1 LS für Hydrologie und Wasserwirtschaft Dr. Wolfgang Rolland Theoretische Grundlagen zur Durchführung von Pumpversuchen 1. Einleitung Pumpversuche sind die wichtigsten und gleichzeitig kostenaufwendigsten Verfahren der Grundwassererkundung. Aufgrund des hohen zeitlichen, apparativen und finanziellen Aufwandes ist eine besonders sorgfältige Planung und Durchführung des Versuches notwendig. In Anlehnung an STALLMANN (1971) läßt sich der hydrologische Pumpversuch wie folgt definieren: Der Pumpversuch ist ein relativ aufwendiges kontrolliertes Feldexperiment, mit dem man die Leistung eines Brunnens, die wasserleitenden und -speichernden Eigenschaften eines Aquifers und der angrenzenden Gesteine in situ zu bestimmen. Dabei wird der Einfluß einer begrenzten Anzahl innerer und äußerer hydraulischer Randbedingungen mit berücksichtigt. Um dieses Ziel zu erreichen wird ein Pumpversuch zweckmäßigerweise in zwei Phasen, den Brunnentest und den Aquifertest, unterteilt. Verlauf, Verfahren und Ziele der beiden Methoden sind in Abb. 1 dargestellt. Weiterführende Ausführungen finden sich u.a. bei GLA (1994), bei LAWA (1979), im DVGW-Arbeitsblatt W 111 und in der TGL 23864. Auf Gütepumpversuche kann im Rahmen des Skriptes nicht weiter eingegangen werden. Ziel der hier besprochenen Versuchsansätze ist es, Informationen über die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters zu erlangen. Auf Grundlage der Kenntnis der räumlichen Ausdehnung des Grundwasserleiter (Lage, Mächtigkeit, Begrenzungen) und weiterer Randbedingungen (stauende Schichten, gespannte Verhältnisse, Anschlüsse an andere GW-Leiter und Vorfluter) kann auf die Parameter • Leitfähigkeit (kf) [L T-1] beziehungsweise Transmissivität (T) [L²/T] (T=kf*M) • spezifischer Speicherkoeffizient (S0) [L-1] bzw. Speicherkoeffizient (S) [-] (S=So*M) und • Speisungsfaktor (B) [L] geschlossen werden. theoret_grundlagen_pv 2 Abb. 1: Empfehlung für die Durchführung von Pumpversuchen (verändert aus GLA 1994) Alle drei Kennwerte haben eine große Schwankungsbreite, insbesondere jedoch der kfWert.(siehe Tab. 1) Tab. 1: Typische Werte für kf, S0, T und Porosität (P) Gestein Ton Sand fein mittel grob Kies Sandstein dichter massiver Fels Kohle * ** kf [m/d] * 10-8 - 10-2 1-5 5-20 20-100 100-1000 10-3 - 1 <10-5 10-2- 50** S0 [m-1] ** gespannte GWL: 3 * 10-5 - 3 * 10-7 ungespannte GWL: 1 * 10-1 - 4 * 10-1 ≈ entwässerbare Porosität T [m²/d] T=kf*M*** Porosität [%] * 40-70 25-40 25-40 5-30 aus KRUSEMAN & de RIDDER (1994) aus DAWSON & ISTOK (1991) theoret_grundlagen_pv 3 *** M= Aquifermächtigkeit Die Parameterbestimmung kann als ein iterativer Vorgang beschrieben werden. D.h. es müssen möglichst umfangreiche Vorkenntnisse vorhanden sein. Bereits im voraus sind Annahmen über die Größenordnung der Parameter zu treffen, um die Methodik hinsichtlich Versuchsaufbau und Auswertung zu optimieren. Fehler, die durch falsche Modellvorstellungen und daraus folgender unsachgemäßer Versuchsdurchführung verursacht werden sind z.B.: • • • • zu starke GW-Absenkung im Bereich des Förderbrunnens --> zu geringer durchflossener Querschnitt --> zu starke Strömung zu geringe Absenkung --> großer Meßfehler (bei Ablesegenauigkeit einer Brunnenpfeife von 1 cm und einer GW-Absenkung < 20 cm ist alleine der Meßfehler > 5%). zu geringe Reichweite des Entnahmetrichters --> kein repräsentatives Volumen zu große Reichweite des Entnahmetrichters --> Einfluß von Aquiferrändern Vorstellungen über die zu bestimmenden Parameter