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Institut für Geologie – Lehrstuhl für Hydrogeologie

5. Vorlesung Hydrogeologie I

Brunnen und Pumpversuche

Prof. B. Merkel, Dipl.-Geoökol. M. Schipek

Quelle: LfUG 2007; FU Berlin 2006

www: Vorlesungsunterlagen

Folie 2

http://www.geo.tu-freiberg.de/~schipek/Vorlesungsvertretung/index.html

2

Literaturhinweise

Jordan & Weder 1995Hölting 2008

Languth & Voigt

Driscoll 1986

Jordan & Weder 19952004

Arnold 1993

Wo können wir Grundwasser sehen ?

Quellenutop

f

Q

Flüsse (?)

künstliche Aufschlüsse

Que

lleB

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http://de.wikipedia.org/wikiwww.ergis.cz

Elbe

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3

Natürliche Grundwasseraustritte: Quellen (spring)

warum und wo treten Quellen auf?

Quellen

• immer dann, wenn der Fließquerschnitt in einem oberflächennahem Grundwasserleiter nicht mehr ausreicht, um das Grundwasser zu transportieren

• Abnahme des kf-Wertes

• Abnahme der Mächtigkeit des Aquifers• Abnahme der Mächtigkeit des Aquifers

• Abnahme des Gradienten des Grundwassers

Quellen

ungefasste Quellen (wilde Quellen)

gefasste Quellen

St lle.33

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4

Flüsse werden vom Grundwasser und oberirdischem Wasser gespeist

surface water

künstliche Aufschlüsse

•Brunnen (wells)

G d ß ll ( i i ll )•Grundwassermeßstellen (monitoring wells)

•Baugruben (excavation)

•Bergbau (mining)

→ Tagebau (open pit / surface mining)→ Tagebau (open pit / surface mining)

→ Untertagebergbau (deep mining)

5

Brunnen

Typisierung von Brunnen

handgegrabene Brunnen (dugged wells)

uben

- Ausbau mit Schachtringen etc. -- ohne Ausbau -

Dris

coll

1998

, Hou

6

Typisierung von Brunnen

handgegrabene Brunnen (dugged wells)

Bohrbrunnen (drilled well)Bohrbrunnen (drilled well)

• Förderbrunnen (pumping well)

• Sanierungsbrunnen (rehabilitation well)

• Schluckbrunnen (injection well)( j )

• Grundwassermeßstellen (monitoring well)

Horizontalfilterbrunnen (horizontal well)

Typisierung von Brunnen

Vorteile- sehr hohe Ergiebigkeit- flächenhaft verteilte geringe Absenkung- geringere Verockerungsneigung - zentraler Standort, weniger Leitungsbau

Horizontalfilterbrunnen (horizontal well)

Nachteile- sehr hohe Baukosten- aufwendige Instandsetzung/Reinigung- nur für flachere Grundwasserleiter

7

Bohrungen / Bohrverfahren

- Laut §§ 50, 127 Bundesberggesetz, § 4 Lagerstättengesetzanzeigepflichtig

- DVGW-Arbeitsblatt W 115 (März 2001): Bohrungen zurDVGW Arbeitsblatt W 115 (März 2001): Bohrungen zurErkundung, Gewinnung und Beobachtung von Grundwasser;Eschborn.

- DVGW-Merkblatt W 116 (April 1998): Verwendung vonSpülungszusätzen in Bohrspülungen bei Bohrarbeiten imGrundwasser; Eschborn.

DVGW Merkblatt W 121 (Oktober 1988): Bau und Betrieb

Folie 13

- DVGW-Merkblatt W 121 (Oktober 1988): Bau und Betriebvon Grundwasserbeschaffenheitsmeßstellen; Eschborn.

- DVGW Merkblatt W 135 (Nov. 1998): Sanierung undRückbau von Bohrungen, Grundwassermessstellen undBrunnen.

