Pumpversuch
Der Pumpversuch ist die beste Methode um Grundwasservorkommen zu erkunden. Dabei werden die aquiferspezifische Parameter:
- Transmissivität
- Permeabilität
- wirksame Porosität
- Speicherkoeffizient
- Brunneneintrittsverluste
- Skineffekt
- Aquifergeometrie bzw. Aquifertypus
ermittelt.
Das Prinzip
eines Pumpversuches besteht darin, dass dem Grundwasserleiter über einen längeren Zeitraum mit konstanter Förderrate Grundwasser entnommen wird. Dadurch wird in der Entnahmestelle selbst und in deren Einflussbereich im Grundwasserleiter der Grundwasserspiegel abgesenkt. Es entwickelt sich ein Absenktrichter um die Entnahmestelle. Dessen räumliche Ausdehnung mit fortschreitender Pumpzeit werden von der Grundwasserförderrate, sowie den Brunnen- und Aquifereigenschaften bestimmt. Das heißt umgekehrt, aus Absenkungs- und Wiederanstiegsverlauf des Grundwasserspiegels während und nach der Grundwasserentnahme kann unter der Voraussetzung, dass die Grundwasserförderrate stets bekannt ist, auf die Brunnen- und Aquifereigenschaften geschlossen werden.
Versuchsauswahl
Entsprechend der jeweiligen grundwasserhydraulischen Fragstellung kommen folgende Versuchsausführungen in Betracht:
- Langzeitpumpversuche (Aquifertest): erkunden wegen ihrer großen Reichweite die Aquifercharakterisitk,
- Kurzpumpversuche: erfassen in erster Linie die Messtellennahbereich und die Anbindung der Messstelle an den Aquifer,
- Immissionspumpversuche: ermitteln neben den Aquiferkenndaten auch die Schadstofffrachten im Grundwasser mit zunehmender Pumpdauer und damit Entnahmereichweite auf einer Kontrollebene im Aquifer
- Leistungs- bzw. Stufenpumpversuche (Brunnentest): bestimmen die Ergiebigkeit eines Brunnens
Planung
Im Vorfeld ist die Aufgabenstellung des Pumpversuches klar abzustecken: ist ein Aquifertest, ein Brunnentest oder bei Grundwasserschadensfällen die Ermittlung von Schadstofffrachten im Grundwasser geplant. Denn danach richten sich:
- Entnahmerate
- Pumpversuchsdauer
- Anzahl und Abstand der Beobachtungsmessstellen im Umfeld der Entnahmestelle
- Beprobungszeitpunkte.
Um die gewünschten Zielvorgaben des geplanten Pumpversuches mit geringstmöglichem Aufwand zu erreichen, hat sich im Vorfeld bewährt:
- ein hydrogeologisches Konzeptmodell für den zu untersuchenden Aquifer zu entwickeln,
-
die optimale Förderrate, ggf. durch Simulationsrechnungen, zu ermitteln,
- die vorraussichtliche Versuchsdauer entsprechend der für die Aufgabenstellung erforderlichen Reichweite zu berechnen,
- die Probenahmezeitpunkte in Abhängigkeit der gewünschten Entnahmereichweite abzuschätzen.
Durchführung
Ist mangels Eckdaten zum untersuchenden Grundwasserleiter keine Vorplanung möglich, wird vor dem eigentlichen Pumpversuch ein maximal 30-minütiger Vorversuch durchgeführt und der Druckerholungsverlauf Vor-Ort ausgewertet. Bei Grundwassergeringleitern erfolgt der Vorversuch durch eine kurze Grundwasserentnahme zum Beispiel mit einem Schöpfgerät. Diese spontanen Daten ermöglichen einen Pumpversuch mit optimaler Förderrate auch unter ungünstigen Vorbedingungen.
Der Pumpversuch wird mit einer sogenannten Systemfüllung gestartet. Darunter wird das kurze Anfahren des Versuches vor dem eigentlichen Beginn, verbunden mit dem Einstellen der Förderrate und der Optimierung des Regelkreises verstanden. Oft reichen schon diese wenigen Minuten, um erste Aussagen über den Aquifer treffen zu können und ggf. noch eine Anpassung der Förderrate zu veranlassen. In geringergiebigen Grundwasserleitern erfolgt die Systemfüllung mit Fremdwasser.
