Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten so ... · Innovative Düsensauginfiltration (DSI), Abschlussbericht Phase 2 Seite . 8. von . 75 . Tabellen . Tabelle 1: Kriterien

Hölscher Wasserbau GmbH Georg – August – Universität Göttingen, Angewandte Geologie Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten so-wie Umwelt und Ressourcen schonenden Grundwasserab-senkung Abschlussbericht Phase 2 über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem Az: 28299/02-23 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dipl.-Ing. Heinz Hölscher, Dr. rer. nat. Stefan Ebneth, Prof. Dr. Martin Sauter, PD Dr.-Ing. Dipl.-Math. Ekkehard Holzbecher, M.Sc. Yulan Jin Haren / Göttingen im Mai 2014

Innovative Düsensauginfiltration (DSI), Abschlussbericht Phase 2

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Inhaltsverzeichnis Verzeichnis von Bildern und Tabellen .................................................................... 6 Verzeichnis von Begriffen und Definitionen .......................................................... 9 Zusammenfassung ..................................................................................................11 Einleitung .................................................................................................................12 1 Feldstandorte ..................................................................................................14 1.1 Korschenbroich ................................................................................................. 14

1.1.1 Lage und Hintergrund ..........................................................................14 1.1.2 Baugrunduntersuchung und GW-Messstellen ......................................15

1.2 Plötzin – Erstellung weiterer Messpunkte ......................................................... 18 2 DSI-Punkt Untersuchungen ............................................................................21 2.1 Feldversuche ..................................................................................................... 21 2.2 DSI Punkt Interpretation .................................................................................... 28 2.3 Siebanalyse....................................................................................................... 31 2.4 Untersuchungen zur DSI-Düse mittels CFD Modellierung ................................ 33 2.5 Ergebnisse und Diskussion ............................................................................... 35 3 Einzel-Bohrloch Tests in Plötzin ....................................................................37 3.1 Konventioneller Pumpversuch ........................................................................... 37

3.1.1 Experiment und Messungen.................................................................37 3.1.2 Eichung ................................................................................................38

3.2 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Glindow .............................. 39 3.2.1 Experiment und Messungen.................................................................39 3.2.2 Modell und Eichung ..............................................................................40

3.3 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Brandenburg ...................... 42 3.3.1 Experiment und Messungen.................................................................42 3.3.2 Modell und Eichung ..............................................................................43

3.4 Zusammenfassung ............................................................................................ 44 4 Multi-Bohrloch Tests in Korschenbroich ......................................................46 4.1 Modell-Aufbau ................................................................................................... 46 4.2 Klassischer Pumpbetrieb .................................................................................. 47 4.3 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Glindow .............................. 48 4.4 Modelleichung und DSI-Schicht ........................................................................ 49 4.5 Entwässerungsszenarien .................................................................................. 50 5 Modellierung ....................................................................................................52 5.1 3D Modell-Aufbau und Vergleich mit 2D Modell ................................................ 53 5.2 Modell Verifizierung ........................................................................................... 56 5.3 Sensitivitätsanalyse ........................................................................................... 58

5.3.1 Absenkung von DSI-Brunnen und konventionellen Brunnen ...............58 5.3.2 Sensitivitätsanalyse zur Dimensionierung ............................................61 5.3.3 Sensitivitätsanalyse bzgl. der hydrogeologischen Parameter ..............62

6 Öko-Bilanz .......................................................................................................67 7 Internationale Kooperation und Publikationen .............................................70 8 Fazit und Empfehlungen.................................................................................71 Literaturverzeichnis ................................................................................................74


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Anhang Anhang 1: Öko-Bilanz- Gutachten TU Berlin ............................................................... 1

Anhang 2: Projektveröffentlichung in IJEP................................................................... 2

Anhang 3: Projektveröffentlichung in Journal of Computers & Geosciences ............... 3

Anhang 4: Projektveröffentlichung in AGU Konferenz Poster ...................................... 4

Anhang 5: Projektveröffentlichung in COMSOL Konferenz Poster .............................. 5

Anhang 6: Nachdruck Projektveröffentlichung in Japan .............................................. 6

Anhang 7: Nachdruck Projektveröffentlichung in den Niederlanden/Belgien ............... 7


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Verzeichnis von Bildern und Tabellen Bilder Bild 1: Isohypsenplan für den Standort Korschenbroich [Erf12].................................14 Bild 2: Lageplan für die Pilotanlage Korschenbroich .................................................16 Bild 3: Schichtenverzeichnis und Brunnenausbau am Standort

Korschenbroich (DSI-Einheit vom Typ Brandenburg, B1-B3 in Bild 2) ...............17 Bild 4: Schichtenverzeichnis und Brunnenausbau am Standort

Korschenbroich (Typ Glindow, G1-G2 in Bild 2) .................................................18 Bild 5: Vorhandene und neue Messpunkte (8 neue tiefe GW-Messstellen,

Skizze) ................................................................................................................19 Bild 6: Vorhandene und neue Messpunkte (Ansicht) .................................................19 Bild 7: Ausbau der Messstellen (flach, mittel, tief) .....................................................20 Bild 8: Konventioneller Spülversuch mit Spüllanze (links: normal, rechts:

am DSI-Punkt) ....................................................................................................21 Bild 9: Bohranlage mit Ausrüstung zur Auffindung und Auswertung des

DSI-Punkts (links); Steuerstand mit DSI Bohrdatenerfassung (rechts) ..............22 Bild 10: DSI-Punkt Untersuchung (DSI Bohrdaten) ...................................................22 Bild 11: DSI-Punkt Untersuchung (DSI-Phänomen mit 'Bubble-Effect' im

Bild rechts, Foto) ................................................................................................23 Bild 12: Absinken des Wasserstands am DSI-Punkt .................................................23 Bild 13: Schichtenverzeichnis und gemessene DSI-Punkte (rote

Markierung) in Plötzin .........................................................................................24 Bild 14: Neue Bohranlage für DSI-Bohrarbeiten mit spezieller Messtechnik .............25 Bild 15: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Alkmaar, Niederlande ....................................26 Bild 16: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Berlin, Urstromtal ..........................................27 Bild 17: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Güdderath, Niederrhein .................................28 Bild 19: Piezometerhöhenverteilung um einen Injektionsbrunnen;

graphische Darstellung der analytischen Lösung ...............................................29 Bild 18: Schematische Darstellung des DSI-Punkts ..................................................28 Bild 20: Ergebnisse der Siebanalysen für DSI- und nicht DSI-Schichten: a)

absolute Verteilung, b) kumulative Verteilung in halb-logarithmischer Darstellung .........................................................................................................32

Bild 21: DSI-Düsen Überblick [Owo13] ......................................................................33 Bild 22: Schematische Darstellung des 2D-Düsenmodells im

Zylinderkoordinaten-System ...............................................................................34 Bild 23: Ergebnis des Düsen-modells in 3D-Darstellung; Farbeinteilung

nach Absolut-betrag der Geschwindigkeit (rot = turbulent, blau = laminar) ..............................................................................................................34

Bild 24: Ergebnis des Düsen-modells in 2D-Darstellung (Rotationsachse links); Farb-skala für Absolutbetrag der Geschwindigkeit, und Strom-linien ...................................................................................................................34

Bild 25: Pumpversuche am Standort Plötzin..............................................................37 Bild 26: a): Vergleich Messwert und Modell an den 26 Pegeln b):

Abweichung zwischen Messwert und Modell an den 26 Pegeln. .......................39 Bild 27: DSI-Glindow Test am Standort Plötzin .........................................................40


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Bild 28: Experiment DSI-Einheit des Typs Glindow. a): Vergleich Messwerte und Modell an den 27 Pegeln b): Abweichung zwischen Messwert und Modell an den 27 Pegeln.............................................................41

Bild 29: Gemessene Piezometerhöhen an den Beobachtungspunkten beim Test mit DSI-Einheit vom Typ Brandenburg am Standort Plötzin ..............42

Bild 30: Auswertung des Experiments mit DSI-Einheit, a): Vergleich Messwert und Modell an den 25 Pegeln b): Abweichung zwischen Messwert und Modell an den 25 Pegeln.............................................................43

Bild 31: Modellgeometrie und –gebiet am Standort Korschenbroich .........................46 Bild 32: Absenkung bei Pumpbetrieb am Standort Korschenbroich. .........................48 Bild 33: DSI-Glindow Test am Standort Korschenbroich. ..........................................49 Bild 34: Entwässerungs-Szenarien mit gleicher Pumprate für den Standort

Korschenbroich, links: Szenario 1, Mitte: Szenario 2, rechts: Szenario 3. ..........51 Bild 35: 2D Modell-Aufbau (Geometrie, s. Bericht zu Phase 1 [DSI12]) ....................54 Bild 36: 3D Modell-Aufbau und Finite Element Gitter ................................................55 Bild 37: 3D-Modell-Ergebnis (Isolinien - gefüllt, Geschwindigkeit -

Vektoren) [Jin13] ................................................................................................55 Bild 38: Vergleich der Piezometerhöhe im 2D Modell mit Thiemschen Typ-

Kurven. ...............................................................................................................57 Bild 39: Einfluss der Anisotropie beim konventionellen Absenk-Verfahren

des Abpumpens .................................................................................................58 Bild 40: Vergleich der Absenktrichter bei DSI-Einheit vom Typ

Brandenburg und konventionellem Verfahren ohne Infiltration bei gleicher Pumprate; für einen homogenen und isotropen Aquifer ........................59

Bild 41: Vergleich der Absenktrichter bei drei DSI-Einheiten vom Typ Brandenburg und konventionellem Verfahren: a) Horizontalschnitte und b) Vertikalschnitte [Jin13] ............................................................................60

Bild 42: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. a) Infiltrationstiefe; b) Pump-/Infiltrationsrate; untere Kurve für konventionelle Absenkung bei gleicher Pumprate, zum Vergleich .....................................................................................................61

Bild 43: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. a) Durchlässigkeit, b) Aquifer-Anisotropie ............................63

Bild 44: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. Durchlässigkeit in der DSI-Schicht .......................................64

Bild 45: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. Durchlässigkeit, mit gleichem Verhältnis der Durchlässigkeiten der beiden Schichten .............................................................65

Bild 46: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. der Grundwasserfließgeschwindigkeit ..................................66

Bild 47: Vergleich Ökobilanz für Entwässerungs-Szenarien bzgl. Schädigungspotenzialen ....................................................................................69


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Tabellen Tabelle 1: Kriterien zur DSI-Schicht, abgeleitet aus den Messungen zum

DSI-Punkt am Standort Plötzin .................................................................31 Tabelle 2: Geometrische und physikalische Parameter des Düsenmodells ..............34 Tabelle 3: Vergleich relevanter Parameter der Tests am Standort Plötzin ................44 Tabelle 4: Geometrische und physikalische Parameter des 3D Modells für

den Standort Korschenbroich ...................................................................47 Tabelle 5: Ergebnisse der Eichung des 3D Modells für den Standort

Korschenbroich .........................................................................................50 Tabelle 6: Geometrische und physikalische Parameter des

Referenzmodells .......................................................................................52 Tabelle 7: Vergleich Ökobilanz für Entwässerungs-Szenarien bzgl.

Schädigungspotenzialen ...........................................................................68


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Verzeichnis von Begriffen und Definitionen

ALE Methode

Arbitrary Lagrangian Eulerian; eine numerische Methode der Computersimulation zur Behandlung freier Ränder von Modellgebieten, bei der sich auch das FE-Gitter verschiebt (moving mesh).

Anisotropie Die hydraulische Durchlässigkeit in Aquiferen zeigt in der Regel eine deutliche Richtungsabhängigkeit: in vertikaler Richtung ist sie niedriger als in horizontalen Richtungen. Das Verhältnis dieser Durchlässigkeiten wird im Anisotropiefaktor angegeben.

Aquifer Grundwasserleiter

Darcy-Gesetz

Das Darcy-Gesetz, benannt nach dem französischen Ingenieur Henry Darcy, ist eine empirisch (also durch Versuche) ermittelte Gesetzmäßigkeit der Strömung im porösen Medium. Das Gesetz lautet:

wobei:

vf – Filtergeschwindigkeit; [vf] = m/s kf – Durchlässigkeitsbeiwert; [kf] = m/s i – hydraulischer Gradient (auch hydraulisches Gefälle oder Potentialge-fälle); [i] = m/m

DSI Düsensauginfiltration: mit einer Düse wird im Aquifer eine turbulente Strömung erzeugt, die eine Infiltration von entsprechenden Mengen von Wasser ermöglicht.

DSI-Einheit Typ Bran-denburg

Brunnenbauwerk zur Förderung und Reinfiltration von Grundwasser mit der DSI-Technik


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DSI-Einheit Typ Glindow

Brunnenbauwerk zur Reinfiltration von Wasser in einen Grundwasserleiter mit der DSI-Technik

DSI-Punkt Bei einer Spülbohrung der Tiefenpunkt im Aquifer, an dem das Spülwasser in den Boden infiltriert; der Spüldruck nimmt ab; der Spülstrom im Ringraum der Spülbohrung wird unterbrochen; der Boden um das Bohrgestänge/Lanze konsoli-diert sich.

Klassischer Pump-

versuch

Der klassische Pumpversuch ist ein hydrogeologischer Feldversuch. Aus einem Brunnen wird mit einer definierten Förderrate Wasser gepumpt, wodurch sich der Wasserspiegel im Brunnen selbst und in der Umgebung absenkt. Es bildet sich im Verlauf ein Absenkungstrichter, der sich mit zunehmender Zeit weiter ausbreitet und vertieft. Die gemessene Absenkung in Beobachtungsrohren erlaubt Rück-schlüsse auf hydrogeologische Charakteristika, vor allem auf den Durchlässig-keitsbeiwert (s. Darcy-Gesetz).

Piezometer-höhe

Summe aus geodätischer Höhe und Druckhöhe an einem Messpunkt; auch: hydraulische Höhe


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Zusammenfassung Das Projekt Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten sowie Umwelt und Ressourcen schonenden Grundwasserabsenkung (kurz: DSI) wurde ins Leben gerufen, um zu einem besseren Verständnis des DSI-Phänomens und zu den Bedin-gungen des Praxiseinsatzes des DSI-Verfahrens zu gelangen. Es ist auf drei Phasen ausgelegt und beinhaltet Arbeiten an Feldstandorten, den Aufbau einer Pilotanlage, numerische Modellierungsarbeiten sowie eine Öko-Bilanz. Am Standort Plötzin (Brandenburg) wurden umfangreiche Tests mit DSI-Einheiten durchgeführt. Alle durchgeführten Feldversuche am Teststandort sowie an der Pilot-anlage wurden durch Modellierungsarbeiten begleitet und ausgewertet. Zum Test des praktischen Einsatzes von DSI wurde am Standort Korschenbroich (Niederrhein) mit Unterstützung der Wasserbehörde des Rhein-Kreis Neuss sowie des Erftverbands eine Pilotanlage errichtet. Die Entwässerungsanlage mit mehreren DSI-Einheiten kann als Musteranlage für andere von Grundwasseranstieg gefährdete Objekte angesehen werden. In Phase 1 wurde mit einem modifizierten FE-Verfahren ein geeigneter Modellansatz zur Beschreibung von installierten DSI-Einheiten gefunden. Damit wurden in Phase 2 umfangreiche Parameterstudien durchgeführt, die den Einfluss der hydraulischen Charakteristika des Untergrunds sowie der technischen Auslegung der DSI-Einheiten auf die Grundwasserabsenkung zeigen. DSI-Tests wurden in Phase 1 mit einem von der Firma Nordmeyer GmbH speziell entwickelten Bohrgerät, in Phase 2 auch mit einem weiterentwickelten Gerät mit erweiterter DSI-Bohrdatenerfassung an mehreren Standorten im In- und Ausland durchgeführt. Die bisherigen Auswertungen der spezifischen Daten während des Bohrvorgangs zeigen, dass schon relativ gering-mächtige Schichten mit moderat erhöhter Durchlässigkeit für das Auftreten des DSI-Effekts ausreichen. Die Modellie-rungsarbeiten betätigen dieses Ergebnis, ebenso wie erste ‚direct push’ Messungen in Zusammenarbeit mit dem UFZ Leipzig am Test-Standort. Eine quantitative LCA-Analyse, erstellt von der TU Berlin, kommt, basierend auf der Auslegung der Pilotanlage, zu dem Ergebnis, dass DSI bzgl. der Ökobilanz Vorteile gegenüber den konventionellen Techniken hat. Es ist zu erwarten, dass diese Vortei-le noch weit größer wären, wenn Wasserhaushaltsaspekte bzw. der ‚water footprint’ als Umwelt-Kriterium berücksichtigt würden. Nicht abschließend beantwortet ist bisher die Frage nach den relevanten Prozessen am DSI-Punkt. Daher sollen diesbezügliche Feldmessungen, vor allem am Test-Standort, intensiviert werden, um damit mittels erweiterter Modellierungen Rück-schlüsse auf die zugrundeliegende Physik ziehen zu können. An der Pilotanlage ist das geplante Messprogramm noch nicht abgeschlossen, da es aufgrund geringer Grundwasserstände noch nicht zum Echtzeit-Einsatz kam. Für eine reellere Beurteilung von Entwässerungstechniken sollten in einer erweiterten Ökobilanz-Studie Wasserhaushaltsaspekte Berücksichtigung finden. Die begonnene Kooperation mit dem O2dit-Konsortium in den Niederlanden zur Untersuchung von DSI, soll intensiviert und die Arbeiten abgestimmt werden. Wir danken der Deutsche Bundesstiftung Umwelt für die gute Zusammenarbeit und die finanzielle Förderung, unter dem Zeichen Az28299/02-23.


