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Hydraulische Untersuchungen und Feldversuche

2.5 Erfassung der schadstoff- und untergrundbezogenen VerhältnisseVerhältnisse

2.5.4 Hydraulische Untersuchungen und Feldversuche

ches Volumen) eine Mischprobe repräsentativ ist. Große Steine und Bauschutt sollten aussor-tiert oder gegebenenfalls gesondert beprobt und bewertet werden. In vielen Fällen kann die Schadstoffbelastung durch Aufmahlen (rel. undurchlässiger) Steinanteile und den damit ver-bundenen "Verdünnungseffekt" deutlich reduziert werden. Einer später nötigen Trennung zur Aufbereitung oder Entsorgung (Kosten!) kontaminierten Materials ist durch die entsprechende Wahl und Behandlung der Probenfraktionen Rechnung zu tragen.

es sich, Hydrauliktests (und möglicherweise auch geophysikalische Untersuchungen, Kap.

2.5.8) bereits im Zuge des Bohrbetriebes vorzusehen. Mögliche Einschränkungen bei der Durchführung hydraulischer Tests und der Deutung der Ergebnisse ergeben sich häufig

• durch ungenügende Vorkenntnis der Geologie im lokalen Bereich,

• in der begrenzten Anwendbarkeit einzelner Testmethoden,

• durch testbedingte Veränderungen im Untergrund (Aufreißen von Klüften bei WD-Tests, Setzungen),

• durch die Kontamination des Wassers (Entsorgung, Sicherheit und die mögliche Verla-gerung von Schadstoffen in unerwünschte Richtungen),

• durch das Bohrverfahren selbst (Verdichtung oder Gefügeauflockerung),

• durch Lage und Ausbau von Brunnen und Beobachtungsstellen (Durchmesser, Art und Lage von Filter und Dichtung, nicht ordnungsgemäße Brunnenentwicklung, Verkal-kung, Korrosion),

• durch die Unkenntnis des Brunnenausbaues,

• durch die Überlagerung mit anderen (hydraulischen) Maßnahmen oder nicht erkannten natürlichen Fließfeldveränderungen,

• durch nicht beachtete Abnahme der Fördermenge bei Pumpversuchen, (bewirkt durch z. B. die Erhöhung des Flurabstandes während des Versuches oder Beeinträchtigung von Förder- oder Meßeinrichtung durch Partikel).

Die folgend zusammengefaßten Methoden stehen mit unterschiedlichen Varianten zur Verfü-gung. Ihr Einsatzbereich ist über die spezifischen Randbedingungen bestimmt und für den Einzelfall zu prüfen. Diese Randbedingungen sind nicht nur örtlicher Natur (eingeschränkte Reichweite), sondern definieren bestimmte Durchlässigkeitsbereiche, Wasserdrücke oder Brunnendimensionen.

Feldversuche

Im Brunnen und in nahegelegenen Meßstellen wird die Grundwasserstandsänderung beob-achtet. Dies kann während der Wasserentnahme (Absenkung), danach (Wiederanstieg) oder während einer Auffüllung erfolgen. Auch über aufgebrachte Druckimpulse können Signale zur Durchlässigkeitsbestimmung erzeugt werden.

• Pumpversuche: Kurz-PV oder ausgedehnte PV über Tage/Wochen mit Bewertung von Absenkung und Wiederanstieg im Brunnen und in Meßstellen. Gegenüber vielen der anderen Testverfahren kann (abhängig von der Meßstellendichte) ein repräsentativ gro-ßer Raum erfaßt werden. Die Versuche können als Leistungstests mehrstufig (mit stei-gender Förderrate) durchgeführt werden. Abhängig von Aquifertyp und Randbedingun-gen kommen unterschiedliche Auswerteverfahren zur Anwendung (siehe z. B. HAN-TUSH, 1964; BUSCH, LUCKNER, 1993; BEAR, 1979; LANGGUTH, VOIGT, 1980;

VOIGT, HÄFNER, 1981; HÄFNER, VOIGT, 1981; STRAYLE, 1983; Herth, Arndts, 1985; STOBER, 1986; KRUSEMANN, de RIDDER, 1991 und LFU, 1991b).