Bohrverfahren

Kernbohrungen

Meißelbohrungen

Trockenbohrverfahren

Drehbohren mit Schnecke

Freifallbohrung

Drehbohren mit SpülungTrockenbohrverfahren

Spülbohrverfahren

Rammbohrungen

Horizontal /Schräg-Bohrungen

Drehbohren mit Spülung

Drehschlagbohren (Im-Loch-Hammer)

8

Bohrverfahren

Schlagbohrungen Gesteinsmaterial wird durch Keilwirkung zertrümmert

Bsp.: Freifallbohrung

g

Rammbohrungen

Drehbohrungen Zerspanung des Gesteinsmaterials

Bsp.: Drehbohren mit Schnecke

mit

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Drehbohren mit / ohne Spülung

Sonderfall: Drehschlagbohren (Im-Loch-Hammer)

m

Freifallbohrung (cable tool percussion)

vor 4000 Jahren von Chinesen entwickelt

auch als Seilschlagbohrung bezeichnet

abwechselnd Meißel (drill bit) und Ventilbohrer (sand pump or bailer) am Seil

Zugabe von Wasser in der UZ

einfaches Bohrgerät, personalaufwendig

9

cable tool drilling rigg

Schutz-Verrohrung mitführenmitführen

Dris

coll

1987

Drehbohren / Rotary-Bohren (direct rotary drilling)

chni

k.de

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rtec

Rollenmeißel

Dris

coll

1987

, http

10

Bohrspülung (drilling fluids)

Wasser basiert

Frischwasser

Tonspülung (clay additives)

• Vorrangige Funktionen:

• Bohrlochreinigung: der Transport des vom Meissel Tonspülung (clay additives)

Wasser mit Polymeren

Wasser mit Ton und Polymeren

Luft basiert

Wasserdampf

Transport des vom Meisselerzeugten Bohrkleins durch den Ringraum bis übertage.

• Kontrolle des hydrostatischen Druckes für stabile Bohrlochverhältnisse. ub

en p

Schaum (surfactants)

Schaum (stiff foam) mit Polymeren und Bentonit

o oc e ä t sse

• Kühlung und Schmierungvon Meissel und Gestänge, Optimierung der Bohrfortschrittsrate

Dris

coll

1998

, Hou

Bohrspülung (drilling fluid pit)

Bohrspülungen können toxisch sein

Dris

coll

1987

11

portabler Container D

risco

ll 19

87

Teleskoping des Bohrloches

Rohrreibungsverluste

wird eingesetzt ab ca. 200 m Bohrteufe

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Rammen mit Kerngewinn

Ziele einer optimalen Brunnenbemessung

höchste Ergiebigkeit bei geringster Absenkunghöchste Ergiebigkeit bei geringster Absenkung

Förderung normgerechten Wassers (sandfrei, geschützt vor Kontaminationen)

lange Lebensdauer (> 25 a)

hohe Effektivität: geringe Kosten der Konstruktion (Investkosten) des Betriebs und der Wartung(Investkosten), des Betriebs und der Wartung

störungsfreier Betrieb

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Brunnenausbau

ein Brunnen ist mehr als ein Loch in der Erde....

Sperrrohr (surface casing)Sperrrohr (surface casing)

Verrohrung und Filterrohre (casing and well screen)

Filterkies (gravel pack)

Dichtungen (grouts)

Pumpe und Steigleitung (pump and pump column)p g g (p p p p )

Brunnenkopf (well head), Brunnenstube, Brunnenhaus

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Bohrloch

Dichtungen

14

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre,Filterrohre

Bohrloch

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre, Filterrohre

Bohrloch

Filterkies

15

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre,Filterrohre

Bohrloch

Filterkies

Dichtungen Dichtungen

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre,Filterrohre

Bohrloch

Filterkies

Dichtungen

Pumpe und Steigleitung

Dichtungen

16

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre,Filterrohre

Bohrloch

Filterkies

Dichtungen

Pumpe und Steigleitung

Schutzverrohrung ziehen

Dichtungen

Brunnen Konstruktion

Schutzverrohrung

Vollrohre,Filterrohre

Bohrloch

Filterkies

Dichtungen

Pumpe und Steigleitung

Schutzverrohrung ziehen

Dichtungen

Brunnenkopf

Brunnen ohne Ausbau

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Brunnenentwicklung vor Einbau von Steigleitung und Pumpe