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Einleitung Schon aus der Frühzeit der Brunnenbohrtechnik ist das Phänomen bekannt, dass sich unter bestimmten Voraussetzungen Spüllanzen oder Bohrgestänge im Boden festsetzen. Eine ‚ungeheure’ Sogkraft verhindert weiteren Bohrfortschritt. Das Bohr-gestänge ist ‚fest’. Im Folgenden sprechen wir auch vom DSI-Phänomen (kurz für Düsensauginfiltration). Beim DSI-Verfahren zur Infiltration von Wasser im Untergrund wird das beschriebene Phänomen, das der Brunnenbauer während des Bohrvorgangs in bestimmten Tiefen (und unter weiteren Voraussetzungen) beobachten kann, ausgenutzt. Im Betrieb der Entwässerungsmaßnahme wird genau der Horizont des Grundwasserleiters, in dem das Spülfluid wie von selbst verschwindet, zur Infiltration genutzt. Besonderes Au-genmerk liegt auf dem Spezialfall des Einbohrlochverfahrens (Single borehole pum-ping & injecting), bei dem das zur Absenkung des Grundwasserspiegels im oberen Teil des Bohrlochs geförderte Wasser, weiter unten infiltriert wird (DSI-Einheit Typ Brandenburg). Die DSI-Technik wird derzeit schon, u. a. vom Antragsteller, erfolg-reich eingesetzt und weiterentwickelt. Einige Vorteile des Verfahrens aus Umweltgesichtspunkten liegen auf der Hand. Zur Entwässerung braucht das Grundwasser nicht an die Oberfläche gefördert werden, sondern verbleibt im Untergrund. Im Vergleich zu konventionellem Vorgehen [Pow07] ist dies ein ressourcenschonender Ansatz. Probleme mit der Grundwasserchemie, durch Kontakt mit Luft oder bei der Einspeisung in Gewässer mit unterschiedlichem Chemismus, können vermieden werden. Da aufwendige oberirdische Installationen entfallen, ist das Verfahren auch vom Aspekt des Energieverbrauchs in der Regel positiv zu bewerten. Darüber hinaus zeigt sich, dass der Absenkungstrichter um das Bohrloch steiler ist, als beim konventionellen Abpumpen. Dadurch wird im Umfeld der Maßnahme der Grundwasserspiegel geringer abgesenkt, d. h. die hydroökolo-gischen Bedingungen werden geringeren Veränderungen ausgesetzt. Das Verfah-ren ist bilanzneutral, weil dem Grundwasser-Haushalt kein Wasser entzogen wird. Dies ist besonders wichtig für wasserwirtschaftlich ausbilanzierte Räume. Zum Verständnis des DSI-Phänomens und zu den Bedingungen des Praxiseinsatzes des DSI-Verfahrens sowie der Untersuchung der Umweltbilanz wurde das Projekt Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten sowie Umwelt und Ressour-cen schonenden Grundwasserabsenkung ins Leben gerufen. Die Zielsetzung des Projektes ist in mehreren Ebenen verortet. Neben dem Ziel die Technik für den praktischen und wirtschaftlichen Einsatz zu entwickeln sollen auch die theoretischen Grundlagen bereitgestellt und prognosefähige Modelle erstellt werden. Hinsichtlich des praktischen Einsatzes soll durch Einsatz und Adaption vorhandener Geräte und neuer Messtechnik die DSI technisch zuverlässig und wirtschaftlich nutz-bar gemacht werden. Darüber hinaus soll für den geplanten Einsatz ein analytisch-numerisches Modell erstellt werden, das als Grundlage für die Planung der Technik verwendet werden kann. Es sollen die grundlegenden physikalischen Verhältnisse des Phänomens untersucht und aufgeklärt werden. Abschließend soll mit den gewonnen Betriebsdaten eine Ökobilanz erstellt werden. Die Aufgabenstellung wurde danach wie folgt festgelegt:


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• Entwicklung einer Bohrtechnik und Bohrdatenerfassung zur Erkennung und Nutzung des Phänomens

• Erstellung eines konzeptionellen Modells und Umsetzung in ein numerisches Modell

• Standortunabhängige numerische Parameterstudien zum Betrieb von DSI-Anlagen

• Aufbau einer Pilotanlage zur Untersuchung des Praxiseinsatzes

• Durchführung von Versuchen am Test-Standort und an der Pilotanlage zur Datengewinnung

• Auswertung der Versuchsdaten von Test-Standort und Pilotanlage und Model-lierung

• Durchführung von DSI-Punkt Versuchen an verschiedenen Standorten

• Untersuchungen zur grundlegenden Physik des DSI-Phänomens

• Aufbau eines numerischen Modells zum DSI-Punkt

• Ergänzende Messungen zum DSI-Punkt

• Erstellung einer vergleichenden Ökobilanz für die Pilotanlage Die Projektarbeiten und Ergebnisse sind in diesem Bericht aufgeführt. In den ersten Kapiteln dieses Berichts werden die Feldstandorte beschrieben sowie die Feldarbei-ten am Test-Standort in Plötzin und an der Pilotanlage in Korschenbroich. Es folgt eine Beschreibung der Versuche zum DSI-Punkt. Im weiteren werden die Modellie-rungsarbeiten (standort-unabhängig, für Plötzin, für Korschenbroich) dokumentiert. Es folgen Ausführungen über die Öko-Bilanz, über internationale Kooperation und Publikationen.


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1 Feldstandorte

1.1 Korschenbroich

1.1.1 Lage und Hintergrund Die Pilotanlage in Korschenbroich befindet sich in der Nähe des Braunkohletagebaus von Garzweiler, mit 48 km2 eine der größten Anlagen dieser Art, in Nordrhein-Westfalen. Der Aquifer am Standort ist ungespannt, bestehend aus tertiären Sanden, Kiesen und Schluffen. Der Flurabstand liegt derzeit bei etwa 3,8 m. Der regionale Grundwasserstrom ist, wie schematisch in Bild 1 dargestellt, berücksichtigt. Der hydraulische Gradient des ist aus dem Grundwassergleichenplan des Erftverbandes entnommen und beträgt demnach 6,7·10-4. Die Basis liegt in diesem Bereich bei 25-30 m unter Gelände [ERFT12]. Aufgrund der umfangreichen Wasserhaltungsmaßnahmen für den Kohleabbau wurde dort der regionale Grundwasserstand, insbesondere seit in den 60-er und 70-er Jah-ren, weiträumig abgesenkt. In den 70-ern waren darüber hinaus die Neubildungsra-ten weit niedriger als im langjährigen Durchschnitt, was zu einem deutlichen Absen-ken des Grundwasserspiegels in der Region führte. In Korschenbroich und Umge-bung wurden gerade in dieser temporär trockenen Zeitperiode zahlreiche Bauten ohne irgendwelche Vorkehrungen gegen einen möglichen Wiederanstieg des Grundwassers errichtet.

Bild 1: Isohypsenplan für den Standort Korschenbroich [Erf12]

In den späten 90-ern waren Hunderte von Häusern durch geflutete Keller betroffen, ausgelöst durch erhöhte Niederschläge und den damit verbundenen Anstieg des Grundwasserspiegels. Außerdem wurden nach Abschluss des Braunkohleabbaus in


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den jeweiligen Tagebaurevieren die Wasserhaltungen außer Betrieb genommen und die Grundwasserstände stiegen kontinuierlich wieder an. Korschenbroich ist eine der von dem Grundwasseranstieg negativ betroffenen Gemeinden. Eine Studie des Erft-verbandes zeigte, dass eine Wassermenge von 22-30 Millionen m3/Jahr abgepumpt werden müsste, um die betroffene Region vor Schäden zu schützen, wenn sämtliche Wasserhaltungsmaßnahmen am Tagebau abgeschaltet werden [Ste09]. Demgegen-über ist allerdings zu beachten, dass das Grundwasser in der Region für die Trink-wasserproduktion von Bedeutung ist und dass der Wasserhaushalt durch Reinfiltrati-on aufrechterhalten werden muss. Es ist abzusehen, dass in der Nachtagebauphase erhöhte Aufwendungen zur Ent-wässerung notwendig werden [Dül02]. Diese können einzelne Gebäude, wie auch ganze Wohnkomplexe betreffen. Es könnten, wie im ehemaligen Steinkohlerevier an der Ruhr, Pumpanlagen permanent in Betrieb sein müssen. Andere Anlagen werden nur im Bedarfsfall zur Kappung der Grundwasserspitzen eingeschaltet [Erf13]. Durch welche Maßnahmen das sich verschärfende Problem am geeignetsten angegangen werden kann, ist in den betreffenden Gebieten zurzeit in Diskussion. DSI wird dabei als eine wichtige Option angesehen. Die DSI-Technik bietet sich für derartige Entwässerungsmaßnahmen als Lösung an, die für die Fälle des permanenten wie des sporadischen Betriebs, als Anlage für ein einzelnes Objekt oder für eine großräumige Maßnahme geeignet ist. Gegenüber der konventionellen Methode des Abpumpens hat DSI den Vorteil, dass der Eingriff in den Wasserhaushalt weitaus geringer ist. Der Grundwasserspiegel wird nur sehr lokal abgesenkt. Insgesamt betroffen aber bleibt ein weit kleineres Umfeld der Maß-nahme, als bei anderen Entwässerungsmethoden. Bzgl. des Energieeinsatzes ist DSI von Vorteil, wenn Kosten für ein mögliches weiträumiges oberirdisches Abpum-pen entfallen. Auch Probleme mit der Wasserchemie werden bei der DSI vermieden. Wenn Wasser aus dem Untergrund an die Oberfläche gefördert wird, ändert sich die Wasserchemie allein durch den Kontakt mit Luft, was zu Problemen bei der Einspei-sung führen kann, wenn Wässer unterschiedlicher Chemie zusammentreffen. Am bekanntesten ist in diesem Zusammenhang das Problem der Brunnenverockerung. Derartige Probleme werden bei Einsatz von DSI vermieden.

1.1.2 Baugrunduntersuchung und GW-Messstellen Im Projekt wird eine Einzel-Installation für die Wasserhaltung eines Einfamilienhau-ses begleitet. Die DSI-Pilotanlage in Korschenbroich ist an einem Haus installiert worden, dessen Keller bei Grundwasserhochständen überflutet wird (Bild 2). Der Hausbesitzer hatte dort zur Abwehr eine klassische Schwerkraftbrunnenanlage be-stehend aus vier Brunnen (S1-S4) um sein Haus gebaut. Das geförderte Grundwas-ser wird in einen angrenzenden Bach geleitet. Da an den meisten der betroffenen Objekte weder ein natürlicher Vorfluter noch ausreichende Kapazität in der Kanalisation zur Ableitung des Grundwassers vorhan-den ist, stellt die Reinfiltration des Grundwassers mit der DSI-Technik eine Option zur Verbringung dar. Zudem werden Probleme mit der Wasserchemie bei der DSI ver-mieden, wie oben beschrieben ist. Mit der Pilotanlage in Korschenbroich sollten die verschiedenen Möglichkeiten der DSI-Technik geprüft und mit den herkömmlichen Betriebsarten verglichen werden. Insbesondere soll ein energetischer Vergleich durchgeführt werden.


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Bild 2: Lageplan für die Pilotanlage Korschenbroich

Um das Haus wurden zwei DSI-Reinfiltrationseinheiten des Typs Glindow (G1, G2) installiert (Bild 2). In diesen kann das Förderwasser aus den vorhandenen Schwer-kraftbrunnen verbracht werden. Darüber hinaus sind drei DSI-Einheiten des Typs Brandenburg (B1–B3) um das Haus installiert worden in denen gleichzeitig gefördert und reinfiltriert wird. Damit ist auch ein Vergleich mit der herkömmlichen Betriebsart möglich. DSI-Punkte wurden in den Tiefen von 18 und 20 m gefunden. Die Infiltrati-onshorizonte der DSI-Anlagen befinden sich an der Position der gefundenen DSI-Punkte. Die lithologischen Details am Standort der Versuchsanlage Korschenbroich sind in Bild 3 und Bild 4 dargestellt.


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Bild 3: Schichtenverzeichnis und Brunnenausbau am Standort Korschenbroich (DSI-Einheit vom Typ Brandenburg, B1-B3 in Bild 2)

Dem entsprechend wurden die DSI-Infiltrationsdüsen angeordnet (siehe Bild 3 und Bild 4). Zur Fassung wurde in den DSI-Einheiten des Typs Brandenburg der Filter nahe der freien Grundwasseroberfläche positioniert (siehe Bild 3). Die Anlage schal-tet sich im Bedarfsfall, d.h. bei Überschreitung eines gerade noch unproblematischen Höchstwasserstands automatisch ein. Zur Überwachung der Grundwasserabsenkung sind mehrere Grundwasser-messstellen (GWMS), teilweise als Doppelpegel installiert. Die Beobachtung des Grundwassers erfolgt in der Absenkungsebene und der Reinfiltrationsebene. Zur Überprüfung des Absenkungserfolges ist im Haus eine Messstelle (P10) installiert. Sämtliche Brunnen und Grundwassermessstellen sind mit Messsonden ausgerüstet, die den Wasserstand bzw. den Wasserdruck messen. Zusätzlich wird der Betriebs-druck an den Reinfiltrationseinheiten und im Rohrleitungssystem erfasst. Die För-dermengen werden mit MID (Magnetisch-induktive Durchflussmesser) an jedem Brunnen bzw. DSI-Einheit und in den Ableitungen gemessen. Die Brunnenpumpen sind frequenzgesteuert, so dass ein vollautomatischer, niveauabhängiger Betrieb möglich ist. Die Steuerung und Datenerfassung erfolgt in einer EMSR-Zentrale. Ein Online-Zugriff ist eingerichtet.


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Bild 4: Schichtenverzeichnis und Brunnenausbau am Standort Korschenbroich (Typ Glindow, G1-G2 in Bild 2)

1.2 Plötzin – Erstellung weiterer Messpunkte Um eine detaillierteres Bild der hydrogeologischen Situation am Standort und der Vorgänge während der DSI zu erhalten, wurde das dort vorhandene Messfeld um weitere Beobachtungsbrunnen erweitert. Der Grundwasserleiter am Standort ist ungespannt. Er reicht in eine Tiefe von zumindest 40 m und besteht zum Großteil aus unkonsolidierten Sand bzw. Kiesen. Wenn auch bei einem CPT Test ein Aquitard als Basis des Grundwasserleiters nicht gefunden wurde, können die oberen 20 m des Aquifers als wesentlicher effektiver Bereich identifiziert werden. Unterhalb zeigt sich bei der Bohrung das Untergrundmaterial deutlich verhärtet und auch von deut-lich reduzierter Durchlässigkeit. Der Grundwasserspiegel befindet sich in etwa 1,5 m unter Gelände. Die DSI Tests vom Typ Brandenburg, die in Projektphase 1 durchgeführt wurden, zeigten, dass die Grundwasserhorizonte in den Tiefen von 6 und 8 m hauptsächlich durch die Wasserförderung beeinflusst werden und nicht durch die im tieferen Be-reich installierte Infiltration. Daher wurden in Projektphase 2 weitere Beobachtungs-punkte errichtet, mit denen die Piezometerhöhe in größerer Tiefe zusätzlich erfasst wird, um so ein Gesamtbild von Förderung und Infiltration zu erhalten.


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Bild 5: Vorhandene und neue Messpunkte (8 neue tiefe GW-Messstellen, Skizze)

Bild 5 zeigt die vorhandenen (grün) und die acht neu erstellten Messstellen (rot). Im Zentrum befindet sich eine DSI-Einheit vom Typ Brandenburg. Die neuen Messpunk-te (1.3-8.3) befinden sich auf beiden Seiten der DSI-Einheit in den Abständen 1, 2, 3 und 10 m. Sie sind sämtlich im unteren Bereich des Grundwasserleiters installiert, d.h. in einer Beobachtungstiefe von 12 m unter GOK. Bild 6 zeigt eine Ansicht der Versuchsanlage mit den Grundwassermessstellen. Die Grundwassermessstellen sind mit Niveaumesssonden ausgerüstet. Die Förderung bzw. Reinfiltrationsmenge wird mit einem MID gemessen. Sämtliche Daten werden in einer EMSR-Zentrale erfasst.

Bild 6: Vorhandene und neue Messpunkte (Ansicht)


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Auf der rechten Seite von Bild 7 ist die Lithologie am Standort gezeigt. Es lassen sich keine ausgeprägten Schichten erkennen. Auch der Vergleich von Bohrloch zu Bohr-loch zeigte keine Auffälligkeiten, sodass mit einer sehr homogenen Situation in Be-zug auf die Hydrogeologie am Standort ausgegangen werden kann.

Bild 7: Ausbau der Messstellen (flach, mittel, tief)


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2 DSI-Punkt Untersuchungen

2.1 Feldversuche Die ersten Feldversuche zur Feststellung von DSI-Punkten wurden in Phase 1 insbe-sondere auf dem Versuchsgelände in Plötzin durchgeführt und dokumentiert. Dabei wurden konventionelle Edelstahlspüllanzen eingesetzt. Die Spülwassermenge wird beim Einspülen dieser Lanzen händisch an einem Schieber reguliert. Messtechnisch erfasst wurden die Spültiefe, die Spülwassermenge sowie der Spüldruck an der Speisepumpe.

Bild 8: Konventioneller Spülversuch mit Spüllanze (links: normal, rechts: am DSI-Punkt)

In Bild 8 ist links die typische Einspülsituation zu sehen. Durch die Spüllanze (im Bild 85 mm Durchmesser) wird das Spülwasser (im Bild ca. 40 m3/h) gepumpt und damit die Lanze in den sandigen Boden eingespült. Im Bild rechts ist die Situation an einem DSI-Punkt zu sehen. Das Spülwasser wird vollständig im Boden reinfiltriert. Um diese phänomenologische Erscheinung messtechnisch genauer zu erfassen wurden nach der Auslieferung des Bohrgerätes mit der hierzu entwickelten Bohrda-tenerfassung der Fa. Nordmeyer (siehe Projektphase 1) diese Versuche weiterge-führt und die Messtechnik sukzessiv an die Einsatzbedingungen angepasst (siehe Bild 9). Erste Untersuchungen zum DSI-Punkt mit dem Gerät der Fa. Nordmeyer erfolgten dann zunächst am Standort Haren. Diese Vorversuche am Haupt-Standort der Fa. Hölscher waren wegen der direkten Verfügbarkeit von Gerätschaften und der Anwesenheit der Spezialisten zur Bohrdatenerfassung sinnvoll. Danach wurden weitere Versuche am Standort Plötzin durchgeführt. Wie in Bild 10 ersichtlich kann damit ein Infiltrationsprofil des Bodens erstellt werden [Jin12b]. Am DSI-Punkt kommt es insbesondere zum Absinken des Spülungsdru-ckes. Durch die auftretende Saugspannung im Aquifer kann es je nach Spülwasser-zuflussmenge sogar zu einem Unterdruck kommen.


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Bild 9: Bohranlage mit Ausrüstung zur Auffindung und Auswertung des DSI-Punkts (links); Steuerstand mit DSI Bohrdatenerfassung (rechts)

Bild 10: DSI-Punkt Untersuchung (DSI Bohrdaten)


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Bei klassischen Spülbohrarbeiten kommt es bei einem DSI-Punkt bzw. beim DSI-Effekt im Standrohr zu einer auffälligen Blasenentwicklung, dem so genannten ,bubble-effect’. Dieser ist in Bild 11 dargestellt. Danach sinkt der Wasserstand im Standrohr schnell ab (siehe Bild 12) und der Saugeffekt ist an den Spülwasserzulei-tungsschläuchen (“Feuerwehr-„ bzw. C-Schlauch) sichtbar, die drucklos geworden einfallen und gleichsam „zappeln“. Der Bohrmeister sieht gleichzeitig an der Bohrda-tenerfassung den Druckabfall im Spülwassersystem.

