Ringversuche zur Bodenprobenahme und Bodenluft – Beprobung, Klaus BücherlDiplom-Geologe BDG,
Obmann des ITVA-Fachausschusses F2 Probenahme
c/o tewag GmbH
Obmann des ITVA-Fachausschusses F2 Probenahme
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1 Warum Ringversuche für die Probenahme?
Ringversuche, in der Analytik längst eine Selbstverständlichkeit, sind für die Probenahme noch Neuland und werden routinemäßig nicht angeboten. Dieses Defizit steht im krassen Widerspruch zu dem allgemein bekannten großen Einfluss der Probenahme auf das Untersuchungsergebnis.
Ringversuche, in der Analytik längst eine Selbstverständlichkeit, sind für die Probenahme noch Neuland und werden routinemäßig nicht angeboten. Dieses Defizit steht im krassen Widerspruch zu dem allgemein bekannten großen Einfluss der Probenahme auf das Untersuchungsergebnis.
2 Einflussfaktoren auf das Untersuchungsergebnis bei Böden
2.1 Variabilität des Bodens
Das größte Problem für die Vergleichbarkeit von Bodenanalysen ist die Variabilität des Mediums Boden. Bodenart, Skelettanteil, Feinkornanteil, Humusgehalt, Kalkgehalt, Porenanteil und auch Schadstoffgehalte unterliegen kleinräumig einer erheblichen Variabilität. Typisch sind dabei ausgeprägt rechtsschiefe Verteilungen (Median deutlich größer als Mittelwert) und Standardabweichungen, die den statistischen Mittelwert der Schadstoffkonzentrationen um den Faktor 2 und mehr übersteigen.
2.2 Probenahmestrategie
Die Probenahmestrategie hat erheblichen Einfluss auf das Untersuchungsergebnis. In der internationalen Norm DIN ISO 10381-1 [1] sind allgemeine Anforderung an die Aufstellung von Probenahmeprogrammen festgelegt. Unterschiede können auftreten bei der Anordnung und Maschenweite von Probenahmerastern, Art der Mischung, Teilung und Homogenisierung von Proben sowie der gewählten Probenahmetechnik.
2.3 Probenahmetechnik
Von den für Bodenuntersuchungen gebräuchlichen Probenahmetechniken sind die Aufschlussverfahren in der DIN 4021 und der DIN ISO 10381-2 beschrieben. Die DIN 4021 bezieht sich allerdings auf die geotechnische Untersuchung von Böden und geht nicht auf die Entnahme von Proben für chemische Untersuchungen ein. In der ITVA-Arbeitshilfe F2-2 [7] wird auf die Besonderheiten bei der Verwendung dieses Verfahrens bei der Gewinnung von Proben für die chemische Untersuchung hingewiesen.
2.4 Schnittstelle zum Labor
Einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf das Analysenergebnis hat der Informationsaustausch zwischen dem Probenehmer und dem Analytiker. Neben der Probenkonservierung, der Lagerung und dem Probentransport muss auch die Weiterverarbeitung der Probe im Labor abgestimmt werden. Aus Sicht des Labors wiederum sind Vorinformationen über Schadstoffverdacht, insbesondere bei starken Kontaminationen, unerlässlich.
2.1 Variabilität des Bodens
Das größte Problem für die Vergleichbarkeit von Bodenanalysen ist die Variabilität des Mediums Boden. Bodenart, Skelettanteil, Feinkornanteil, Humusgehalt, Kalkgehalt, Porenanteil und auch Schadstoffgehalte unterliegen kleinräumig einer erheblichen Variabilität. Typisch sind dabei ausgeprägt rechtsschiefe Verteilungen (Median deutlich größer als Mittelwert) und Standardabweichungen, die den statistischen Mittelwert der Schadstoffkonzentrationen um den Faktor 2 und mehr übersteigen.
2.2 Probenahmestrategie
Die Probenahmestrategie hat erheblichen Einfluss auf das Untersuchungsergebnis. In der internationalen Norm DIN ISO 10381-1 [1] sind allgemeine Anforderung an die Aufstellung von Probenahmeprogrammen festgelegt. Unterschiede können auftreten bei der Anordnung und Maschenweite von Probenahmerastern, Art der Mischung, Teilung und Homogenisierung von Proben sowie der gewählten Probenahmetechnik.