• Nach Einbau von der Rohrtouren und des Filterkieses

• Dient der „Reinigung“ des Brunnes (Bohrspülung,Dient der „Reinigung des Brunnes (Bohrspülung, Filterkuchen, Bohrklein)

• Entfernung des Feinkorns aus Nahbereich der Bohrung Verbesserung Kf-Wert

• Mittels Mammutpumpe ( i lift) d K lb(airlift) oder Kolbenpumpe

(vorher) (nachher)Entsanden

Unterschied Brunnen – Grundwassermessstelle ?

• Pumpe

• Durchmesser

• Ausbaumaterial

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Pumpen

Pumpen Typen

Saug/ Vakuum Pumpe

Motor

PumpeUnterwasser-Pumpe (submersible)

maximal 10 m (≈8m)

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„Johnson“ Pumpe

Motor und Pumpe getrennt

A t i b d Fö d d hAntrieb und Förderung durch Hohlwelle

Elektromotor oder Dieselaggregat

Ölkontamination von Welleh llhollow shaft

Unterwasserpumpe

PumpeMotor und Pumpe eine Einheit

Kühlung durch Grundwasser

vollständig gekapselt, keine Kontamination möglich

Motor

p

20

Grundwassermessstellen

• Grundwasserstandsmessungen (depth to the ground water)

• natürliche Variationen (Fließrichtung, Zeitreihen)

• Pumpversuche

• Grundwasserqualitätsüberwachung

Anforderungen an Grundwassermessstellen

Grundwasserstand (piezometers):

hydraulischer Kontakt (Filter, Filterkies)

Grundwassergüteüberwachung

hydraulischer Kontakt

inertes Material (Teflon, Edelstahl, PVC)

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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

i d t i G d t llmindestens eine Grundwassermessstelle

Lichtlot oder ...

Abflussmesseinrichtung

Vorfluter

Erlaubnis / Genehmigung

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Messung des Grundwasserspiegels

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k.deLichtlot Diver Brunnenpfeife

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Tiefenlot, Widerstandsketten, Echolot, …

Abflussmessung

Gefässmessung

flow from pipep p

Wehr (weir)

IDM (induktive Durchfluss-Messung)

mechanische Wasseruhr

andere

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Wehr

induktive Durchflussmessung

IDM

Durchflussmessung

Pumpversuch87

Dris

coll

198

24

Pumpversuch

Absenktrichter (cone of depression)

Dris

coll

1987

ungespannter Aquifer

wassergesättigte Mächtigkeit nimmt während des Pumpversuches ab

Dris

coll

1987

25

Brunnenleistung – ungespannter AquiferD

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ll 19

87

gespannter Aquifer

Mächtigkeit des wassergesättigten Aquifers bleibt konstant

→ andere mathematische Behandlung

Dris

coll

1987

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Absenkung und Wiederanstieg

Pumpversuch in Flussnähe

Dris

coll

1987

27

Pumpversuch in FlussnäheD

risco

ll 19

87

Zusammenfassung

natürliche und künstliche Grundwasseraufschlüsse

Bohrverfahren für unterschiedliche Zwecke

Brunnen sind unterirdische Bauwerke

Entwickeln des Brunnens

Pumpversuchsdurchführung

- Messung des Wasserstandes (Absenkung / Wiederanstieg)

Messung des Abflusses- Messung des Abflusses

- stationäre / instationäre Zustände

- Randbedingungen

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Fragen?