ÜBUNG BRUNNENBAU / GRUNDWASSERABSENKUNG

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1 ÜBUNG BRUNNENBAU / GRUNDWASSERABSENKUNG Brunnenarten Unterscheidung der Brunnenarten nach: - Art des Einbaus in den Aquifer: -- Horizontalbrunnen -- Vertikalbrunnen vollkommene Brunnen unvollkommene Brunnen - nach Betriebsweise -- Flachbrunnen der abgesenkte Wasserspiegel ist < 8,0 m u. GOK (Saugpumpe, Vakuumpumpe) -- Tiefbrunnen der abgesenkte Wasserspiegel ist > 8,0 m u. GOK (Tauchpumpe) Schwerkraftbrunnen Vakuumbrunnen - nach Baumaterial -- Kunststoff (PE-HD, PVC, PP) -- Stahl - nach Bauverfahren -- Bohrbrunnen -- Rammbrunnen -- Spülbrunnen 1

2 Ausbildung des Bohrbrunnens Brunnenkomponenten - Aufsatzrohr - Filterrohr / Kiesbelagfilter / Gewebefilter - Sumpfrohr (nicht bei GW-Messstellen) - Bodenkappe - Pegelkappe, verschließbar - Unterflurkappe (u. GOK) / Schutzrohr (ü. GOK) - Filterkiesschüttung - Unterwasserpumpe mit Steigleitung, Pumpenkabel, Steuerung Anforderungen an Ausbaumaterialien - Hohe Innen- und Außendruckfestigkeit; erforderlich insbesondere bei den Ausbauarbeiten (Kiesschüttung); - Hohe Zugfestigkeit; erforderlich beim Einbau des Ausbaustranges; - Möglichst große Filtereintrittsfläche zur Verringerung des Filtereintrittswiderstandes. Die Filtereintrittsfläche wird prozentual zur gesamten Mantelfläche angegeben. Sie ist abhängig von der Lochungsart und der Schlitzweite und beträgt zwischen 8 % (Normalschlitzung) und 35 % Wickeldrahtfilter. - Dichtheit insbesondere im Bereich der Vollrohre - Korrosionsbeständigkeit - Beständigkeit gegenüber Wasserinhaltsstoffen (z.b. organische Lösungsmittel) - Wirtschaftlichkeit 2

3 Dokumentation des Brunnenbaus Im Anschluß an die Fertigstellung einer Bohrung wird diese nach Lage und Höhe eingemessen. Darüber hinaus sind Schichtenverzeichnisse (DIN 4022), Schichtenprofile (DIN 4023) und Ausbaupläne anzufertigen (s. Anlagen 1 u. 2). Dazu werden während der Bohrarbeiten fortlaufend Gesteinsproben entnommen und zur geologischen Ansprache in sog. Kernkisten gelagert. Bei der Erstellung von Bohrprofilen kommen Kurzzeichen zur Anwendung. Verwendung von Kurzzeichen gem. DIN 4023, T4: Ton T Schluff U Sand S Kies G Haupt- und Nebenanteile sind durch Groß- und Kleinschreibung zu unterscheiden: S,g Sand, kiesig Die Kurzzeichen der Nebenanteile sind in der Reihenfolge ihrer Bedeutung anzufügen und durch Komma zu trennen. S, g, u Sand, kiesig, schluffig Sind zwei Anteile etwa gleichstark vertreten, (ca %) so werden die Kurzzeichen durch ein + verbunden. S + G Sand und Kies Ein 'starker' Nebenanteil (> 30 %) ist durch einen Strich über dem Kurzzeichen kenntlich zu machen. S, ū Sand, stark schluffig Ein 'schwacher' Nebenanteil (< 15 %) ist durch einen Apostroph gekennzeichnet. G, s Kies, schwach sandig Der Ausbauplan wird durch das Bauunternehmen erstellt, und ist Grundlage der Abrechnung. In ihm werden alle eingebauten Teile (Filterrohr, Aufsatzrohr, Pumpe, etc.) und Schüttgüter (Filterkies, Tonsperren, Zementation, Verfüllgüter) eingezeichnet, bemaßt (Länge, Ober- und Unterkante) und benannt. Ausbaupläne werden in der Regel auf der rechten Blatthälfte neben das Schichtenprofil gezeichnet. 3

