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 Wo können wir Grundwasser sehen? • Quellen • Flüsse (?) • künstliche Aufschlüsse Quellen • ungefasste Quellen (wilde Quellen) • gefasste Quellen • Stollen 2 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 künstliche Aufschlüsse • Brunnen (wells) • Grundwassermessstellen (monitoring wells) • Baugruben (excavation) • Bergbau (mining) –T Tagebau b ((open pit it / surface f mining) – Untertagebergbau (deep mining) Brunnen 4 Typisierung von Brunnen • handgegrabene Brunnen (dugged wells) • Bohrbrunnen (drilled wells) – – – – Förderbrunnen (pumping well) Sanierungsbrunnen (rehabilitation well) Schluckbrunnen (injection well) G Grundwassermessstellen d ll ((monitoring i i well) ll) • Horizontalfilterbrunnen (horizontal well) Typisierung von Brunnen: handgegrabene Brunnen 5 Bohrverfahren • • • • • • Kernbohrungen Meißelbohrungen Trockenbohrverfahren Spülbohrverfahren Rammbohrungen Horizontal /SchrägBohrungen • Drehbohren mit Schnecke • Freifallbohrung • Drehbohren mit Spülung • Drehschlagbohren (ImLoch-Hammer) Freifallbohrung (cable tool percussion) • vor 4000 Jahren von Chinesen entwickelt • auch a ch als Seilschlagbohr Seilschlagbohrung ng bezeichnet be eichnet • abwechselnd Meißel (drill bit) und Ventilbohrer (sand pump or bailer) am Seil • Zugabe von Wasser in der ungesättigten Zone • einfaches Bohrgerät, personalaufwendig 6 cable tool drilling rigg Schutzverrohrung mitführen cable tool drilling rigg 7 Rammen mit Kerngewinn Drehbohren Rotary-Bohren (direct rotary drilling) 8 Bohrspülung (drilling fluids) • Wasser basiert • Luftbasiert – Frischwasser – Tonspülung (clay additives) – Wasser mit Polymeren – Wasser mit Ton und Polymeren – Wasserdampf – Schaum (surfactants) – Schaum (stiff foam) mit Polymeren und Bentonit Bohrspülung (drilling fluid pit) Bohrspülungen können toxisch sein 9 portabler Container Lufthebeverfahren (air lift drilling) 10 Teleskoping des Bohrloches • Herabsetzen der Rohrreib ngs erl ste Rohrreibungsverluste • 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 Brunnen: Konstruktion • • • • • • • Schutzverrohrung Vollrohre Filterrohre Vollrohre, Filterkies Dichtungen Pumpe und Steigleitung g ziehen Schutzverrohrung Brunnenkopf • Brunnen ohne Ausbau Unterschied Brunnen – Grundwassermessstelle? • Pumpe • Durchmesser • Ausbaumaterial • Achtung: – Grundwassermessstelle NICHT – Pegel 12 Pumpen Pumpentypen Saug-/Vakuumpumpe maximal 10 m (≈ 8 m) Motorpumpe Unterwasserpumpe (submersible) 13 „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 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 d li h K Kontakt k • Filter, Filterkies • Grundwassergüteüberwachung – hydraulischer Kontakt e tes Material ate a – inertes • Teflon, Edelstahl, PVC 15 wenn Sie drei Grundwassermessstellen haben … • und ein Lichtlot … • und nd die Höhe … • können Sie die Grundwasserfließrichtung ermitteln topographische Höhe Rohroberkante Grundwasserflurabstand Bestimmung der GrundwasserFließrichtung aus drei Messungen durch lineare Interpolation × 455 m × 452 m × 450 m Blume 2003 16 Wie wird der Flurabstand gemessen? • (Kabel-)Lichtlot • Schwimmer mit automatischer Aufzeichnung • Druckaufnehmer • Brunnenpfeife (Museumsvariante) • Andere A d … Kabellichtlot (dipper) 17 Schwimmer Missouri Department of Natural Resources Druckaufnehmer atmosphärische D k h Druckschwankungen k müssen kompensiert werden 18 1,20 16,9 1,18 16,8 1 16 1,16 16 7 16,7 1,14 16,6 1,12 16,5 1,10 16,4 1,08 16,3 1,06 16,2 1,04 16,1 1,02 16,0 1,00 24.7.02 25.7.02 26.7.02 27.7.02 28.7.02 29.7.02 30.7.02 31.7.02 Temperatur, °C Druckaufnehmer (unkorrigierte Daten) 15,9 1.8.02 Echolot/Laser Wasserstandsmessung Dienststelle Marienthal | Siemens Webpage 19 Pumpversuch • wichtigste Feldversuch der H drogeologie 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 Abflussmessung • Gefäßmessung • flow flo from pipe • Wehr (weir) • IDM (induktive DurchflussMessung) • mechanische Wasseruhr • andere Wehre 21 Wehre Wehrmessung | IDM – Induktive Durchflussmessung 22 Pumpversuch Absenktrichter (cone of depression) ungespannter Aquifer • wassergesättigte Mächtigkeit nimmt während des Pumpversuches ab Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells 23 gespannter Aquifer • Mächtigkeit des wassergesättigten Aquifers bleibt konstant → andere mathematische Behandlung Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Brunnenleistung 24 Pumpversuch Fletcher G. Driscoll: Groundwater and Wells Absenkung und Wiederanstieg Instationäre Bedingungen Stationäre Bedingungen 25 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) g • Messung des Abflusses • stationäre / instationäre Zustände • Randbedingungen 26
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