Pumpversuche im Festgesteinsaquifer - Teil1

Leitfaden
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Auswertung von Pumpversuchen
im Festgestein des
saarländischen Hauptgrundwasserleiters
Saarland
Landesamt für Umweltschutz
Don Bosco Straße 1
66119 Saarbrücken
Saarbrücken, März 2003
Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes
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Impressum
Herausgeber:
Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes
Don-Bosco-Straße 1
D-66119 Saarbrücken
Bearbeiter:
Dipl.-Geol. Th. Walter
Dr. B. Werle
Dr. J. Sartorius
Prof. Dr. J. Wagner
Druck:
Eigenverlag
Nachdruck - auch auszugsweise - nur mit Genehmigung des Herausgebers
Saarbrücken, März 2003
Veröffentlichungen des Landesamtes für
Umweltschutz des Saarlandes
75
Seiten
13
Abbildungen
Saarbrücken
2003
Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes
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Vorwort
Das LfU stellt hiermit einen Leitfaden zur Planung, Durchführung und Auswertung von
Pumpversuchen zur Verfügung. Er soll einerseits dazu dienen, Mindestanforderungen
des LfU bei der Durchführung von Pumpversuchen im saarländischen Hauptgrundwasserleiter sowie praktische Hinweise und Empfehlungen zu formulieren, zum zweiten aber auch mittlerweile ausreichend bekannte Besonderheiten bei der Auswertung
von Pumpversuchen im saarländischen Hauptgrundwasserleiter, die größere Konsequenzen bei der Beurteilung und Begutachtung von Praxisfragen haben, zu berücksichtigen und Fehler bzw. Ungenauigkeiten der Vergangenheit zu vermeiden. Dies
betrifft unter anderem Auffälligkeiten bei der Ermittlung der Gebirgsdurchlässigkeit, für
die zeitweise das LfU des Saarlandes die zwar hilfreiche, aber theoriewidersprüchliche „T-r-Beziehung“ angewendet hat.
Der Leitfaden zielt ganz bewußt nicht darauf hin, in inhaltlichen oder qualitativen
Wettbewerb zu Lehrbüchern, Dissertationsschriften oder Fachbeiträgen in Periodika
zu treten, sondern soll den Leser in möglichst kürzester Form mit der erforderlichen
Theorie aufrüsten, um dann praxisverwertbare konkrete methodische Hilfen, orientierende Wertungen oder Bestätigungen eigener Erkenntnisse (Leser-Daten) durch
Wiedergabe von Ergebnissen Dritter (dieser Leitfaden) zu liefern.
Für die Teilgruppe, die bisher eher selten Pumpversuchsdaten auswertete, wird damit
die in der Vergangenheit übliche „Holzhammer-Methode“, alles nach THEIS und
JACOB auszuwerten, zukünftig hoffentlich seltener praktiziert, da auch andere wichtige Verfahren erläutert werden und zu deren Anwendung animiert wird, wenn es die
Untergrundsituation erfordert. Für diese Teilgruppe sind einige Bausteine des Leitfadens mit Lehrbuchersatz-Charakter anzusehen.
Es wird durch die Diskussion einiger Verfahren eine Sicherheit gegeben, daß man als
Anwender ebendieser Verfahren nicht irgendeine exotische und ansonsten im Saarland wohl noch von keinem Anderen jemals angewandte Auswertemethode wählt,
sondern die genannten gerade im Hauptgrundwasserleiter durchaus Sinn machen
oder gar verpflichtend sind.
Es werden die theoretischen Zusammenhänge zwischen Leakagefaktor, Leakagekoeffizient, Undichtigkeitszahl und verschiedenen Parametern in den weltweit häufigst
angewandten numerischen Grundwassermodellen formelmäßig erarbeitet und erläutert. Damit besteht die Möglichkeit, Aquiferparameter aus früheren Pumpversuchen
und zukünftigen vergleichen zu können oder verschiedene Werte in andere umrechnen zu können.
Die früheren Hilfsansätze zum Umgang mit Leakage-Erscheinungen, die zur Formulierung der vollständig theoriewidersprüchlichen sogenannten „T-r-Beziehung“ führten,
können aufgegeben werden und durch die Anwendung der passenden und erläuterten Theorieansätze ersetzt werden. Es werden exemplarische Wege aufgezeigt, wie
auch in Grundwassermodellen der Dämpfungseffekt der Absenkung simuliert werden
kann.
Ein Kapitel behandelt die in der jüngeren Vergangenheit immer stärker in den Vordergrund gelangenden diagnostischen Verfahren zur Identifikation der richtigen Untergrundbedingungen, einschließlich bzw. vor allem der Ableitungskurven ∆s/∆t⋅t für die
Absenkung. Konkret wurde ein Beispiel mittels des Tabellenkalkulationsprogramms
EXCEL erarbeitet und beigefügt.
Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes
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Überraschend viele Pumpversuchsauswertungen endeten bislang mit der Ermittlung
von T, S, kf, L, Skinfaktor usw.. Dies kann aber nicht alleiniges Ziel eines solch aufwendigen Versuches sein, erst recht nicht für den Fall, daß kein digitales Modell
nachfolgt. Da der methodische Weg zur raumzeitlichen Berechnung der Ausbreitung
der Absenkung in Lehrbüchern nur sehr stiefmütterlich oder gar nicht erläutert wird, ist
er zahlreichen Auswertern nicht bekannt. Aus diesem Grund sind im Leitfaden entsprechende Hilfen erarbeitet und dargestellt worden, und zwar auch für halbgespannte Grundwasserleiter.
In Textform sind zahlreiche kleine, aber wichtige Bemerkungen zu möglichen oder oft
auch vorgekommenen kleineren oder größeren Fehlern bei der Pumpversuchsauswertung gemacht worden, bspw. zur häufig unrichtig interpretierten Situation des Abknickens der Datenkurve und zum sogen. quasistationären Strömungszustand. Sie
werden von demjenigen, der den Leitfaden durchgearbeitet hat, nicht mehr gemacht,
so daß alle auf Meßdaten aufbauenden Auswertungen (Prognosen, Isochronen usw.)
verläßlicher werden.
Bei der Erstellung dieses Leitfadens haben seitens des LfU die Sachbereiche Altlasten sowie Geologie und Boden mitgewirkt, vertreten durch die Herren Dr. J. Sartorius,
Dr. B. Werle und Dipl.-Geol. T. Walter, der zudem Material seiner in Arbeit befindlichen Dissertationsschrift zur Verfügung stellte. - Ferner hat bei der Erarbeitung als
externer Berater Prof. Dr. J. Wagner, Grundwasser- und Geo-Forschung, Neunkirchen, ergänzende Beiträge geleistet.
Ich würde mich freuen, wenn der vorliegende Leitfaden eine gerne angenommene Hilfe für diejenigen bedeutet, für die die Auswertung von Pumpversuchen große Relevanz bei Schlußfolgerungen in Gutachten, Ausweisung von Wasserschutzzonen, Gefährdungsabschätzungen usw. besitzt.
Saarbrücken, im März 2003
(Helga May-Didion, Amtsleiterin)
Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes
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Inhalt
Seite
1
Über diesen Leitfaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Aquiferkennwerte: Definitionen und Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
Der Hauptgrundwasserleiter im Saarland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Räumliche Verbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Lithologischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Hydrogeologische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8
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Möglichkeiten der Ermittlung von Durchlässigkeit, Speichervermögen und
anderen Parametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Pumpversuch und klassische Pumpversuchsauswertung . . . . . . . . . . . .
4.2
Pumpversuch und Auswertung mittels numerischem Modell . . . . . . . . . .
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Mindestanforderungen des LfU bei der Durchführung von Pumpversuchen,
praktische Hinweise und Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
7
Leakage und andere mögliche Ursachen für die scheinbare Zunahme der
Transmissivität mit der Entfernung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1
Die scheinbare Abhängigkeit der Transmissivität von der Entfernung
zum Förderbrunnen im saarländischen Hauptgrundwasserleiter . . . . . . .
6.2
Ausmaß des Dämpfungseffektes an Beispielen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Leakage im Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes: Begriff und
weitere Differenzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
Mögliche weitere Ursachen für Abweichungen der Pumpversuchsdaten
vom klassischen Kurvenverlauf nach THEIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absenkungsverhalten bei Pumpversuchen im Hauptgrundwasserleiter des
Saarlandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1
Generelle Methodik der Pumpversuchsauswertung mittels halbgraphischer Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2
Absenkungskurven, die den klassischen Modellvorstellungen von
THEIS bzw. JACOB gehorchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Absenkungskurven, bei denen eine Verdoppelung der Steigung
bei der halblogarithmischen Auftragung auftritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4
Absenkungskurven, bei denen ein Zeitversatz der halblogarithmischen Gerade festgestellt werden kann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5
Absenkungskurven, die auf das Erreichen von Stau- oder Infiltrationsrändern hinweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7.6
7.7
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Absenkungskurven, die auf einen halbgespannten Grundwasserleiter
hindeuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absenkungskurven, die auf einen freien Aquifer mit verzögerter Entleerung schließen lassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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49
Weitere praktische Hilfen und methodische Handlungsempfehlungen für
erfahrenere Auswerter von Pumpversuchsdaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1
Berücksichtigung des Dämpfungseffektes der Absenkung durch
Zusickerung ohne die früher angewandte „T-r-Beziehung“ . . . . . . . . . . .
8.2
Raumzeitliche Prognose der Absenkung und darauf fußender
weiterer Ergebnisse (Laufzeiten und Isochronen) anhand der
im Pumpversuch ermittelten Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3
Erstellung und Interpretation von diagnostischen Plots und
Finden der richtigen Vorstellung zum Untergrundaufbau. . . . . . . . . . . . .
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Nützliche Vordrucke, kleine Programm-Listings und Beispiele . . . . . . . . . . . . . .
62
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Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1. Über diesen Leitfaden
Die Eigenschaften des Grundwasserleiters können durch verschiedene Parameter
charakterisiert werden. Eine der wichtigsten Größen ist die Transmissivität T, die die
Fähigkeit des Untergrundes zum Weiterleiten von Wasser zahlenmäßig beschreibt
und aus der der Durchlässigkeitsbeiwert kf ermittelt werden kann.
