergehalt und Trockenrohdichte bestimmt. Allerdings können rheologische Ergebnisse durchaus kontraintuitiv sein, was ihre bodenkundliche Interpretation schwierig machen kann. Da auch der Eindringwiderstand von Böden als Summenparameter u.a. von Wassergehalt, Textur und Trockenrohdichte beeinflusst wird, ist untersucht worden, ob vom Eindringwiderstand unmittelbar auf rheologische Eigenschaften geschlossen werden kann und vice versa. Die Analysen an Bodenmaterial von drei Standorten der Unteren Elbeniederung zeigten, dass sowohl der maximale Eindringwiderstand als auch die Schubspannung bei Erreichen des Fließpunktes bei Trockenrohdichten (ρt) ≥ 1,2 g cm-3 durch Entwässerung auf Feldkapazität und durch Erhöhung der ρt zum Teil signifikant zunehmen. Außerdem konnte ohne weitere Differenzierung nach Matrixpotenzial oder Trockenrohdichte eine logarithmische Beziehung zwischen Eindringwiderstand und Schubspannung bei Erreichen des Fließpunktes hergestellt werden, so dass von gemessenen Eindringwiderständen Rückschlüsse auf die rheologischen Eigenschaften von Böden gezogen werden können. Dies erleichtert die bodenkundliche Interpretation der rheologischen Ergebnisse und bestärkt die Praxisrelevanz rheologischer Analysen

Inwieweit können klassische Stabilitätsparameter durch rheologische Kenngrößen beschrieben werden und wie können diese vorhergesagt werden?

Ein grundlegendes Verständnis von Bodenverformungen auf der Meso- bzw. Makroskala setzt ein Verständnis für die auf der Mikroskala stattfindenden Prozesse voraus, weshalb die bodenkundliche Rheologie zunehmend an Bedeutung gewinnt. Mit Hilfe von deformationsgesteuerten Amplitudentests wurden die auf der Mikroskala relevanten, stabilitätsbeeinflussenden bodenchemischen Parameter bestimmt und Pedotransferfunktionen zur Ableitung der rheologischen Stabilitätskenngröße Integral z entwickelt. Darüber hinaus werden Lösungsansätze zur Extrapolation zwischen Mikro- und Mesoskala unter Berücksichtigung der Gefügecharakteristika aufgezeigt

Spannungsmessungen im wassergesättigten Boden – Ein neues Messsystem

Um Stabilitätsbewertungen von Uferbö-den durchführen zu können, müssen ne-ben Bodenstabilitätrsparametern wie der Vorbelastung oder dem Scherwiderstand außerdem die auf das Ufer einwirkenden Kräfte quantifiziert werden. Aus diesem Grund wurden Spannungsmessungen von Schiffswellen im Nord-Ostsee-Kanal bei Kiel vorgenommen. Für die Bestim-mung der drei Raum gerichteten Hauptspannungen σ1, σ2 und σ3, der mitt-leren Normal- (MNS) und der oktaedri-schen Scherspannung (OCTSS) wurde eine modifizierte Form des Stress-State-Transducer-Systems (SST) entwickelt und erstmalig eingesetzt. Die Neukon-struktion (Watt-SST) mit einem aus-tauschbaren Akku und wasserabgedich-teten Messkomponenten ermöglicht den Einsatz im Wasser und im wassergesät-tigten Boden über längere Messperioden von bis zu vier Tagen ohne Akkuwechsel. Die Sensorköpfe wurden unter und über der mittleren Wasseroberfläche positio-niert, um den Wellenschlag und eine mögliche Sogwirkung bei der Passage von Schiffen quantifizieren zu können. Während zwei Messperioden wurden verschiedene Schiffstypen (Container-schiff, Tanker, Frachter und Katamaran) gemessen. Die Ergebnisse zeigen je nach Schiffstyp unterschiedliche Wellen-muster (Periode sowie Ausprägung). Bei den Messungen wurden Spannungs-werte von bis zu drei kPa beobachtet. Die ersten Ergebnisse verdeutlichen außer-dem, dass eine Optimierung hinsichtlich Einbau und Platzierung der Sensoren im Wasser und Boden erfolgen muss, wenn die maximalen Spannungsspitzen beim Brechen einer Welle erfasst werden sol-len

Analyse und Bewertung der Uferstabilität im Bereich der Tideelbe anhand rheologischer Untersuchungen

Anhand rheologischer Untersuchungen soll die Uferstabilität an der Tideelbe quantifiziert werden. Die durchgeführten Amplitudentests (AST) zeigen eine Zunahme der mikrostrukturellen Stabilität mit abnehmendem Matrixpotential durch Meniskenkräfte. Dieser stabilisierende Effekt durch Menisken ist in feinkörnigeren/tonigeren Substraten größer als in sandigem Material. Im Gegensatz dazu steigt die Erodierbarkeit bei Wassersättigung mit zunehmendem Tongehalt. Die Bodenmikrostruktur wird neben dem Wassergehalt zusätzlich von Textur und Gehalt an organischer Substanz beeinflusst