Bild 11: DSI-Punkt Untersuchung (DSI-Phänomen mit 'Bubble-Effect' im Bild rechts, Foto)

Bild 12: Absinken des Wasserstands am DSI Punkt

Um die spezifische Infiltrationsmenge für den DSI-Punkt zu ermitteln wird dann der Spülwasserzufluss soweit erhöht oder verringert, bis sich im Standrohr ein konstanter Wasserstand ohne Abfluss bzw. Überlauf einstellt.


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Beim praktischen Einsatz hat sich herausgestellt, dass Infiltrationspunkte mit geringer Infiltrationskapazität häufig unerkannt bleiben, weil der gemessene Druckabfall am DSI-Punkt bei zu hohen Spülwasserzuflussraten nicht signifikant ist. Es ist sinnvoll zusätzlich die Spülwasserrückflussrate und die Standrohrspiegelhöhe zu messen. Dies erfolgt durch Ablesung bzw. manuelle Messung durch den Bohrhelfer. Für die weiteren Arbeiten ist vorgesehen die Messdatenerfassung um diese Parameter zu erweitern. Bei den Experimenten zum DSI-Punkt in Plötzin vom 23.-25. April 2013 wurden drei DSI-Punkte gefunden. Bei den Versuchen wurden u. a. die Parameter: Teufe, Spül-menge, Spüldruck kontinuierlich aufgezeichnet. Der Wasserstand im Rücklauf als wichtiger Indikator zum DSI-Punkt wurde manuell aufgezeichnet (siehe Bild 12). Die DSI-Punkte und ihre Position in der vorliegenden Schichtung sind in Bild 13 dar-gestellt. In Bild 13 ist zu erkennen, dass die Lage der DSI-Punkte an das Auftreten von durchlässigen Lagen des Aquifers gebunden ist. Insbesondere Übergangsberei-che von undurchlässigeren Lagen zu durchlässigeren, in denen Grobsande und Kiese dominieren, könnten für das Auftreten von DSI-Punkten ausschlaggebend sein. D.h. lokale Inhomogenitäten im Aquifer scheinen eine wesentliche Rolle zu spielen.

Bild 13: Schichtenverzeichnis und gemessene DSI-Punkte (rote Markierung) in Plötzin

Um die Erkenntnisse weiter zu vertiefen und die Verhältnisse am DSI-Punkt genauer zu quantifizieren war eine Weiterentwicklung der Bohrdatenerfassung insbesondere um die Rücklaufmengenmessung und bei der Datenaufbereitung und Speicherung erforderlich. Diese Arbeiten konnten aber wegen Insolvenz des Bohrgeräteherstellers und Forschungspartners Nordmeyer GmbH nicht weitergeführt werden.


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Wir haben daher mit dem Bohrgerätehersteller Geotec, der eine innovative For-schungs- und Entwicklungsabteilung unterhält in ein neues Bohrgerät investiert und haben es für den DSI-Bohreinsatz entsprechend konfiguriert und mit einer umfang-reichen Bohrdatenerfassung ausgerüstet.

Bild 14: Neue Bohranlage für DSI-Bohrarbeiten mit spezieller Messtechnik

In Bild 14 ist links das neue Bohrgerät (Rotomax M) der Fa. Geotec im DSI-Bohreinsatz dargestellt. Rechts im Bild ist die Bohrdatenerfassung zu sehen. Wir haben mit dem neuen Bohrgerät inzwischen an einer Vielzahl von Lokalitäten DSI-Bohrungen durchgeführt. In Bild 15 sind z.B. die dokumentierten Bohrdaten einer typischen Bohrung aus den quartären Sanden im nördlichen Holland darge-stellt. Die Bohrdatenerfassung ist so programmiert, dass im Abstand von 10 cm Bohr-tiefe automatisch eine Messung und Speicherung der Bohrparameter erfolgt. Die Messdaten werden gegen die Bohrtiefe aufgetragen. In der Auswertung werden die Messdaten des Spüldrucks (pressure; in gelb), der Pumprate (pumping; in hellblau) und des Rückflusses (backflow; in dunkelblau) sowie die sich rechnerisch ergebende Versickerungsrate (Infiltration; in grün) und der Infiltrationsanteil (Infiltrationrate; in rot) erfasst. Der Spüldruck ist bei einem offenen Bohrloch im Wesentlichen durch den linear an-steigenden hydrostatischen Druck und den gerätespezifischen Druckwiderstand gekennzeichnet. Die gerätespezifischen Widerstände bzw. Reibungsverluste sind bei Bohrtiefen bis 20 m annähernd gleichbleibend und messtechnisch nicht signifikant. Stärkere Druckanstiege dokumentieren einen erhöhten Widerstand beim Bohrge-stängevortrieb oder einen erhöhten Widerstand im Bohrloch, z.B. durch das Zufallen des Bohrlochs. Die Pumprate wird manuell am Bohrgerät eingestellt. Der Arbeitsbe-reich der Kreiselspülpumpe reicht von 0 bis max. 60 m3/h. Die Spülwasserrate wird entsprechend des anstehenden Bodens eingestellt und angepasst, um insbesondere die Bohrgutförderung zu gewährleisten. D.h., bei feinkörnigen Bodenformationen wie Feinsanden werden geringere Spülwasserraten verwendet als bei kiesigen Böden. Da die Größe des freien Bohrringraumes die Fließgeschwindigkeit und damit die Transportkapazität des Spülwassers wesentlich beeinflusst, umfasst die Bohrausrüs-tung des Bohrgerätes unterschiedlich große Spülköpfe, Bohrgestänge und Standroh-re. Der Rückfluss der Bohrspülung wird an einem Überlaufwehr gemessen, das in einem speziellen Messbecken installiert ist. Rechnerisch ergibt sich als Differenz zwischen der Pumprate und dem Rückfluss die Versickerungsrate sowie als Quotient von Pump- zu Infiltrationsrate der Infiltrationsanteil. Letzterer hat bei 100%-iger Infilt-ration den maximalen Wert “1,0“.


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In Bild 16 wurde für die homogene Feindsandabfolge bei ungestörtem Bohrverlauf Infiltrationsanteile von 0,1 bis 0,4 gemessen. Dies entspricht den zu erwartenden Spülwasserverlusten bei einer wassergestützten Bohrung. Im Teufenbereich von ca. 4,5 bis 5,5 m unter Gelände steigt der Infiltrationsanteil plötzlich signifikant auf max. 0,6 an. Dabei bleibt der Spüldruck unverändert im Verlauf des hydrostatischen und gerätespezifischen Mindestdrucks. Hier handelt es sich um ein Niveau mit einer außergewöhnlichen Infiltrationskapazität – es können punktuell bis zu 7 m3/h reinfil-triert werden.

Bild 15: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Alkmaar, Niederlande

In Bild 16 ist das Infiltrationsprofil einer Bohrung aus dem Berliner Urstromtal darge-stellt. Am Standort steht eine reine Fein- bis Mittelsandabfolge an. Am Druckverlauf ist bei Werten von bis zu 0,7 bar ersichtlich, dass es teilweise zum Kollabieren des Bohrloches kam und Überdruck zum Freihalten bzw. Freimachen des Spülkanals erforderlich war. Dies tritt verfahrensbedingt häufig auf, wenn sehr aufnahmefähige DSI-Niveaus durchfahren werden und die Rückspülmenge nicht mehr ausreicht um den Bohrkanal offen zu halten. In diesem Fall wurde ein DSI-Niveau bei 8,5 bis 9,5 m festgestellt. Die Infiltrationsrate stieg dort schlagartig auf 0,9 mit Infiltration von 24 bis 26 m3/h an. In dem Teufenbereich von 12 bis 15 m ist das Profil wegen des bohr-technisch erforderlichen Überdrucks nur noch bedingt aussagefähig hinsichtlich der Infiltrationseigenschaften. Von 15,5 bis 16,5 m ist dann erneut ein Niveau mit deutlich erhöhter Infiltrationskapazität feststellbar.


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Bild 16: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Berlin, Urstromtal

In Bild 17 ist das Infiltrationsprofil einer wechselhaften quartären Abfolge im nieder-rheinischen Braunkohlerevier dargestellt. Die DSI-Infiltrations-Untersuchungen wer-den hier im Rahmen eines langjährig laufenden DSI-Reinfiltrationsprogramms durch-geführt. Am Standort Güdderath wurde ein besonders ausgeprägtes DSI-Niveau in ca. 7 m Tiefe festgestellt. Die DSI-Anlage für die Dauerreinfiltration wurde auf Basis dieser Ergebnisse konzipiert und ist mittlerweile im Einsatz. An diesen drei Beispielen wird deutlich, dass die handwerklich einwandfreie Ausfüh-rung der Bohrarbeiten bzw. die Fertigkeiten der Bohrmannschaft eine wesentliche Voraussetzung für die Feststellung von DSI-Niveaus sind. Im Rahmen des weiteren Forschungsvorhabens arbeiten wir auch an alternativen Verfahren zur praktischen Feststellung von DSI-Niveaus. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschungszentrum (UFZ) ist z.B. die Durchfüh-rung einer modifizierten Direct-Push-Sondierung am Standort Plötzin in Vorbereitung.


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Bild 17: DSI-Infiltrationsprofil Lokalität Güdderath, Niederrhein

2.2 DSI Punkt Interpretation Die Ergebnisse der ersten Messungen zum DSI-Punkt können mittels einer einfa-chen Modellhypothese interpretiert werden. Dabei gehen wir von der Arbeitshypothe-se aus, dass am DSI-Punkt eine Schicht angetroffen wird, die relativ zu den umge-benden Schichten durchlässiger ist (DSI-Schicht). Die Situation ist in Bild 18 schema-tisch dargestellt. Der Modellansatz beruht auf zahlreichen Annahmen, die zur Vereinfachung der Aus-wertung gemacht wurden:

1. Es besteht kein Fluid-Austausch zwischen der DSI-Schicht und den begren-zenden undurchlässigen Schichten, darüber und darunter

2. Die DSI-Schicht ist homogen 3. Die DSI-Schicht ist isotrop 4. Die DSI-Schicht hat eine konstante Mächtigkeit


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Die im Folgenden gemachte Interpretation kann z.T. unter Abschwächung einer oder mehrerer der gemachten Annahmen ver-allgemeinert werden. Es geht hier aber um den Ansatz zu einer Auswertung der Messungen überhaupt, weshalb davon abgesehen wird, die Grenzen der Verall-gemeinerung auszuloten. Die analytische Lösung für die Infiltration in einen Aquifer mit konstanter Pumprate bei konstanter Grundströmung lautet [Hol12]:

( , )1( , ) log2x

x yQh x y Q xT Rπ

= − +

r

mit h Piezometerhöhe, Qx Grundströmung, Q Pumprate, r Radius-Vektor, T Trans-missivität, und R Reichweite.

Bild 19: Piezometerhöhenverteilung um einen Injektionsbrunnen; graphische Darstellung der analytischen Lösung

Der am Kopf der DSI-Einheit gemessene Druck beinhaltet drei Komponenten:

-400 -200 0200 400 600

0

200

400

6000.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

[m][m]

[m]

Bild 18: Schematische Darstellung des DSI-Punkts


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• den hydrostatischen Druck, pstat • Energieverluste im Rohr, pv • den dynamischen Druck, pdyn

pump stat v dynp p p p= + +

Wird der Druck als Druckhöhe in einer Längeneinheit ausgedrückt, schreibt sich die Aufeilung in die drei Komponenten wie folgt:

pump v dynh z h h= + +

mit Tiefe z, Verlusthöhe hv und dynamischer Druckhöhe hdyn. Die Verluste im Rohr können nach der Darcy-Weisbach Gleichung berechnet werden mit [Ing95]:

2

4vwell

fv zhgr

= mit Reibungsfaktor f, mittlerer Geschwindigkeit v, Erdbeschleunigung g

und Rohrradius rwell. Vergleich und Umordnung der obigen Gleichungen führt zu einem Kriterium dafür, dass ein stationäres Strömungsregime an einem DSI-Punkt erzeugt werden kann:

( ) log2

well

refpump v

Q rKH rh h zπ ≥ − −

In der Ungleichung sind die Terme, die die Eigenschaften der DSI-Schicht betreffen, auf der linken Seite, und alle Terme, die die Infiltration als technische Maßnahme betreffen, auf der rechten Seite angeordnet. Die Ungleichung kann als notwendige Bedingung dafür gesehen werden, dass ein stationäres Strömungsfeld im Aquifer aufgebaut werden kann. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, kann kein DSI-Effekt erwar-tet werden. Andererseits ist allerdings auch kein DSI-Effekt garantiert, wenn die Un-gleichung erfüllt ist. Zusatzverluste der Strömung im porösen Medium, die in der Auswertung nicht berücksichtigt sind, können höhere Drücke zur Aufrechterhaltung des Strömungsregimes erforderlich machen. In der Praxis sind nicht alle der oben auftauchenden Parameter bekannt. Daher ist es schwierig, die Formel umzusetzen, wenn an einem Standort keinerlei Vor-Informationen über den Untergrund und dessen Schichtung vorliegen. Während der Feldexperimente zum DSI-Punkt am Standort Plötzin sind sämtliche Pumpdaten aufgezeichnet worden. Damit kann die rechte Seite der obigen Unglei-chung ausgewertet werden. Es wurde ein Reibungsfaktor f=0,7 angenommen. Dar-aus lassen sich Kriterien ableiten, welche Transmissivität (Mächtigkeit*Leitfähigkeit) die DSI-Schicht mindestens aufweisen muss, damit ein stationäres Strömungsregime bei gegebenem Druck und Fließrate aufrecht erhalten werden kann. Die folgende Tabelle gibt daraus abgeleitete Werte für die minimale Leitfähigkeit bei gegebener Dicke von 1 m, bzw. die minimale Mächtigkeit bei vorgegebener Leitfähigkeit von 0,001 m/s an (siehe Tabelle 1).


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Tabelle 1: Kriterien zur DSI-Schicht, abgeleitet aus den Messungen zum DSI-Punkt am Standort Plötzin

Nr. Tiefe [m] Min. Durchlässigkeit [m/s] Min. Dicke [m]

2a 0,27-0,50 0,0014-0,0015 1,42-1,47

2b 0,50-7,50 0,0009-0,0017 0,93-1,68

2c 7,50-8,00 0,0006 0,62-0,63

2d 8,00-9,05 0,0004 0,41-0,42

2e 9,05-10,50 0,0004-0,0005 0,45-0,47

2f 10,50-11,00 0,0004 0,41

Beispiel: im Tiefenhorizont von 7,5 – 8 m würde bei den im Feldversuch gefahrenen Pumprate und Druck ein DSI-Punkt erreicht, wenn eine durchlässige Schicht von 63 cm Mächtigkeit und einer hydraulischen Durchlässigkeit von 0,001 m/s vorliegt. Zusammenfassend ergibt sich aus diesen Auswertungen: ein Zusammenhang zwi-schen hydraulischen Eigenschaften des Untergrunds einerseits und den technischen Parametern des Bohrprozesses andererseits lässt sich durch eine Ungleichung aus-drücken. Bei höheren Pumpendrücken erhöht sich die Möglichkeit einen DSI-Punkt zu finden.

2.3 Siebanalyse Zur Charakterisierung der Inhomogenitäten in Bezug auf DSI wurden die geologi-schen Schichtungen ober- und unterhalb der zwei der am Standort Plötzin ermittelten DSI-Punkte (siehe Bild 13) mit Siebanalysen untersucht. Die untersuchten Tiefenho-rizonte liegen zwischen 6 – 8 m, bzw. 18 – 20 m. Mittels Siebanalysen von Bodenproben im Labor können Bodeneigenschaften be-stimmt und Schichten zugeordnet werden. Nach dem empirischen Ansatz von Hazen [Haz93] können darüber hinaus hydraulische Durchlässigkeiten bestimmt werden. Ziel ist es hier, zu bestimmen, ob DSI-Schichten charakteristisch andere Eigenschaf-ten aufweisen als Nicht-DSI-Schichten. Bohrkerne aus den Tiefenhorizonten 6,5 – 7 m sowie 12,5 – 13 m wurden für die Siebanalyse ausgewählt. Diese repräsentieren die DSI-Schichten (Schichten, in denen ein DSI-Punkt gefunden wurde) sowie andere Nicht-DSI-Schichten. Bild 20 zeigt vergleichend die Korngrößenverteilung von DSI- und Nicht-DSI-Schichten. Beide Schichtenklassen lassen sich dem Bereich der Mittelsande zuord-nen. Aber die absolute Verteilung Bild 20 (a) zeigt deutliche Unterschiede der Schich-ten bei der Klasseneinteilung, vor allem im mittleren Korngrößenbereich: Bei DSI-Schichten dominieren Partikel mit signifikant größeren Durchmessern als bei den angrenzenden Nicht-DSI-Schichten. Aus Bild 20 (b) lässt sich grob der Faktor 2 zwi-schen den beiden Kurven ablesen.


