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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
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Literaturhinweise
Jordan & Weder 1995Hölting 2008
Languth & Voigt
Driscoll 1986
Jordan & Weder 19952004
Arnold 1993
Wo können wir Grundwasser sehen ?
Quellenutop
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Flüsse (?)
künstliche Aufschlüsse
Que
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http://de.wikipedia.org/wikiwww.ergis.cz
Elbe
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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
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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)
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Brunnen
Typisierung von Brunnen
handgegrabene Brunnen (dugged wells)
uben
- Ausbau mit Schachtringen etc. -- ohne Ausbau -
Dris
coll
1998
, Hou
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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
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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)
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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
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cable tool drilling rigg
Schutz-Verrohrung mitführenmitführen
Dris
coll
1987
Drehbohren / Rotary-Bohren (direct rotary drilling)
chni
k.de
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Rollenmeißel
Dris
coll
1987
, http
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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
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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
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Brunnen Konstruktion
Schutzverrohrung
Vollrohre,Filterrohre
Bohrloch
Brunnen Konstruktion
Schutzverrohrung
Vollrohre, Filterrohre
Bohrloch
Filterkies
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Brunnen Konstruktion
Schutzverrohrung
Vollrohre,Filterrohre
Bohrloch
Filterkies
Dichtungen Dichtungen
Brunnen Konstruktion
Schutzverrohrung
Vollrohre,Filterrohre
Bohrloch
Filterkies
Dichtungen
Pumpe und Steigleitung
Dichtungen
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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
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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
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Pumpversuch
Absenktrichter (cone of depression)
Dris
coll
1987
ungespannter Aquifer
wassergesättigte Mächtigkeit nimmt während des Pumpversuches ab
Dris
coll
1987
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Brunnenleistung – ungespannter AquiferD
risco
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
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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?