Die Quantifizierung der Durchlässigkeit ist nicht zuletzt deshalb von großer praktischer Bedeutung, weil sie in nahezu alle Formeln eingeht, welche für Planungsaufgaben von Relevanz sind. Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Aquiferdurchlässigkeit
können zu beträchtlichen Folgen führen.
Pumpversuche im Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes sind in der Vergangenheit
nachweislich öfters entweder methodisch nicht richtig ausgewertet oder aber fachlich
fehlinterpretiert worden, so daß auch fehlerbehaftete Schlußfolgerungen in darauf
aufbauenden Gutachten resultierten. Exemplarisch seien die Themengebiete Wasserschutzgebiete, Gefährdungsabschätzung von Altlasten für die Wassergewinnung,
Grundwassermodellation genannt.
Grund für die angesprochenen Schwierigkeiten bei der Auswertung sind Reaktionen
des Hauptgrundwasserleiters bzw. des Grundwasserspiegels, welche von den einfachen Verhaltensmustern in Lehrbüchern abweichen und das Beachten von nur
scheinbar nebensächlichen Gegebenheiten erfordern. - Um auch Personen, welche
nicht durch jahrelange Erfahrung oder das Auswerten vieler Pumpversuche auch mit
Auffälligkeiten im Zeit-Absenkungs-Verlauf geschult sind, eine korrekte Auswertung
zu ermöglichen und damit wichtige gutachtliche Aussagen fachlich abzusichern, wurde der hier vorliegende Leitfaden erarbeitet.
Er ist gedacht zur Anwendung durch einen mit der grundsätzlichen Thematik bereits
vertrauten Personenkreis, der Grundbegriffe der Hydrogeologie kennt und eine methodische Hilfe für die Auswertung von Meßdaten benötigt, welche nicht nur, aber
auch regionspezifische Abweichungen von der lehrbuchhaften Standard-Auswertung
erfordern.
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2. Aquiferkennwerte: Definitionen und Bedeutung
Im Gegensatz zur Lagerstättenkunde für Gase und Kohlenwasserstoffe, wird in der
Lagerstättenkunde für Wasser zur Quantifizierung der Durchlässigkeit nicht der Permeabilitätskoeffizient als von Art und Beschaffenheit des Fluids unabhängigem und
ausschließlich gesteinsspezifischem Maß verwendet, sondern der sogenannte
Durchlässigkeitsbeiwert kf, auch als hydraulische Leitfähigkeit bezeichnet. Dieser
hängt sowohl ab von den physikalischen Eigenschaften des Wassers (z. B. den temperaturabhängigen Größen Dichte und Viskosität) als auch von den Eigenschaften
des Grundwasserleiters (Poren, Trennfugen). Er ist gemäß DIN 4049-3 [1] definiert
als Quotient aus Filtergeschwindigkeit und zugehörigem Standrohrspiegelgefälle und
hat die Einheit m/s. - Man differenziert zwischen Porendurchlässigkeit und Trennfugendurchlässigkeit, wobei beide zusammen die Gebirgsdurchlässigkeit bilden.
Die Filtergeschwindigkeit vf in m/s ist der Quotient aus Grundwasserdurchfluß und
der zugehörigen Fläche eines Grundwasserquerschnittes.
Bei den in üblicher Vorgehensweise ausgeführten Pumpversuchen kann kf nicht direkt
ermittelt werden, sondern lediglich die Transmissivität T mit der Einheit m²/s. Gemäß
DIN 4049-3 [1] stellt T das Integral des Durchlässigkeitsbeiwertes über die Grundwassermächtigkeit dar.
Die Fähigkeit des Grundwasserleiters zur Speicherung von Grundwasser wird durch
den Speicherkoeffizienten und den spezifischen Speicherkoeffizienten beschrieben. Letzterer ist definiert als die Änderung des gespeicherten Wasservolumens je
Volumeneinheit des Grundwasserraumes bei Änderung der Standrohrspiegelhöhe um
1 m, erstgenannter als das Integral des spezifischen Speicherkoeffizienten über die
Grundwassermächtigkeit.
Während der durchflußwirksame Hohlraumanteil der Quotient aus dem Volumen
der vom Grundwasser durchfließbaren Hohlräume des Gesteinskörpers und dessen
Gesamtvolumen darstellt, wird der speichernutzbare Hohlraumanteil begrifflich
festgeschrieben als Quotient aus dem Volumen der bei Höhenänderung der Grundwasseroberfläche entleerbaren oder auffüllbaren Hohlräume eines Gesteinskörpers
und dessen Gesamtvolumen.
Die genannten Aquiferparameter sind zwingende Eingaben bei der Erstellung von
Grundwassermodellen, die in aller Regel sehr sensibel auf Veränderungen dieser
Größen reagieren. Auch in die Berechnung der Öffnungsweite der Entnahmeparabel
um einen Brunnen geht der kf-Wert umgekehrt proportional ein. Ferner zeigen Durchlässigkeit und Speichervermögen Wirkung bei der Prognose von Fließzeiten von Fluiden im Untergrund: kf ist proportional der Abstandsgeschwindigkeit, S ist umgekehrt
proportional zu dieser. Vorratsberechnungen für die Wasserwirtschaft erfordern die
Kenntnis von S, beide Parameter sind unabdingbar für Vorhersagen der raumzeitlichen Ausbildung eines Absenktrichters um eine Entnahmestelle und etwa damit zusammenhängende Schadwirkungen. - Dem Praktiker sind viele weitere Beispiele bekannt.
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3. Der Hauptgrundwasserleiter im Saarland
3.1 Räumliche Verbreitung
Zum Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes werden die Kreuznacher Schichten aus
dem Oberrotliegenden (Perm) und die des Mittleren Buntsandsteins gerechnet, da
sich beide hydrogeologisch sehr ähnlich verhalten. Größte wasserwirtschaftliche Relevanz haben dabei die Sedimentgesteine des Mittleren Buntsandsteins.
Dieser tritt im Saarland großflächig zutage, und zwar vor allem südlich und südwestlich des Karbonsattels in einem von SW nach NE sich ausdehnenden Streifen zwischen dem Warndt und der westpfälzischen Moorniederung. Das genannte Gebiet
entspricht geologisch dem Nordrand der Saargemünd-Pfälzer-Mulde.
Ein weiteres großflächiges Zutagetreten erstreckt sich vom Warndt nach Norden über
das Gebiet um Saarlouis bis zum Haustädter Tal. Dort erfolgt der Anschluß an den
Merziger Graben. Auf der NW-Seite der Grabenmulde setzt sich das Buntsandsteingebiet fort bis in den Bereich der Gesteine devonischen Alters im südwestlichen
Hunsrück.
Kleinere und mehr oder weniger isolierte Buntsandsteinvorkommen existieren außerdem als Füllung von tektonisch eingesenkten Arealen im Lebacher und St. Wendeler
Graben.
Eine Erweiterung der Fläche, auf der der Hauptgrundwasserleiter auftritt, wird durch
das Auftreten der Kreuznacher Schichten bewirkt, die im Raum Losheim-Wadern und
in den beiden o. g. Gräben vorzufinden sind.
3.2 Lithologischer Aufbau
Die petrographische Ähnlichkeit der sandigen Kreuznacher Gruppe mit dem Mittleren Buntsandstein hat im Saarland eine gegenseitige Abgrenzung der beiden Formationen in der Vergangenheit schwierig gemacht. Heute sind große Gebiete, die früher
zum Buntsandstein gerechnet wurden und als solcher auch in den alten Kartenwerken dargestellt sind, der Kreuznacher Gruppe zugeordnet. Dies gilt für die Randbereiche der Merziger Grabenmulden-Füllung, größere Bereiche der Füllung des Lebacher
und St. Wendeler Grabens sowie die basalen Partien des dem Nordflügel des Karbonsattels aufliegenden Deckgebirges (vgl. H. SCHNEIDER, [3]). - Lithologisch gesehen sind die Kreuznacher Schichten vorwiegend als unterschiedlich gekörnte, vorherrschend rötliche und gelbe, mürbe Sandsteine mit teilweise relativ hohem Feldspatgehalt vorliegend. Die Bankung ist in der Regel nicht so stark ausgebildet wie im
Buntsandstein, bisweilen existiert großbogige Schrägschichtung.
In der Saargemünd-Pfälzer-Mulde wird der Mittlere Buntsandstein (sm) dreigegliedert in Trifels-, Rehberg- und Karlstal-Schichten. Richtung Westen läßt sich diese
Dreigliederung nur noch bis in den Raum östlich von Saarbrücken nachvollziehen.
Noch weiter westlich ist nur noch eine Zweigliederung vornehmbar, nämlich die Ansprache des sm1 und des sm2, wobei der sm1 seinerseits bei der geologischen Landesaufnahme in sm1a (unterer Teil) und sm1b (obere Abteilung) differenziert wird.
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Die Lithologie im Mittleren Buntsandstein des westlichen Saarlandes beginnt im Basisbereich mit einem mehrere Meter mächtigen Konglomerat, dem nach oben Sandsteine von meist rötlicher Farbe folgen. Bisweilen sind Tonlinsen eingelagert. Der
sm1b besteht i. d. R. aus helleren, oft gelben Sandsteinen, während der sm2 durch
Sandsteine mit höheren Grobanteilen und rötlichen Farben charakterisiert ist. In seinem oberen Abschnitt treten feinkörnigere, ebenschichtige und mürbe Sandsteine
auf, wie sie aus den Karlstalschichten im Ostsaarland bekannt sind.
Im östlichen Saarland lassen sich die Unterstufen des sm wie folgt lithologisch beschreiben (vom Liegenden zum Hangenden):
Trifelsschichten: meist mittelsandige, feldspatreiche, geröllführende Sandsteine, dickbankig bis massig mit Schrägschichtung. Einschaltungen linsenartiger Konglomeratbänke, selten auch von Tonlinsen oder toniger Sandsteine.
Rehbergschichten: Fein- bis mittelkörnige tonige Sandsteine in Wechsellagerung,
mürbe, ebenschichtig. Dünne Tonlagen beinhaltend. Im mittleren Bereich sowie im
oberen Bereich kompakte Felszonen aus schräggeschichtetem Sandstein (jeweils ca.