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Bild 20: Ergebnisse der Siebanalysen für DSI- und Nicht-DSI Schichten: a) absolute Verteilung, b) kumulative Verteilung in halb-logarithmischer Darstellung

Die Korndurchmesser D10 und D60 wurden den Kornverteilungskurven in Bild 20 (b) entnommen. Die Zahl im Index bezeichnet die Prozentzahl der Partikel, die kleiner als der Durchmesser sind. Die Ungleichförmigkeitszahl U = D60/D10 ist nach Hazen ein Maß für die Spreizung der Partikelgrößen [Haz93]. Beide Schichtungen weisen eine geringe Spreizung auf, wie die Ungleichförmigkeitszahlen U von nur 2,33 und 2,05 für DSI und Nicht-DSI Schichten zeigen. Werte für die hydraulischen Durchlässigkeiten Kgrain-size der ausgewählten Kernab-schnitte wurden nach den empirischen Formeln von Hazen bestimmt [Haz93]. Die Bedingung U<5 ist hier deutlich erfüllt. Die Auswertungen liefern Werte von 1,3·10-3 m/s für DSI-Schichten sowie von 3,4·10-4 m/s für Nicht-DSI-Schichten. In Tabelle 3 sind die mit unterschiedlichen Methoden ermittelten Durchlässigkeiten (neben der Siebanalyse: Pumpversuch, Eichung DSI-Glindow Test und Eichung DSI-Brandenburg Test) gegenübergestellt.

a) Korngrößenverteilung

0

10

20

30

40

50

60

70

4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.063 < 0.063

Korndurchmesser d [mm]

Gew

. -%

DSI

non-DSI

b) Kornverteilungskurve

0

20

40

60

80

100

0.01 0.10 1.00 10.00

Korndurchmesser d [mm]

Sieb

durc

hgan

g in

Mas

se-%

non-DSI

DSI


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2.4 Untersuchungen zur DSI-Düse mittels CFD Modellierung Eine technische Komponente, die bei der DSI-Technik eine wichtige Rolle spielt, ist die Düse. In der bisherigen DSI Praxis werden von unterschiedlichen Anwendern unterschiedliche Größen und Formen von Düsen eingesetzt [Owo13]. Bild 21 gibt davon einen Eindruck. Die Düse ist ein wichtiger Teil einer DSI-Einheit. Sie dient zur lokalen Erhöhung der Fließgeschwindigkeit. Die Durchmesser variieren von 10 bis 80 mm. Es gibt zylinderförmige oder trichterförmige Geometrien. Man kann zwischen einem Einlauf-Abschnitt und dem Auslauf unterscheiden. Düsen-Materialien sind Metall oder Plastik.

Bild 21: DSI Düsen Überblick [Owo13]

Der spezielle Einfluss der Düse auf den DSI-Effekt im praktischen Einsatz ist derzeit nicht bekannt. Die hier kurz vorgestellten Ansätze können als eine Vorstudie zu de-taillierteren Untersuchungen verstanden werden. Im Wesentlichen dienen sie dazu, aufzuzeigen, inwieweit die genannte Fragestellung mit Mitteln der CFD-Modellierung behandelt werden kann. Die Düse wird im zuvor gewählten Infiltrationshorizont platziert. Dort bestimmt sie wesentlich das Geschwindigkeitsfeld im Bohrloch. Damit wird auch längs der Filter-strecke die Infiltration in den umgebenden Boden beeinflusst: durch Grenzschichtef-fekte (wo keine Infiltration stattfindet), bzw. durch Übergangseffekte von der freien Strömung in die Darcy-Strömung im porösen Medium des Bohrlochumfelds. Die untersuchte Düsenkonfiguration lehnt sich an in der Praxis eingesetzte Düsen an. Sie besteht aus einem Einlauf, einer Verengung (der Düse im engeren Sinne) und einem Auslauf. Eine schematische Darstellung der Düsengeometrie ist in Bild 22 gegeben. Die Düse ergibt sich durch Rotation um die vertikale Rotationsachse links.


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Bild 22: Schematische Darstellung des 2D-Düsenmodells im Zylinderkoordinaten-System

Die Werte der Parameter des Düsenmodells sind in Tabelle 2 aufgelistet. Viskosität und Dichte wurden für Wasser mit der Temperatur von 20 °C gewählt. Tabelle 2: Geometrische und physikalische Parameter des Düsenmodells

Parameter Wert Einheit

Einlauflänge 0,50 m

Rohrradius 0,08 m

Einlaufrate 15 m3/h

Auslauflänge 0,50 m

Düsenradius 0,04 m

Düsenlänge 0,05 m

Zur Modellierung der Düse wurden die Navier-Stokes-Gleichungen mit k-ε Schlie-ßung gewählt. Neben den Symmetrie-Randbedingungen an der Rotationsachse wurden typische Einstrom-, Wand- und Auslaufrandbedingungen angenommen. Für den geschlossenen Rand bedeutet das insbesondere, dass die No-slip Bedingung gefordert ist sowie in der Grenzschicht die Geschwindigkeitsänderung gemäß der entsprechenden ,wall-function’. Das Ergebnis des Referenzmodells ist in Bild 23 gezeigt. Die Farbskala der graphi-schen Darstellung zeigt den absoluten Betrag der Geschwindigkeit (rot = hoch, blau = niedrig, d. h. nahe bei Null). Deutlich ist die Geschwindigkeits-Zunahme unter-halb der Düse zu erkennen.

Einlauf

Düse

Auslauf


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Bild 24 zeigt das Strömungsfeld von Düse und Auslauf im 2D-Schnitt. Zusätzlich sind hier die Stromlinien gezeigt. Innerhalb der Düse selbst ist zunächst eine Ablösung der Strömung von der Düsenwand erkennbar. Schließlich schmiegt sich die Strömung wieder an die Wand an, allerdings ohne eine konstante radiale Verteilung zu errei-chen was von den hier gewählten geometrischen Parametern abhängt.

Im Auslauf ist deutlich die Rückströmung zu erkennen. Unmittelbar hinter der Düse befindet sich ein zweiter Wirbel dessen Rotation gegenläufig zur benachbarten Rückströmung verläuft. Mit dem Abstand von der Düse verringert sich die Größe der Rückströmung. Eine konstante radiale Geschwindigkeitsverteilung scheint hier annä-hernd, aber nicht ganz erreicht zu sein.

2.5 Ergebnisse und Diskussion DSI-Punkte sind charakterisiert durch einen deutlichen Druckabfall des Infiltrations-drucks sowie durch Verlust von eingeleitetem Fluid während des fortlaufenden Spül- und Bohrvorgangs. Einige der relevanten Größen, wie Infiltrationstiefe, Infiltrationsra-te, Druck, Fluidverluste am DSI-Punkt konnten gemessen werden. Allerdings reicht die Auswertung dieser Variablen derzeit noch nicht zur zuverlässigen Prognose von DSI-Punkten in der Praxis aus. Durch die Untersuchung des Untergrunds in der Umgebung einer DSI-Schicht mittels Siebanalyse konnten Schlüsse über die Physik des DSI-Punkts gezogen werden. Es

Bild 23: Ergebnis des Düsen-modells in 3D-Darstellung; Farbeinteilung nach Absolut-betrag der Geschwindigkeit (rot = turbulent, blau = laminar)

Bild 24: Ergebnis des Düsen-modells in 2D-Darstellung (Rotationsachse links); Farb-skala für Absolutbetrag der Geschwindigkeit und Strom-linien


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zeigte sich, dass die hydraulische Leitfähigkeit einer DSI-Schicht um den Faktor 3 höher ist als die in umgebenden Schichten. Im hydro-geologischen Klassifizierungs-system ist dies kein signifikanter Unterschied; er reicht aber offenbar aus, um den DSI-Effekt zu erzeugen. Die Auswertung der Tests mittels eines einfachen Modellansatzes für eine typische aber idealisierte Situation, die auf der oben genannten Inhomogenität basiert, bestä-tigt die getroffene Aussage. Zum Auftreten des DSI-Effekts mit der bisher verwandten Technik bedarf es keiner signifikant hohen Durchlässigkeit oder Mächtigkeit in der DSI-Schicht. Die genannte Auswertung erlaubt es Parameter des DSI-Tests einer-seits und Eigenschaften der DSI-Schicht quantitativ in Beziehung zu setzen. Um Korrelationen zwischen DSI-Punkt-Test und Schichtenprofil besser erkennen und auswerten zu können, sollten hochauflösende Tests am Versuchsstandort zusätzlich durchgeführt werden. Geeignet wäre die ‚direct push’ Technologie, wie z.B. mit Ge-oprobe-Messungen [But02], [Mcc09], im Zusammenspiel mit Direct-Push-Permeability (DPP), das vertikale hydraulische Durchlässigkeiten liefert [But07]. Mit einer derart verfeinerten Technik könnte eine Prognose einer DSI-Schicht möglich werden, die mit aus Siebanalysen gewonnenen Profilen nicht möglich ist. Die Modellierungen zur Düse zeigen, dass CFD-Simulationen detaillierte Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen in der Düse sowie hinter dem Auslauf liefern können. Um den Zusammenhang mit der DSI-Technik herstellen zu können, muss das Modell zur Berücksichtigung des Bohrlochumfelds erweitert werden. Mit einer derartigen Kopplung zwischen Strömungsprozessen im Bohrloch und im umgebenden porösen Medium können Untersuchungen zu technischen Details der Düse (Abmessungen, Form) durchgeführt werden.


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3 Einzel-Bohrloch Tests in Plötzin 3.1 Konventioneller Pumpversuch

3.1.1 Experiment und Messungen Auf dem Testfeld in Plötzin wurde ein dreistufiger Pumpversuch durchgeführt. Bild 5 skizziert die Lage des Entnahmebrunnens sowie der Beobachtungspunkte, die sich im Wesentlichen in zwei entgegengesetzte Richtungen vom Pumpbrunnen erstre-cken. Der Förderbrunnen ist mit einem PVC-Rohr DN 200 ausgebaut und von 3,5 m bis 20 m Tiefe (ab GOK) komplett verfiltert. In 27 installierten Beobachtungsrohren wurden in unterschiedlichen Abständen vom Brunnen und unterschiedlichen Tiefen (3 Tiefenstufen: 6, 8 und 12 m ab GOK) die Absenkungen während des Pumpens aufgezeichnet Der Pumpversuch wurde mit 3 unterschiedlichen Pumpraten gefahren: 20 m3/h, 30 m3/h sowie 40 m3/h, jeweils 2 Stunden für jede Pumprate. Die Pumprate wurde mittels eines Durchflussmessers kontinuierlich gemessen und alle 15 Minuten aufge-zeichnet. Während der gesamten Versuchszeit wurden die Piezometerstände an sämtlichen Beobachtungspunkten im 1-Minuten-Intervall aufgezeichnet. Bild 25 zeigt die Ergebnisse der Aufzeichnungen in einer der beiden Vorzugsrichtungen (in Bild 5 auf der rechten Seite). Die in der entgegengesetzten Richtung beobachteten Absen-kungen stimmen weitgehend mit den gezeigten überein, was auf relativ homogene Verhältnisse in horizontaler Richtung hinweist. Erwartungsgemäß wurden mit der Erhöhung der Pumprate größere Absenkungen beobachtet. Die größte Absenkung mit etwa 0,9 m ergab sich in unmittelbarer Brun-nennähe bei stärkster Pumprate, die niedrigste mit etwa 0,1 m entsprechend bei größtem Brunnenabstand und geringster Pumprate. Was die vertikale Verteilung betrifft, so zeigten die beiden oberen Horizonte (6 und 8 m) jeweils beinahe gleiche Absenkungen, wohingegen im tieferen Horizont (12 m) höhere Werte zu verzeichnen waren.

Bild 25: Pumpversuche am Standort Plötzin.


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3.1.2 Eichung Zur weiteren Auswertung des Pumpversuchs wurde ein 2D achsen-symmetrisches Modell in Zylinderkoordinaten erstellt Der Aufbau eines 2D Models ist hier durch die geschilderten Beobachtungen gerechtfertigt, die die folgenden Bedingungen erfüllen.

1. Die geologischen Schichten erstrecken sich homogen in horizontalen Richtun-gen.

2. Es gibt keine regionale Grundwasserströmung von Einfluss. Eine vertikale Schichtung, wie in Bild 13 gezeigt, insbesondere unter Berücksichti-gung von DSI-Schichten, wurde im Modell berücksichtigt. Zur Beschränkung der Zahl der Modellparameter wurden im Modell lediglich zwei Durchlässigkeiten angenom-men: eine hohe für DSI-Schichten und eine niedrige für Nicht-DSI-Schichten. Weitere Eichparameter sind die Anisotropie-Faktoren und die Speicherkoeffizienten. Details zum verwendeten Simulationsansatz finden sich in Kapitel 5. Die instationäre Modellsimulation bezieht sich auf den Zeitraum von 6 Stunden, mit Zeitschritten von 1 Minute. Jeder Modelllauf liefert die Piezometerhöhen für jeden der manuell eingegebenen Beobachtungspunkte. Da sich die Werte des instationären Modells schnell an die stationäre Lösung angleichen, wurden pro Pumpregime 15 Zeitpunkte, d.h. 45 Zeitpunkte insgesamt, ausgewählt. Bild 26 (a) zeigt Scatter-Plots in denen die gemessenen gegen die modellierten Wer-te aufgetragen sind. Scatter-Plots erlauben eine gute visuelle Erfassung der Über-einstimmung bzw. des Abweichens von Messung und Modell, als Abstand von der eingetragenen Diagonale y = x. Als Gesamtmaß der Güte eines Modelllaufs wurde die Standardabweichung der Differenzen der Piezometerhöhen (Root mean square deviation RMSD) berechnet:

nRMSD

n

t obstsimt hh∑ =−

= 12

)()( )(

Das Histogramm (Bild 26 b) zeigt RMSD Werte an allen Beobachtungspunkten. Posi-tive Werte bedeuten eine Überschätzung im Modell, negative Werte eine Unterschät-zung. Die maximale Abweichung beträgt ca. 2 cm und tritt in unmittelbarer Brunnen-nähe auf (OB9-1). Alle kalibrierten Parameter des Modells sind in Tabelle 3 zusammengefasst, im Ver-gleich mit Ergebnissen anderer Tests am selben Standort.


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Bild 26: a): Vergleich Messwert und Modell an den 26 Pegeln b): Abweichung zwischen Mess-wert und Modell an den 26 Pegeln.

3.2 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Glindow

3.2.1 Experiment und Messungen Ein stufenweiser Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Glindow wurde über 20 Stunden gefahren. Die Düse war in 18 m Tiefe installiert, oberhalb einer Filterstrecke von 2 m Länge. Dieser Tiefe entspricht der tiefste der DSI Punkte, die während der Bohrung beobachtet wurden. Im Test wurde die Infiltrationsrate stufenweise von 15 m3/h auf 25 m3/h und schließ-lich auf 40 m3/h erhöht. Die ersten beiden Leistungsstufen wurden mit einer Dauer von 4 Stunden gefahren. Mit der höchsten Pumprate war die Pumpe länger in Be-trieb, um einen stationären Zustand zu erreichen. Die Piezometerhöhen wurden an allen 27 Beobachtungspunkten in drei Tiefen gemessen. Bild 27 zeigt die aufge-

b) Abweichung zwischen Messwert und Modell für Pumpversuch

1-11-2

1-3 2-1

2-2

2-3

3-1 3-23-3

4-1 4-2

4-3

5-1 5-2

5-36-1 6-2 6-3

7-1 7-3

8-1 8-2 8-39-1

9-2

9-3

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

Beobachtungspunkt

Abw

eich

ung

Mod

elle

rgeb

nis-

Mes

swer

t [m

]


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zeichneten örtlichen Änderungen der Piezometerhöhen an den brunnennahen Be-obachtungspunkten (rechte Seite, siehe Bild 5 – die Werte auf der linken Seite stim-men weitgehend mit denen der Rechten Seite überein).

Bild 27: DSI-Glindow Test am Standort Plötzin

In der direkten Umgebung des Infiltrationsbrunnens zeigen die Piezometerwerte eine deutliche Erhöhung, am stärksten im Bereich der Infiltration (am tiefsten Messpunkt in 12 m Tiefe). Die Erhöhung sowie auch der vertikale Gradient der Erhöhung neh-men mit dem Abstand zur DSI-Einheit ab. In 10 m Entfernung ist die Änderung kaum messbar. Bei der höchsten Infiltrationsrate von 40 m3/h beträgt die Erhöhung dort etwa 4 cm. Die Ergebnisse zeigen die Effizienz und Wirksamkeit des DSI-Verfahrens, insbeson-dere auch die (aus Umwelt-Gesichtspunkten gewünschte) geringen Auswirkungen auf die freie Grundwasseroberfläche.

3.2.2 Modell und Eichung Mit Hilfe von COMSOL Multiphysics [Com13] wurde für die Versuche mit den DSI-Einheiten des Typs Glindow Läufe mit einem instationären Modell durchgeführt. Die Modellgeometrie bei diesen Läufen ist identisch mit derjenigen für die oben be-schriebenen konventionellen Pumptests. Wie oben beschrieben wurden in Bezug auf die hydraulische Leitfähigkeit ebenfalls DSI-Schichten und Nicht-DSI-Schichten aus-gewiesen: KG-DSI und KG-Other. Die Ergebnisse nach der Eichung sind in Tabelle 3 im Vergleich mit den Ergebnissen anderer Tests und Methoden dargestellt. Bild 28 (a) stellt gemessene und modellierte Piezometerhöhen in Scatter-Plots ge-genüber, wobei der Modellauf nach der Eichung berücksichtigt wird. Es wird eine gute Übereinstimmung erzielt. Relativ hohe Diskrepanzen treten in den brunnenna-hen Messstellen auf (z.B. OB9-3 mit ca. 5 cm). Das Histogramm in Bild 28 (b) zeigt die RMSD als Maß für der Abweichung zwischen Messung und Modell an den ein-zelnen Beobachtungspunkten.


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Bild 28: Experiment DSI-Einheit des Typs Glindow. a): Vergleich Messwerte und Modell an den 27 Pegeln b): Abweichung zwischen Messwert und Modell an den 27 Pegeln.

Die größten Abweichungen können in der unmittelbaren Brunnennähe konstatiert werden. Am Messpunkt OB 9-3 reagiert die Piezometerhöhe deutlich auf die erhöhte Pumprate (siehe auch Bild 27). Die hohen Abweichungen können durch im Modell nicht berücksichtigte, weil nicht bekannte, Inhomogenitäten im direkten Brunnen-umfeld erklärt werden. Es ist bekannt, dass durch den Bohrprozess selbst sowie durch den nachfolgenden Ausbau des Brunnens der Untergrund im Nahbereich ge-stört wird (siehe: skin effect). Auch der Übergang zur turbulenten Strömung im Brun-nenrohr selbst (siehe Kapitel 2.4), der im Modell nicht berücksichtigt ist, kann eine Erklärung dafür sein, dass das Modell im Brunnennahfeld die größten Fehler auf-

b) Abweichung zwischen Messwert und Modell für DSI-Glindow Test

1-1 1-2

1-3

2-1

2-2 2-3

3-1 3-2 3-3

4-1 4-2 4-3

5-1 5-2 5-3 6-1 6-2 6-3 7-1 7-2 7-3

8-1

8-2

8-3

9-19-2

9-3

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

Beobachtungspunkt

Abw

eich

ung

Mod

elle

rgeb

nis-

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t [m

]


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weist. Für die Eichung des großräumigeren Modells spielen diese Abweichungen keine Rolle, so dass die Verwendung des Darcy-Ansatzes gerechtfertigt ist.

