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Pumpversuch

 
     
  nach DIN 4049-3 eine zeitlich begrenzte Entnahme von Grundwasser aus einem oder mehreren Brunnen zur Bestimmung geohydraulischer Kenngrössen und entnahmebedingter Veränderungen der Grundwasserbeschaffenheit. Je nach ihrer Zielsetzung unterscheidet man zwischen Versuchen zur Bestimmung der hydraulischen Kennwerte eines Grundwasserleiters, z.B. kf-Wert, Transmissivität und Speicherkoeffizient. Die Kenntnis dieser Parameter ist wichtig für lokale und regionale Grundwasserbelange, wie z.B. Grundwasserabfluss, -neubildung, Ergiebigkeit, Grundwassererschliessung, Grundwasserschutz etc. Diese Versuche verlangen neben der eigentlichen Grundwasserentnahme die Beobachtung der Grundwasserhöhe in weiteren Grundwassermessstellen. Aus Entnahmemenge, Absenkungsbetrag des Grundwassers und Abstand der beobachteten Grundwassermessstellen zum Entnahmebrunnen können die hydraulischen Parameter berechnet werden. Des weiteren werden Pumpversuche zur Ermittlung der Brunnenleistung, der maximalen Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen, der maximalen Entnahmerate usw. eingesetzt. Die Beobachtung erfolgt in der Regel nur im Brunnen selbst, wobei die Absenkung, Entnahmemenge und Beharrungszeiten zur Festlegung bzw. Berechnung der Brunnencharakteristik herangezogen werden.


Hinsichtlich der Durchführung unterscheidet man zwischen stationären und instationären Pumpversuchen. Bei stationären Pumpversuchen wird solange gepumpt, bis sich ein stationärer Strömungszustand eingestellt, d.h. die Absenkung nicht mehr weiter zunimmt. Dies wird erreicht, wenn die Entnahmerate im Gleichgewicht mit positiven Randbedingungen (Grenzbedingungen; Wasserzutritt aus einem Vorfluter), Leakage (Wasserzutritt aus einer semipermeablen Schicht bei halbgespannten Grundwasserleitern) oder Neubildung (vertikaler Zufluss, der im Unterschied zur Leakage unabhängig von der Absenkung ist) steht. Die instationären Pumpversuche sind dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Versuchsdurchführung noch keine stationären Strömungsverhältnisse eingestellt haben. Für diese Versuche ist es deshalb notwendig, die Grundwasserabsenkung in Abhängigkeit von der Zeit regelmässig zu messen. Ein weiteres Merkmal zur Unterteilung von Pumpversuchen ist die Versuchsdauer. Kurzzeitpumpversuche dauern i.d.R. nur Minuten, Stunden, Tage bis maximal einige Wochen. Langzeitpumpversuche dauern z.T. über Jahre hinweg und erlauben so alle saisonalen Schwankungen im hydrologischen Jahr abzudecken. Nach ihrer Zielsetzung unterscheidet man ausserdem Vor- oder Zwischenpumpversuche zur groben Bestimmung von hydraulischen Parametern oder der Brunnenleistung oder der Entnahmerate für den eigentlichen Pumpversuch. Diese Versuche werden mit weniger zeitlichem und materiellem Aufwand (kürzere Dauer, weniger Messstellen usw.) durchgeführt. Pumpversuche werden ebenfalls zur Ermittlung von Wasserführung und -beschaffenheit z.B. im Hinblick auf die Eignung als Mineralwasserbrunnen eingesetzt. In der Abbildung ist eine Gliederung der Pumpversuche in Abhängigkeit von der hydrogeologischen Fragestellung, der Durchführung, der Art des untersuchten Grundwasserleiters und der hydraulischen Randbedingungen dargestellt.