2.3 Probenahmetechnik
Von den für Bodenuntersuchungen gebräuchlichen Probenahmetechniken sind die Aufschlussverfahren in der DIN 4021 und der DIN ISO 10381-2 beschrieben. Die DIN 4021 bezieht sich allerdings auf die geotechnische Untersuchung von Böden und geht nicht auf die Entnahme von Proben für chemische Untersuchungen ein. In der ITVA-Arbeitshilfe F2-2 [7] wird auf die Besonderheiten bei der Verwendung dieses Verfahrens bei der Gewinnung von Proben für die chemische Untersuchung hingewiesen.
2.4 Schnittstelle zum Labor
Einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf das Analysenergebnis hat der Informationsaustausch zwischen dem Probenehmer und dem Analytiker. Neben der Probenkonservierung, der Lagerung und dem Probentransport muss auch die Weiterverarbeitung der Probe im Labor abgestimmt werden. Aus Sicht des Labors wiederum sind Vorinformationen über Schadstoffverdacht, insbesondere bei starken Kontaminationen, unerlässlich.
3 Möglichkeiten für die Gestaltung eines Ringversuches für die Probenahme von Böden
3.1 Parameter
Das Hauptaugenmerk bei der Bewertung der Unsicherheiten bei der Probenahme liegt naturgemäß auf dem Endergebnis, also dem Schadstoffgehalt. Insofern liegt es nahe, den Probenahmefehler über die Untersuchung bestimmter Schadstoffe zu erfassen. Doch auch die im Rahmen der Probenahme erfassten Vor-Ort-Prüfungen, insbesondere die Bodenansprache, eignen sich für Ringversuche. Dazu gehört neben der Feststellung der Bodenart durch die Fingerprobe, der Farbe, dem Kalk- und Humusgehalt auch die Zuordnung von Schichtgrenzen und die Festlegung von Probenahmeintervallen.
3.2 Probenahmeobjekt
Grundsätzlich kann ein Ringversuch für Bodenprobenahmen an jedem Objekt durchgeführt werden, das auch in der Praxis beprobt wird, also im Wesentlichen an Haufwerken und natürlichen Bodenprofilen. Problematisch bei der Verwendung von realen Böden ist allerdings die bereits erwähnte Variabilität des zu beprobenden Mediums, die die Auswertung erschwert. Um diesen Effekt zu minimieren können für Bohrungen künstliche Bodenprofile oder, im Falle von Haufwerksbeprobungen, technogene Schüttgüter mit geringer Variabilität eingesetzt werden.
3.3 Kontamination
Wenn die Auswirkung des Probenahmefehlers durch die Probenahme erfasst werden soll, müssen die Proben in einem Labor untersucht werden, um den Analysenfehler zwischen verschiedenen Labors auszuschalten. Der Fehler innerhalb des untersuchenden Labors muss allerdings durch Mehrfachmessungen ermittelt werden.
3.4 Konzepte
Soll der durch den Probenehmer hervorgerufene Fehler erfasst werden, müssen die Probenahmestrategie (Art, Größe und Anzahl der Einzelproben, Bohrdurchmesser etc.) und die Probenahmetechnik (Bohrdurchmesser, Stechrahmen etc.) vorgegeben und strikt eingehalten werden. Alternativ dazu kann den Teilnehmern freigestellt werden, mit welchem Probenahmeplan und welchen Entnahmetechniken eine bestimmte Aufgabe gelöst wird. Um realitätsnahe Probenahmebedingungen zu gewährleisten, sollten die teilnehmenden Probenehmer sich nicht gegenseitig beobachten können.
3.1 Parameter
Das Hauptaugenmerk bei der Bewertung der Unsicherheiten bei der Probenahme liegt naturgemäß auf dem Endergebnis, also dem Schadstoffgehalt. Insofern liegt es nahe, den Probenahmefehler über die Untersuchung bestimmter Schadstoffe zu erfassen. Doch auch die im Rahmen der Probenahme erfassten Vor-Ort-Prüfungen, insbesondere die Bodenansprache, eignen sich für Ringversuche. Dazu gehört neben der Feststellung der Bodenart durch die Fingerprobe, der Farbe, dem Kalk- und Humusgehalt auch die Zuordnung von Schichtgrenzen und die Festlegung von Probenahmeintervallen.