3.3 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Branden-burg

3.3.1 Experiment und Messungen Am Versuchsstandort in Plötzin wurde ein Test mit einer DSI-Einheit des Typs Bran-denburg durchgeführt. Der Ausbau Brunnen erfolgte mit einem PVC Rohr DN 200 und einer Filterstrecke zwischen 3,5 und 10,5 m unter Flur. Die Pumpe war in einer Teufe von 5,5 m unter Ruhewasserstand installiert. Die Infiltration erfolgte in einer Tiefe von 18 – 20 m unter GOK. Förder- und Infiltrationsstrecke wurden durch Packer getrennt. Das gesamte im oberen Bereich geförderte Wasser wurde in den tieferen Horizont infiltriert. Im Test wurde die DSI-Einheit des Typs Brandenburg gestuft mit drei Pumpraten gefahren: 17 m3/h, 30 m3/h und 42 m3/h, jeweils über einen Zeitraum von 2 Stunden. Während des Tests wurden die Piezometerhöhen an den Beobachtungspunkten in 1 Min. Intervallen aufgezeichnet. Bild 29 zeigt die zeitliche Änderung der Höhen (für die Messstellen auf der rechten Seite des Brunnens (siehe Bild 5; die Messungen für die linke Seite waren identisch für entsprechende Messpunkte).

Bild 29: Gemessene Piezometerhöhen an den Beobachtungspunkten beim Test mit DSI-Einheit vom Typ Brandenburg am Standort Plötzin

Im Entnahme- bzw. Förderhorizont stiegen die Piezometerhöhen mit zunehmender Entfernung von der DSI-Einheit. In gleichem Abstand von der DSI-Einheit steigen die Piezometerhöhen mit der Tiefe. Die niedrigsten Piezometerhöhen wurden in Brun-nennähe im Bereich des Entnahmehorizontes gemessen (0,4 m bei OB9-1). Die Änderung der Piezometerhöhe korreliert mit der Pumprate, was in den brunnennna-hen Messpunkten deutlich wird. Ansonsten nehmen die Änderungen mit wachsen-dem Abstand vom Brunnen ab.


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3.3.2 Modell und Eichung Die Modelle für den Pumptest (Kapitel 3.1) und für die DSI-Einheit des Typs Glindow (Kapitel 3.2) wurden zur Simulation des Tests der DSI-Einheit des Typs Brandenburg erweitert. Modellgeometrie sowie Modell-Parametrisierung entsprechen denen der genannten Modelle, ebenso wie die Durchführung der Modell-Eichung. Die Ergebnis-se der Eichung bzgl. der Piezometerhöhen im Vergleich mit anderen Projekt-Ergebnissen sind in Tabelle 3 aufgelistet.

Bild 30: Auswertung des Experiments mit DSI-Einheit, a): Vergleich Messwert und Modell an den 25 Pegeln b): Abweichung zwischen Messwert und Modell an den 25 Pegeln.

Bild 30 (a) zeigt den Vergleich von Messwerten und Werten nach der Eichung in einer Reihe von Scatter-Plots. An den meisten Messstellen zeigt sich wiederum eine gute Übereinstimmung. Wie auch schon bei den vorherigen Tests sind die größten

b) Abweichung zwischen Messwert und Modell für DSI-Brandenburg Test

1-1

1-21-3

2-1 2-2

2-3 3-1 3-23-3

4-1 4-2

5-1 5-25-3

6-1 6-2

6-3 7-1 7-3 8-1

8-2 8-3

9-1

9-2 9-3

-0.10

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0.00

0.05

0.10

Beobachtungspunkt

Abw

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]


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Abweichungen wiederum in unmittelbarer Brunnennähe zu finden. Das Histogramm in Bild 30 (b) illustriert die RMSD als Maß der Abweichung an den einzelnen Be-obachtungspunkten.

3.4 Zusammenfassung Mit den vorgestellten Tests, der Förderung, der Infiltration sowie der gekoppelten Förderung und Infiltration sowie deren numerischen Modellierung wurden die ent-scheidenden hydrogeologischen Parameter bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass das Auftreten des DSI-Phänomens mit relativ geringen Abweichungen von homogenen hydrogeologischen Verhältnissen einhergehen kann. Dies wurde durch eine mathematisch-analytische Interpretation zusätzlich bestätigt. Bei den Versuchen zum DSI-Punkt geht es um die Identifikation einer DSI-Schicht, die für weitere Infiltration besonders geeignet ist. Der Abgleich mit durch Siebanaly-sen gewonnenen Informationen über die Bodenschichtung bestätigt die Arbeitshypo-these vom Vorliegen einer relativ durchlässigeren Schicht. Die örtliche Auflösung bzw. Beprobungsdichte bei der Auswertung mittels Siebanalysen ist verfahrensbe-dingt relativ grob. Daher wird empfohlen den Abgleich mit höher auflösenden Metho-den vorzunehmen. Am Teststandort Plötzin wurden vier unterschiedliche Tests durchgeführt: Siebanaly-sen, ein konventioneller Pumpversuch sowie Experimente mit den DSI-Einheiten des Typs Glindow und Brandenburg. Abschließend sollen die Ergebnisse dieser Test verglichen werden. Dementsprechend zeigt Tabelle 3 KDSI die hydraulische Leitfähig-keit der DSI-Schicht, KOther die hydraulische Leitfähigkeit der Nicht-DSI-Schichten, Ss Speicherkoeffizient, δ Anisotropie Faktor, n Porosität, Lpump Filterstrecke der Wasser-förderung, Linject Infiltrations-Filterstrecke, Q Pump bzw. Infiltrationsrate. Durchlässig-keiten wurden mit allen Tests ermittelt, während andere Parameter nicht mit allen Methoden bestimmt werden können Tabelle 3: Vergleich relevanter Parameter der Tests am Standort Plötzin

Test Parameter Siebanalyse Pumpversuch DSI-Glindow DSI-Brandenburg

KDSI [m/s] 1,26×10-3 1,13×10-3 1,81×10-3 4,95×10-3

KOther [m/s] 3,35×10-4 3,17×10-4 2,80×10-4 2,50×10-4

Ss [m-1] - 3,25×10-5 3,25×10-5 3,25×10-5

δ [- ] - 0,70 0,20 0,20

n [ - ] - 0,20 0,20 0,20

Lpump [m] - 16,50 - 7

Linject [m] - - 2 2

Q [m3/h] - 20; 30; 40 15; 25; 40 17, 30, 42

Generell ist festzustellen, dass die mit den unterschiedlichen Methoden gewonnenen Werte weitgehend übereinstimmen. Pumptest und Siebanalyse zeigen, nach hydro-geologischen Maßstäben, identische Ergebnisse. Die etwas größere Abweichung in


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den Tests mit den DSI-Einheiten des Typs Glindow und Brandenburg ist sicherlich dem Einfluss der unteren DSI-Schicht geschuldet, durch den größere Unsicherheiten in die Methodik einfließen. Die Ergebnisse aller methodischen Ansätze zeigen deutlich höhere Durchlässigkei-ten der DSI-Schichten (KDSI ) im Vergleich zu den anderen Schichten (KOther). Pump-test und Siebanalysen laufen auf einen Unterschied mit dem Faktor 3-4 hinaus. Bei den Tests mit den DSI-Einheiten liegen die Faktoren höher, was wiederum den grö-ßeren Unsicherheiten bei der Modellierung der Infiltrationsschicht geschuldet sein kann. Auch die Unterschiede im Anisotropie-Faktor zwischen dem Pumptest auf der einen Seite und den Tests der DSI-Einheiten kommen hier sicherlich zum Tragen. Korngrößen- bzw. Siebanalysen wurden von ausgewählten Proben erstellt, die einen gewissen Abschnitt des geologischen Profils in einem Bohrprofil repräsentieren. Der Auswahl- und Klassifizierungsprozess impliziert diverse Unsicherheiten. Zudem kann die Siebanalyse über die Richtungsabhängigkeit von hydraulischen Parametern keine Aussage liefern, da die ursprüngliche Struktur zerstört wird. In Pumpversuchen dagegen spielen im Normalfall hydraulische Durchlässigkeiten in horizontalen Rich-tungen die entscheidende Rolle, abgesehen davon, dass dabei nicht nur punktuelle Eigenschaften ausgewertet werden, sondern das Umfeld des Bohrlochs mit seinen Eigenschaften wesentlich eingeht. Von daher ist die Übereinstimmung der Ergebnis-se beider Methoden, wie angegeben, bemerkenswert. Bei den DSI-Tests spielen die komplexeren Strömungsverhältnisse sowie überhaupt der tiefere Bereich des Aquifers eine Rolle, was hier in Ergebnisunterschieden sichtbar wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass keine drastischen Änderungen der hydrau-lisch wirksamen Parameter zur Erzeugung des DSI-Phänomens nötig sind. Änderun-gen der hydraulischen Durchlässigkeit um den Faktor 3 in einer Schicht von einem Meter Mächtigkeit können für den DSI-Effekt ausreichend sein. Um DSI und hydro-geologische Gegebenheiten an einem Standort in Zusammenhang zu bringen, ist daher der Einsatz von hochauflösenden Messmethoden notwendig. Wir schlagen daher für eine nachfolgende Projektphase 3 des Projekts den Einsatz von ‚direct push’ Tests (Geoprobe) [But02] vor. Darüber hinaus sollten Hydraulic Profiling Tool (HPT) [Mcc09], Direct Push Injection Log (DPIL) [Die08] sowie Slug Tests (ST) [But97] in Erwägung gezogen werden.


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4 Multi-Bohrloch Tests in Korschenbroich

4.1 Modell-Aufbau Es wurde ein 3D Modell zur hydrogeologischen Situation in Korschenbroich erstellt. Auch dazu wurde, wie vorgesehen, die Software COMSOL Multiphysics verwendet. Im Modell können, mit entsprechenden Variationen der Pumpraten, alle Pump- und Infiltrationsregimes nachgebildet werden. Das Modell rechnet optional stationär oder instationär. Das Modellgebiet umfasst einen Bereich von 100 x 100 m mit dem Wohnhaus in Korschenbroich in der Mitte. Es reicht bis zur Basis des Aquifers in 30 m (siehe Bild 31). Die Bohrlöcher sind mit den Buchstaben B(1-3), G(1-2) und S(1-4) bezeichnet, zur Kennzeichnung der DSI-Einheiten des Typs Brandenburg, Glindow sowie der konventionellen Förderbrunnen. Der Grundwasserleiter am Standort besteht aus vier Schichten, die aus Bohrprofilen (z.B. Bild 3) abgeleitet wurden. Oberer Rand des Modellgebiets ist der Grundwasser-spiegel, weshalb die darüber liegenden Schichten, z.B. Auffüllung und Ton, nicht berücksichtigt werden brauchten. Der obere Rand ist ein sogenannter freier Rand, d. h. der genaue Verlauf des Randes ist nicht festgelegt, sondern wird vom Modell berechnet. Entsprechend der Position ändert sich auch das Finite Element Gitter.

Bild 31: Modellgeometrie und –gebiet am Standort Korschenbroich

Am Rand mit Grundwasserzustrom wird eine Geschwindigkeit vorgegeben (Neumann Randbedingung). Die Geschwindigkeit ergibt sich als Produkt aus dem hydraulischen Gradienten und der Durchlässigkeit. Am Rand mit Grundwasserab-strom wird eine Referenz-Piezometerhöhe als Bedingung gesetzt (Dirichlet-Randbedingung). An den beiden anderen vertikalen Modellrändern sowie an der Aquiferbasis werden No-Flow Bedingungen angenommen (siehe Tabelle 4).


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Tabelle 4: Geometrische und physikalische Parameter des 3D Modells für den Standort Kor-schenbroich

Parameter Wert Einheit

Modellgröße 100×100 m

Aquifertiefe 30 m

Brunnentiefe 23 m

Brunnenradius (S1-S4) 0,15 m

Brunnenradius (G1-G3) 0,025 m

Brunnenradius (B1-B3) 0,10 m

Filterstrecke (S1-S4) 2,68; 4,35; 1,71; 2,50 m

Infiltrationshorizont/G1-G2 (u. GOK) 18,70-20,70; 18,40-20,40 m

Filterstrecke Infiltration/G1-G2 2 m

Entnahmehorizont/B1-B3 (u. GOK) 4,00-8,00; 4,40-8,40; 3,80-7,80 m

Infiltrationshorizont/B1-B3 (u. GOK) 18,00-23,00, 17,40-22,40; 17,80-22,80 m

Filterstrecke Entnahme/B1-B3 4 m

Filterstrecke Infiltration/B1-B3 5 m

Pump-/Infiltrationsrate S1-S4 20; 26; 5; 15 m3/h

Hydraulischer Gradient 6,7·10-4 -

Anisotropie 1 -

4.2 Klassischer Pumpbetrieb Vor der Installation der DSI-Anlage wurde das Objekt am Standort Korschenbroich ggf. mittels Schwerkraftbrunnen (S1-S4) trocken gehalten. Das geförderte Wasser wurde zunächst in einem Pool (im Garten) gesammelt und sodann in einen Graben entwässert. Die Brunnen haben eine Tiefe von ca. 10 m. Kamera-Befahrungen zeig-ten, dass sie mit PVC-Rohr mit unterschiedlicher Filterstrecke ausgebaut sind: S1, S2, S3 und S4: 2,7 m, 4,4 m, 1,7 m, und 6 m. . Der klassische Pumpbetrieb mit dieser Anlage wurde untersucht, um deren Leis-tungsfähigkeit zu untersuchen. Außerdem diente dieser erweiterte Pumptest zur Parameterbestimmung mit Hilfe des erstellten 3D Modells. Im Test wurde beinahe 3 Tage (68 Stunden) ununterbrochen gepumpt. Die Schwerkraftbrunnen pumpten mit unterschiedlichen Pumpraten (20 m3/h, 25 m3/h, 5 m3/h und 15 m3/h für S1, S2, S3 und S4). Während des Versuchs wurden Piezometerhöhen an allen 11 Beobach-tungspunkten sowie in den Brunnen DGWM1-, 4-, 6-, und GWM2, 3, 5, 7, 8 (siehe Bild 2) gemessen und aufgezeichnet. Einige der Messstellen sind mit Doppel-


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Piezometern ausgestattet. Zusätzlich wurde das Rohr P10, das im Keller des Hauses installiert ist, hinzugezogen. Die Aufzeichnung auf Daten-Logger erfolgte in 2-Stunden-Intervallen. Die Messergebnisse sind in Bild 32 dargestellt.

Bild 32: Absenkung bei Pumpbetrieb am Standort Korschenbroich.

An allen Messungen mit Doppel-Piezometern (DGWM) zeigt sich eine deutliche Teufenabhängigkeit. Dies impliziert nicht verschwindende vertikale Strömungskom-ponenten. Ein klar abweichendes Verhalten weist die Messstelle P10 auf. Dies ist wahrscheinlich auf die spezielle Lage des Punktes direkt unterhalb des Hauses zu-rückzuführen, wo störende hydraulische Bedingungen, möglicherweise in Zusam-menhang mit der Bauphase des Objekts, zu erwarten sind. Die damit verbundenen, allerdings unbekannten, Inhomogenitäten hätten einen starken Einfluss auf die hyd-raulischen Verhältnisse unterhalb des Kellers. Wir schließen daher, dass die Mess-stelle P10 zur Bestimmung von hydraulischen Parametern nicht geeignet ist. Ande-rerseits zeigt sie die tatsächliche Absenkung des Wasserspiegels unterhalb des Hauses. Der Pumpbetrieb wurde mit dem beschriebenen 3D Modell simuliert, um zu einer detaillierteren Charakterisierung der hydraulischen Eigenschaften der Schichten zu gelangen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

4.3 Infiltrationsversuch an einer DSI-Einheit des Typs Glindow Mit der DSI-Einheit des Typs Glindow wurde am Standort Korschenbroich ein weite-rer Test durchgeführt, der sich über 20 Stunden erstreckte. Mit konstanter Rate von 17 m3/h wurde aus dem Brunnen S2 gefördert und in den Brunnen G2 infiltriert. Bild 33 zeigt die während des Tests gemessenen Piezometerhöhen an den Beobach-tungspunkten.

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0 10 20 30 40 50 60 70Zeit [h]

Hyd

raul

isch

e H

öhe

[m]

GWM1.1

GWM1.2

GWM2

GWM3

GWM4.1

GWM4.2

GWM5

GWM6.1

GWM6.2

GWM7

GWM8

P10


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Bild 33: DSI-Glindow Test am Standort Korschenbroich.

An allen vor dem Haus befindlichen Messstellen ist eine Absenkung des Wasser-spiegels aufgrund des Pumpens des Brunnens S2 bemerkbar. (z.B. DGWM1.1, GWM2, GWM3, and DGWM6.1). Demgegenüber fällt die Reaktion des Grundwas-serleiters auf die Infiltration an G2 kaum auf. Eine sehr geringe Erhöhung (1 cm) wird am Messpunkt DGWM4.2 in unmittelbarer Nähe des Injektionspunkts gemessen. Die marginale Reaktion ist wohl darauf zurückzuführen, dass die Filterhorizonte der Be-obachtungspunkte noch in einiger Entfernung von der DSI-Schicht liegen. Die Injekti-on findet 19-21 m u. GOK statt, wohingegen die tiefsten Piezometer (DGWM1.2, DGWM4.2 und DGWM6.2) in 14 m Tiefe verfiltert sind. Der Test mit den DSI-Einheiten Typ Glindow wurde ebenfalls mit dem 3D-Modell simuliert und die Durchlässigkeiten kalibriert. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 5.

4.4 Modelleichung und DSI-Schicht Zur Eichung des 3D-Modells für den Standort Korschenbroich wurden sowohl die Messwerte des konventionellen Pumpbetriebs sowie die Daten aus dem Versuch mit der DSI-Einheit vom Typ Glindow verwandt. Eichparameter waren die horizontalen und vertikalen Durchlässigkeiten der einzelnen Schichten sowie der Speicherkoeffi-zient. Die Ergebnisse und die daraus resultierenden Anisotropien sind in Tabelle 5 zusammengestellt. Es zeigt sich, dass die Schichten mit der Tiefe durchlässiger werden. Die sehr hohe Anisotropie in den oberen Schichten schwächt sich in den unteren Schichten ab. Der Speicherkoeffizient liegt im zu erwartenden Bereich wie für gespannte Aquifere (denn die Grundwasserabsenkung geht bei dem gewählten Modellansatz nicht in den Spei-cherterm ein). Die Modelleichung bestätigt damit die Beobachtung beim DSI-Test, bei dem ein DSI-Punkt in 18-20 m Tiefe gefunden wurde. Wie schon am Standort Plötzin ergibt sich auch hier durch die Modellierung, dass die dort angetroffene Schicht eine höhere hydraulische Leitfähigkeit aufweist.