Der eigentliche Pumpversuch wird schließlich nach der vollständigen Druckerholung gestartet. Über die Grundwasserentnahmestelle wird aus dem Aquifer mit konstanter Rate Grundwasser gefördert, gleichzeitig wird der Druckverlauf des Grundwasserspiegels mittels elektronischer Drucksensoren aufgezeichnet. Es entwickelt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Grundwasserzustrom und Grundwasserentnahme.
Die Daten
- zur Grundwasserförderrate,
- dem Druckverlauf in der Grundwasserentnahmestelle sowie den Beobachtungsmessstellen,
- der Vor-Ort-Parameter pH-Wert, elektr. Leitfähigkeit, Temperatur und Sauerstoff
werden fortlaufend über Datenlogger aufgezeichnet, zeitlich synchronisiert an einem PC visualisiert bzw. werden auf Wunsch dem Auftraggeber auf einer Internetplattform on-line zur Verfügung gestellt. Die nächste Abbildung zeigt als Hardcopy ein Beispiel der Bildschirmdarstellung für Druckverlauf in der Grundwasserentnahmestelle und die Entnahmerate auf der Internetplattform. Per Funk kann auch in die Steuerung des Pumpversuches eingegriffen werden. So sind schnelle unmittelbare Reaktionen auf unvorhergesehene Ereignisse stets möglich.
Für die spätere Auswertung des Pumpversuches ist es ganz wesentlich, dass die Förderrate mittels einer elektronischen Regeleinheit möglichst konstant gehalten wird und dass sie auch durchgehend gemessen (hier ein Induktiver Durchflussmesser) und dokumentiert wird:
Es sind zwei Faktoren, die den Absenkungs- bzw. Wiederanstiegsverlauf beeinflussen: die Aquifereigenschaften und die Förderrate. Wird die Förderrate nicht aufgezeichnet, so liegen zwei unbekannte Größen vor, die sich beide auf den Druckverlauf auswirken. Eine Auflösung ist nicht möglich. Eine aufgezeichnete Förderrate stellt sicher, dass der Absenkungsverlauf ausschließlich auf die Aquifereigenschaften zurückgeführt werden kann.
Pumpversuche in bestehenden Förderanlagen lassen sich auch ohne Eingriffe in das System messen und regeln. In diesen Fällen wird ein Ultraschall-Sensor, der von Außen auf die Rohrleitung montiert wird, für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet, aus der schließlich die Förderrate hochgerechnet wird.
Die Pumpversuchsdauer richtet sich nach der Aufgabenstellung des Pumpversuches:
Aquiferkenndatenermittlung:
Für die erforderliche Pumpversuchsdauer gibt es keine einfache Regelung. Eine Orientierung liefert die halblogarithmische Darstellung des Absenkungsverlaufs gegen die Zeit. Geht die Kurve für mindestens eine Dekade in eine Gerade über, kann der Pumpversuch beendet werden, obwohl der Wasserspiegel im Aquifer weiter sinken kann. Eine darüberhinausgehende Verlängerung des Pumpversuches bringt keinen weiteren Informationsgewinn für die Ermittlung von Transmissivität und des Speicherkoeffizients. Die Dauer des folgenden Wiederanstieges sollte der Dauer der Absenkungsphase entsprechen.
Reichweitenabhängige Grundwasserbeprobung:
Hier ist die erforderliche Reichweite zum Zeitpunkt der Grundwasserbeprobung maßgeblich. Ausgehend von der Entnahmerate, der Grundwassermächtigkeit, der Porosität des Aquifers und dem Gradienten kann der dafür geeignete Zeitpunkt im Vorfeld an Hand der Zylinderformel errechnet werden.
Die Pumpversuchsdaten werden dem Auftraggeber standardmäßig als synoptische Darstellung übergeben.
Auswertung
Das Prinzip der Pumpversuchsauswertung basiert auf der Umkehrung einfacher analytischer, radialsymmetrischer Grundwasserströmungsmodelle, die in Form einer Brunnenfunktion direkt die Grundwasserspiegelabsenkung in Raum und Zeit berechnen.