Sundown Syndrome in Persons with Dementia: An Update

"Sundowning" in demented individuals, as distinct clinical phenomena, is still open to debate in terms of clear definition, etiology, operationalized parameters, validity of clinical construct, and interventions. In general, sundown syndrome is characterized by the emergence or increment of neuropsychiatric symptoms such as agitation, confusion, anxiety, and aggressiveness in late afternoon, in the evening, or at night. Sundowning is highly prevalent among individuals with dementia. It is thought to be associated with impaired circadian rhythmicity, environmental and social factors, and impaired cognition. Neurophysiologically, it appears to be mediated by degeneration of the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus and decreased production of melatonin. A variety of treatment options have been found to be helpful to ameliorate the neuropsychiatric symptoms associated with this phenomenon: bright light therapy, melatonin, acetylcholinesterase inhibitors, N-methyl-d-aspartate receptor antagonists, antipsychotics, and behavioral modifications. To decrease the morbidity from this specific condition, improve patient's well being, lessen caregiver burden, and delay institutionalization, further attention needs to be given to development of clinically operational definition of sundown syndrome and investigations on etiology, risk factors, and effective treatment options

Microstructural strength of tidal soils – a rheometric approach to develop pedotransfer functions

Differences in soil stability, especially in visually comparable soils can occur due to microstructural processes and interactions. By investigating these microstructural processes with rheological investigations, it is possible to achieve a better understanding of soil behaviour from the mesoscale (soil aggregates) to macroscale (bulk soil). In this paper, a rheological investigation of the factors influencing microstructural stability of riparian soils was conducted. Homogenized samples of Marshland soils from the riparian zone of the Elbe River (North Germany) were analyzed with amplitude sweeps (AS) under controlled shear deformation in a modular compact rheometer MCR 300 (Anton Paar, Germany) at different matric potentials. A range physicochemical parameters were determined (texture, pH, organic matter, CaCO3 etc.) and these factors were used to parameterize pedotransfer functions. The results indicate a clear dependence of microstructural elasticity on texture and water content. Although the influence of individual physicochemical factors varies depending on texture, the relevant features were identified taking combined effects into account. Thus, stabilizing factors are: organic matter, calcium ions, CaCO3 and pedogenic iron oxides; whereas sodium ions and water content represent structurally unfavorable factors. Based on the determined statistical relationships between rheological and physicochemical parameters, pedotransfer functions (PTF) have been developed

Impact of ship waves on soil embankments - A new measurement system for quantifying stresses in water and saturated soils = Auswirkungen von Schiffswellen auf die Stabilität von Uferböden - Ein neues Messsystem zur Quantifizierung von Spannungen im Wasser und dem gesättigten Boden

The renaturation of river and coastal embankments needs to include ecological aspects and the stability of shorelines. The impact of waves caused by heavy ship traffic could lead to erosion processes and to the degradation of soils along the coast. To evaluate the stability of shorelines it is necessary to quantify soil stability parameters as well as stress impacts of the waves. Therefore, stress measurements of ship waves were carried out at Kiel Canal. In order to determine the three main stresses (σ1, σ2, and σ3), the averaged mean stress (MNS), and the oc-tahedral shear stress a new developed stress state transducer system was firstly tested. This newly constructed system (Mudflat-SST) is equipped with an exchangeable battery for long time measurements and waterproof, which allows measurements in water and saturated soils. The sensors heads were placed above and below the middle water level for determining the effect of waves and a potential drag effect. During two periods, different types of ships were measured such as container vessel, cargo ship, ferry, and catamaran. Maximum stress impacts of 3 kPa were determined. The results show different kind of waves regarding their period or expression for the different ship types. In order to quantify the maximum stress impact of breaking waves, further research is needed to optimize sensor head´s location in the water and saturated soil

Auswirkungen von Schiffswellen auf die Stabilität von Uferböden – Ein neues Messsystem zur Quantifizierung von Spannungen im Wasser und dem gesättigten Boden

Bei der Renaturierung von Flüssen und dem Rückbau von befestigten Uferanlagen müssen neben ökologischen Aspekten auch die Uferstabilitäten berücksichtigt werden. Es stellt sich die Frage, ob an viel befahrenen Wasserschifffahrtsstraßen der von Schiffen erzeugten Wellenschlag zur Erosion und Degradation von Uferböden führt. Um verlässliche Stabilitätsbewertungen der Ufer durchführen zu können, müssen neben den Bodenstabilitätsparametern außerdem die einwirkenden Kräfte quantifiziert werden. Aus diesem Grund wurden Span-nungsmessungen von Schiffswellen im Nord-Ostsee-Kanal bei Kiel vorgenommen. Für die Bestimmung der drei raumgerichteten Hauptspannungen σ1, σ2 und σ3, der mittleren Normal- (MNS) und der oktaedrischen Scherspannung (OCTSS) wurde eine modifizierte Form des Stress-State-Transducer-System (SST) entwickelt und erstmalig eingesetzt. Die Neukonstruktion (Watt-SST) mit einem austauschbaren Akku und wasserabgedichteten Messkomponenten ermöglicht den Einsatz im Wasser und im wassergesättigten Boden. Die Sensorköpfe wurden unter und über der mittleren Wasseroberfläche positioniert, um den Wellenschlag und eine mögliche Sogwirkung quantifizieren zu können. Während zwei Messperioden wurden verschiedene Schiffstypen (Containerschiff, Fähre, Frachter und Katamaran) gemessen. Die Ergebnisse zeigten je nach Schiffstyp unterschiedliche Wellenmuster (Periode sowie Ausprä-gung) und Spannungswerte von bis zu 3 kPa. Die ersten Ergebnisse verdeutlichen außerdem, dass eine Optimierung hinsichtlich Einbau und Platzierung der Sensoren im Wasser und Boden erfolgen muss, wenn die maximalen Spannungsspitzen beim Brechen einer Welle erfasst werden sollen