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0 4 8 12 16 20Zeit [h]

Hyd

raul

isch

e H

öhe

[m]

DGWM1.1DGWM1.2GWM2GWM3DGWM4.1DGWM4.2GWM5DGWM6.1DGWM6.2GWM7GWM8P10


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Tabelle 5: Ergebnisse der Eichung des 3D Modells für den Standort Korschenbroich

Parameter

Schicht 1 (4 – 6 m u. GOK)




Kx,y [m/s] 1,20×10-3 1,80×10-3 2,00×10-3 2,50×10-3

Kz [m/s] 5,00×10-5 5,00×10-5 2,00 ×10-4 2,50×10-4

Ss [m-1] 3,25×10-4 3,25×10-4 3,25×10-4 3,25×10-4

δ [- ] 0,04 0,03 0,10 0,10

4.5 Entwässerungsszenarien Mit dem geeichten Modell zum Standort Korschenbroich wurden drei Entwässe-rungsszenarien verglichen. Die hydrogeologischen Parameter wurden entsprechend der Ergebnisse der oben beschriebenen Tests festgelegt.

• Szenario 1: Vier Saugbrunnen (S1-S4) klassisch plus Freispiegelleitung

• Szenario 2: Vier Saugbrunnen klassisch (S1-S4) plus zwei DSI-Einheiten des Typs Glindow (G1-G2)

• Szenario 3: Drei DSI-Einheiten des Typs Brandenburg (B1-B3) Im ersten Szenario erfolgt die Entwässerung mit den vier installierten konventionellen Brunnen, S1, S2, S3 and S4, die jeweils mit den Pumpraten 20 m3/h, 25 m3/h, 5 m3/h und 15 m3/h gefahren werden. Das genannte Pumpregime wurde in Kapitel 4.2 schon als klassischer Pumpbetrieb behandelt. Die sich aus der Modellierung erge-benden Iso-Potenziallinien sind in Bild 34, links, dargestellt. Der Grundwasserspiegel am Haus wurde in diesem Szenario um ca. 40 cm abgesenkt. Im zweiten Szenario sind auch die beiden neu installierten DSI-Einheiten des Typs Glindow involviert. Die Pumpraten an den Brunnen S1, S2, S3, S4 entsprechen de-nen des ersten Szenarios, mit einer Gesamt-Pumprate von 65 m3/h. Es wird ange-nommen, dass die beiden DSI-Einheiten mit gleicher Rate infiltrieren. Die Ergebnisse dieses Szenarios sind in Bild 34, Mitte, graphisch dargestellt. Die Infiltration an den DSI-Einheiten führt zu einer verminderten Effektivität der Maßnahme, was die Ab-senkung angeht. Die Absenkung am Haus beträgt in etwa 30 cm. Im dritten Szenario werden drei DSI-Einheiten vom Typ Brandenburg zur Entwässe-rung eingesetzt. Zum Vergleich mit den vorherigen Szenarien wurde mit 65 m3/h die gleiche Gesamt-Pumprate angenommen, die sich auf die drei Brunnen gleichmäßig verteilt. Das geförderte Wasser wird in größerer Tiefe reinfiltriert. Die Ergebnisse der Modellierung sind Bild 34, rechts, dargestellt. Die Absenkung ist deutlich geringer als bei den ersten beiden Szenarien. Wie erwartet, erfordert der Einsatz der DSI-Technik erhöhte Gesamt-Pumpraten.


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Bild 34: Entwässerungs-Szenarien mit gleicher Pumprate für den Standort Korschenbroich, links: Szenario 1, Mitte: Szenario 2, rechts: Szenario 3.

Der Vergleich der Rechnungen zeigt, dass bei gleicher Gesamt-Pumprate die größte Absenkung erwartungsgemäß beim klassischer Pumpbetrieb erreicht wird. Das be-deutet, dass bei Einsatz von DSI-Einheiten mit höheren Raten gepumpt werden muss, um die gleiche Absenkung zu erreichen. Zur Vermeidung von negativen öko-logischen oder ökonomischen Nachteilen der konventionellen Methode, scheint am Standort Korschenbroich die Variante mit den DSI-Einheiten des Typs Glindow güns-tigster zu sein als die Variante mit den DSI-Einheiten des Typs Brandenburg, da die im Vergleich zu Szenario 1 reduzierte Absenkung geringer ausfällt. Es soll noch erwähnt werden, dass die Absenkung der DSI-Einheiten vom Typ Bran-denburg noch deutlich erhöht werden kann, wenn die Installation entsprechend aus-gelegt wird. Eine Sensitivitätsanalyse bzgl. dieser DSI-Einheit erfolgt in Kapitel 5.3 unten. Szenario 3 beinhaltet lediglich drei Brunnen, während in den Szenarien 1 und 2, vier bzw. sechs Bohrlöcher benötigen. Dies zeigt, dass die Installation für Szenario 3 den geringsten Aufwand erforderlich machen würde, wenn die Anlage nur dafür ausge-legt werden würde, und dass für die DSI-Einheiten des Typs Brandenburg noch Spielraum existiert, um bei gleichem Aufwand ähnliche Absenkungen zu erreichen, wie in den beiden anderen Szenarien. Eine Umweltbilanz für unterschiedliche Entwässerungsszenarien für den Standort Korschenbroich erfolgt in Kapitel 6 [Sch13]. Um die Absenkung bei einer Installation mit DSI-Einheiten des Typs Brandenburg zu erhöhen, werden dort der in Szenario 3 betrachteten Anlage zwei weitere Einheiten hinzugefügt – d.h. insgesamt 5 DSI-Einheiten vom Typ Brandenburg.


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5 Modellierung Zum Verständnis der Parameterabhängigkeiten der DSI-Einheiten wurden umfang-reiche Modellierungsarbeiten innerhalb des Projekts durchgeführt. Daneben wurden Modelle zur Begleitung der Feldmessungen an den Versuchsstandorten erstellt. Mit den Computermodellen werden die hydraulischen Verhältnisse im Aquifer in der Betriebsphase nachgebildet. Für sämtliche Modellierungsarbeiten wurde wie vorgesehen, die Software COMSOL Multiphysics [Com13] verwendet. Diese basiert auf der Methode der Finiten Elemen-te zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen. In den hier verwendeten Model-len wird die Strömungsgleichung gelöst, die sich aus dem Prinzip der Massenerhal-tung und dem Darcy-Gesetz ergibt (s. Verzeichnis von Begriffen und Definitionen, [Bea87], [Hol12]). Die Modellierungen folgen den Ansätzen, die in der Phase 1 des Projekts erstellt und dort beschrieben wurden [Dsi12]. Daher soll an dieser Stelle auf die Grundlagen nicht im Einzelnen eingegangen werden, sondern nur auf wenige wesentliche Aspekte hingewiesen werden. Die Referenz-Parameter sind in Tabelle 6 zusammengefasst. Tabelle 6: Geometrische und physikalische Parameter des Referenzmodells

Parameter Wert Parameterbereich für Sensitivitätsanalyse Einheit

Brunnenradius 0,10 m

Brunnentiefe 20 m

Modellänge 50 m

Aquifertiefe 30 m

Entnahmehorizont (u. GOK) 5-7 m

Infiltrationshorizont (u. GOK) 8-10 8 - 18 m

Filterstrecke Entnahme 2 m

Filterstrecke Infiltration 2 m

Pump-/Infiltrationsrate 20 20 - 40 m3/h

Hydraulische Leitfähigkeit 1·10-3 1·10-3 - 5·10-3 m/s

Anisotropie 1 0,1 – 0,5 -

Grundwasser Fließgeschwindigkeit 0 1·10-6 - 1·10-7 m/s

Für die standortunabhängigen Parameterstudien wurde im Wesentlichen ein 2D Modell mit radialer Geometrie verwendet. Dieses behandelt einen Vertikalschnitt durch den Grundwasserleiter mit dem Rohr eines Einzel-Brunnens als innerem Rand. In diesem Modell, das als Referenz für die Parameterstudien dient, ist eine regionale Hintergrundströmung des Grundwassers nicht berücksichtigt. Für die Variation der Grundwasser-Fließgeschwindigkeit wurde ein 3D Modell erstellt.


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In allen Modellen wird die Absenkung des Grundwasserspiegels explizit mit dem ALE-Ansatz (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian) berechnet. Eine detaillierte Beschrei-bung und Erprobung dieser Methode ist in [Jin14] dokumentiert. Gegenüber klassi-schen Modellansätzen wird hier nicht von der Dupuit-Annahme einer im Wesentli-chen horizontalen Strömung ausgegangen. Grundwasserspiegel und Finite Element Gitter werden entsprechend der hydraulischen Verhältnisse verschoben. Das Mo-dellgebiet ist nicht fest; es handelt sich um ein freies Randwertproblem. Auch die Randbedingungen am Brunnenrand werden, wie schon in Projektphase 1 beschrieben, behandelt. Es wird dort eine Neumann-Randbedingung angesetzt, d.h. die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Kante vorgeschrieben. Die Ge-schwindigkeit variiert mit der Tiefe und zwar in Abhängigkeit von der Aufhängung der Pumpe und der Lage der Filterstrecken. Sie nähert sich einem maximalen positiven Wert am Infiltrationshorizont und einem minimalen negativen Wert am Pumphorizont. Im 3D Modell zur Variation der Geschwindigkeiten wurde am Einstromrand eine Geschwindigkeit vorgeschrieben (Neumann Randbedingung) und am Ausstromrand eine Piezometerhöhe angenommen (Dirichlet-Randbedingung).

5.1 3D Modell-Aufbau und Vergleich mit 2D Modell In Projektphase 1 wurde für die DSI-Einheit vom Typ Brandenburg ein 2D-Modell in Zylinderkoordinaten aufgesetzt, das hier weiter als Referenz für weitere Rechnungen und Parametervariationen dient. Das 2D Referenzmodell behandelt einen Vertikal-schnitt durch einen ungespannten Aquifer mit einer Länge von 50 m und einer Höhe von 30 m (siehe Bild 35). Das Modellgebiet, für das die Grundwassergleichung gelöst wird, umfasst lediglich den gesättigten Bereich der durchlässigen Schicht, d.h. der Grundwasserspiegel ist die obere Modellgrenze. Die undurchlässige Basis des Aquifers bildet die Untergrenze des Modellgebiets. Das Bohrloch, im Bild rechts dargestellt, ist in Teilbereiche mit Entnahme und Infiltration eingeteilt, wobei die Flussrandbedingung dort tiefenabhängig variiert [Dsi12]. In den Simulationen werden die Grundwasserströmung sowie die Absenkung (bzw. Wiederanstieg nach dem Abschalten der Pumpen) des Grundwasserspiegels simul-tan berechnet. Dabei wird die ALE Methode angewandt, wobei das Finite Element Gitter (im Bild 35 in der Graphik links) sich mit der Modellgrenze bewegt, also nicht raumfest ist. Ein typisches Ergebnis einer Rechnung für eine DSI-Einheit des Typs Brandenburg (Pumpen und Infiltration) sieht man auf der rechten Seite des Bildes. Die Verteilung von Piezometerhöhe (oder hydraulische Höhe) im Modellgebiet ist farblich und durch Isohypsen dargestellt. Das sich daraus ergebende Geschwindigkeitsfeld ist durch Pfeile angedeutet, wobei die Pfeilgröße zur Geschwindigkeitsgröße proportional ist.


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Bild 35: 2D Modell-Aufbau (Geometrie, s. Bericht zu Phase 1 [DSI12])

Deutlich ist die durch das Pumpregime induzierte Geschwindigkeitszirkulation zu erkennen. Die Geschwindigkeiten klingen mit dem Abstand vom Brunnen stark ab. Im oberen Teil der Graphik ist der abgesenkte Grundwasserspiegel gezeigt. Die Absenkung erreicht in diesem Fall einen Maximalwert von annähernd 2 m an der Brunnenkante. Mehr Details finden sich in: [Hol11a], [Hol11b], [Jin 11], [Jin12c] [Han12a], und [Han12b]. In den meisten Anwendungsfällen kann das mathematische Problem nicht auf den 2D Fall reduziert werden. Die Gründe dafür können unterschiedlich sein: Inhomoge-nitäten, das Vorhandensein einer Grundwasserströmung sowie die Berücksichtigung mehrerer Brunnen sind die Hauptursachen dafür, dass die Modellierung allein mit einem 3D Ansatz bewerkstelligt werden kann. In Projektphase 2 wurde daher das Referenzmodell für die DSI-Einheit vom Typ Brandenburg auf 3D erweitert. Zum Test wurden die Ergebnisse von 2D und 3D Modellen verglichen. Der Aufbau des 3D Modells mit Finite Element Gitter ist in Bild 36 dargestellt. Zum Vergleich mit dem 2D Referenzmodell wurde die Geometrie möglichst einfach ge-wählt. Modellgebiet ist ein Zylinder um den Brunnen mit Radius von 50 m und einer Höhe von 30 m. In der Mitte befindet sich die DSI-Einheit vom Typ Brandenburg, die sich, wie beim 2D Modell in einen Pump- und einen Infiltrations-Bereich einteilt. Die Oberfläche des Modellgebiets ist durch den (variablen) Grundwasserspiegel gege-ben.


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Bild 36: 3D Modell-Aufbau und Finite Element Gitter

Bild 37 zeigt Ergebnisse des 3D-Modells in einem Vertikalschnitt mit DSI Brunnen in der Mitte. Der Vertikalschnitt zeigt die Verteilung der hydraulischen Höhe im Aquifer. Unterdrücke im Pumpbereich sind blau, Überdrücke im Infiltrationsbereich rot gefärbt. Für das gezeigte Szenario lag keine Grundwasserströmung vor, was im einheitlichen Grün im weiteren Umfeld des Brunnens zu erkennen ist. Im oberen Teil des Bildes ist der abgesenkte Grundwasserspiegel deutlich zu erkennen.

Bild 37: 3D-Modell-Ergebnis (Isolinien - gefüllt, Geschwindigkeit - Vektoren) [Jin13]

Das 2D-zylindersymmetrische und das 3D-Modell für eine DSI-Einheit des Typs Brandenburg wurden miteinander verglichen. Das ungespannte Grundwasser ist isotrop und homogen mit einer Durchlässigkeit von 10-3 m/s. In einer Teufe von 5 m wird mit einer Rate von 20 m3/h gefördert und in einer Teufe von 8 m mit derselben Rate infiltriert.


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Es zeigte sich, dass die Berechnungen mit beiden Modellen nahezu identische Er-gebnisse lieferten. Wie zu erwarten zeigen sich die größten Unterschiede in einem sehr kleinen Bereich in unmittelbarer Brunnennähe, während die Ergebnisse sonst fast identisch sind und im Bereich >0.5 m Brunnenabstand kaum noch erkennbar sind. Die Unterschiede sind darauf zurückzuführen, dass die im 2D Modell in Brun-nennähe vorgenommene extreme Gitterverfeinerung im 3D Modell nicht möglich ist. Im 2D Modell wurde eine Verfeinerung bis 0,01 m gewählt; im 3D konnten nur Ele-mente von 0,15 m verwendet werden, um die Rechnerressourcen nicht überzustra-pazieren. Zum Vergleich: die Anzahl der Freiheitsgrade im 2D Modell beträgt 15204, liegt aber im 3D Modell aber mit 245920 um eine Größenordnung höher. Der Vergleich zwischen den 2D und 3D Modellen zeigt, dass die Ergebnisse lediglich marginale Unterschiede aufweisen. Für einen Einzelbrunnen in einem geologischen Umfeld ohne Richtungsabhängigkeiten ist der 2D-axisymmetrische Ansatz von Vor-teil gegenüber dem aufwendigeren 3D Ansatz, der höhere Rechnerressourcen an Rechenzeit und Speicherplatz erfordert. Da daher im 2D Ansatz auch eine größere Verfeinerung des FE-Gitters im direkten Umfeld des Bohrlochs möglich ist, sind dort genauere Ergebnisse zu erwarten, als im 3D Modell. Die Einschränkungen des 2D Ansatzes sprechen allerdings i. A. für den 3D Ansatz. Eine regionale Grundwasserströmung kann nur im 3D Modell berücksichtigt werden, wie auch Richtungsabhängigkeiten bei Inhomogenitäten. Auch wenn eine Installation mit mehreren Brunnen behandelt werden soll, kann das nur im 3D-Ansatz gesche-hen. Auch komplexe Geometrien, z.B. aufgrund äußerer Randbedingungen oder geologischer Verwerfungen o. ä., können nur im 3D Modell berücksichtigt werden. Selbstverständlich sind die Anforderungen an Computerressourcen im 3D Fall höher als im 2D Fall, wenn auch nur eine annähernd gleiche Genauigkeit erreicht werden soll. Besonders kritisch ist es an den Bohrlochrändern, wo starke Verfeinerungen der FE-Gitter nötig sind. Es zeigte sich hierbei, dass es günstiger ist, adaptive Gitter-Verfeinerungen von der Software selbst bestimmen zu lassen, als sie manuell vorzu-nehmen.

5.2 Modell Verifizierung Zur Verifizierung des Modells wurde auch ein Vergleich mit der klassischen Pumpversuchsauswertung vorgenommen. Die Untersuchung mit den Thiemschen Kurven für gespannte und ungespannte Grundwasserleiter [Hol12] zeigte gute Über-stimmungen (siehe Bild 38), soweit diese zwischen einem vereinfachten 1D-Ansatz und einem mehrdimensionalen Ansatz möglich sind. Mit einem 1D-Ansatz können natürlich Details eines 2D-Ansatzes nicht nachgebildet werden, aber im Grenzfall (Mächtigkeit -> unendlich) sollten die Ergebnisse übereinstimmen (was sie auch tun). Im Bild ist die analytische Lösung (Thiem-Gleichung) zu sehen, im Vergleich mit der tiefenaufgelösten Modellierung in drei Tiefen: z/D=0 repräsentiert den Grundwasser-spiegel, z/D=-1 die Basis, und z/D=-0,5 die Aquifermitte. Die Differenzen zwischen analytischer und numerischer Lösung in unterschiedlichen Tiefenhorizonten sind auf der rechten Seite des Diagramms aufgetragen. Wie zu erwarten, sind die Differenzen in Brunnennähe am höchsten und verringern sich mit dem Brunnenabstand. Erwar-tungsgemäß ist die Absenkung an der Aquiferbasis niedriger als die mittlere Absen-kung und am Grundwasserspiegel höher [Jin12a], [Jin14].