2 bis 5 m mächtig).
Untere Karlstalschichten: Mürbe, tonige Sandsteine mit linsenförmig eingeschalteten,
schräggeschichteten, wenig Bindemittel enthaltenden Quarzsanden („Schwimmsande“).
Karlstal-Felszone: Harte, quarzitische, dickbankige, schräggeschichtete Mittelsandsteine („Kristallsandsteine“), teilweise geröllführend. Einschaltungen von dünnschichtigen weicheren Sandsteinen.
Obere Karlstalschichten: Mäßig feste, dünnschichtige Sandsteine mit Einschaltungen
dickerer, härterer, schräggeschichteter Sandsteinbänke („Kristallsandstein“).
Abschluß der Schichtfolge nach oben örtlich durch einen mehrere Meter mächtigen
konglomeratischen Sandstein („Hauptkonglomerat“).
3.3 Hydrogeologische Beschreibung
Zum einen bedingt die Lithologie im Mittleren Buntsandstein eine Grundwasserstockwerks-Bildung, zum zweiten wird gebietsweise das Strömungsgeschehen vorrangig
vom tektonisch bedingten Kluftsystem dominiert.
Entgegen der üblichen Numerierung von oben nach unten, benennen EINSELE et al.,
[4], die Stockwerke vom Liegenden zum Hangenden:
Zwei Gw-Stockwerke sind in den Trifelsschichten ausgebildet, - eines über der Buntsandstein-Basis, das zweite über dem etwa 40 m unter der Schichthangendgrenze
vorhandenen Stauhorizont.
Auch die Rehbergschichten weisen zwei Stockwerke auf: Das untere an der Basis der
unteren Felszone, das obere über der Basis der schlecht durchlässigen oberen Felszone.
Stockwerk Fünf befindet sich am Top oder im Bereich der Karlstal-Felszone.
Infolge Verwitterung sind die oberflächennahen Bereiche, in der Regel wenige Meter,
selten über zehn Meter, stärker aufgewittert und liegen oft nicht mehr als kompakter,
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sondern allenfalls als mürber Fels vor. Die Entfestigung geht örtlich auch so weit, daß
nur noch dicht bis sehr dicht gelagerte Sande vorzufinden sind. In ihnen ist von einem
reinen Porenaquifer auszugehen. - Gleiches gilt auch für den Bereich auflagernder
Deckschichten in Form alluvialer Talfüllungen.
Im tiefen Festgestein gibt es im saarländischen Hauptgrundwasserleiter immer wieder
mächtige Schichtpakete mit geringer tektonischer Überprägung, in denen auch saigere Klüfte unterbrochen werden und in denen Schicht- und Bankungsfugen weitestgehend fehlen. Für das Wasserleitvermögen spielen sie eher eine untergeordnete, für
die Einspeicherung von Wasser jedoch eine wichtige Rolle. - Sie werden voneinander
getrennt durch tektonisch stark beanspruchte, meist dünnere Komplexe mit höherem
Leitvermögen und zwangsweise geringerer Bedeutung für das Speichervermögen von
Grundwasser.
Umfangreiche geophysikalische Untersuchungen zeigen, daß neben saigeren Klüften
häufig auch von Geophysikern so bezeichnete „Horizontalklüfte“ mit offenem Kluftspalt existieren, wobei es sich um ausgespülte Schicht- und/oder Bankungsfugen
handelt. Jüngere Messungen zeigen, daß die frühere Ansicht, Klüfte seien nur bis in
eine Tiefe von ca. 100 m strömungsrelevant, nicht aufrecht erhalten werden kann.
Von der Abteilung Geologie des Landesamtes für Umweltschutz des Saarlandes
konnte für das Speichervermögen im Hauptgrundwasserleiter ein Durchschnittswert
von S = 5⋅10-4 angegeben werden.
Der arithmetische Mittelwert der Transmissivität im Hauptgrundwasserleiter kann bei
ca. 3,8⋅10-3 m²/s festgemacht werden.
Die spezifische Ergiebigkeit beträgt im arithmetischen Mittel etwa 3⋅10-3 m²/s.
4. Möglichkeiten der Ermittlung von Durchlässigkeit, Speichervermögen und anderen Parametern
4.1 Pumpversuch und klassische Pumpversuchsauswertung
Ein Pumpversuch ist ein Versuch im freien Gelände, bei dem einem Aquifer über eine
bestimmte Zeit kontrolliert durch Pumpen an einer oder mehreren Entnahmestellen
Wasser entnommen wird und dabei ständig die Änderung der Tiefenlage des Wasserspiegels in Abhängigkeit von Raum und Zeit festgestellt wird.
Die Tabelle 1 auf der Folgeseite klassifiziert die verschiedenen Pumpversuchsarten.
Im Rahmen dieses Leitfadens interessieren lediglich der hydrologische Pumpversuch
bzw. der Vor-, Kurz-, Zwischen-Pumpversuch, soweit er der gleichen Zielsetzung
dient.
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Tab. 1 Arten, Aufgaben und Charakteristik verschiedener Pumpversuche:
Art/Bezeichnung
Aufgabe, Zweck
Durchführungscharakteristik
Vor-, Kurz-, Zwischen-Pumpversuch
Orientierende Erkenntnisse in
Bezug auf weitere Entscheidungen, meist betr. Brunnenausbau
Meist nur wenige Stunden
Dauer; Abschätzung von Ergiebigkeit, Aquifereigenschaften, Hydrochemismus
Hydrologischer Pumpversuch
Ermittlung hydrogeologischer
Kennwerte zur Beurteilung d.
Aquifers
Häufig zusätzliche Beobachtung des Gw-Spiegels an
Gw-Mestellen erforderlich
Leistungspumpversuch
Ermittlung der Brunnencharakteristik
Entnahme wird stufenweise
gesteigert. Meist im fertig
ausgebauten Brunnen
durchgeführt
Großpumpversuch
Erkenntnisse bzgl. des VerDauer: mehrere Tage bis
haltens mehrerer Brunnen bei Wochen
gleichzeitiger und/oder langandauernder Förderung
Pumpversuch zur Überwachung von Betriebsbrunnen
Feststellen der Veränderungen von Brunneneigenschaften
Wird in bestimmten Zeitabständen unter stets gleichen
Bedingungen wiederholt
Nach einer stets erforderlichen Planung und der Durchführung des eigentlichen
Pumpversuches im Feld liegen die Meßdaten entweder in digital gespeicherter oder in
schriftlich tabellierter Form vor. An dieser Stelle beginnt dann die Auswertung des
Pumpversuches mit den Zielen,
• Hinweise zum Aufbau des Grundwasserleiters zu erhalten,
• das Verständnis des hydraulischen Systems zu bestätigen, zu verbessern oder zu
korrigieren und schließlich
• die Aquiferparameter zu bestimmen.
Explizit sei in diesem Leitfaden darauf hingewiesen, daß nicht nur letztgenannter
Punkt Aufgabe der Auswertung ist, sondern auch die beiden anderen. Ohne die Abklärung dieser beiden Punkte ist gerade im Zeitalter bedienerfreundlicher Auswertungs-Software die Gefahr einer mißbräuchlichen, weil aufgrund unzutreffender
Randbedingungen falschen Verwendung beträchtlich.
Die klassische Pumpversuchsauswertung stützt sich auf analytische Lösungen der
Strömungsgleichung und beruht auf der Anwendung von Typkurven-Verfahren oder
Geradlinien-Verfahren, mit denen unter Annahme bestimmter Voraussetzungen (insbesondere die Symmetrie- und die Anströmungsverhältnisse im Aquifer betreffend)
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sowie unter Einsatz konkreter örtlicher und zeitlicher Dimensionen die gewünschten
Parameter quantifiziert werden können. - Grundsätzlich werden dabei Auftragungen
der Absenkung, der Zeit, der Entfernung oder Normierungen bzw. Ableitungen dieser
Größen für unterschiedliche Skalierungen der Diagrammachsen vorgenommen.
Parameter in Bezug auf den Brunnen sind
• die Brunnenspeicherung C [m³⋅Pa-1]
• die dimensionslose Brunnenspeicherung CD [-]
• der Skinfaktor sF [-]
• der wirksame Brunnenradius rw [m]
Parameter in Bezug auf den Aquifer sind
• die Transmissivität T [m²/s]
• die Transmissivität des Kluftsystems T [m²/s]
• die Transmissivität des Porensystems T [m²/s]
• der Speicherkoeffizient S [-]
• der Speicherkoeffizient des Kluftsystems S(f) [-]
• der Speicherkoeffizient des Porensystems S(m) [-]
• das Speicherverhältnis ω [-]
• das Transmissivitätsverhältnis λ [-]
4.2 Pumpversuch und Auswertung mittels numerischem Modell
Analytische Lösungen gibt es zwar für eine große, aber immer noch begrenzte Anzahl
verschiedener Typen von Grundwasserleitern, Aquiferrändern, Brunneneffekten, Einflüssen von Klüften und Fugen usw. - Für einen dreidimensional stark differenzierten
Aufbau des Grundwasserleiters hingegen existieren nach wie vor keine befriedigenden analytischen Lösungen. Solche Fälle erfordern den Einsatz von numerischen
Modellen zur Auswertung von Pumpversuchen, wie letztere im übrigen ohnehin geeigneter sind, die Realsituation im Untergrund zu erfassen und mittels quantitativer
Größen für Speichervermögen und Durchlässigkeit beschreibbar zu machen.
Nicht nur mit aufwendigen, dreidimensionalen numerischen Strömungsmodellen können
•
•
•
•
Anisotropie,
Schichtung,
unvollkommene Brunnen und
beliebige Positionierung der Filterstrecke im Brunnen
simuliert werden, um letztendlich eine paßgenaue Pumpversuchsauswertung zur Ermittlung der Aquiferparameter zu erreichen. Auch mittels einfachster zweidimensionaler numerischer Modelle sind obige Gegebenheiten berücksichtigbar und selbst für
den freien Aquifer sind iterativ Antworten erarbeitbar, wohingegen analytische Lösungen derzeit noch immer nicht bekannt bzw. praktikabel sind.