Abb. 2.5-1 zeigt Ergebnisse einer Pumpversuchsauswertung. Zur Eignung von Kurzpumpver-suchen siehe z. B. KOZIOROWSKI, 1985. Für die Aufbereitung oder ordnungsgemäße Ent-sorgung von kontaminiertem Wasser und Arbeitsschutzmaßnahmen muß gesorgt werden (Kontrollmessungen, Genehmigung, gegebenenfalls Einleitergebühren).

Abb. 2.5-1 Darstellung und Auswertung von Daten eines Stufenpumpversuches für einen ge-spannten Grundwasserleiter mit dem Programm LEAKY (HANSTEIN, 1993)

• Slugtests (Einschwingversuche) mit den Varianten des Pulse- und Drillstemtests:

Gemessen wird die Auswirkung eines aufgebrachten Druckimpulses. Dieser kann hy-draulisch (z. B. über Verwendung eines Verdrängungskörpers) oder pneumatisch auf-gebracht werden. Aussagen sind nur im Nahbereich der Testbohrung gültig; kein kon-taminiertes Wasser wird entnommen. Auswertung und Berechnungsverfahren sowie Anwendung: COOPER et al., 1966; PAPADOPULOS et al., 1973; KRAUSS, 1977;

MÜLLER, 1983. Einschlägige Software zur Auswertung von Slugtests ist erhältlich.

Grundlage ist eine dichte Erfassung der Druckdaten mit entsprechenden Sensoren.

• WD-Test (Wasserdruckversuch): Serien von Verpressungen von Wasser mit anstei-genden und wieder abfallenden Druckstufen und dadurch unterschiedlichen Wasser-mengen, die simultan aufgezeichnet werden (p/Q-Diagramme, siehe HEITFELD, KOPPELBERG, 1981).

• Auffüllversuche: Es gibt mehrere unterschiedliche Methoden und Auswerteverfahren (SCHULER, 1973; STOBER, 1986 oder LFU, 1991b). Kontaminiertes Wasser wird nicht entnommen, aber dessen mögliche Verdrängung muß bedacht werden (Menge und Dauer). Die Infiltration zur Bestimmung von Durchlässigkeiten wird mit starken Einschränkungen auch in der ungesättigten Zone angewandt, zumindest relative Aussa-gen können abgeleitet werden.

• Auslauftests: Messung des Zeit-Absenkverhaltens und des Druckanstieges nach freiem Auslaufen eines angebohrten Kluftspeichers.

• Grundwassermarkierungsversuche: siehe Kapitel 2.5.9.

• Flowmetermessungen: Während einer Wasserentnahme werden die Geschwindigkei-ten horizontierter Wasserzutritte in eine möglichst unverrohrte Bohrung gemessen. Das Verfahren mit anschließender Berechnung von Transmissivitäten aus Teilmengen ist erprobt, jedoch nur im Nahbereich der Bohrung gültig (REPSOLD, RÜLKE, 1970).

Die geringsten detektierbaren Durchlässigkeiten liegen im Bereich von 10-6 m/s (LFU, 1991b).

• Fluid Logging: Dieses relativ neue Bohrlochverfahren erlaubt über den Austausch von Bohrlochflüssigkeit und die anschließende Messung der Verdünnung (ELF-Profile) während der Wasserentnahme die Bewertung unterschiedlich durchlässiger Zonen. Wie mit Flowmetermessungen wird mittels Fluid Logging auch nur der Nahbereich des Bohrloches erfaßt.

Laboruntersuchungen

• Korngrößenanalysen (DIN 18 123): Aus den Ergebnissen können unter Berücksichti-gung des Verlaufes der Sieblinie Durchlässigkeiten errechnet werden. Dazu stehen mehrere Methoden, gültig zwischen 10-5 < kf < 10-3 m/s zur Verfügung (ZIESCHANG, 1961; BEYER, 1964 und in KÖHLER, 1965; LANGGUTH, VOIGT, 1980; BIESKE, 1992). Wie bei anderen Methoden ist die Beachtung der Gültigkeitsgrenzen bedeutsam (Ungleichförmigkeitsgrad).

