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1 Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer Abriss der Hydrogeologie Brunnen und Pumpversuche Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009 Präsentation basiert auf Einführung Hydrogeologie Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg) Inhalte Einführung Was ist ein Aquifer? Warum fließt Grundwasser? Wie bestimmt man Porosität und Permeabilität? Gesättigte und ungesättigte Zone Brunnen und Pumpversuche Pumpversuchsauswertung und Grundwasserneubildung Wasser: Das universelle Lösungsmittel Wechselwirkungen Wasser Gestein weitere Wasserinhaltsstoffe Grundwassermodellierung Grundwasserschutz und Management Grundwassersanierung Regionale Beispiele 1

2 Wo können wir Grundwasser sehen? Quellen Flüsse (?) künstliche Aufschlüsse Quellen ungefasste Quellen (wilde Quellen) gefasste Quellen Stollen 2

3 Flüsse werden vom Grundwasser und oberirdischem Wasser gespeist surface water Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Flüsse werden vom Grundwasser und oberirdischem Wasser gespeist Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells 3

4 künstliche Aufschlüsse Brunnen (wells) Grundwassermessstellen (monitoring wells) Baugruben (excavation) Bergbau (mining) Tagebau (open pit / surface mining) Untertagebergbau (deep mining) Brunnen 4

5 Typisierung von Brunnen handgegrabene Brunnen (dugged wells) Bohrbrunnen (drilled wells) Förderbrunnen (pumping well) Sanierungsbrunnen (rehabilitation well) Schluckbrunnen (injection well) Grundwassermessstellen (monitoring i well) Horizontalfilterbrunnen (horizontal well) Typisierung von Brunnen: handgegrabene Brunnen 5

6 Bohrverfahren Kernbohrungen Meißelbohrungen Trockenbohrverfahren Spülbohrverfahren Rammbohrungen Horizontal /Schräg- Bohrungen Drehbohren mit Schnecke Freifallbohrung Drehbohren mit Spülung Drehschlagbohren (Im- Loch-Hammer) Freifallbohrung (cable tool percussion) vor 4000 Jahren von Chinesen entwickelt auch als Seilschlagbohrung bezeichnet eichnet abwechselnd Meißel (drill bit) und Ventilbohrer (sand pump or bailer) am Seil Zugabe von Wasser in der ungesättigten Zone einfaches Bohrgerät, personalaufwendig 6

7 cable tool drilling rigg Schutzverrohrung mitführen cable tool drilling rigg 7

8 Rammen mit Kerngewinn Drehbohren Rotary-Bohren (direct rotary drilling) 8

9 Bohrspülung (drilling fluids) Wasser basiert Frischwasser Tonspülung (clay additives) Wasser mit Polymeren Wasser mit Ton und Polymeren Luftbasiert Wasserdampf Schaum (surfactants) Schaum (stiff foam) mit Polymeren und Bentonit Bohrspülung (drilling fluid pit) Bohrspülungen können toxisch sein 9

10 portabler Container Lufthebeverfahren (air lift drilling) 10

11 Teleskoping des Bohrloches Herabsetzen der Rohrreibungsverluste erl ste wird eingesetzt ab ca. 200 m Bohrteufe Brunnenausbau ein Brunnen ist mehr als ein Loch in der Erde Sperrrohr (surface casing) Verrohrung und Filterrohre (casing and well screen) Filterkies (gravel pack) Dichtungen (grouts) Pumpe und Steigleitung (pump and pump column) Brunnenkopf (well head), Brunnenstube, Brunnenhaus 11

12 Brunnen: Konstruktion Schutzverrohrung Vollrohre, Filterrohre Filterkies Dichtungen Pumpe und Steigleitung Schutzverrohrung ziehen Brunnenkopf Brunnen ohne Ausbau Unterschied Brunnen Grundwassermessstelle? Pumpe Durchmesser Ausbaumaterial Achtung: Grundwassermessstelle NICHT Pegel 12