3.2 Probenahmeobjekt
Grundsätzlich kann ein Ringversuch für Bodenprobenahmen an jedem Objekt durchgeführt werden, das auch in der Praxis beprobt wird, also im Wesentlichen an Haufwerken und natürlichen Bodenprofilen. Problematisch bei der Verwendung von realen Böden ist allerdings die bereits erwähnte Variabilität des zu beprobenden Mediums, die die Auswertung erschwert. Um diesen Effekt zu minimieren können für Bohrungen künstliche Bodenprofile oder, im Falle von Haufwerksbeprobungen, technogene Schüttgüter mit geringer Variabilität eingesetzt werden.
3.3 Kontamination
Wenn die Auswirkung des Probenahmefehlers durch die Probenahme erfasst werden soll, müssen die Proben in einem Labor untersucht werden, um den Analysenfehler zwischen verschiedenen Labors auszuschalten. Der Fehler innerhalb des untersuchenden Labors muss allerdings durch Mehrfachmessungen ermittelt werden.
3.4 Konzepte
Soll der durch den Probenehmer hervorgerufene Fehler erfasst werden, müssen die Probenahmestrategie (Art, Größe und Anzahl der Einzelproben, Bohrdurchmesser etc.) und die Probenahmetechnik (Bohrdurchmesser, Stechrahmen etc.) vorgegeben und strikt eingehalten werden. Alternativ dazu kann den Teilnehmern freigestellt werden, mit welchem Probenahmeplan und welchen Entnahmetechniken eine bestimmte Aufgabe gelöst wird. Um realitätsnahe Probenahmebedingungen zu gewährleisten, sollten die teilnehmenden Probenehmer sich nicht gegenseitig beobachten können.
4 Grenzen
Aufgrund der Inhomogenitäten des Mediums ist die Ermittlung eines „konventionell richtigen Wertes“ problematisch. Die Festlegung von Ausschlussgrenzen und die Bewertung der Teilnahme am Ringversuch als „erfolgreich“ oder „nicht erfolgreich“ ist daher fragwürdig.
Je höher der Feinkorn- oder Grobkornanteil des Bodens, je größer der Ungleichförmigkeitsgrad, desto größer ist in erster Näherung die bodenbedingte Variabilität.
Anorganische Salze sind aufgrund gleichmäßigerer Verteilung besser geeignet als lipophilen organischen Schadstoffe, wobei organische Schadstoffphasen die größte Streubreiten bei Schadstoffgehalten hervorrufen.
Aufgrund der Inhomogenitäten des Mediums ist die Ermittlung eines „konventionell richtigen Wertes“ problematisch. Die Festlegung von Ausschlussgrenzen und die Bewertung der Teilnahme am Ringversuch als „erfolgreich“ oder „nicht erfolgreich“ ist daher fragwürdig.
Je höher der Feinkorn- oder Grobkornanteil des Bodens, je größer der Ungleichförmigkeitsgrad, desto größer ist in erster Näherung die bodenbedingte Variabilität.
Anorganische Salze sind aufgrund gleichmäßigerer Verteilung besser geeignet als lipophilen organischen Schadstoffe, wobei organische Schadstoffphasen die größte Streubreiten bei Schadstoffgehalten hervorrufen.
5 Erfahrungen
5.1 Ringversuch für Bodenprobenahme mit künstlicher Barium-Kontamination
Squire et.al. [9] brachten eine Bariumsulfat-Lösung oberflächlich auf einen Oberboden auf. Die Ringversuchsteilnehmer mussten zunächst nach einem fest vorgegebenen Raster Proben aus 0 - 15 cm Tiefe entnehmen. In einem zweiten Versuch konnten die Teilnehmer das Probenahmeraster frei wählen. In beiden Fällen war die Aufgabe, eine Bariumkontamination mit Konzentrationen über 171 mg/kg flächenhaft abgrenzen. An dem Versuch nahmen neun Institutionen teil. Durch die Entnahme von Doppelproben wurde versucht den Fehler der einzelnen Probenehmer abzuschätzen und dem Fehler im Vergleich aller neun Probenehmer gegenüberzustellen.
Erhebliche Abweichungen wurden bei der räumlichen Abgrenzung des künstlichen Barium-Hot-Spots festgestellt.