Für die Durchführung eines aussagekräftigen Pumpversuchs ist eine detaillierte Versuchsplanung notwendig, die neben der Erhebung allgemeiner Informationen (z.B. Feststellung und Erfassung bereits vorhandener Grundwasseraufschlüsse wie Brunnen, Grundwassermessstellen, Quellen, technische Infrastruktur etc.), aber auch hydrologische und hydrogeologische Untersuchungen umfasst. Hierzu zählt die Sammlung und Auswertung bereits vorhandener hydrologischer Daten wie Grundwasserhöhe, Flurabstand, hydraulische Gradienten, Grundwasserfliessrichtung, Art des Grundwasserleiters und vieles mehr. Sinnvoll ist dabei auch eine langfristige Aufzeichnung von Grundwasserständen, um lang- und kurzfristige Schwankungen zu erkennen. Ein Pumpversuch sollte grundsätzlich bei eher niedrigem Wasserstand und geringen Schwankungen durchgeführt werden. Die Suche nach bereits vorhandenen Daten erbringt meist grosse Zeit- und Geldersparnis, da sie z.B. Vorpumpversuche überflüssig macht und die Auswahl an Geräten, Entnahmeraten und -zeiten erleichtert. Je nach Fragestellung sind die Erhebungen der Wasserbeschaffenheit, z.B. die Ermittlung physikalischer Kennwerte (Temperatur, Leitfähigkeit), die Ermittlung chemischer Kennwerte (pH, Eh, Kationen, Anionen, org. Verbindungen) oder die Ermittlung biologischer Kennwerte (Bakterien, Keime etc.) zwingend. In der Regel werden an die Wasserbeschaffenheit nur höhere Anforderungen gestellt, wenn es sich um einen Brunnen zur Trinkwassergewinnung handelt. Liegen allerdings schwere Verunreinigungen, z.B. altlastenbedingt durch CKW, PAK oder MKW, vor, so muss das entnommene Wasser i.d.R. speziell entsorgt werden. Eine geologische Erhebung ist wichtig, um erste Eindrücke über die Art des Grundwasserleiters zu erlangen, um Lage, Tiefe und Verfilterung von Brunnen und Messstellen festzulegen und um die späteren Auswertungsverfahren auszuwählen. Sie erfolgen anhand von vorhandenen Karten, Bohrungen und/oder geophysikalischen Methoden.


Bei der Einrichtung des Pumpversuchs ist zuerst der Entnahmebrunnen (Versuchsbrunnen) festzulegen. Der Standort des Versuchsbrunnens sollte folgende Anforderungen erfüllen: a) homogene, für den gesamten Grundwasserleiter repräsentative hydraulische Verhältnisse, b) sollte nicht im Einflussbereich von anderen Brunnen (Überlagerung), Infiltration (positive Randbedingungen) oder undurchlässigen Rändern (negative Randbedingungen) liegen, es sei denn, genau diese Einflüsse sollen untersucht werden, c) sollte kein oder nur geringes Grundwasser- bzw. Druckgefälle aufweisen, d) gute Erreichbarkeit für Personal und Material, Anbindung an Strom und evtl.


Kanalisation. Durchmesser und Tiefe des Entnahmebrunnens sind abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten. Allgemein sollte beim Durchmesser beachtet werden, dass in die Bohrung noch eine Schicht Filterkies und ein Rohr eingebracht werden muss und dass im fertigen Brunnen die Pumpe sowie die Vorrichtung zum Messen der Grundwasserhöhe (Drucksonde, Lichtlot) sowie evtl. andere Messgeräte Platz finden. Meistens lässt sich vor einem Pumpversuch aber noch nicht genau festlegen, welche Pumpe später tatsächlich verwendet wird, so dass im Zweifelsfalle der Durchmesser lieber zu gross als zu klein gewählt werden sollte. Von der Tiefe her sollte der Brunnen im Idealfall vollkommen sein, d.h. sich über die gesamte wassererfüllte Mächtigkeit des Grundwasserleiters erstrecken. Deshalb wird die Bohrung bis zur Sohle des Grundwasserleiters abgeteuft. Die Verfilterung muss sich von der Sohle bis mindestens 75% der Mächtigkeit des Grundwasserleiters erstrecken, damit die Gültigkeit verschiedener Auswerteverfahren hinreichend gewährleistet ist. Andererseits sollte sie aber bei freien Grundwasserleitern nicht über die Grundwasseroberfläche hinausgehen, da sonst ein Zutritt von Luft erfolgt, wobei der Sauerstoff zur Verockerung und Versinterung im Brunnenbereich sowie zur Korrosion von Metallteilen führt. Das Filtermaterial sollte so gewählt werden, dass eine ideale Grundwasseranströmung zum Brunnen erfolgen kann (d.h. möglichst grob) und dass Feinmaterial,