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Bild 38: Vergleich der Piezometerhöhe im 2D Modell mit Thiemschen Typ-Kurven.

Besonders aufschlussreich ist die Abhängigkeit von der Anisotropie, die bei der klas-sischen Pumpversuchsauswertung aufgrund des 1D-Ansatzes nicht eingeht. In COMSOL Multiphysics kann die Anisotropie durch entsprechende Belegung des Durchlässigkeitstensors berücksichtigt werden. In Bild 39 zeigen wir den Einfluss der Anisotropie auf die Absenkung des Grundwasserspiegels an einem Beispiel. Als Maß der Anisotropie wurde das Verhältnis der Durchlässigkeit in vertikaler Rich-tung Kz zur Durchlässigkeit in horizontaler Richtung Kr , also der Anisotropie-faktor Kz/Kr. Für unsere Untersuchungen wurden die Anisotropie-Faktoren 0,1, 0,2, 0,3 gewählt und die Ergebnisse mit dem isotropen Fall (Kz/Kr=1) verglichen. Dabei wurde Kr=10-3 m/s konstant gehalten und Kz variiert. Die Ergebnisse dieser Studien sind in einem Artikel zusammengefasst, der in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht ist [Jin14].


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Bild 39: Einfluss der Anisotropie beim konventionellen Absenk-Verfahren des Abpumpens

5.3 Sensitivitätsanalyse Für die DSI-Einheit des Typs Brandenburg wurden mit den erstellten Modellansätzen umfangreiche Untersuchungen zur Parameterabhängigkeit durchgeführt. Aus der Kenntnis der Parametersensitivität lassen sich für die Anwendung dieses Verfahrens der Wasserförderung und –infiltration Optimierungen ableiten und Anwendungsgren-zen erkennen. Auch lassen sich für vorgegebene hydrogeologische Parameter Ab-senkungen berechnen.

5.3.1 Absenkung von DSI-Brunnen und konventionellen Brunnen In Bild 40 wird die Absenkung einer DSI Einheit des Typs Brandenburg mit der 'klas-sischen' Methode der alleinigen Förderung an einem Einzelbrunnen verglichen. Der Aquifer ist in diesem Fall als homogen und isotrop angenommen. Die hydraulische Durchlässigkeit beträgt 1·10-3 m/s. Gefördert wird mit einer Rate von 20 m3/h mit einer Pumpe, die in 5 m Tiefe hängt. Der Brunnen ist durchgängig verfiltert. Die Ab-senkung für den reinen Förderfall (Infiltrationsrate 0 m3/h) ist im Bild mit Markern dargestellt. Im Falle der DSI-Einheit wurde das gesamte geförderte Wasser in 8 m Tiefe reinfiltriert. Bild 40 zeigt, dass die Absenkung in unmittelbarer Brunnennähe für den hier betrach-teten DSI-Fall lediglich die Hälfte der Absenkung des reinen Pumpens beträgt. Wenn an einem Standort eine größere Absenkung erforderlich ist, muss bei einer DSI-Einheit von einer erhöhten Pumprate ausgegangen werden. Darüber hinaus zeigt Bild 40 deutlich, dass bei DSI der Absenktrichter lokal begrenzter ist, als bei der konventionellen Technik.


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Bild 40: Vergleich der Absenktrichter bei DSI-Einheit vom Typ Brandenburg und konventionel-lem Verfahren ohne Infiltration bei gleicher Pumprate; für einen homogenen und isotropen Aquifer

Weitere Modelluntersuchungen betreffen die Absenkung bei mehreren Brunnen. In einer einfachen Konstellation wurde die Entwässerung durch drei DSI-Einheiten des Typs Brandenburg mit derjenigen von drei konventionellen Brunnen verglichen. Der Abstand der Einheiten beträgt in beiden Fällen 5 m. Der Ausbau der Einheiten sowie die geologischen Parameter folgen denen die in den oben beschriebenen Ein-Bohrloch Modellen verwendet wurden. Bild 41 zeigt das Absenkungsfeld für beide genannten Situationen. Offenbar ist der gesamte Absenktrichter bei der konventionellen Methode weit größer als bei den DSI-Einheiten. Auf der anderen Seite ist die Absenkung zwischen den Brunnen bei der DSI-Installation nur geringfügig geringer als bei der Vergleichs-Anlage. Der steile-re Absenktrichter bei DSI zeigt sich im Wesentlichen nach außen, während im Inne-ren, wo ein Absenkziel zu erreichen ist, die Unterschiede weit geringer ausfallen. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass mit DSI-Brunnen eine Absenkungsfläche weit bes-ser 'maßgeschneidert' werden können und dass bei richtiger Auslegung der DSI-Installation die Absenkung außerhalb der Zielfläche weit geringer ist. Aus der Sicht des Umweltschutzes ist neben dem grundsätzlichen Vorteil, dass keine Nettoentnahme erfolgt, die stärkere Begrenzung der Absenkung positiv zu beurteilen. Da die Änderung des Grundwasserspiegels im mittleren und weiteren Umfeld eines Brunnens bei der DSI geringer ausfällt, wird das Umfeld und das damit zusammen-hängende Ökosystem dort weniger betroffen sein.


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Bild 41: Vergleich der Absenktrichter bei drei DSI-Einheit vom Typ Brandenburg und konventi-onellem Verfahren: a) Horizontalschnitte und b) Vertikalschnitte [Jin13]


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5.3.2 Sensitivitätsanalyse zur Dimensionierung Die Absenkung an der DSI-Einheit des Typs Brandenburg wird durch verschiedene Parameter beeinflusst. Im Folgenden werden die Parameter Infiltrationstiefe und Pumprate betrachtet. Die Sensitivität bzgl. dieser Parameter ist in Bild 42 dargestellt.

Bild 42: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. a) Infiltrati-onstiefe; b) Pump-/Infiltrationsrate; untere Kurve für konventionelle Absenkung bei gleicher Pumprate, zum Vergleich

Die hydraulischen Parameter und der Brunnenausbau wurden wie oben gewählt. Variiert wurde lediglich der Infiltrationshorizont, der bei den dargestellten Ergebnis-sen vom 8 m bis 20 m gewählt wurde. Deutlich zeigt sich, dass sich die Absenkung im direkten Brunnenumfeld an die Absenkung für den reinen Förderfall annähert. Qualitativ ist dies ein zu erwartendes Ergebnis, da der störende Einfluss der Infiltrati-on in größere Tiefe und Ferne gerückt wird. Was die Form des Absenktrichters beim


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DSI-Verfahren betrifft, ist die Konvergenz zum klassischen Fall weniger deutlich, wie Bild 42 (a) zeigt. Auch diese Resultate sind für den Einsatz von DSI-Verfahren positiv zu beurteilen. Durch entsprechende Wahl der Infiltrationstiefe lässt sich die ge-wünschte Absenkung im Nahbereich stark beeinflussen, während die nicht ge-wünschte Absenkung im weiteren Umfeld begrenzt bleibt. In der Praxis muss sich diese natürlich am Brunnenausbau, d.h. der Lage der Filter-strecken orientieren. Allerdings lässt sich für die Planung des Brunnenausbaus hie-raus ableiten, dass der Brunnen nach unten möglichst tief verfiltert werden sollte, um sich Optionen für die Änderung der Infiltrationstiefe nach Fertigstellung des Brunnens offen zu halten. Des Weiteren wurde der Einfluss von Pump- und Infiltrationsraten auf die Grundwas-serabsenkung untersucht. Für den weiterhin betrachten DSI Typ Brandenburg ist die typische Änderung des Absenktrichters in Bild 42 (b) dargestellt, wobei für die Simu-lationsrechnungen die oben genannten Referenzparameter gewählt wurden. Wie zu erwarten vertieft sich die Absenkung mit steigender Pumprate. Wiederum zeigt sich, dass der Betrag der Absenkung in unmittelbarer Brunnennähe stark durch die För-derrate beeinflusst wird, während aber die begrenzte Form des Absenktrichters weit-gehend erhalten bleibt. Zum Vergleich ist die Vergleichskurve für den konventionel-len Fall des Abpumpens ohne Infiltration im Bild dargestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die DSI-Einheit des Typs Brandenburg engere Absenktrichter erzeugt. Das Absenken des Infiltrationspunkts sowie die Erhö-hung der Förder- und Injektionsrate führen zu tieferen und weiter ausgedehnten Absenktrichtern. Bei entsprechender Anpassung lässt sich mit der DSI-Einheit des Typs Brandenburg im homogenen Untergrund die gleiche Absenkung erreichen, allerdings mit einer im Vergleich zur konventionellen Technik verkleinerten Reichwei-te.

5.3.3 Sensitivitätsanalyse bzgl. der hydrogeologischen Parameter Zuerst wurde der Einfluss der hydraulischen Durchlässigkeit auf die Absenkung un-tersucht. Typische Ergebnisse sind in Bild 43 (a) dargestellt. In durchlässigen Böden ist die Absenkung geringer als in undurchlässigeren Böden. Die Absenkung ist um-gekehrt proportional zur Durchlässigkeit des porösen Mediums. Die Ergebnisse zei-gen, dass dies in Analogie zum konventionellen Verfahren auch für die DSI gilt. Die-se typische Abhängigkeit von der Durchlässigkeit ist bei DSI ebenso zu beachten, wie bei anderen Verfahren. Die Modellrechnungen erfüllen diesbezüglich unsere Erwartungen. Weiterhin wurde die Abhängigkeit von Anisotropie des Aquifers untersucht. Der typi-sche Einfluss auf den Absenktrichter ist in Bild 43 aufgezeigt. Den Modellrechnungen lagen wiederum die Parameterwerte des genannten Referenzfalls zugrunde. Bild 43 (b) zeigt, dass sich die Absenkung im Nahbereich des Brunnens sich in Abhän-gigkeit der Anisotropie nicht ändert. Allerdings fällt die Form der Absenkkurve deut-lich anders aus. Mit sinkendem Anisotropiefaktor (wie oben definiert) wird der Ab-senktrichter breiter. Der Einfluss der Anisotropie auf die Absenkung im weiteren Umfeld des Brunnens ist deutlich größer als beim konventionellen Verfahren (verglei-che Bild 39). Für den Einsatz der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg in der Praxis lässt sich daraus ableiten, dass die Anisotropie stärker berücksichtigt werden sollte, als beim konventionellen Verfahren.


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Bild 43: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. a) Durch-lässigkeit, b) Aquifer-Anisotropie

Die hier gezeigte Sensitivitätsanalyse behandelt den homogenen Fall. Im Falle von Schichtungen, wie sie ja von DSI-Tests angezeigt werden, müssen die gemachten Aussagen angepasst werden. Deshalb wird im Folgenden im Modell ein Geschichte-ter Grundwasserleiter einer weiteren Studie unterzogen. Der Aquifer ist zweigeteilt, bestehend aus einer DSI-Schicht im unteren Bereich und einer Nicht-DSI-Schicht darüber. Die hydraulische Durchlässigkeit der oberen Schicht ist K1 = 1·10-3 m/s. In den Modellstudien wurde die Durchlässigkeit der DSI-Schicht schrittweise erhöht, bis zu einem 5-fach höheren K-Wert (K2) im Vergleich mit der Nicht-DSI-Schicht. Bild 44 stellt die Absenkung in Abhängigkeit vom Brunnenabstand für 4 unterschiedliche K-Werte der DSI-Schicht dar.


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Bild 44: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. Durchläs-sigkeit in der DSI-Schicht

Es zeigt sich, dass der Einfluss der Durchlässigkeit der DSI-Schicht auf den Absenk-trichter relativ gering ist. Mit steigendem K-Wert werden die Absenkungen leicht flacher. Der Einfluss der DSI-Schicht liegt also in wesentlichen bei der Initiierung der Zirkulation; ihr Einfluss auf die Absenkung selbst ist marginal. Zur weiteren Untersuchung des Einflusses der hydraulischen Durchlässigkeit für den zweigeschichteten Grundwasserleiter wurden die K-Werte in beiden Schichten unter Beibehaltung ihres Verhältnisses variiert. Das Verhältnis der Durchlässigkeit der DSI-Schicht zu derjenigen der umgebenden Schichten wurde mit 3 konstant gehalten,


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während sich die Durchlässigkeit der unteren Schicht von 1×10-3 bis 5×10-3 m/s än-derte. Bild 45 zeigt, die deutliche Auswirkung auf die Absenkung des Wasserspie-gels.

Bild 45: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. Durchläs-sigkeit, mit gleichem Verhältnis der Durchlässigkeiten der beiden Schichten

Die Abhängigkeit der Absenkung an einer DSI-Einheit des Typs Brandenburg von der Grundwasser Fließgeschwindigkeit wurde im 3D Modell untersucht. Dabei wurde eine quadratische Geometrie des Modellgebiets mit einer horizontalen Ausdehnung von 100 m angenommen. An zwei gegenüberliegenden Rändern wurde einmal eine Neumann Randbedingung mit vorgeschriebener Geschwindigkeit (Einstromrand) bzw. eine Dirichlet-Bedingung mit Referenz-Piezometerhöhe angenommen. Alle weiteren hydraulischen und geometrischen Parameter entsprechen denen des Refe-renzmodells. Bild 46 zeigt die vom Modell berechneten Piezometerhöhen an der Modelloberkante längs der Hauptstromlinie vom Einstromrand über den Brunnen bis zum Ausstrom-rand. Die Einzelkurven wurden für unterschiedliche Geschwindigkeitswerte wie in der Legende angegeben berechnet. Mit höherer Geschwindigkeit ergeben sich erwar-tungsgemäß höhere Piezometerhöhen am Einstromrand. Damit sind auch Piezome-terwerte am Brunnen höher.


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Bild 46: Sensitivität der Absenkung bei der DSI-Einheit vom Typ Brandenburg bzgl. der Grund-wasserfließgeschwindigkeit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DSI stark von den lokalen hydrogeologi-schen Gegebenheiten abhängt. Bei gleicher Pumprate implizieren geringere hydrau-lische Leitfähigkeiten größere und tiefere Grundwasserabsenkungen. In einem ge-schichteten Aquifer mit einer durchlässigeren DSI-Schicht erhält man bei gleicher Pumprate tiefere und größere Absenktrichter. Dies kann allerdings durch weitere Schichtungen oberhalb der DSI-Schicht relativiert werden. Die Anisotropie beeinflusst die Reichweite, aber nicht die Tiefe des Absenktrichters einer DSI-Einheit. Grund-wasserströmungen haben einen negativen Einfluss auf die Absenkung. Eine Veröf-fentlichung der Ergebnisse der Sensitivitätsstudien in einem internationalen Journal ist derzeit in Vorbereitung.


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6 Öko-Bilanz Neben der wissenschaftlichen Untersuchung der neuen DSI-Technik wurde in Pha-se 2 des Projekts ein Vergleich mit konventionellen Entwässerungstechniken vorge-nommen. Dabei sollten nicht nur technologische und geologische Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden, sondern auch Umweltaspekte. Zu diesem Zweck wurde eine LCA-Analyse in Auftrag gegeben. In einer LCA (Life Cycle Assessment = Le-benszyklusanalyse)-Analyse, auch bekannt als Ökobilanz), wird eine Komplette Ana-lyse der Umweltauswirkungen einer Technologie, von der Erzeugung bis zur Ver-schrottung, vorgenommen. Kriterien bei der LCA sind Rohstoff- und Energiebedarf sowie ökologische Auswirkungen. Mit der Erstellung der LCA-Analyse zur DSI wurde die Technische Universität Berlin (Fachgebiet Umwelttechnik) beauftragt. Der abschließende Bericht von Scheumann, Berger und Finkbeiner [SCH13] liegt vor und ist im Anhang vollständig beigefügt. Aufgabenstellung war es, zur Untersuchung der vermeintlichen Umweltvorteile der innovativen Düsensauginfiltration (DSI) zur Grundwasserabsenkung eine Ökobilanz des technischen DSI-Verfahrens zu realisieren. Dazu wurde eine konkrete Anwen-dung untersucht, die sich stark an der Pilotanlage in Korschenbroich (s. Kapitel 4) orientiert. Zum Vergleich von Entwässerungsmaßnahmen wurden drei unterschiedliche Szena-rien untersucht (im Bericht als Phasen bezeichnet):

• Szenario 1: Vier Saugbrunnen klassisch, plus Freispiegelleitung o Verfahren: Abpumpen und Einleiten in nahegelegenes Oberflächenge-

wässer

• Szenario 2: Vier Saugbrunnen klassisch plus zwei DSI-Einheiten vom Typ Glindow

o DSI-Verfahren: Absenken und Reinfiltration in einem gewissen Abstand zur Baustelle mit einer zweiten Bohrung

• Szenario 3: Fünf DSI-Einheiten vom Typ Brandenburg o DSI-Verfahren: Absenken und Reinfiltration in einem Bohrloch

Szenario 1 repräsentiert das konventionelle Verfahren, während die Szenarien 2 und 3 Varianten mit DSI-Technik darstellen. Die Szenarien lehnen sich an die Situation in Korschenbroich an, wo wie in Szenario 1 schon vor Projektbeginn vier Saugbrunnen installiert waren. Während der Projektphase wurden dort zwei DSI-Einheiten des Typs Glindow (entsprechend Szenario 2) und drei DSI-Einheiten des Typs Branden-burg hinzugefügt. Modellrechnungen (siehe Kapitel 4.5) haben gezeigt, dass bei gleichen Pumpraten die Installation von Szenario 2 eine leicht reduzierte Absenkung erzeugt. Ebenso wurde durch Modellierung gezeigt, dass drei DSI-Einheiten des Typs Brandenburg bei gleicher Pumprate lediglich eine stark reduzierte Absenkung erreichen. Deshalb wurde in Szenario 3 von einer erhöhten Zahl von fünf DSI-Einheiten des Typs Brandenburg ausgegangen. Diese Installation mit fünf Einheiten stellt kein optimiertes System dar, entspricht aber der z. Zt. üblichen Praxis, bei der bzgl. der neuen Technologie ein größerer Sicherheitsfaktor eingeplant wird. Öko-Kriterien der LCA-Studie sind: Treibhaus- (THP), Versauerungs- (AP), Eutro-phierungs- (EP), Humantoxizitäts- (HP) und Ökotoxizitätspotenzial (ÖP). Damit folgt die Studie dem derzeit üblichen Standard-Vorgehen, bei dem eine Bilanzierung des