Zur Ermittlung von T und S eignen sich selbst bei einfachsten numerischen Strömungsmodellen sogenannte radialsymmetrische oder radiale Modellkonfigurationen,
mit welchen alle o. g. Anforderungen erfüllt werden können. Die Methode ist theoretisch einfach, wenngleich nicht geringaufwendig: Die im Pumpversuch bekannten tatsächlichen Meß- bzw. Einstell-Größen, wie Entnahmemengen, Zeiten, Entfernungen
und Ausbau werden in das Modell eingegeben, während die resultierenden Größen,
wie vor allem die raumzeitliche Absenkung, durch sinnvolle Veränderungen der Grö-
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ßen S und T bis zur Übereinstimmung von Modellresultat und Realsituation gefunden
werden.
Die Belastbarkeit von auf diese Weise gewonnenen Werten ist höher als die über
analytische Verfahren gewonnenen und kann durch sinnvolle Rand- und Anfangsbedingungen von einer Gebietssimulation der Grundwasserströmung weitgehend abgekoppelt werden. Dennoch muß festgestellt werden, daß diese Auswerteverfahren in
nächster Zeit wohl nur ergänzend und in vielen Situationen nicht anstelle der analytischen eingesetzt werden wird.
5. Mindestanforderungen des LfU bei der Durchführung von
Pumpversuchen, praktische Hinweise und Empfehlungen
Pumpversuche, - insbesondere Grundwasserleitertests -, sind sehr planungs-, kostenund zeitaufwendige Versuche im Realmaßstab. Aus diesem Grund darf das angestrebte Ziel nicht durch mangelhafte Ausführung in den verschiedenen Phasen verfehlt werden. Um im Falle von aus irgendwelchen Gründen lediglich suboptimal ausgeführten Arbeiten nicht gleich alle Leistungsbausteine unbrauchbar werden zu lassen, sollte man sich an die in bestehenden technischen Regelwerken, der Fachliteratur sowie die im vorliegenden Leitfaden erläuterten Mindestanforderungen halten,
damit dritte Stellen mit den vorhandenen Daten notfalls noch eine ausreichend gute
Mindestinformation erarbeiten können. Darüber hinaus sind an mehreren Stellen dieses Leitfadens wichtige und ergänzende Hilfen formuliert.
An dieser Stelle werden nicht Theorie und Methodik der Pumpversuchsauswertung
/interpretation, auch nicht die später in diesem Leitfaden ausführlich diskutierten Spezifika und Verhaltensweisen von Grundwasser und Gw-Leiter bei Versuchen im saarländischen Hauptgrundwasserleiter behandelt, sondern Dinge angesprochen, welche
für den erfahrenen Fachmann und Praktiker eigentlich als selbstverständlich angesehen werden, andererseits von Personen und Firmen, welche eher sporadisch oder
gar erstmalig einen Pumpversuche in Angriff nehmen, immer wieder nur fehlerbehaftet umgesetzt werden.
In diesem Zusammenhang werden hier schwergewichtet Hilfen und Mindestanforderungen zu den Pumpversuchsphasen
• Planung,
• Durchführung,
• Dokumentation,
gegeben und nur untergeordnet noch einige Tipps zur
• Pumpversuchsauswertung
angefügt.
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14
Pumpversuchsplanung
1. Auslegung und Ablauf des Pumpversuches hängen in erster Linie von der Fragestellung und der Zielsetzung ab und sind darauf hin abzustimmen. (Beispiele: Ermittlung einer Vorstellung zum Untergrundaufbau, zu den quantitativen
Eigenschaften des Aquifers, zu Fragen von Richtung, Geschwindigkeit und
Qualität des Grundwasserstromes oder darin enthaltener Stoffe usw.)
2. Pumpversuche stellen einen Eingriff in das Grundwasser dar und sind folglich von
genehmigungsrechtlicher Relevanz. Ein wasserrechtlicher Antrag zwecks Grundwasserentnahme und Einleitung des geförderten Wassers ist in aller Regel erforderlich.
3. Terminliche Koordination aller Beteiligten (eigene Mitarbeiter, Behörden, ausführende Firma, chemisches Labor, Ämter, Auftraggeber usw.) ist ein absolutes Muß;
Nichtbeachtung führt meist zum Verlust von Informationen. Es empfiehlt sich oft,
allen Beteiligten zuvor einen graphischen (Zeit-) Ablaufplan auszuhändigen.
4. Fachinhaltliche Aufgabenverteilung und Vorbesprechung mit den Beteiligten unumgänglich, so z. B. Einweisung des/der Meßtrupps in das Untersuchungsprogramm und in die Anforderungen an die Meßgenauigkeit, Festlegen des Höhenbezugspunktes (immer anzugeben: Differenz GOK-Höhe und Meßpunkthöhe!), Verhalten und Orientierung an einen zuvor aufzustellenden Störfallplan (mit Definition
der Abbruchkriterien, Weiterführungskriterien bei verschiedenen Auffälligkeiten
sowie Telefonrundrufliste).
5. Je nach Umgebung, in der der Pumpversuch stattfindet, sind Sicherungs- und
Schutzmaßnahmen zu beachten, da andernfalls schwere oder gar tödliche Personenschäden vorkommen können (Beispiel: Vorbohrung oder Gw-Meßstelle in freiem Gelände; U-Pumpe größerer Leistung erfordert Kraftstromversorgung, welche
von einem provisorisch aufgestellten Stromverteilungsschrank abgegriffen wird).
6. Prüfung von Gerätschaften und Brunnen bzw. Gw-Meßstellen auf Funktionsfähigkeit. Dies bedeutet in einigen Fällen, daß ein kurzes Anpumpen vor dem eigentlichen Pumpversuch vorgenommen werden sollte, um die erwartungskonforme Reaktion des Gw-Spiegels zu testen, wobei im Zuge dieses Kurztest auch die bei völlig unbekannter Verhaltensweise des Aquifers/Gw-Spiegels richtige Einstellung der
Pumpe für den eigentlichen späteren Pumpversuch einzugrenzen und damit einen
der häufigsten Fehler zu vermeiden, - das mehrfache Verstellen der Pumpenleistung zu Beginn des PV, welches mehrere spätere Auswertungen unmöglich macht.
Selbstverständlich müssen alle Lichtlote oder Datenlogger zuvor einer Funktionsprüfung unterzogen werden.
7. Auswahl einer geeigneten (!) Pumpe, der Steuereinrichtungen und Durchflußmeßeinrichtungen (Beispiele: Kennlinie der Pumpe möglichst steil, um konstante Förderrate gewährleisten zu können; Wasseruhren abgestimmt auf Fördervolumen).
Es ist außerdem Wert darauf zu legen, daß das geförderte Wasser in ausreichend
großer Entfernung von der Entnahmestelle zum Auslauf kommt, um einen hydraulischen Kurzschluß zu verhindern.
8. Am Anfang der Pumpversuchsplanung sollte eine Kurzdarstellung des Kenntnisstandes zum Untersuchungsgebiet stehen, zum vermuteten hydraulischen Modell
und eine Erwartungshaltung hinsichtlich der Bandbreite der Aquiferparameter. Es
ist anzuraten, mit den geschätzten Aquiferkenngrößen den Pumpversuch vorab
grob durchzurechnen, damit man eine Vorstellung zur Größenordnung von Ent-
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15
nahmemenge, Absenkung und evtl. Entfernung von Gw-Meßstellen bekommt. In
diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß manche Autoren in Lehrbüchern für das durch den Pumpversuch erzeugte hydraulische Gefälle („Betriebsspiegelgefälle“) einen um den Faktor 50 höheren Wert als für das Ruhespiegelgefälle empfehlen.
9. Bei Grundwasserleitertests sollten die Filter in den Gw-Meßstellen möglichst kurz
gehalten werden (nach Möglichkeit nur einen oder einige Meter), da oft nur dann
eine annähernd punktförmige Potentialangabe erfaßt wird. Während die Tiefenlage
des Filterrohrbereichs bei gespanntem Grundwasser und vollkommenem Brunnen
keine Bedeutung für die Ermittlung der Aquiferparameter hat, sollte sie bei freiem
Grundwasser und vollkommenem Brunnen etwa 80 % der nichtbeeinflußten wassererfüllten Mächtigkeit über der GwL-Sohle liegen. Hinsichtlich ihrer Tiefenlage
bei unvollkommenen Brunnen müssen bei hoher Genauigkeitsanforderung an die
Aquiferparameter entsprechende Vorausberechnungen nach in Lehrbüchern enthaltenen Pauschalformeln angewandt werden.
Pumpversuchsdurchführung
1. Die Meßintervalle beim Pumpversuch sollten sich an die im DVGW-Arbeitsblatt W
111 genannten Zeiten halten. Danach wäre die Ablesung für die Absenkung wie
folgt vorzunehmen:
während der ersten 10 Min.:
zwischen 10 Min. und 1 Std.:
zwischen 1 Std. und 2 Std.:
zwischen 2 Std. und 3 Std.:
zwischen 3 Std. und 5 Std.:
über 5 Std.:
jede Minute
alle 5 Min.
alle 10 Min.
alle 20 Min.
alle 30 Min.
jede Std.
Nach Möglichkeit sollte zu diesen Zeiten auch die Höhe der Förderung abgelesen
werden.
2. In sehr vielen Fällen wird die Gesamtdauer des Pumpversuches zu kurz gewählt.
Dies gilt vor allem bei Grundwasserleitertests. In der Literatur werden für Lockergesteine bei konstanter Förderrate Zeiten zwischen 200 und 400 Stunden genannt,
bei Festgesteinen gilt laut Literatur meist der letztgenannte Wert oder gar darüber
liegende Zeiten. - In der Praxis sind solch lange Zeiten nur bei relevanten Fragestellungen realisierbar. Aber auch in den Fällen, in denen mit begrenztem Aufwand
Eigenschaften des Untergrundes zu ermitteln sind, ist eine Zeit von 72 Stunden in
der Regel nur in begründeten Ausnahmefällen ausreichend. - Kurz- und Zwischenpumpversuche sowie Brunnentests können dagegen oft schon nach 8 bis 24 Stunden beendet werden. - Zur Orientierung sei die Zeit für die Beobachtung des Wiederanstieges noch angeführt: Sie sollte zumindest die Hälfte der Pumpversuchsdauer überstreichen.