Anhand eines einfachen Bewertungsschemas wurden die Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen auf Kosten und Effektivität einer eventuellen Sanierung bewertet. Danach lagen die Ergebnisse der Teilnehmer 2 und 9 außerhalb des vorgegebenen Vertrauensbereiches und wurden als nicht erfolgreich bewertet.
5.2 EU-Projekt ”Comparative Evaluation of European Methods” [13]
Beim Projekt „Comparative Evaluation of European Methods for Sampling and Sample Preparation of Soils (CEEM Soil)“ entnahmen 15 Institute aus ganz Europa Bodenproben auf einer mit Schmermetallen belasteten Referenzfläche bei Dornach (Schweiz). So groß wie die Unterschiede in der Probenahmestrategie war dabei auch die Varianz der ermittelten Schadstoffgehalte. Wichtigstes Ergebnis dieser Vergleichsprobenahme war die Erkenntnis, dass die europäischen Probenahmerichtlinien harmonisiert werden müssen.
5.3 ITVA-Vergleichsprobenahme [12]
Bei einer vom ITVA durchgeführten Vergleichs-Probenahme mit acht teilnehmenden Büros wurden mit Hilfe von Kleinrammbohrungen mit 50 mm Durchmesser Bodenproben aus künstlichen Bodensäulen entnommen. In die Bodensäulen waren mit MKW kontaminierte Schichten eingebaut.
Trotz identischer Bodensäulen wurden von den teilnehmenden Büros bei Schichtmächtigkeiten zwischen 0,2 und 0,6 m Abweichungen von – 50 % bis + 90 % festgestellt. Die MKW-Gehalte der von denn verschiedenen Büros entnommenen Proben wichen zwischen –30 % und +40 % vom konventionell richtigen („wahren“) Wert der mit MKW dotierten Schichten ab. Bei diesen auf den ersten Blick großen Abweichungen ist zu bedenken, dass aufgrund der Versuchsanordnung grobe Fehler ausgeschlossen werden können. Da alle Proben im gleichen Labor (VEGAS) untersucht wurden, sind auch die Analysenergebnisse miteinander vergleichbar.
5.4 Vergleichsuntersuchungen der Bodenluft
Bei einer von der OFD Hannover initiierten Vergleichsuntersuchung entnahmen 11 verschiedene Institute Bodenluftproben entlang einer Traverse durch einen bekannten LHKW-Schaden. Probenahme- und Analysenmethode waren den Teilnehmern freigestellt. Die Ergebnisse weichen um bis zu zwei Größenordnungen voneinander ab. Trotz der großen Unterschiede der absoluten Werte ermittelten alle teilnehmenden Büros die Schadensschwerpunkte. Die Ergebnisse der Messungen der Büros waren also nicht absolut, wohl aber relativ vergleichbar.
5.1 Ringversuch für Bodenprobenahme mit künstlicher Barium-Kontamination
Squire et.al. [9] brachten eine Bariumsulfat-Lösung oberflächlich auf einen Oberboden auf. Die Ringversuchsteilnehmer mussten zunächst nach einem fest vorgegebenen Raster Proben aus 0 - 15 cm Tiefe entnehmen. In einem zweiten Versuch konnten die Teilnehmer das Probenahmeraster frei wählen. In beiden Fällen war die Aufgabe, eine Bariumkontamination mit Konzentrationen über 171 mg/kg flächenhaft abgrenzen. An dem Versuch nahmen neun Institutionen teil. Durch die Entnahme von Doppelproben wurde versucht den Fehler der einzelnen Probenehmer abzuschätzen und dem Fehler im Vergleich aller neun Probenehmer gegenüberzustellen.
Erhebliche Abweichungen wurden bei der räumlichen Abgrenzung des künstlichen Barium-Hot-Spots festgestellt.
Anhand eines einfachen Bewertungsschemas wurden die Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen auf Kosten und Effektivität einer eventuellen Sanierung bewertet. Danach lagen die Ergebnisse der Teilnehmer 2 und 9 außerhalb des vorgegebenen Vertrauensbereiches und wurden als nicht erfolgreich bewertet.