können z.B. aus der Textur (Korngrößenzusammensetzung) des Materials, aus Laborversuchen in Säulen oder Vorversuchen (Brunnentests) entwickelt werden. Vorinformationen z.B. Unterlagen bei den entsprechenden Ämtern, Kartenwerke (wie z.B. HK50) sind zu erschließen. Um ein annehmbares Verhältnis zwischen dem Aufwand und Ergebnis zu erzielen müssen zumindest folgende Angaben bekannt sein: • vorherige eingehende hydrogeologische Erkundung (z.B.: geologischer Aufbau, Textur, GWL gespannt oder ungespannt, Kontakte zu anderen GWL bzw. Speisung aus halbgespannten GW-Stauern (leaky aquifer), Ausdehnung des Aquifers. • Kenntnisse über den Ausbau des Brunnens (z.B. Maße, Verfilterung, Vollständigkeit) • Kenntnisse über die Startwerte (Wasserstände im Entnahme und Beobachtungsbrunnen, Trend im Grundwasserstand) Aus diesen Abgaben muß eine erste Abschätzung über den Absenkungstrichter getroffen werden. Die Notwendigkeit ergibt sich schon daher, daß bei unachtsamer Versuchsdurchführung nicht nur „falsche“ oder nicht auswertbare Daten erhoben werden, sondern auch Schäden entstehen können (z.B. Gebäudeschäden, Kontamination des GW durch Altlasten). Die Abschätzung der Reichweite (R in [m]) ist z.B. nach den beiden empirischen Formeln aus der Absenkung im Brunnen und dem kf-Wert möglich: nach LEMBKE (1886,1887): nach WEBER (1924): nach SICHARDT (1928): nach KUSAKIN (a) (zit. in HÖLTING 1984): R= ho*√ (kf/2N) R = 2,45 √ (h0*kf*t/ne) R = 3000 *s * √kf R = 575 * s * √T theoret_grundlagen_pv 4 R = 1,9 * √(ho * kf * t/ne) nach KUSAKIN (b) (1953): es bedeuten: t [s] = Absenkzeit ne [-] = effektives Porenvolumen N [m/s] h0 [m] = ungestörte Wasserspiegellage s [m] = Absenkung im Brunnen kf [m/s] = Durchlässigkeitsbeiwert T [m²/s] = Transmissivität = Grundwasserneubildung Bei einem Pumpversuch wird dann mittels einer Pumpe über einen längeren Zeitraum (mehrere Stunden bis Tage) hinweg eine konstante Wassermenge aus einem Brunnen gefördert. In der Regel wird dann im Entnahmebrunnen und in Beobachtungsbrunnen in unterschiedlicher Entfernung vom Entnahmebrunnen die Wasserstandsänderung/Zeit beobachtet. Verbesserte Auswertungen sind möglich, wenn neben der Absenkphase auch der Wiederanstieg nach Beendigung der Entnahme aufgezeichnet wird, da hier die Einflüsse der Pumpe (z.B. Schwankung in der Förderleistung) aufgehoben sind. Stehen keine Beobachtungsbrunnen zur Verfügung, kann hilfsweise alleine aus der Charakteristik der Wasserstandsentwicklung im Entnahmebrunnen auf die Eigenschaften des Aquifers geschlossen werden. Durchführung der Messung: Für die unmittelbare Durchführung eines Pumpversuch sind folgende Bestimmungen unerläßlich: • Bestimmung des natürlichen Wasserspiegeltrends (Wochen bis Monate vorher) • Bestimmung der Startwerte und Rahmenbedingungen (Entfernung der Pegel vom Förderbrunnen, Startwerte des Wasserstandes) • Einstellung und Bestimmung einer konstanten Fördermenge im Versuchszeitraum • exakte Messung des Wasserspiegels mit präziser Zeitzuordnung in der Absenk- und der Wiederanstiegsphase • Ableitung des geförderten Wassers aus dem unmittelbaren Einzugsbereich des Grundwasserkörpers Ziel der Messung muß es sein, den durch die Wasserförderung entstehenden Absenktrichter hinsichtlich seiner raum-zeitlichen Ausdehnung möglichst genau zu beschreiben. Dazu ist es besonders wichtig, die Anfangsphase vollständig zu erfassen (siehe Skript Versuchsdurchführung). Aufgrund des hohen Aufwandes eines solchen Versuches kann in der Regel