3. Die Positionierung der Gw-Meßstellen sollte nur im Einzelfall auf fiktiven Meßkreuzen liegen. Deren Entfernung zur Entnahmestelle sollte so fixiert werden, daß bei
logarithmischer Darstellung eine äquidistante Auftragung resultiert. Ansonsten sollte sich das Meßnetz nach den lokalen Gegebenheiten richten. Anhaltswerte für
Mindestabstände r der Gw-Meßstellen zur Entnahmestelle sind gemäß DVGW W
111 wie folgt festgelegt:
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16
gespanntes Grundwasser: M < r < 20M
freies Grundwasser:
H < r < 10H
(M bzw. H = Grundwassermächtigkeit)
Zum Ausschluß der Wirkung der Unvollkommenheit eines Brunnens/einer Meßstelle hat letztere eine Mindestentfernung von r > M bzw. H zu haben.
4. Die Meßgenauigkeit für die Wasserspiegellage beträgt bei Handmessung mit dem
Lichtlot 1 cm, bei besonders günstigen Bedingungen 0,5 cm. Bei Datenloggern
muß mindestens die gleiche Genauigkeit gegeben sein (meist werden Genauigkeiten von wenigen Millimetern erreicht). Die Ablesung der Fördermengen sollte bei
Entnahmeraten bis zu 5 Litern/Sekunde eine Genauigkeit von 0,1 l/s ermöglichen,
bei höheren Entnahmeraten sind geringere Genauigkeiten einzufordern, die jedoch
im Bereich der für situationsadäquate Meßgeräte möglichen Ablesegenauigkeiten
zu liegen haben.
5. Wenngleich viele Pumpversuche durch allzu kräftiges Nachregulieren der Leistung
der Pumpe (vor allem in der Anfangsphase) für die Beantwortung bestimmter Fragestellungen unbrauchbar werden, ist es dennoch häufig erforderlich bzw. unabdingbar (insbesondere bei nicht ganz auf die Problematik passende Kennlinie der
Pumpe und/oder starker Absenkung), die Leistung der Pumpe durch Nachregelung
auf einem konstanten Wert zu halten. Dies sollte sehr behutsam geschehen und
wird in der Regel entbehrlich, wenn sich die Absenkungstendenz des Wasserspiegels in der Entnahmestelle verringert.
Pumpversuchsdokumentation
1. Während der Ausführung des Pumpversuches sind verschiedene Mindestdokumentationen erforderlich. Diese sollten in einem Versuchstagebuch gesammelt
werden. Dort sind neben allen mit Datum und Uhrzeit zu versehenden Eintragungen zu Besonderheiten während des Pumpversuches, wie etwa
• Abweichungen vom Versuchsplan oder Änderungen desselben (Grund, Art)
• gerätetechnische Auffälligkeiten, Unregelmäßigkeiten, Austausche, Unterbrechungen, Reparaturen, Probleme usw.
• Änderungen der äußeren Randbedingungen, wie Niederschlag, Hochwasser,
starke Luftdruckschwankungen, Inbetrieb- oder Außerbetriebgehen benachbarter Brunnen usw.
• Änderungen der Beschaffenheit des Förderwassers, wie Trübstoffe, Sandgehalt, gemessene Werte (pH, Leitfähigkeit u. a.)
einzutragen.
2. Die Angabe verschiedener Informationen zur Entnahmestelle und Gw-Meßstelle ist
verpflichtend. Hierzu gehören etwa deren Lage, Tiefe, Ausbau, Herstellungsdatum
und Herstellerfirma (beides soweit bekannt), Angaben zum Meßpunkt sowie zu
den Meßgeräten usw. - Das LfU des Saarlandes empfiehlt, sich inhaltlich der beiden Anlagen 2 und 3 des genannten DVGW Arbeitsblattes W 111 zu bedienen.
3. Ebenfalls sollten inhaltlich die beiden Anlagen 4 und 5 der genannten Quelle benutzt werden, um zur Entnahmestelle und/oder zur Gw-Meßstelle die Meßwerte
während des Pumpversuches einzutragen. Diese Originaldaten sind für das LfU
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weiterer unverzichtbarer Bestandteil der Datendokumentation. Darin müssen mindestens enthalten sein
•
•
•
•
•
•
Datum,
Uhrzeit,
Dauer des Versuches seit Beginn,
Wasserstand unter Meßpunkt [Angabe in Meter],
Absenkung [m],
zum Zeitpunkt obiger Messungen abgelesener Wert des Wassermengenzählers,
• Entnahmerate zum jeweiligen Zeitpunkt [Angabe in l/s oder m³/h]
• fakultativ können Angaben zur Leitfähigkeit, pH-Wert, Temperatur, Sandführung, Trübung, Farbe usw. in die gleiche Tabelle eingetragen werden.
Eine übersichtliche und saubere Form der Ergebnisdarstellung ist erwünscht.
Wenn dabei die Feldaufzeichnungen in Reinschrift überschrieben werden, ist besonderes Augenmerk auf das Vermeiden von Übertragungsfehlern zu legen. Bei
Übergabe von Daten aus Datenloggern ist neben dem Beifügen der Originaldaten
(je nach Umfang auf Diskette oder CD) auch eine ergänzende Sichtung/Reduktion
auf weniger zeitdichte Daten erwünscht.
Pumpversuchsauswertung
1. Wann immer möglich, sollten die Aquiferparameter aus den Daten von GwMeßstellen und nicht aus denen der Entnahmestelle ermittelt werden (für das
Speichervermögen ohnehin nicht bzw. äußerst eingegrenzt nur möglich). In Meßstellen sind die Auswirkungen von Förderschwankungen gegenüber denen im
Brunnen deutlich abgemindert. Folgen von Skin-Effekten sind im Vergleich zu denen in Brunnen meist nicht relevant. Im Brunnen ist infolge des nicht berechenbaren Wertes für das Speichervermögen die Interpretation von Knickpunkten nicht
möglich sowie bestimmte Zeitschranken nicht errechenbar (Stichwort: dimensionslose Zeit).
2. Wenn die Durchlässigkeit aus den Daten der Entnahmestelle berechnet wird, sollte
insbesondere auch auf diejenigen aus der Wiederanstiegsphase zurückgegriffen
werden, da dort ebenfalls Entnahmeschwankungen keine Rolle spielen und zudem
die Bedeutung der Sickerlinie entfällt.
3. Bei Geradlinienverfahren sollte als Basis für die Ausgleichsgerade auf mindestens
sechs bis acht Punkte zurückgegriffen werden können. Außerdem darf zur Bestimmung von t0 keine allzu große Extrapolation über die Punkteschar hinaus geschehen.
4. Um nicht fälschlicherweise Veränderungen im unmittelbaren Gebirge um die Entnahmestelle als Eigenschaften des weiter umliegenden Gebirges zu mißinterpretieren, empfiehlt sich die Bestimmung des summarischen Skineffektes bzw. der aus
dem Skin-Effekt sich ergebenden Zusatzabsenkung beim Pumpversuch. Hierzu
eignet sich die gemeinsame halblogarithmische Auftragung der Absenkung bzw.
der residuellen Absenkung gegen die Zeit t bzw. t´ (logarithmisch).
5. Zur diagrammatischen Darstellung der Pumpversuchsdaten sowie zur darauf aufbauenden Berechnung der Aquiferkenngrößen sei auf Kapitel 7 dieses Leitfadens
verwiesen.
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18
6. Am Ende der Auswertung und bereits als Teil der Interpretation anzusehen, sollte
nochmals auf die Frage in der Planung eingegangen werden, welches hydraulische Modell identifiziert werden kann und welche räumlichen Randbedingungen
(Staugrenzen, Anreicherungsgrenzen usw.) erkennbar sind. Auch die Versuche zur
Interpretation von Pumpversuchen, die aufgrund der Überlagerung verschiedener
Einflüsse nicht auswertbar sind, steht gegebenenfalls noch abschließend an.
6. Leakage und andere mögliche Ursachen für die scheinbare
Zunahme der Transmissivität mit der Entfernung
6.1 Die scheinbare Abhängigkeit der Transmissivität von der Entfernung zum
Förderbrunnen im saarländischen Hauptgrundwasserleiter
Die Abteilung Geologie des Landesamtes für Umweltschutz hat Kennwerte des
Grundwasserleiters in großem Umfang ermittelt. In früherer Zeit sind von dieser Abteilung in die Auswertungen von Pumpversuchen die umfangreichen Erfahrungen an
vielen Örtlichkeiten dergestalt eingeflossen, daß der Dämpfungseffekt, den das Porensystem des Gesteins bzw. dessen Drainage in die Klüfte auf die Ausbildung der
Absenkung hat, in Form einer einfachen Korrektur berücksichtigt wurde. Dieser
Dämpfungseffekt macht sich so bemerkbar, als ob mit zunehmender Entfernung von
der Entnahmestelle die Transmissivität zunimmt und mit einer analytischen Gleichung
der Form
Tr = T0⋅ar
beschrieben werden konnte. Darin bedeuten:
Tr = „scheinbare“ Transmissivität in einer Entfernung r von der Entnahmestelle,
T0 = Transmissivität, welche mit Daten der Entnahmequelle berechnet wurde,
a = Zuwachsgröße.
Die erwünschte Konsequenz war, daß die Berechnung von Absenktrichtern zu weit
schwächeren Eintiefungen des Grundwasserspiegels führte als etwa mit dem klassischen Auswerteverfahren nach THEIS und damit realitätsnähere Resultate mit allen
darauf fußenden weiteren Folgen lieferte.
Die Zuwachsgröße a wurde im saarländischen Hauptgrundwasserleiter mit einem
Durchschnittswert von 1,003 angegeben, so daß sich errechnen läßt, daß in einer
Entfernung von ca. 230 m ein scheinbarer T-Wert festgesetzt werden kann, der doppelt so hoch ist wie der reale T-Wert, welcher im Förderbrunnen ermittelbar ist.
Dieser früher angewandte Ansatz war für die Praxis zeitweise ein hilfreicher Weg zur
Berücksichtigung der angedeuteten Phänomene, konnte aber aufgrund seiner massiven Theoriewidersprüchlichkeit nicht aufrecht erhalten werden.