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Wasserhaushalts ist kein Kriterium darstellt. Die Belastung wird dabei noch in jeweils vier Gruppen betrachtet, nämlich Herstellung (inkl. Vorkette), Nutzungsphase sowie Gutschriften aus Metallrecycling und aus Kunststoffverwertung. Es werden alle drei Szenarien unter den oben genannten fünf Kriterien innerhalb der vier Gruppen betrachtet und verglichen. Es zeigt sich, dass DSI bzgl. der Herstellung der Komponenten durchweg die geringste Umweltbelastung aufzuweisen hat. Szena-rio 3 (DSI-Einheit vom Typ Brandenburg) schneidet hierbei besser ab als Szenario 2 (DSU-Einheit vom Typ Glindow). Auch bzgl. der Nutzung liegen die Vorteile bei DSI, besonders bei Szenario 3. Lediglich bzgl. der Gutschriften aus Metallrecycling und Kunststoffverwertung weist das konventionelle Verfahren bessere Werte auf als DSI, was wohl darin begründet ist, dass dabei größere Mengen an Material eingesetzt werden müssen. Einen Gesamtüberblick über das Abschneiden der unterschiedli-chen Szenarien bzgl. der Kriterien geben Tabelle 7 und Bild 47. Tabelle 7: Vergleich Ökobilanz für Entwässerungs-Szenarien bzgl. Schädigungspotenzialen

Szenario 1

(konventionell)

2

(DSI Glindow)

3

(DSI Brandenburg)

Treibhauspotenzial 10869 10779 9522

Versauerungspotential 17,44 17,29 15,04

Eutrophierungspotenzial 5,81 5,51 4,73

Humantoxizitätspotenzial 0,0007 0,00078 0,00049

Ökotoxizitätspotenzial 4726 5725 860

Bzgl. des Stromverbrauchs weist die Phase 3 (Typ Brandenburg im Ökobilanzbe-richt) wegen der geringsten hydrostatischen Förderhöhe den kleinsten Wert auf. Dabei ist zu beachten, dass 100% Strombedarf der Förderpumpen angesetzt wur-den. Bei den durchgeführten Pumpversuchen zeigte sich, dass der prozentuale Strombedarf für DSI-Einheiten Typ Brandenburg deutlich niedriger liegt als bei den anderen Varianten. Dies soll in Projektphase 3 zur Absicherung in einem Langzeit-versuch in Korschenbroich überprüft werden. Ziel, auch des eingebundenen Erftver-bands, der Wasserbehörde und der politischen Institutionen, ist es, den Betroffenen ein energetisch und ökologisch zielführendes Verfahren zur Minimierung der Grund-wasserspitzen in den hochwassergefährdeten Gebieten aufzeigen zu können. Mit der in Phase 2 nach den gängigen Richtlinien erstellten Ökobilanz sind die tat-sächlichen Vorteile von DSI nicht umfassend darstellbar. So fallen bei konventionel-len Verfahren in der Regel deutlich höhere Pumpleistungen und Rohrleitungen an, da das Wasser zu einer meist weit entfernten Vorflut abgeleitet werden muss. Der Stromverbrauch bei DSI wird bei einer diesbezüglichen Berücksichtigung gravierend günstiger ausfallen. Darüber hinaus muss aber auch der Wasser- bzw. Trinkwasser-verbrauch bzw. dessen Vermeidung im Rahmen einer 'Water Footprint'-Untersuchung berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere für Regionen mit ausba-lanciertem Wasserhaushalt. Diese unerlässlichen Untersuchungen sind in Phase 3 geplant.


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Auf weitere Einzelheiten soll hier nicht eingegangen werden. Unter Vergleich aller Kriterien gelangt die Studie schließlich zu dem Fazit: ‚Der Vergleich der drei Phasen hat gezeigt, dass das DSI-Verfahren die geringste potenzielle Umweltwirkung hat. Die Belastung aus der Nutzung ist gegenüber den anderen Abschnitten des Produkt-lebenswegs deutlich stärker.’ [Sch13]. Die Studie bestätigt damit die in der Vorphase des Projekts angenommene Vermu-tung, dass DSI ökologische Vorteile gegenüber konventionellen Techniken der GW-Absenkung hat.

Bild 47: Vergleich Ökobilanz für Entwässerungs-Szenarien bzgl. Schädigungspotenzialen

Der ökologische Vorteil der Düsensauginfiltration das Grundwasser zu reinfiltrieren und somit nicht in Oberflächengewässer einzuleiten, kann in einer LCA-Analyse nicht berücksichtigt werden. Es ist zu erwarten, dass unter Berücksichtigung der Wasserbi-lanz bzw. des ‚water footprint’ der festgestellte ökologische Vorteil von DSI noch deutlich größer ausfällt. Dieser Sachverhalt ließe sich in einer Öko-Bilanz-Studie mit erweiterten Wirkungsabschätzungsmodellen, die eine Unterscheidung von Wasserar-ten und -qualitäten ermöglichen, untersuchen.

Szenario 1

Szenario 2

Szenario 3THP/1000AP

EPHP*10000

ÖP/100

0

5

10

15

20


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7 Internationale Kooperation und Publikationen Aus dem Projekt heraus entstanden bereits mehrere Veröffentlichungen. Die DSI-Technik wurde 2013 auf dem Grundwasser-Kolloquium in Braunschweig präsentiert und auf internationalen Konferenzen vorgestellt: auf der WCEUP 2011 in Hangzhou (China) [Hol11a], auf den COMSOL Konferenzen 2011 in Stuttgart [Jin11a], 2012 in Mailand [Jin12a], 2013 in Rotteram [Jin13], der IFDAA in Göttingen [Jin12c], auf der AGU-Konferenz in San Francisco 2012 [Jin2012b] sowie auf mehreren Tagungen der niederländischen Stiftung O2dit (s. u.). Der Beitrag in den COMSOL News fand inter-national Beachtung, was sich durch Nachdrucke in Fachjournalen in Japan [Han12a] und Benelux [Han12b] zeigte. Die numerische Methodik wurde in Computers & Geosciences publiziert [Jin14]. Eine Veröffentlichung zur Parametervariation steht kurz vor der Fertigstellung; eine Studie zur Düsenmodellierung ist in Vorbereitung. Die Arbeitsgruppe hat in der ersten Hälfte des Jahres 2013 Kontakte mit einem Kon-sortium in den Niederlanden aufgenommen, das sich ebenfalls der Untersuchung des DSI-Phänomens verschrieben hat [O2d12]. Bei der Projektdarstellung wurde der Stand der Untersuchungen in Phase 2 dieses Projekts positiv aufgenommen. Es wurde vereinbart, wegen der derzeitigen Unkenntnis der wesentlichen physikalischen Prozesse am DSI-Punkt sowie der Komplexität des DSI-Phänomens, die For-schungsarbeiten in beiden Ländern abzustimmen, um Doppelung der Forschung zu vermeiden und um eine größere Datenbasis zu erhalten. Außerdem ergibt sich damit die Gelegenheit, dass sich jede Gruppe mit ihren Stärken besser einbringen kann. Einen ersten Ansatz bilden die DSI-Punkt Tests, die von Hölscher Wasserbau an Standorten im Nachbarland durchgeführt wurden.


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8 Fazit und Empfehlungen Das Projekt Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten sowie Umwelt und Ressourcen schonenden Grundwasserabsenkung beinhaltet Arbeiten an Feld-standorten, Aufbau einer Pilotanlage sowie numerische Modellierungsarbeiten. In allen drei Bereichen wurden die in Phase 1 begonnenen Arbeiten fortgesetzt und erweitert. Feldversuche In der Phase 2 wurden Bedingungen und Anforderungen, sowohl die orts-spezifischen hydrogeologischen Verhältnisse wie auch die technische Installation betreffend, für einen erfolgreichen Einsatz der DSI-Technik untersucht und quantifi-ziert. Dazu wurden am Test-Standort in Plötzin, wie auch an der Pilotanlage in Kor-schenbroich weitere Feldversuche durchgeführt und eine Datengrundlage für Model-lierungen und Auswertungen geschaffen. Weitere Tests sind vorgesehen. Aquifer Modellierung Die im Projekt durchgeführten Feldversuche wurden mit Modellierungsarbeiten be-gleitet und ausgewertet. Dabei wurde der in Phase 1 entwickelte und verifizierte numerische Ansatz (FE + ALE, siehe [Jin14]) in weiteren Modellierungen und Para-meterstudien angewandt. Die standort-unabhängigen Studien zur Parameter-Sensitivität weisen die Abhängig-keiten des Einsatzes der DSI Technik bezüglich der Beschaffenheit des Untergrunds sowie der technischen Auslegung von Wasserförderung und Infiltration, nach. Daraus ergeben sich Leitlinien dafür, welche Parameter für den praktischen Einsatz von Bedeutung sind und in welcher Größenordnung der Parametereinfluß liegt. Eine Veröffentlichung zu den Parameterstudien wird in Kürze fertiggestellt. Modellrechnungen zum Vergleich der DSI-Technik mit dem konventionellen Abpum-pen ergaben, dass für die gleiche Absenkung im direkten Brunnenumfeld eine erhöh-te Pumpleistung erforderlich ist. Die Höhe hängt von den hydrogeologischen Bedin-gungen am Standort und der Dimensionierung der DSI-Einheit ab. Bei identischer Entnahmetiefe und Förderrate ist an Standorten mit geringer Durchlässigkeit die Absenkung des klassischen Entnahmebrunnens tiefer und weitreichender. Die Aqui-fer-Anisotropie hat keinen Einfluss auf die maximale Tiefe der Absenkung. Wohl aber verbreitert sich mit erhöhter Anisotropie der Absenktrichter. Auch der technische Ausbau des Brunnens, insbesondere der Filterstrecken, sind von Bedeutung. Eine Erhöhung der Pumprate bewirkt eine größere Absenkung, was durch Modellrechnungen quantifiziert werden kann. Die Absenkung des Grundwas-serspiegels fällt bei Tieferlegung des Infiltrationshorizonts höher aus, wodurch es möglich ist, die Leistungsfähigkeit der DSI-Einheit im Vergleich zur konventionellen Technologie zu erhöhen, sofern die geologischen Bedingungen gegeben sind. Die Modellrechnungen zeigen darüber hinaus, dass bei der DSI Technik der Absenk-trichter steiler ist als bei konventioneller Technik. Da die Absenkung im Umfeld der Maßnahme bei DSI-Einsatz geringer abfällt, ist DSI bzgl. der Umweltverträglichkeit als positiv zu beurteilen. Eine Modellstudie zeigt, dass bei geeigneter Auslegung der Anlage sich die größere Steilheit der Absenktrichter im Nahfeld kaum negativ aus-wirkt.


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Die gewählten Modellansätze und digitalen Modelle bilden die Grundlagen, um Grundwasserverluste bei Bauvorhaben vermeiden und Grundwasservorkommen anreichern oder modulieren zu können. DSI-Tests Zur Durchführung von DSI-Tests kam ein in Phase 1 von der Firma Nordmeyer GmbH speziell entwickeltes Bohrgerät an mehreren Standorten zum Einsatz. Bei den Messungen am Test-Standort Plötzin wurden DSI-Punkte gefunden und darauf auf-bauende Versuche zur Infiltration durchgeführt. Darüber hinaus wurden in Phase 2 mit einem weiterentwickeltem Gerät mit erweiterter DSI-Bohrdatenerfassung auch an anderen Standorten im In- und Ausland hochauflösende DSI-Infiltrationsversuche durchgeführt und dokumentiert. Zur technischen Weiterentwicklung der Bohr- und Messtechnik bei der Herstellung der DSI-Einheiten wurde wegen der Insolvenz des früheren Partners Nordmeyer mit der Fa. Geotec Bohrtechnik GmbH eine Kooperati-on vereinbart. Entscheidend zur Beurteilung des DSI-Phänomens ist die exakte Erfassung aller spezifischen Daten (Bohrtiefe, Pumprate, Druck, etc.) während des Bohrvorgangs, insbesondere wenn der DSI-Punkt erreicht wird. Lokale Inhomogenitäten sind eine wesentliche notwendige Bedingung für das DSI-Phänomen. Auswertungen der Messdaten der DSI-Versuche am Test-Standort Plötzin zeigen auch hier, dass für das Auftreten des DSI-Effekts schon relativ gering-mächtige Schichten mit moderat erhöhter Durchlässigkeit ausreichen. Das ergibt sich aus theoretischen Ableitungen, als auch aus numerischen Rechnungen und wird am Standort Plötzin durch erste 'direct push' Messungen bestätigt∗. Die DSI-Experimente sollen in Phase 3 fortgeführt und erweitert werden. Vor allem sollen sie durch detailliertere Zusatzmessungen betreffs der Beschaffenheit des Untergrunds komplettiert werden. In Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen sind 'direct push' Tests des UFZ (Umweltforschungszentrum) Leipzig bereits erfolgt, und sollen ausgewertet werden. Messungen von FUGRO [Fug13] sind in Planung. Nur durch solche detaillierteren Tests kann eine genauere Zuordnung der lokalen Charakteristika des porösen Mediums im Untergrund und des Phänomens DSI her-gestellt werden. Die weiteren Untersuchungen zum DSI-Punkt eröffnen die Chance das Phänomen DSI in der Initiierungsphase, dessen zugrundeliegende Physik bisher noch nicht bekannt ist, zu klären. Neben neuen Messungen sind dazu Erweiterungen bzw. Kopplungen der bisherigen Modellansätze notwendig. Einen Ansatzpunkt zeigen die erfolgreichen CFD Modellrechnungen zur Düse (s.u.). Vorgesehen ist die Kopplung eines Bohrloch-Modells mit einem Modell des umgebenden porösen Mediums. Auch nicht-lineare Strömungsansätze für die Turbulenz in porösen Medien [Lem12] können dann berücksichtigt werden. Derartige Kopplungen und Erweiterungen sind mit den in Phase 1 und 2 gewählten Ansätzen und Modellen machbar (COMSOL Multiphy-sics [Com13]). Düsen-Modellierung In Phase 2 wurden erste Modellierungen zu den hydraulischen Verhältnissen im Bohrloch erprobt. Auf der Grundlage einer vergleichenden Studie zu Düsenform und -geometrie wurde ein CFD (Computational Fluid Dynamics) Modell erstellt. Rechnun- ∗ Letztere sind im Bericht nicht dokumentiert, da sie außerhalb von Phase 2 mit Partnern (UFZ Leipzig) durchgeführt wurden.


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gen mit dem k-ε Ansatz zeigen, dass selbst turbulente Strömungen im unmittelbaren Umfeld der Düse nachgebildet werden können. In Phase 3 soll dieses Modell, das bisher lediglich für einen einfachen Düsentyp getestet wurde, zur Untersuchung weiterer Düsentypen eingesetzt werden. Weiterhin sollen damit Parameterstudien zur Düsengeometrie und –form durchgeführt werden. Ins Auge gefasst ist auch die Kopplung des Düsenmodells mit einem Aquifermodell, um die Vorgänge beim Übergang vom Bohrloch ins poröse Medium erfassen zu können. Pilotanlage Neue Pump- und Infiltrationstests am Standort der Pilotanlage in Korschenbroich wurden mittels eines 3D-Modells ausgewertet und weisen ebenfalls auf eine nur moderat höhere Durchlässigkeit der DSI-Schicht hin. Die Mess-Kampagne am Standort Korschenbroich ist mit Ende von Projektphase 2 nicht abgeschlossen, da aufgrund geringer Grundwasserstände die installierte DSI-Anlage noch nicht zum Echtzeit-Einsatz kam. Ein solcher sollte in Phase 3 abgewartet werden. Öko-Bilanz Die Ergebnisse der in Auftrag gegebenen Ökobilanz, bzw. Umwelt- Energiebilanz, sollen in Phase 3 weiter vertieft werden, da insbesondere eine geeignete Berücksich-tigung der Wasserbilanz im Rahmen des Standard-Verfahrens nicht möglich bzw. vorgesehen ist. Da sich das DSI-Verfahren aber gerade in Hinsicht auf die Wasserbi-lanz positiv von herkömmlichen Verfahren unterscheidet, sollte zu einer gerechteren Beurteilung ein erweitertes Öko-Gutachtens unter Berücksichtigung der Wasserbi-lanz erstellt werden. Für Phase 3 ist geplant, durch eine in dieser Hinsicht erweiterte Studie zu reelleren Beurteilungen zu gelangen. Internationale Kontakte und Publikationen Auch die Kontakte mit den Forschergruppen in den Niederlanden eröffnen neue Perspektiven. In Phase 3 soll eine Zusammenarbeit mit dem genannten Konsortium [O2d12], in dem sich mehrere Aktive des Brunnenbaus in den Niederlanden zusam-mengeschlossen haben, etabliert werden. Dazu gehört die gemeinsame Auswertung von Messergebnissen sowie die Abstimmung der Modellierungsarbeiten, um Doppe-lungen zu vermeiden. Es ergibt sich damit auch die Möglichkeit, Zugriff auf Messwer-te von DSI-Experimenten (auch zukünftigen) im Nachbarland zu erhalten. Über das Konsortium wurden Kontakte zu Wissenschaftlern an Universitäten (TU Delft, Univer-siteit Utrecht) geknüpft, aus denen sich Möglichkeiten einer Zusammenarbeit auf akademischer Ebene ergeben. Ebenfalls über das Konsortium entstand bereits eine Kooperation mit der niederländischen FUGRO [Fug13], die als Ergänzung der bishe-rigen Arbeiten am Standort Plötzin dort mit weiteren direct-push Methoden tätig wer-den will. In Phase 3 sollen weitere Publikationen folgen, um die DSI-Technik mit ihren ökolo-gischen Vorteilen auch einem weiteren Publikum bekannt zu machen und um offene Aspekte bzgl. der neuen Technik aufzuklären.


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Anhang: Innovative Düsensauginfiltration (DSI), Abschlussbericht Phase 2

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Anhänge

Anhang 1: Öko-Bilanz- Gutachten TU Berlin [Sch13]


Seite A2

Anhang 2: Projektveröffentlichung in International Journal of En-vironmental Protection

[Hol11b]


Seite A3

Anhang 3: Projektveröffentlichung in Journal of Computers & Geosciences [Jin14]


Seite A4

Anhang 4: Projektveröffentlichung in AGU Konferenz Poster [Jin12b]


Seite A5

Anhang 5: Projektveröffentlichung in COMSOL Konferenz Poster [Jin13]


Seite A6

Anhang 6: Nachdruck Projektveröffentlichung in Japan [Han12a]


Seite A7

Anhang 7: Nachdruck Projektveröffentlichung in den Niederlan-den/Belgien [Han12b]

Documents

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