Bei der Auswertung wird der Datensatz eines Pumpversuches als gemessenes Ergebnis eines theoretischen Grundwasserströmungsmodells verstanden, dessen Eingangsparameter zu ermitteln sind – der sensitivste Parameter dafür ist der hydraulische Aquiferkennwert Transmissivität neben den weniger sensitiven Aquifer-Parametern Speicherkoeffizient, Leakage-Faktor, Anisotropie-Faktor u.a..
Eine erste Abschätzung der Transmissivität und des Speicherkoeffizient erlaubt das Theis´sche Strömungsmodel. Hier reicht eine in den Datensatz konstruierte Ausgleichsgerade für die Parameter Transmissivität und Speicherkoeffizient.
Für detailliertere Betrachtungen wird rechnerisch mittels Inversionsverfahren aus dem Datensatz des Pumpversuches die Transmissivität unter Zugrundelegung eines komplexeren hydraulischen Strömungsmodells ermittelt. Für diesen Ansatz ist es im ersten Schritt notwendig, das bestgeeignete hydraulische Strömungsmodell auszuwählen. Die Eingangsparameter dieser Modellfunktion werden dem tatsächlich gemessenen Pumpversuchsdatensatz rechnerisch mittels Parameteroptimierungsalgorithmen soweit angepasst, bis der bestmögliche Deckungsgrad zwischen dem Ergebnis des theoretischen Grundwasserströmungsmodells und den gemessenen Pumpversuchsdaten erreicht wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass für die Bestimmung der weniger sensitiven Aquifer-Kenndaten (Speicherkoeffizient, Leakage-Faktor, Anisotropie-Faktor) die Druckverläufe von mehreren Beobachtungsmessstellen mit einzubeziehen sind.
| THEIS | Homogener gespannter Aquifer |
| JACOB | Freier Aquifer mit Absenkungskorrektur |
| HANTUSH | Berücksichtigung unvollkommener Brunnen und Meßstellen |
| STALLMAN | Anreicherungs- und Staugrenzen |
| HANTUSH | Homogener Aquifer mit Leakage |
| NEUMANN | halbfreier Aquifer |
| BOURDET | Kluftaquifer, Matrix- und Kluftporositäten |
| PAPADOPULOS | Berücksichtigung der Brunnenspeicherung |
| GRINGARTEN et al. | Berücksichtigung der Brunnenspeicherung und Berechnung des Skinfaktors |
Die Pumpversuchsdaten werden sowohl herkömmlich mittels Geradlinien- wie auch mit dem aussagekräftigeren Typkurvenverfahren nach BOURDET und GRINGARTEN ausgewertet. Letzteres eignet sich dazu, mittels mathematischer Ableitung der Meßdaten, die Brunneneinflüsse von den Aquiferdaten zu trennen und damit an Hand einer unfangreichen Modellbibliothek Aussagen über Aquifertyp und Aquifergeometrie zu treffen.
Aussagekraft
Die Ergebnisse von Pumpversuchen haben hinsichtlich ihrer Aussagereichweite einen größeren Radius als Bohrlochtests wie Slug-Tests, Pulse-Test oder WD-Test.
Letztendlich wird ihre räumliche Aussagekraft bestimmt von der:
-
Aquifermächtigkeit,
-
Förderrate,
-
erzielbaren Absenkung im Bohrloch,
-
Versuchsdauer
Die Ergebnisse des Pumpversuches sind stets als Mittel über die Duchlässigkeiten des untersuchten Grundwasserleiters zu interpretieren.
Pumpversuche sind bei Gebirgsdurchlässigkeiten zwischen 10-2 und 10-8 m/s gut geeignet. Bei zu kleiner Durchlässigkeit ist oftmals die Grundwasserergiebigkeit zu gering, das heißt es fließt zu wenig Wasser nach, das Bohrloch wird leergepumpt, ohne dass eine auswertbare Datenlage vorliegt. Bei zu hoher Durchlässigkeit kann hingegen nicht genügend Wasser abgepumpt werden, um eine auswertbare Absenkung zu erreichen.
Häufig kann die Erkenntnistiefe durch weitere horizontbezogene Tests (z.B. WD-Test, Pulse-Test, Packer-Pumpversuch) und/oder Vertikalströmungsmessungen (Flow-Meter-Messung, Fluid-Logging) gesteigert werden. Dies gilt besonders in Kluftgrundwasserleitern.