6.2 Ausmaß des Dämpfungseffektes an Beispielen
Die beiden nachfolgenden Abbildungen ermöglichen eine Vorstellung über die Abweichungen, die bei der Berechnung der Ausbreitung eines Absenktrichters im Grund-
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19
wasserleiter entstehen, wenn man die genannten und realen Eigenschaften des
Hauptgrundwasserleiters beachtet im Vergleich zur Prognose ohne Beachtung dieser
Phänomene:
HEIZMANNN, G., [2], hat u. a. an einem Beispielfall in Lebach gezeigt, daß sich ohne
Berücksichtigung der realen Zusickerung, d. h. ohne die Anwendung der früher temporär angewandten und damals sogenannten „T-r-Beziehung“ nach der Auswertemethode von THEIS mit der in der Abbildung gepunktet dargestellten Kurve auch noch in
zwei Kilometer Entfernung von der Entnahmestelle Absenkungswerte in der Größenordnung von über 2 m berechnen ließen. Tatsächlich sind derart großflächige und tiefe Absenktrichter im Saarland kaum zu beobachten.
Die Realsituation kann durch geeignete Auswerteverfahren besser getroffen werden,
auch wenn, wie im Fall der früher praktizierten „T-r-Beziehung“ ein fachlich vertretbares theoretisches Konzept nicht besteht. Im quasistationären Strömungszustand
reicht der Absenkungstrichter entweder gerade eben mal nur bis zur genannten Entfernung von 2 km oder es sind allenfalls einige Zentimeter Absenkung in dieser Entfernung zu prognostizieren.
Abb. 1: Absenktrichter unter verschiedenen Bedingungen (s. Textkasten in der Abb.)
am Beispiel des hypothetischen Förderzentrums des Zweckverbandes in Lebach
In obiger Abbildung ist die Ausbreitung des Absenktrichters im Aquifer mit horizontaler
Grundwasseroberfläche dargestellt.
Ein mit einem einfachen numerischen Strömungsmodell ausgearbeitetes Beispiel, in
dem eine entsprechende Zusickerung in den Aquifern simuliert wird, soll dokumentieren, daß sich auch im Fall eines geneigten Grundwasserspiegels mit einem Gefälle
von 0,01 die Resultate ohne und mit Berücksichtigung des Leakagefaktors bei sonst
gleichen Bedingungen wesentlich unterscheiden: Dies zeigt die Abbildung 2 auf der
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20
Folgeseite an der Entfernung des unterstromig des Brunnens gelegenen Kulminationspunktes x0 einerseits und an der Flächengröße des Absenktrichters andererseits.
Ohne Berücksichtigung einer Zusickerung aus einem reaktionsträgen Speicherteil des
Aquifers in das reaktionsschnelle Transportteil des Aquifers liegt x0 in einer Entfernung von fast 250 m unterhalb des Brunnens, mit Berücksichtigung hingegen bei lediglich etwas über 125 m. Die Ausdehnung des Absenktrichters erreicht im erstgenannten Fall mehr als das Zehnfache der Ausdehnung im zweitgenannten Fall.
Zahlenmäßig verdeutlichen auch die berechneten Werte der Transmissivität, welche
im Rahmen eines Pumpversuches in St. Ingbert, Brunnen „Auf der Au“, ermittelt werden konnten, die Größenordnung der scheinbaren Zunahme der Transmissivität in
Abhängigkeit von der Entfernung:
Nach dem THEIS-Verfahren ermittelbare Transmissivitäten in Abhängigkeit von r:
r [m]
T [m²/s]
Brunnen 1
Brunnen 2
Brunnen 3
Brunnen 4
0
350
705
970
2,9⋅10-3
4,5⋅10-3
4,8⋅10-3
17,7⋅10-3
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Abb. 2: Simulation der Ausbildung eines Absenkungstrichters um einen Brunnen bei
geneigtem Grundwasserspiegel und gleichen Bedingungen einmal mit und
einmal ohne Berücksichtigung einer Speisung der bevorzugten Transportwege durch Wasser aus reaktionsträgem Speicherraum (intern oder extern).
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22
6.3 Leakage im Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes: Begriff und weitere
Differenzierung
Zentrale Bedeutung für Abweichungen der Absenkkurven von der Idealvorstellung
nach THEIS und damit auch der Fließgeschwindigkeit im Grundwasser, der ermittelbaren Aquiferdurchlässigkeit und aller zusammenhängenden praktischen Auswirkungen und Folgen, hat der Begriff „Leakage“.
Die in einem Grundwasserleiter über eine ihn über- oder unterlagernde Schicht geringerer Durchlässigkeit zusickernde oder wegsickernde Wassermenge QL ist abhängig
vom Potentialunterschied an dieser Stelle, von der Zusickerungsfläche A und vom
Verhältnis der Durchlässigkeit der geringer durchlässigen Schicht zu deren Mächtigkeit. Also:
QL = kf’/M’⋅A⋅(H’ - H)
[Volumen/Zeit] bspw. [m²/s]
Oft wird in der Literatur oder in marktgängigen EDV-Programmen aber die sogenannte Undichtigkeitszahl C verwandt,
C = M’/kf’
deren Einheit demzufolge [Zeit], meist [s] ist. Der literaturübliche Begriff Leakage bzw.
der Leakagefaktor L wird definiert als:
L = SQR(C⋅T) = SQR((M’/kf’)⋅kf⋅M)
so daß als Einheit [Länge], i. d. R. [m], resultiert. Zwischen dem früher von der Abteilung Geologie des LfU des Saarlandes benutzten Faktor „a“ der früher so bezeichneten „T-r-Beziehung“ und dem Leakagefaktor L besteht die Beziehung:
1/L + 1 = a
Die durch numerische Modellierung im Buntsandstein ermittelten Leakagefaktoren in
der Größenordnung von etwas unter 100 bis ca. 1000 m, meist zwischen 200 und 500
m, passen gut zu Werten, die HEIZMANN, an versch. Stellen, (bspw.[5]), angibt:
a im St. WendelerGraben [-]
Leakagefaktor
L [m]
1,005
1,008
1,009
1,011
200
125
110
91
In numerischen Grundwassersimulations-Modellen muß, sofern man die früheren Resultate in irgendeiner Art weiter nutzen möchte, mit anderen Werten gearbeitet werden.
In dem in Deutschland sehr weit verbreiteten Computermodell ASM, [6], wird der Leakagefaktor abweichend von obiger Definition festgelegt als
LASM = kf’/M’
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23
Also:
LASM = 1/C
Demzufolge hat LASM die Einheit
[1/Zeit], dort [1/s]
Somit ergibt sich zum oben definierten Leakagefaktor L die Beziehung
LASM = T/L² [1/s]
und es entsprechen sich bspw. nachfolgende, wenn T = 0,002 ist:
L [m]
LASM [1/s]
400
1,2⋅10-8
91
2,4⋅10-7
Im weltweit am häufigsten angewandten Simulationsmodell MODFLOW, [7], wird hingegen der Begriff „Conductance“ verwandt, der die Einheit
[Fläche/Zeit], dort [m²/Tag] hat.
Setzt man voraus, daß sich Durchlässigkeit und Mächtigkeit der Schicht, über welche
der Aquifer seine Zusickerung erfährt, nicht von der des Aquifers unterscheiden, da
es sich um eine „aquiferinterne Zusickerung“, d. h. um bspw. eine Drainage des Porenwassers in das Kluftsystem handelt, so ergibt der quadratische Kehrwert des Leakagefaktors, multipliziert mit der Transmissivität, Zellfläche und den Sekunden eines
Tages den Wert für die Conductance, - also:
C = (1/L²)⋅T⋅F⋅86400 [m²/Tag]
Wiederum seien exemplarisch einander entsprechende Werte aufgeführt: Bei
T = 2⋅10-3 [m²/s] und F = 2,5⋅103 gilt:
L [m]
C [m²/Tag]
125
27,6
400
2,7
Sowohl analytisch als auch numerisch gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine Zusickerung, gleich welcher Art, d. h. sowohl im Aquifer selbst (Porenwasser fließt allmählich in die Klüfte) als auch aus Liegend- oder Hangendschichten, bei der Ermittlung
der Aquiferparameter zu berücksichtigen ohne eine theoriewidersprüchliche Abhän-
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24
gigkeit der Transmissivität von der Entfernung zu einer Entnahmestelle anzunehmen
(s. u.).
6.4 Mögliche weitere Ursachen für Abweichungen der Pumpversuchsdaten vom
klassischen Kurvenverlauf nach THEIS
Folgende Ursachen oder Einflußfaktoren können bei der Auswertung von Pumpversuchen in verschiedenen Durchlässigkeiten in der Entnahmestelle/Pumpbrunnen und
einer oder mehreren von ihr entfernten Grundwassermeßstelle, Beobachtungsstelle,
Beobachtungsbrunnen o. ä. münden:
a) Meßfehler
b) veränderte physikalische Randbedingungen, wie bspw. Luftdruckschwankungen
c) Veränderungen der Relativpermeabilität für Wasser durch Lufteinschlüsse beim
Wiederanstieg in freiem Gw
d) Orientierung der Achse Entnahmestelle - Beobachtungsstelle zum Gw-Ruhestrom
e) unterschiedliche Tiefe von Entnahme- und Beobachtungsstelle
f) Einflüsse dritter Entnahmestellen auf Entnahme- oder Beobachtungsstelle
g) Alterung in der Entnahmestelle oder der Beobachtungsstelle
h) reale Inhomogenitäten des Grundwasserleiters
i) tektonische Lineamente in unmittelbarer Nähe einer der beiden Stellen
j) Verringerung der wassererfüllten GwL-Mächtigkeit infolge Ausbildung des Absenktrichters
k) nährende Ränder
l) undurchlässige Ränder
m) Zusickerung aus dem Hangenden oder Liegenden
n) Zusickerung aus aquiferinternem Porenraum in das aquiferinterne Fugensystem
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit und der angestrebten Kürze dieses Leitfadens wird, wie in den bisherigen Kapiteln auch, auf eine detaillierte Erläuterung aller
genannten Einzelpunkte verzichtet und bezüglich der Diskussion der Punkte a) bis g)
auf die entsprechende Standardliteratur verwiesen, z. B. [8, 9, 10]. Lediglich auf die
Untergliederungen h) bis n) wird in den nachfolgenden Kapiteln eingegangen.