13 Pumpen Pumpentypen Saug-/Vakuumpumpe maximal 10 m ( 8 m) Motorpumpe Unterwasserpumpe (submersible) 13

14 Johnson Pumpe Motor und Pumpe getrennt Antrieb und Förderung durch Hohlwelle Elektromotor oder Dieselaggregat Ölkontamination von Welle hollow shaft Gipson County Coal Mine, USA Unterwasserpumpe Motor und Pumpe eine Einheit Kühlung durch Grundwasser vollständig gekapselt, keine Kontamination möglich Motor Pumpe 14

15 Grundwassermessstellen Grundwasserstandsmessungen (depth to the ground water) Abstand Geländeoberfläche Grundwasser: Flurabstand Linien gleichen Grundwasserstands: Isohypsen natürliche Variationen Fließrichtung, Zeitreihen Pumpversuche Grundwasserqualitätsüberwachung Anforderungen an Grundwassermessstellen Grundwasserstand (piezometers): hydraulischer h Kontakt Filter, Filterkies Grundwassergüteüberwachung hydraulischer Kontakt inertes etesmaterial a Teflon, Edelstahl, PVC 15

16 wenn Sie drei Grundwassermessstellen haben und ein Lichtlot und die Höhe können Sie die Grundwasserfließrichtung ermitteln topographische Höhe Rohroberkante Grundwasserflurabstand Bestimmung der Grundwasser- Fließrichtung aus drei Messungen durch lineare Interpolation 455 m 452 m 450 m Blume

17 Wie wird der Flurabstand gemessen? (Kabel-)Lichtlot Schwimmer mit automatischer Aufzeichnung Druckaufnehmer Brunnenpfeife (Museumsvariante) Andere Kabellichtlot (dipper) 17

18 Schwimmer Missouri Department of Natural Resources Druckaufnehmer atmosphärische Druckschwankungen k müssen kompensiert werden 18

19 Druckaufnehmer (unkorrigierte Daten) 1,20 16,9 1,18 16, ,16 16,7 1,14 16,6 1,12 1,10 1,08 16,5 16,4 16,3 Temperatur, C 1,06 16,2 1,04 16,1 1,02 16,0 1,00 15, Echolot/Laser Wasserstandsmessung Dienststelle Marienthal Siemens Webpage 19

20 Pumpversuch wichtigste Feldversuch der Hydrogeologie Bestimmung der Durchlässigkeit und des Speicherkoeffizienten eines Aquifers zuverlässigere und repräsentativere Ergebnisse als Laborversuche Was wird für einen Pumpversuch benötigt? Brunnen mit Pumpe und Steigleitung, Strom konstante Förderleistung mindestens eine Grundwassermessstelle Lichtlot oder anderes Messgerät Abflussmesseinrichtung Vorfluter Erlaubnis / Genehmigung 20

21 Abflussmessung Gefäßmessung flow from pipe Wehr (weir) IDM (induktive Durchfluss- Messung) mechanische Wasseruhr andere Wehre 21

22 Wehre Wehrmessung IDM Induktive Durchflussmessung 22

23 Pumpversuch Absenktrichter (cone of depression) ungespannter Aquifer wassergesättigte Mächtigkeit nimmt während des Pumpversuches ab Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells 23

24 gespannter Aquifer Mächtigkeit des wassergesättigten Aquifers bleibt konstant andere mathematische Behandlung Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Brunnenleistung 24

25 Pumpversuch Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Absenkung und Wiederanstieg Instationäre Bedingungen Stationäre Bedingungen 25

26 Pumpversuch in Flussnähe Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Zusammenfassung natürliche und künstliche Grundwasseraufschlüsse Bohrverfahren für unterschiedliche Zwecke Brunnen sind unterirdische Bauwerke Pumpversuchsdurchführung Messung des Wasserstandes (Absenkung / Wiederanstieg) Messung des Abflusses stationäre / instationäre Zustände Randbedingungen 26