das die Pumpe verstopfen kann, abgehalten wird (d.h. möglichst fein). In der Praxis muss man für die jeweiligen Bedingungen einen Mittelweg finden. Hinsichtlich der Lage sollten die Beobachtungsbrunnen (Grundwassermessstellen) allgemein die gleichen Anforderungen erfüllen wie die Entnahmebrunnen. Mindestens ein Beobachtungsbrunnen sollte ausserhalb des Einflussbereichs, d.h. des Radius des Absenktrichters liegen, um natürliche Grundwasserschwankungen während des Pumpversuchs zu erfassen und evtl. eine Korrektur durchführen zu können. Im Absenkbereich müssen mindestens ein bis zwei Messstellen (je nach Auswertungsverfahren) eingerichtet werden. Da die Qualität der Daten jedoch nicht bei jeder Messstelle gleich ist (verursacht durch Untergrundinhomogenitäten, wie z.B. Sand- oder Schlufflinsen, unsauberen Ausbau etc.), ist es sinnvoll mindestens vier oder mehr (je nach finanziellen Mitteln) zur Auswertung zur Verfügung zu haben. Sinnvollerweise setzt man die Messstellen in gestaffeltem Abstand so, dass der gesamte Absenktrichter gleichmässig erfasst wird, wobei für die Auswertung logarithmisch äquidistante Entfernungen (z. B. 1 m, 10 m, 100 m) zum Entnahmebrunnen ideal sind. Hierfür sind die hydrologischen Vorerhebungen besonders wichtig, da sie eine Abschätzung der Reichweite des Absenktrichters erlauben. Liegen vor dem Pumpversuch keine Daten vor, ist eine richtige Plazierung der Messstellen schwierig. Bei geringem oder fehlendem Grundwassergefälle ist der Winkel zum Versuchsbrunnen beliebig, bei stärkerer Grundwasserströmung sollten die Messstellen in der An- und Abstromachse sowie im 90º-Winkel dazu liegen. Messstellen müssen hinsichtlich Durchmesser, Tiefe und Verfilterungen geringere Anforderungen erfüllen. Der Durchmesser muss möglichst klein sein, da die Messstelle dann schneller auf Grundwasserspiegeländerungen reagiert, aber so gross, dass die Messgeräte für die Erfassung der Grundwasserhöhe hineinpassen. Sie müssen nicht unbedingt bis zur Sohle des Grundwasserleiters reichen und ebenfalls nicht über die gesamte Mächtigkeit verfiltert sein. Im brunnennahen Bereich und bei geringen Durchlässigkeiten sind dann aber Korrekturen nötig. Ihre Tiefe muss ausserdem auch die Erfassung der maximalen Absenkung noch gewährleisten.