7. Absenkungsverhalten bei Pumpversuchen im Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes
7.1 Generelle Methodik der Pumpversuchsauswertung mittels halbgraphischer
Verfahren
Neben der Verwendung von EDV-Programmen zur Auswertung der beim Pumpversuch anfallenden Daten werden auch heute noch Auswertungen mit Papier und Taschenrechner durchgeführt. Sie erlauben in nicht wenigen Fällen eine mindestens
gleichwertige Erarbeitung der gewünschten Resultate und ermöglichen darüber hinaus dem Auswerter oft auch eine bessere Berücksichtigung von Besonderheiten einzelner Datenpaare. Auch der „Black box-Charakter“ der Auswertung geht verloren,
man erkennt, an welcher Stelle subjektive und objektive Einflüsse eine Wirkung auf
das Endresultat bewirken.
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25
Zunächst sollte grundsätzlich eine diagrammatisch Auftragung der Absenkung bzw.
korrigierten Absenkung gegen die Zeit vorgenommen werden, und zwar in nichtlogarithmischer Achseneinteilung. Hierbei werden erste Auffälligkeiten erkennbar und
bspw. Meß- oder Ablesefehler häufig bereits erkannt.
Im zweiten Schritt folgt dann die Erstellung eines Diagrammes mit einfacher oder
doppelt logarithmischer Achseneinteilung, in dem wiederum die Pumpversuchsdaten
eingetragen werden. Hierbei gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Auswertemethoden:
• die sogenannten Geradlinienverfahren,
• die sogenannten Typkurvenverfahren.
Zur Theorie der beiden Verfahren sei an dieser Stelle auf die einschlägige Literatur
hingewiesen. An dieser Stelle wird lediglich die methodische Vorgehensweise zur
Auswertung nach diesen beiden Prinzipien in aller Kürze beschrieben.
Beim üblichsten Geradlinienverfahren wird auf der logarithmischen Abszisse die Zeit
aufgetragen [s], auf der Ordinate die Absenkung s [m], wobei man üblicherweise die
y-Achse nach unten aufsteigend zeichnet (wie die vom Koordinatenursprung nach unten laufende negative y-Achse; die Vorzeichen sind hier jedoch positiv). Die Punkteschar ergibt einen anfänglich (kleine Zeiten) meist unruhigen, nichtlinearen Verlauf,
der nach einer gewissen Zeit in eine halblogarithmische Gerade übergeht.
Die Steigung dieser Gerade über eine logarithmische Zeitdekade wird als ∆s bezeichnet und für das spätere Einsetzen in Formeln benötigt. Deren Verlängerung bzw. Extrapolation in Richtung kleinere Zeiten und kleinere Absenkung führt zu einem Schnittpunkt mit der Abzissenparallelen durch den Ordinatenwert mit s = 0, wobei man dort
die Zeit t0 in Sekunden abliest. Auch dieser Wert wird später in eine Formel eingesetzt. (Neben dem hier beschriebenen log Zeit - Absenkungs - Verfahren gibt es weitere Geradlinienverfahren).
Im dritten Schritt werden die graphisch ermittelten Werte ∆s und t0 zur Berechnung
der Transmissivität und des Speichervermögens eingesetzt:
T = 0,183 Q/∆s
S = 2,25 t0 T/r²
Es bedeuten:
r: Entfernung GwM - Entnahmestelle [m]
Q: Entnahmevolumen pro Zeit [m³/s]
Ob die Anwendung dieser Formeln jedoch im konkreten Einzelfall statthaft ist, muß
anhand des Kriteriums u < 0,02 jeweils überprüft werden.
u ist definiert als r² S/(4 t T).
Das klassischste der sogenannten Typkurvenverfahren, von denen es ebenfalls
mehrere gibt und einige davon in den nachfolgenden Gliederungspunkten diskutiert
werden, baut auf einer diagrammatischen Auftragung der Daten auf doppelt logarithmischem Papier auf: Auf der Ordinate werden (ebenfalls von oben nach unten) die
Werte für die Absenkung eingetragen, auf der Abszisse die Werte für t/r² [s/m²]. Es
resultiert in aller Regel ein im linken unteren Diagrammteil steiler, dann nach rechts
oben flacherer Verlauf der Punkteschar.
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26
Im gleichen Maßstab wird, - diesmal allerdings auf transparentem Papier -, die sogenannte Standardkurve bzw. THEISsche Typkurve aufgetragen. Diese Kurve ist eine
Art Schablone, die, einmal gezeichnet, für alle Pumpversuche nach diesem Auswerteprinzip immer wieder verwendet werden kann. Auf ihr ist bei der hier beschriebenen
Methode auf der Ordinate die Brunnenfunktion W(u) aufgetragen, auf der x-Achse 1/u
(u ist weiter oben definiert). Sie kann entweder aus verschiedenen Lehrbüchern kopiert oder anhand von ebenfalls dort aufgelisteten Tabellenwerten selbst konstruiert
werden.
Diese Typkurve wird nun so über das Datenblatt verschoben, daß ein möglichst großer Bereich von ihr sich mit dem Verlauf der Datenpunkte deckt. Dann wird aus dem
Überlappungsbereich beider Blätter ein willkürlicher Punkt festgelegt und auf beiden
Blättern die hierzu gehörenden Abszissen- und Ordinatenwerte abgelesen. Zweckmäßigerweise wählt man einen für die spätere Berechnung einfach zu handhabenden
Wert, wie etwa W(u) = 1 und 1/u = 10 (aber auch jeder andere ist möglich). Die abgelesenen Werte werden in die beiden nachfolgenden Formeln eingesetzt:
T = Q/(4 π s) ⋅ W(u)
S = 4 T (t/r²) ⋅ u
Abweichungen der Datenkurve vom Verlauf der Typkurve sind Hilfen für weitere Interpretationen, auf die nachfolgend eingegangen wird. Daß aber die klassische Modellvorstellung auch im Saarland zur Anwendung kommen kann und zunächst bei manueller Auswertung immer als erstes auch auf Eignung erprobt werden sollte, wird im
nachfolgenden Gliederungspunkt erläutert.
7.2 Absenkungskurven, die den klassischen Modellvorstellungen von THEIS
bzw. JACOB gehorchen
Ohne besondere Berücksichtigung verschiedener Einflußfaktoren sind die üblichen
analytischen Pumpversuchs-Auswerteverfahren nach den verschiedenen Geradlinienmethoden oder Typkurvenverfahren nur für Porengrundwasserleiter anwendbar.
Dort, wo der Hauptgrundwasserleiter des Saarlandes infolge einer tiefreichenden
Aufwitterung, einer aufgrund vorrangig tonigen Bindemittels lockergesteinsähnlichen
Lithologie oder einer dichten und statistisch entsprechend verteilten Klüftung dem
Charakter eines Porenaquifers nahe kommt, können nichtsdestoweniger ebenfalls die
genannten Auswerteverfahren zum Einsatz kommen.
Die hydrogeologischen, d. h. sowohl die seitens des Untergrundaufbaus und der
Randbedingungen als auch seitens des Strömungsgeschehens selbst bestehenden
Bedingungen, welche Grundvoraussetzung für die Anwendung klassischer Auswertemethoden sind, existieren in diesen Fällen in der Regel. Dies resultiert darin, daß
auch die Meßdaten bspw. dem Verlauf der Standardkurven folgen und somit die Aquiferparameter T bzw. kf (sowie S) sichere und belastbare Werte repräsentieren.
Es gibt auch im saarländischen HGwL (Hauptgrundwasserleiter) häufig Pumpversuche, die nach den klassischen Verfahren (Typkurvenverfahren nach THEIS oder Geradlinienverfahren nach JACOB) ausgewertet werden können, in einigen Gebieten ist
eine solche Auswertung sogar die Regel.
Nachfolgende Auswertung in Form der Abbildung 3a - c (Seite 29 - 31) repräsentiert
die Gruppe dieser Pumpversuche bzw. dieser Bereiche des HGwL am Beispiel eines
Pumpversuches im Grenzbereich Saarland - Rheinland-Pfalz (Brunnen bzw. Gw-
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Meßstellen im Bereich des Homburger Königsbruches bzw. in dessen östlicher Verlängerung): Zunächst werden die Meßdaten tabelliert wiedergegeben, anschließend
folgen graphische Ausdrucke der beidachsig logarithmischen Auftragung von t und s
bzw. t/r² und s und schließlich die semilogarithmische Wiedergabe von s (linear) gegen t (logarithmisch).
Man beachte die Übereinstimmung der Datenkurve mit der Typkurve bzw. (Geradlinienmethode) die Theoriekonformität des halblogarithmischen Geradenverlaufs auch
für unterschiedlich entfernte Gw-Meßstellen, unter anderem erkennbar an:
• der Geradensteigung in allen GwM, die bei den weiter vom Pumpbrunnen entfernten den gleichen Wert hat, wie in den pumpbrunnennäheren!
• dem auch für längere Pumpzeiten stets konstant bleibenden Absenkungsbetrag je
logarithmischem Zyklus der Zeit!
(Fälschlicherweise wird von einigen Anwendern eine Verflachung immer wieder als
Beginn des quasistationären Zustandes mißinterpretiert. Solange der Absenktrichter nicht einen Rand des Aquifers erreicht, verläuft die Absenkungsgerade aber
auch nach sehr großer Zeit mit der stets konstanten Steigung weiter, lediglich mit
dem Unterschied, daß der in einer logarithmischen Zeitdekade gleichbleibende
Absenkungsbetrag in vielfach größeren Zeiten, bspw. Jahren in der Spätphase des
Pumpversuches, statt anfänglich Sekunden, gemessen werden kann).
Da für die Ermittlung der Transmissivität nach dem log Zeit - Absenkungs-Verfahren
bei konstanter Entnahmerate ausschließlich die Geradensteigung maßgeblich ist, wird
deutlich, daß entfernungsunabhängig für die Transmissivität stets der gleiche Wert berechnet wird.