4 Grundwasserabsenkung Rechtliche Voraussetzungen Gemäß 3 Wasserhaushaltsgesetz (WHG) stellt die Absenkung wie auch die Grundwasserentnahme eine Benutzung des Grundwassers dar. Benutzungen in diesem Sinne bedürfen der wasserrechtlichen Zulassung durch die zuständige Behörde. Die Zuständigkeiten sind landesrechtlich durch die Landeswassergesetze geregelt. In der Regel sind die Unteren Wasserbehörden zuständig. Die Wiedereinleitung des geförderten und gereinigten Grundwassers in ein Oberflächengewässer (Direkteinleitung) bedarf ebenfalls der behördlichen Zulassung. Im Rahmen der Zulassung werden Einleitgrenzwerte vorgegeben. Die Einleitung in ein öffentliche Kanalnetz (Indirekteinleitung) bedarf der Erlaubnis des Kanalnetzbetreibers und der angeschlossenen Kläranlage. Die Einleitgrenzwerte bei der Indirekteinleitung liegen üblicherweise über denen der Direkteinleitung. Während des Betriebes von Grundwasserabsenkungen kann es zu Setzungen an naheliegenden Gebäuden kommen. Diese Risiken sind im Vorfeld der Maßnahme abzuschätzen und gegebenenfalls durch ein Beweissicherungsverfahren zu Begleiten. Prinzip der Grundwasserabsenkung Bei der Förderung von Wasser aus einem Brunnen stellt sich eine Absenkung der ursprünglich horizontalen Grundwasseroberfläche ein. Es bildet sich ein Absenkungstrichter der im horizontalen Schnitt etwa kreisrund ist und im vertikalen Schnitt eine annähernd parabelförmige Gestalt annimmt. Tatsächlich ist eine absolut horizontale Grundwasseroberfläche nie gegeben, so dass sich in der Realität eine in der Länge der Stromrichtung ellipsenähnliche Form des Trichters ausbildet. Die Reichweite R des Absenktrichters bezeichnet den Abstand vom Brunnen bis zur Grenze des Absenktrichters. Das Wasser innerhalb der Reichweite R wird dem Brunnen zugeführt. Der Raum für das zufließende Wasser wird mit zunehmender Annäherung an den Brunnen immer kleiner. Die Geschwindigkeit v des zufließenden Wassers steigt daher linear an (Q = A * v). Der limitierende Faktor für die Geschwindigkeit ist hierbei die Durchlässigkeit des Gesteins (k f -Wert). Bei mangelhaft gebauten Brunnen wird das Fassungsvermögen durch falsch gestufte Kiesfilter oder durch zu klein dimensionierte Filterschlitzweiten verringert. 4

5 Berechnungen 1) Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwertes k f [m/s] Zur Ermittlung des k f -Wertes werden Pumpversuche durchgeführt. Die Pumpversuche können an einem Brunnen bzw. an einem Brunnen mit umliegenden GW-Messstellen durchgeführt werden. Letztere Variante liefert die zuverlässigeren Ergebnisse. Beim Pumpversuch wird dem Brunnen eine konstante Wassermenge Q [m³/s] bis zum Erreichen eines Gleichgewichtes (= Absenkung konstant) zwischen Entnahme und Zustrom entnommen. Die Durchlässigkeit bei einem Grundwasserleiter mit freier Grundwasseroberfläche ist dann: k f = Q * ln (r 2 /r 1 ) / (π * (h 2 2 h 2 1 )), [m/s] Q = Entnahmemenge [m³/s] r 1 = Abstand zwischen Brunnenachse und Achse der Messstelle 1 [m] r 2 = Abstand zwischen Brunnenachse und Achse der Messstelle 2 [m] h 1 = Differenz zw. unbeeinflußter GW-Oberfläche und Absenkung an Messstelle 1 [m] h 2 = Differenz zw. unbeeinflußter GW-Oberfläche und Absenkung an Messstelle 2 [m] 2) Berechnung der Reichweite nach Sichardt R = 3000 x s x k f 1/2 [m] s = Absenkziel 3) Berechnung des Wasserandrangs zum Brunnen Fallunterscheidung: a) Grundwasserleiter mit freier Oberfläche b) Grundwasserleiter mit gespannter Oberfläche 5