Zur reibungslosen Durchführung eines Pumpversuchs werden folgende technische Einrichtungen und Geräte benötigt: a) Stromversorgung (Netzanschluss oder Generator), b) Kanalisation, Vorfluter, Schlauch zur Ableitung des geförderten Wassers, da dies v.a. bei freien Grundwasserleitern dem System vollständig entzogen werden muss, c) geeignete Pumpe, d) Vorrichtung zur Messung der Entnahmemenge (Wasseruhr, Venturi-Rohr etc.), e) Geräte zur Grundwasserstandsmessung (Drucksonde, Lichtlot), f) evtl. Messgeräte für Temperatur, Leitfähigkeit, Luftdruck etc., Gefässe für Wasserproben, g) evtl. Licht für Messungen bei Nacht.
Vor dem eigentlichen Pumpversuch müssen sowohl die Beobachtungsbrunnen als auch der
Versuchsbrunnen an ihrer Oberkante auf absolute Höhe über NN oder auf einen Fixpunkt
eingemessen werden, da die mit einem Lichtlot bestimmten Abstände von der Brunnenoberkante
zum Grundwasserspiegel sonst nicht auf absolute, miteinander vergleichbare Werte der
Grundwasserhöhe umgerechnet werden können. Die Messung erfolgt auf ca. 1-5 mm genau.
Weiterhin müssen die Abstände zwischen Entnahmebrunnen und Messstellen auf ca. 0,5% genau
gemessen werden. Werden bereits vorhandene Brunnen und Messstellen genutzt und sind deren
Durchmesser, Tiefe und Filterstrecken nicht bekannt, so müssen diese ebenfalls bestimmt werden.
Vor Versuchsbeginn werden die Wasserstände in allen Brunnen gemessen. Während des Versuchs
erfolgt die Messung der Wasserstände bei stationären Pumpversuchen mehrmals, so lange bis die
Absenkung konstant bleibt. Bei instationären Pumpversuchen erfolgen die Messungen kontinuierlich
mit abnehmender Häufigkeit, da die Absenkung als Funktion der Zeit gemessen wird. Für das
Messprogramm gibt es verschiedene Empfehlungen (Tab.). Wie aus der Tabelle ersichtlich ist,
erfordern v.a. die Anfangsmessungen einen hohen zeitlichen und personellen Aufwand, da
theoretisch alle Messstellen gleichzeitig gemessen werden sollten. Hilfreich ist in jedem Fall die Aufstellung eines genauen Zeit- und Einsatzplans vor Pumpbeginn, da man i.d.R. weniger Personen
und Messgeräte als zu messende Brunnen zur Verfügung hat.
Neben den im Absenkungsbereich liegenden Messstellen wird regelmässig eine sog. Referenzmessstelle ausserhalb des Absenktrichters gemessen, um natürliche Wasserschwankungen (z.B. durch Niederschlagsereignisse während des Pumpversuchs) zu erfassen und die gemessenen Wasserstände entsprechend zu korrigieren. Gespannte Grundwasserleiter können ausserdem auf Luftdruckschwankungen reagieren, weshalb diese ebenfalls erfasst werden sollten. Neben den Wasserständen muss ständig die Entnahmerate mit Hilfe einer Wasseruhr, eines Venturi-Rohrs, eines Messwehrs oder von Messbehältern kontrolliert werden. Idealerweise sollte die Entnahmemenge während des ganzen Versuch konstant sein, da dies die Auswertung wesentlich erleichtert. Die Entnahmemenge wird aufgrund der aus Vorerhebungen bekannten oder geschätzten hydraulischen Parameter festgelegt. Der eigentliche Pumpversuch wird oft in mehreren Stufen durchgeführt (Stufenpumpversuch). Dabei wird die Pumpe mehrmals an und wieder abgestellt. Die Dauer des Pumpens heisst Absenkungsphase, die Dauer, während die Pumpe abgestellt ist, die Wiederanstiegsphase bzw. Erholungsphase, wenn anschliessend eine weitere Absenkungsphase folgt. Die Absenkungsphasen werden meist mit unterschiedlichen Entnahmeraten durchgeführt, wobei oft mit 50% der Idealentnahmerate begonnen wird, dann mit 100% und schliesslich mit 150%. Die Dauer des Pumpversuchs kann je nach Fragestellung und hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters sehr unterschiedlich sein. In der Regel pumpt man, bis ein stationärer Zustand erreicht ist, d.h. die Absenkung nicht mehr grösser wird und dann nochmals 12-24 Stunden (Beharrungszeit). Dann wird die Pumpe abgestellt und der Wiederanstieg beobachtet. Dies kann evtl. mehrfach wiederholt werden. Typische Zeitspannen von Pumpversuchen liegen zwischen 24 und 72 Stunden, manchmal bis zu einer Woche. Ausnahmen bilden nur die Langzeitpumpversuche (bis mehrere Jahre) und Kurzpumpversuche (ca. 1-3 Stunden).