5.2 EU-Projekt ”Comparative Evaluation of European Methods” [13]
Beim Projekt „Comparative Evaluation of European Methods for Sampling and Sample Preparation of Soils (CEEM Soil)“ entnahmen 15 Institute aus ganz Europa Bodenproben auf einer mit Schmermetallen belasteten Referenzfläche bei Dornach (Schweiz). So groß wie die Unterschiede in der Probenahmestrategie war dabei auch die Varianz der ermittelten Schadstoffgehalte. Wichtigstes Ergebnis dieser Vergleichsprobenahme war die Erkenntnis, dass die europäischen Probenahmerichtlinien harmonisiert werden müssen.
5.3 ITVA-Vergleichsprobenahme [12]
Bei einer vom ITVA durchgeführten Vergleichs-Probenahme mit acht teilnehmenden Büros wurden mit Hilfe von Kleinrammbohrungen mit 50 mm Durchmesser Bodenproben aus künstlichen Bodensäulen entnommen. In die Bodensäulen waren mit MKW kontaminierte Schichten eingebaut.
Trotz identischer Bodensäulen wurden von den teilnehmenden Büros bei Schichtmächtigkeiten zwischen 0,2 und 0,6 m Abweichungen von – 50 % bis + 90 % festgestellt. Die MKW-Gehalte der von denn verschiedenen Büros entnommenen Proben wichen zwischen –30 % und +40 % vom konventionell richtigen („wahren“) Wert der mit MKW dotierten Schichten ab. Bei diesen auf den ersten Blick großen Abweichungen ist zu bedenken, dass aufgrund der Versuchsanordnung grobe Fehler ausgeschlossen werden können. Da alle Proben im gleichen Labor (VEGAS) untersucht wurden, sind auch die Analysenergebnisse miteinander vergleichbar.
5.4 Vergleichsuntersuchungen der Bodenluft
Bei einer von der OFD Hannover initiierten Vergleichsuntersuchung entnahmen 11 verschiedene Institute Bodenluftproben entlang einer Traverse durch einen bekannten LHKW-Schaden. Probenahme- und Analysenmethode waren den Teilnehmern freigestellt. Die Ergebnisse weichen um bis zu zwei Größenordnungen voneinander ab. Trotz der großen Unterschiede der absoluten Werte ermittelten alle teilnehmenden Büros die Schadensschwerpunkte. Die Ergebnisse der Messungen der Büros waren also nicht absolut, wohl aber relativ vergleichbar.
6 Ausblick
Die AQS-Leitstelle des Bayerischen Landesamtes für Umwelt führt unter Beteiligung des ITVA im Rahmen des Länderfinanzierungsprogramms Wasser und Boden 2008 ein „Projekt zur externen Qualitätssicherung bei der Probenahme von Boden“ durch. Am Beispiel der Kleinrammbohrung („Rammkernsondierung“) soll eine Maßnahme zur externen Qualitätssicherung bei der Probenahme entwickelt werden, die in Zukunft auch für diesen Bereich eine externe Überprüfung der Untersuchungsstellen analog den laboranalytischen Ringversuchen ermöglicht.
Im November 2008 führten 26 im Rahmen der VSU Bayern gem. §18 BBodSchG zugelassene Untersuchungsstellen Kleinrammbohrungen in künstlichen Bodensäulen durch. Neben der vergleichenden Profilaufnahme wurde anhand einer kontaminierten Schicht auch die Schadstoffverschleppung untersucht. Die Ergebnisse der Vergleichsuntersuchung werden zurzeit ausgewertet.
Die AQS-Leitstelle des Bayerischen Landesamtes für Umwelt führt unter Beteiligung des ITVA im Rahmen des Länderfinanzierungsprogramms Wasser und Boden 2008 ein „Projekt zur externen Qualitätssicherung bei der Probenahme von Boden“ durch. Am Beispiel der Kleinrammbohrung („Rammkernsondierung“) soll eine Maßnahme zur externen Qualitätssicherung bei der Probenahme entwickelt werden, die in Zukunft auch für diesen Bereich eine externe Überprüfung der Untersuchungsstellen analog den laboranalytischen Ringversuchen ermöglicht.
Im November 2008 führten 26 im Rahmen der VSU Bayern gem. §18 BBodSchG zugelassene Untersuchungsstellen Kleinrammbohrungen in künstlichen Bodensäulen durch. Neben der vergleichenden Profilaufnahme wurde anhand einer kontaminierten Schicht auch die Schadstoffverschleppung untersucht. Die Ergebnisse der Vergleichsuntersuchung werden zurzeit ausgewertet.