• Durchlässigkeitsbestimmungen (DIN 18 130 und DIN 19 683 T9): Diese Methoden erlauben Untersuchungen an Materialien mit Durchlässigkeiten zwischen 10-3 < kf <

10-11 m/s. Bei denVersuchen wirken sich Gefügeänderungen als Folge des Probenein-baus nachteilig aus. Bei Stechzylinderproben feinkörniger Materialien können die hori-zontale und die vertikale Durchlässigkeit getrennt bestimmt werden.

Hydraulische Untersuchungen an Horizontalfilterbrunnen

Gegenüber vertikalen Brunnen erlaubt es die horizontale Bauform, eine lange Filterstrecke in einer begrenzt mächtigen Schicht unterzubringen (zu den hydrogeologischen Voraussetzungen siehe z. B. NÖRING, 1953). Damit kann ein kontaminierter Bereich besonders gut aufge-schlossen werden. Horizontalfilterbrunnen sind auch dann von Vorteil, wenn die Anlage von Dränschlitzen zu aufwendig ist. Sie können zur Luftabsaugung (HÖTZL, SASS 1993) und zur Wasserförderung (BIESKE, 1959; SASS et al., 1993) eingesetzt werden.

Anfahr- und Leistungsversuche beschreibt u. a. GÜTSCHOW, 1968; mit der Hydraulik, mit Modellversuchen und Berechnungen befassen sich z. B. HANTUSH, 1964 und WIEDER-HOLD, 1966; NAHRGANG, FALCKE, 1954; LASS, 1975; und TARSHISH, 1992. Neben dem bekannten Prüfverfahren des (Leistungs-) Pumpversuches werden auch Absaugversuche in der ungesättigten Zone durchgeführt. Versickerungsversuche sind an kontaminierten Stand-orten eingeschränkt anwendbar, da sehr große Wassermengen nötig sind (Gefahr der Verdrän-gung und Auswaschung). Umfassende Tests (z. B. zum Einsatz bei mikrobiologischen in-situ Sanierungen) werden vom U.S. Dep. of Energy durchgeführt (USDOE, 1991a, b).

Hydraulische in-situ Tests und Schadstoffverteilung

Für die Bewertung des Schadensfalles und die Festlegung von Sanierungsmaßnahmen sind alle Informationen zur Schadstoffverteilung von Bedeutung. Diese zum Teil über Jahre einge-stellte Verteilung kann durch den Bohr- und Testbetrieb Störungen erfahren. Es empfiehlt sich

vielen Fällen ist bereits die routinemäßige Erfassung von ELF, O2-Gehalt und pH-Wert hilf-reich, bei anderen Fällen ergeben sich nützliche Informationen erst aus aufwendigeren Schad-stoffanalysen. Die Art der Messungen und die entsprechende Anzahl der Wasserproben sind bereits in der Versuchsplanung zu berücksichtigen. Damit können beispielsweise stoffspezifi-sche Probenahmeeinrichtungen bei der Installation berücksichtigt werden.

Bei der Durchführung von Pumpversuchen bei Mineralölschadensfällen (oder anderen spezi-fisch leichten, nicht mit Wasser mischbaren Stoffen) ist mit erheblich gesteigertem meßtech-nischen Aufwand zu rechnen. Durch die Öl- oder Emulsionsschicht sind Lichtlotmessungen durch Drucksensorik zu ersetzen. In Brunnen und Beobachtungsstellen stellen sich meist grö-ßere Ölschichtdicken als im Aquifer ein.

Die Protokollierung aller betriebstechnischen, hydraulischen und schadstoffbezogenen Daten (vor, während und nach in-situ Testverfahren) ist für die Bewertung der Versuchsergebnisse unerläßlich.

Versuchsplanung, Genehmigung und Arbeitsschutz

Bei der Durchführung aufwendiger oder länger dauernder hydraulischer und pneumatischer Feldversuche ist in mehreren Punkten frühzeitige Abstimmung und Vorhalten der entspre-chenden technischen Einrichtung nötig:

• Aufrechterhaltung der Ver- und Entsorgung über die Versuchszeit

• Gewährleistung der Probenahme bei gleichbleibenden Randbedingungen

• Begleitende Kontrollmessungen und Wartung der Anlagen (Leistungsschwankungen durch wechselnden Flurabstand, Verockerung von Filtern, Pumpen Meßgerät, Nachei-chung von Sensoren usw.)