Der Pumpversuch sollte folgendermassen dokumentiert werden: a) Lagepläne, in denen die Lage aller Brunnen massstabsgetreu, deren Höhe über NN sowie weitere wichtige Informationen (Vorfluter, Quellen, Strassen usw.) enthalten sind; b) Bohrprofile aller Entnahme- und Beobachtungsbrunnen,


z.B. in einem DIN-Formblatt (DIN 4023), mit Angaben über Bodenart, Durchmesser, Tiefe, Verfilterung usw. der Bohrungen sowie Ruhewasserstand und im Entnahmebrunnen Lage der Pumpe; c) Tabellen der Wasserstände mit Wasserstand über NN und Uhrzeit bzw. Zeit nach Pumpbeginn für den Entnahmebrunnen und alle Messstellen; d) Angaben von Wasserständen gegen die Entfernung zum Entnahmebrunnen, je nach Auswertungsverfahren; e) Förderleistungsdiagramm der Pumpe; f) hydrologische Schnitte, in denen Grundwasserleiter, hangende und liegende Schichten sowie der Absenktrichter eingezeichnet werden; g) Grundwassergleichenpläne zu verschiedenen Zeiten (vor Pumpbeginn, bei stationärem Zustand usw.); h) Differenzenpläne der Grundwassergleichen von höchsten zu niedrigsten Wasserständen und i) Spezialpläne; z.B. Veränderung von Temperatur oder Chemismus während des Pumpversuchs.


Die Auswertung von Pumpversuchen richtet sich nach der Art der Durchführung und dem Typ des Grundwasserleiters. Man unterscheidet die Auswertung nach stationären und instationären Strömungsbedingungen, nach gespannten, halbgespannten, halbfreien und freien Grundwasserleitern sowie Grundwasserleitern ohne und mit Randbedingungen. Die Ausgangsgleichungen für die Auswertung sind die sog. Brunnenformel von Dupuit-Thiem für stationäre und nach Theis (Brunnenformel von Theis) für instationäre Bedingungen. Bei Pumpversuchen mit stationären Bedingungen können die Transmissivitäten direkt aus den ermittelten Absenkungsbeträgen berechnet werden. Dies ist bei instationären Pumpversuchen aus mathematischen Gründen nicht direkt möglich. Aus diesem Grund wurden sogenannte Typkurvenverfahren (z.B. Theissches Typkurvenverfahren, Boulton-Verfahren) und vereinfachende Geradlinienverfahren entwickelt, die eine Bestimmung der gesuchten hydraulischen Parameter mit relativ einfachen Hilfsmitteln ermöglichen. Alle bisher angeführten Auswerteverfahren erfordern Voraussetzungen, die strenggenommen nur in Porengrundwasserleitern mehr oder weniger gut erfüllt sind, jedoch in der Regel nicht in Kluftgrundwasserleitern oder Karstgrundwasserleitern. Zunehmend werden jedoch auch Auswerteverfahren für Kluftgrundwasserleiter entwickelt, die die meist stark anisotropen Durchlässigkeitsverhältnisse dieses Grundwasserleitertyps berücksichtigen. Literatur: [1] Dawson, K.J. & Istok, J.D. (1991): Aquifer Testing. Design and Analysis of Pumping and Slug Tests. – Chelsea. [2] Krusemann, G.P., De Ridder, N.A. (1990): Analysis and evaluation of pumping test data. – Int. Inst. F. Land Reclamation and Improvement Wageningen, Publication 47. Wageningen. [3] Langguth, H.-R. & Voigt, R. (1980): Hydrogeologische Methoden. - Berlin, Heidelberg, New York.

PumpversuchPumpversuch: Gliederung der Pumpversuche.

PumpversuchPumpversuch (Tab.): Empfehlungen für Messintervalle bei instationären Pumpversuchen (DVGW=Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V., BWWV=Baden-Württembergische Wasserwirtschaftsverwaltung).
 
 

 

 

 
 
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