Die zu fordernden Bedingungen, welche Voraussetzung für die Anwendung des
Typkurvenverfahrens nach THEIS und der verschiedenen Geradlinienverfahren nach
JACOB sind, können wie folgt spezifiziert werden (Dupuit-Annahmen, [11]):
• Über die ganze Mächtigkeit des Grundwasserleiters ist eine horizontale Strömung
ausgebildet
• Die Fließgeschwindigkeit im Abstand r von der Entnahmestelle ist an jeder Stelle
von r konstant, und zwar in jeder Schnittebene des Grundwasserleiters
• Die Strömungsgeschwindigkeit vf an der freien Grundwasseroberfläche läßt sich
durch -kf ⋅ (dh/dr) ausreichend exakt quantifizieren.
Dies bedeutet konkret auch:
• Der Aquifer ist homogen und isotrop
• Die Transmissivität ist im Untersuchungsraum überall gleich
• Der Gw-Leiter ist seitlich unbegrenzt, d. h. unendlich weit ausgedehnt
• Das Grundwasser ist gespannt
• Die Liegend- und Hangendbegrenzungen des Aquifers sind undurchlässig und horizontal
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• Der Gw-Leiter ist an jeder Stelle gleichmächtig ausgebildet
• Der Gw-Spiegel ist im Ruhezustand horizontal
• Die Gw-Strömung ist radialsymmetrisch
Da in der Praxis derartig ideale und einfache Gegebenheiten nur mit Einschränkungen oder gar nicht existieren, gibt es in jedem Einzelfall die Verpflichtung für den
Pumpversuchs-Auswerter, zu überprüfen, ob die Anwendung der obigen Verfahren
überhaupt vertretbar oder wissenschaftlich statthaft ist.
Sind die Abweichungen von den geforderten Bedingungen marginal, besitzen die gewonnenen Kenngrößen eine hohe Aussagekraft und sind verläßlich. Die Datenkurve
verhält sich so, wie dies die halbgraphischen Lösungsansätze (Standardkurve bzw.
halblogarithmische Geraden) tun.
Abweichungen der Datenkurve von den generell zu fordernden Verläufen deuten, sofern andere Ursachen auszuschließen sind, auf eine Nicht-Übereinstimmung der tatsächlich im Untersuchungsgebiet vorhandenen mit den im theoretischen Ansatz der
Auswertemethode geforderten Bedingungen hin.
Zum einen ist in derartigen Fällen ein anderes Auswerteverfahren zu wählen, zum
anderen erhält man durch die Art der Abweichungen bzw. den Verlauf der Datenkurve
wichtige Hinweise für die Erarbeitung einer Vorstellung hinsichtlich des Aufbaus des
Grundwasserleiters und der Art der Strömung.
Nachfolgend werden diejenigen Abweichungen der Datenkurve von Pumpversuchen
im saarländischen HGwL vom klassischen Verlauf der THEIS-Typkurve bzw. die Abweichungen der halblogarithmisch aufgetragenen Werte vom klassischen Geradlinienverlauf nach JACOB vorgestellt und diskutiert, die häufiger angetroffen werden
können.
Besonders charakteristisch oder mit Augenmerk zu versehen, sind weitere vier Typen von Absenkkurven, denen auch recht genau Untergrundgegebenheiten zugeordnet werden können und auf die im Anschluß an die nachfolgende Tabelle/Abbildungen eingegangen wird.
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7.3 Absenkungskurven, bei denen eine Verdoppelung der Steigung bei der
halblogarithmischen Auftragung auftritt
Die Abbildung 4a auf der nachfolgenden Seite zeigt exemplarisch den Verlauf von
Meßdaten aus Pumpversuchen, die diesem Typ von Absenkkurve entsprechen.
Ursache für den Verlauf der Datenkurve ist der aus Schichten unterschiedlicher Dicke
und hydraulischer Eigenschaften zusammengesetzte Grundwasserleiter in vielen Bereichen des Verbreitungsgebietes des HGwL. TV-Farbkamerabefahrungen und bohrlochgeophysikalische Untersuchungen belegen eindeutig, daß in etlichen Brunnen der
Grundwasserzufluß großteils und bevorzugt aus nur geringmächtigen Bereichen
stammt, während die mächtigen Hangend- und Liegendbänke kaum zur Ergiebigkeit
beitragen.
Diese Differenzierung ist sowohl optisch als auch durch objektive Meßresultate vornehmbar, wobei es sich nicht im eigentlichen Sinn um die in Lehrbüchern beschriebene Stockwerksgliederung handelt.
Vielmehr werden in der Fachliteratur die geringmächtigen, hochpermeablen und
grundwasserzuführenden Schichten als Leitschichten bezeichnet, während die
mächtigeren und erheblich geringerdurchlässigen Festgesteinspartien für die Speicherung des Grundwassers die maßgebliche Rolle innehaben, während sie für die
Durchlässigkeit des Gesamtsystems eine völlig untergeordnete Bedeutung haben.
Man bezeichnet diese Partien des Schichtenpakets als Speicherschichten.
Zur Veranschaulichung zeigen die Fotos auf Seite 33 (Abb. 4b, [25]) im wassererfüllten, nichtverrohrten Brunnenteil zwei unterschiedliche Erscheinungs- bzw. Ausprägungsformen von Leitschichten innerhalb von Speicherschichten. Leitschichtcharakter
können sowohl Bankungsfugen (oberes Foto) haben als auch bindemittelarme Lagen,
an denen oft ausgeprägter Zustrom und Ausspülungen an Schichtfugen vorkommen
(vgl. auch geophysik. Messungen, Abb. 4c). Je nach Intensität des Zustroms bilden
sich auch größere Kavernen mit zum Teil beträchtlichen Felsüberständen aus. Auch
kurze Vertikalklüfte in einer Schicht kommen vor (unteres Foto).
Im Zustand hydraulischer Beanspruchung werden die gut durchlässigen Horizonte
vertikal von den Speicherschichten durch Zusickerung gespeist. Man kann in einem
solchen Fall von einer internen Zusickerung sprechen, wenngleich sich die Datenkurve nicht wie im Fall eines „leaky aquifer“ verhält.
Im Falle solcher HGwL-Bereiche mit Transmissivitäten der geringmächtigen hochpermeablen Zonen, welche sehr viel größer als die der mächtigen geringpermeablen
Speicherschichten sind und Speichervermögen in den letztgenannten, welche sehr
viel größer als die in den hochpermeablen Zonen sind, zeigt sich insbesondere bei
halblogarithmischer Auftragung von t gegen s eine augenfällige Verhaltensweise der
Datenkurve.
(Bei doppeltlogarithmischer Auftragung sind die Auffälligkeiten weniger leicht zu erkennen, wie die diagrammatische Auswertung Seite 36 zeigt).
Die Werteauftragung (halblogarithmisch) hat einen kleinen Übergangsbereich oder relativ eindeutigen Knick, ab dem sich die Steigung deutlich vergrößert. Die beiden Geradenstücke verhalten sich hinsichtlich ihrer Steigungen wie 1:2 [12].
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Der flache Geradenteil wird maßgeblich verursacht durch die vertikale Zusickerung
aus den niedrigpermeablen dicken Buntsandsteinbänken (Speicherschichten) in die
gut durchlässigen, horizontalen Horizonte. Im Bereich des steilen Geradenteils reagiert das Gesamtsystem. Die Steigung des ersten, flacheren Geradenabschnittes
kann durch die Gleichung
1/2⋅Q/T⋅0,183
beschrieben werden und drückt die Absenkungsdifferenz in einem logarithmischen
Zyklus der Zeitauftragung (x-Achse) aus. Die doppelte Steigung des zweiten Geradenabschnittes beträgt demzufolge
0,183 Q/T
Selbstverständlich kann man für beide Geradenstücke mittels ds/dt eine Transmissivität für den erschlossenen Grundwasserleiter anhand der gerade angegebenen Formeln berechnen. Sie ergibt wegen des Faktors 1/2 und der doppelten Steigung für
beide Geradenstücke etwa den gleichen Wert. Allerdings beschreibt dieser ermittelte
T-Wert die Durchlässigkeitseigenschaft der hochpermeablen Leitschicht(en), da, wie
weiter oben bereits erwähnt, für die Charakterisierung dieses Aquifertypes folgende
Besonderheiten gelten:
TLeitschicht >> TSpeicherschicht und SSpeicherschicht >> SLeitschicht
Für die Ermittlung des Speichervermögens der Speicherschicht ist es methodisch erforderlich, die Zeit ts zu ermitteln, die sich durch Verlängerung des steilen Geradenstückes mit dem Grundwasser-Ruhespiegel (s = 0) ergibt. - Einsetzen von ts in die
Gleichung
S = (2,25 T⋅t0)/r² ergibt das für die Schichtenfolge relevante Speichervermögen.
Der Leakagefaktor kf´ dividiert durch H´der geringdurchlässigen Speicherschichten
kann über die Gleichung
kf’/H’ = (0,56 S)/t2
bestimmt werden. In dieser Formel ist mit t2 eine weitere Größe enthalten, die aus der
aufgetragenen Datengraphik zu entnehmen ist; t2 ist die Zeit am Schnittpunkt der beiden verschieden steilen Geradenstücke.
Bei doppellogarithmischer Auftragung ist für die beschriebenen Gegebenheiten ein
Erkennen dieser Zusammenhänge sehr viel schwieriger und kann an dieser Stelle
nicht als gleichwertige Entscheidungshilfe zur Entwicklung einer besseren Vorstellung
über den Aufbau des Gw-Leiters empfohlen werden. Lediglich eine im Übergangsbereich geringfügig veränderte Steigung der THEIS-Kurve über ein kleineres Kurvenstück ist bemerkbar.
7.4 Absenkungskurven, bei denen ein Zeitversatz der halblogarithmischen Gerade festgestellt werden kann
Die unter Gliederungspunkt 7.3 beschriebene und oft schon nach der optischen Beurteilung und der Durchführung geophysikalischer Untersuchungen eines offenen Bohrloches bzw. eines Brunnens ohne Ausbau im Fels (keine Verrohrung mit Ringraumverfüllung im unteren Teil) mögliche Differenzierbarkeit des GwL in Leit- und Spei-