• Erkennen und Vermeiden von Einflüssen aus der Nachbarschaft (natürliche und künstliche Hydraulik, Schadstoffeintrag aus laufendem Betrieb, usw.)

• Prüfung möglicher Beeinflussungen der Umgebung durch den Versuchsbetrieb (Standfestigkeit, Emission, Lärm, übergeordnete Interessen, wie Sicherung usw.)

• Einholung der Genehmigungen, Sicherheitsvorkehrungen

Pump- und Auffüllversuche sind genehmigungspflichtige Eingriffe. Sie sind auch vorab hin-sichtlich möglicher Auswirkungen auf die Belastbarkeit des Untergrundes zu bewerten. Ande-re VerfahAnde-ren verändern die Menge und den Stoffbestand des Grundwassers nicht (z. B. Slug-test).

Bei kontaminierten Wässern sind auch für Versuche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen (BURMEIER et al., 1990; ROTTGART et al., 1993). Wasserhaltungsarbeiten sind allgemein über DIN 18305 geregelt (siehe auch BIESKE, 1992 oder HERTH, ARNDTS, 1985).

Aufwand und Kosten

Diese richten sich vor allem bei Feldversuchen nach der gewählten Methode und der Ver-suchsdauer (mehrere Stunden bis Wochen) sowie den Sekundärkosten (Baustelleneinrichtung, Meßwagen, Personalkosten, Auswertung). Über den Flurabstand bei abgesenktem Wasser-spiegel und die Dimensionen wird das nötige Gerät vorgegeben (Leistung und Einbautiefe).

Zur Beobachtung eines weiteren Umfeldes wird z. B. die Absenkung in mehreren Meßstellen

beobachtet (Drucksonden mit Datenerfassung oder Personal). Auch die Auswerteverfahren sind unterschiedlich. Zum Teil können mit einfachen Methoden aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden. Einige Verfahren zeichnen sich durch kurze Versuchszeiten und relativ auf-wendige Auswertung aus (Slugtest, Drillstemtest). Bei der Einholung von Angeboten emp-fiehlt es sich, den Brunnenausbau und die Infrastruktur möglichst detailliert zu beschreiben.

Durchlässigkeitsbestimmungen über die Korngrößenverteilung oder Bestimmungen an der ungestörten Probe werden je nach Methode mit etwa 150 bis 450 DM berechnet. Unterschiede sind durch verschiedene zu untersuchende Materialien und damit die Versuchsdauer begrün-det (z. B. 2 bis 3 Wochen bei Ton für Abdichtungen).

Feldversuche und Modellrechnung

Mit der Hilfe von Grundwasserströmungsmodellen können bei Kenntnis der Aquifereigen-schaften unterschiedliche Sanierungsbedingungen simuliert werden. Diese Modelle werden mit den Ergebnissen aus Feldversuchen kalibriert. Erst der Informationsfluß zwischen dem Erkunder, dem Modellierer, dem Planer und der Behörde führt zur richtigen Positionierung von Brunnen und Beobachtungsstellen und zu optimierten hydraulischen Sanierungskonzep-ten.

Weiterführende Literatur

Übersichten zur Anwendung von Feld- und Labormethoden geben COLDEWEY und KRAHN (1991) sowie LFU (1991b). Mit hydraulischen Untersuchungen in Kluftgrundwas-serleitern und Einzelklüften oder Stofftransport befassen sich Karrenberg, 1981; STRAYLE, 1983; FRICK et al., 1991; HIMMELSBACH, 1983 oder NAGRA, 1992.

Durchlässigkeitsversuche mit Schadstoffen und Schadstoffgemischen beschreiben bereits SCHWILLE, 1971; SCHWILLE et al., 1984 ausführlich. Umfassende Untersuchungen zum Permeationsverhalten körniger Materialien und Foliendichtungen finden sich z. B. im Bericht der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin (BAM, 1992). WALZENBACH, 1991 beschreibt z. B. durch Kohlenwasserstoffe bedingte Durchlässigkeitsveränderungen;

Versuche mit Ton und CKW-Lösungen beschreibt SCHMIDT, 1993.