6 Dupuit-Thiemsche Brunnenformel a) für vollkommene Brunnen mit freier / gespannter Wasserfläche Fall 1: Wasserandrang bei freiem Wasserspiegel Q = π * k f * (H 2 h 2 ) / (ln R ln r) Q = Wasserzufluss zum Brunnen [m³/s] k f = Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] H = Abstand zwischen dem Grundwasserspiegel und dem Stauer [m] h = Abstand zwischen dem abgesenkten Grundwasserspiegel und dem Stauer [m] R = Reichweite des Brunnens [m] r = Brunnenradius [m] Fall 2: Wasserandrang bei gespanntem Wasserspiegel Q = 2π * k f * m * (H h) / (ln R ln r) m = Mächtigkeit des Grundwasserleiters (m) 6

7 b) für unvollkommene Brunnen mit freier / gespannter Wasserfläche Unvollkommene Brunnen erhalten im Gegensatz zu vollkommenen Brunnen zusätzlich einen Zustrom von unten. Die Erhöhung des Wasserzuflusses ist näherungsweise wie folgt abzuschätzen: a < H: H < a < 2H a > 2H Q u = 1,1 * Q Q u = 1,2 * Q Q u = 1,3 * Q Q u = Wasserzufluß bei einem unvollkommenen Brunnen [m³/s] Q = Wasserzufluß bei einem vollkommenen Brunnen [m³/s] H = Abstand zwischen dem nicht abgesenkten Grundwasserspiegel und einem fiktiven undurchlässigen Horizont a = Abstand zwischen dem fiktiven Horizont und dem tatsächlich undurchlässigen Horizont 3) Berechnung des Fassungsvermögens des Brunnens Berechnung: nach Sichardt (empirisch ermittelt) Q' = A * v = 2 π * r * h * k 1/2 f / 15 Q' = Fassungsvermögen eines Einzelbrunnens [m³/s] A = Filterfläche des Brunnens v = waagerechte Fließgeschwindigkeit zum Brunnen [m/s] r = Brunnenradius [m] h = Abstand zwischen dem Absenkziel und dem undurchlässigen Horizont [m] k f = Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] 7

8 Anwendung gegeben: Unvollkommener Vertikalbrunnen; freier Wasserspiegel; Flurabstand 2,0 m; Stauer 25 m unter Geländeoberkante (GOK) k f = 5 * 10-3 m/s R erf. = 50 m gesucht: 1) notwendige Absenkung; 2) resultierende Fördermenge [m³/h] 3) erforderlicher Brunnendurchmesser zu 1): Umstellen der Formel für Reichweite R R = 3000 * s * k f 1/2 s = R / (3000 * k f 1/2 ) s = 0,24 m zu 2): Berechnung Wasserzufluss Q = π * k f * (H 2 h 2 ) / (ln R ln r) Q = π * 5 * 10-3 * ( ,76 2 ) / (ln 50 ln 0,0762) (mit r = 0,0762 m entspr. 6") Q = 0,027 m³/s entspr. 97,2 m³/h (vollkommener Brunnen) Erhöhung auf Grund unvollkommenem Brunnenausbau (Zufluss auch von unten): Annahme Brunnenausbau bis 17 m u. GOK: a = 10 m; H = 13 m a < H Q u = 1,1 * 0,027 m³/s Q u = 0,03 m³/s Q u = 108 m³/h 8

9 zu 3): Brunnendurchmesser Forderung: Q' Q u Brunnenausbau: Aufsatzrohrstrecke 2,0 m, Filterrohrstrecke 15,0 m Q' = 2 π * r * h * k 1/2 f / 15 r = 15 * Q' / (2 π * h * k 1/2 f ) r = 15 * 0,03 / 2 π * 14,76 * 0,005 1/2 r = 0,069 m Ergebnis: erforderlicher Durchmesser: 2 * 0,069 m = 0,138 m > vorhandener Durchmesser: 0,152 m (6") Übungsaufgabe: gegeben: CKW-Schaden im Grundwasser, Schadenszentrum auf der Stauer-Oberfläche, mehrere Schadstoffeintragsquellen im Radius von 50 m um das Schadenszentrum GW- Flurabstand 4,0 m, freie Grundwasserfläche, Stauer 22,0 m u. GW-Oberfläche Pumpversuch Förderrate: 50 m³/h r 1 = 10,00 m r 2 = 20,00 m h 1 = 21,70 m h 2 = 21,82 m gesucht: Durchlässigkeitsbeiwert k f ; erforderliche Reichweite; erforderliche Absenkung; resultierende Fördermenge; erforderlicher Brunnendurchmesser; Skizzierung des Brunnens inkl. Darstellung von R, r, H, h, Bemaßung 9