nicht abgewartet werden, bis sich stationäre Zustände in einem GW-Leiter einstellen. Aus theoret_grundlagen_pv 5 diesem Grund wird der instationäre Absenkungsverlauf, trotz aufwendigerer Berechnungsverfahren, zur Auswertung herangezogen. Auswertung: Theoretischer Hintergrund Die erste graphische Auswertemethode für Pumpversuche wurde 1935 von CHARLES THEIS entwickelt. Obwohl ursprünglich nur für eine eng begrenzte Situationen entwickelt, kann sie – in modifizierter Form - auf eine Vielzahl von Modellvorstellungen angewendet werden. Nach THEIS (1935) kann die Absenkung des Wasserspiegels in einem Beobachtungsbrunnen wie folgt beschrieben werden: s( r , t ) = Q r² *S æ ö * Wç ÷ è 4 * kf * M * t ø 4 * π * kf * M (1) mit s(r,t) = Grundwasserabsenkung im Abstand r von der Entnahmestelle zur Zeit t, S = Speicherkoeffizient M = Aquifermächtigkeit kf = Durchlässigkeitsbeiwert Q = Förderrate Wird gesetzt: r² *S æ ö u=ç ÷ è 4 * kf * M * t ø (2) so ist: s( r , t ) = Q * W (u) 4 * π * kf * M (3) mit: kf * M = T ergibt sich nach Umstellung die Transmissivität zu: T= Q * W( u) 4*π*s T[m²/d] (4) theoret_grundlagen_pv 6 und der Speicherkoeffizient S zu: æ tö S = 4 *T*ç ÷ * u è r²ø S [-] (5) W(u) ist die THEIS’sche Brunnenfunktion, die die raumzeitliche Herausbildung des Entnahmetrichters mathematisch beschreibt. Diese Funktion läßt sich nicht direkt lösen, kann aber näherungsweise approximiert werden. Für den praktischen Gebrauch sind die Werte für u und W(u) tabelliert. Die graphische Darstellung der Funktion W(u) = f(u) bzw. f(1/u) wird als THEIS’sche Typkurve bzw. -Standardkurve bezeichnet. Sie wird zur graphischen Parameterbestimmung benötigt. Das graphische Auswerteverfahren basiert auf folgender Grundlage: Wenn man die Gleichungen 4 und 5 umstellt gelten folgende zwei Funktionen: é Q ù lg s = êlg + lg W( u) ë 4πT úû (6) und lg r ² é 4T ù = lg + lg( u) t êë S úû (7) Wenn während des Versuches die Förderrate (Q) konstant gehalten wird, befinden sich in den Klammern beider Funktionen nur Konstanten. Variablen sind s, r²/t sowie W(u) und u. Unter der Voraussetzung, daß die Absenkung nach der THEIS’schen Typkurve verläuft, besteht zwischen beiden Paaren mathematisch die gleiche Beziehung. Diesen Zusammenhang kann man sich zu Nutze machen, indem die beiden Kurven miteinander verglichen d.h. graphisch zueinander in Beziehung gesetzt werden. Datenkorrektur - Trendbereinigung Die Absenkung des GW kann durch Einflüsse, die ihre Ursache nicht im Pumpversuch haben, überlagert werden. Dies können z.B. mittelfristige Trends sein (Jahresgang der Grundwasserneubildung) oder periodische Veränderungen (z.B. Gezeiteneinfluss) sein. In diesen Fällen ist eine Korrektur der Meßwerte nötig. Liegen aus vorangegangen Meßwerten Angaben über einen Trend im Grundwasserstand vor, müssen die Meßwerte entsprechend korrigiert werden.. theoret_grundlagen_pv 7 Vorgehensweise: - Berechnung des linearen Trends (bzw. der Periodizität) ∆s/∆t in [m/min] - Korrektur des Ruhewasserstandes (RWS) linear korrigierter RWS (skor)[m] = Ruhewasserstand (s) [m] + Dauer (t) (verstrichene Zeit seit Ruhemessung) [min] * natürliche Wasserstandsänderung aus Trendberechnung (∆s/∆t) [m/min]. Weiter Ausführungen zur Datenkorrektur (z.B. auch Luftdruck und Tiedenkorrektur) finden sich bei DAWSON & ISTOCK (1991, S. 43 ff.). - Korrektur für ungespannte Aquifere Bei ungespannten Verhältnissen tritt im Verlauf des instationären Strömungsvorganges eine Veränderung des Fließquerschnittes auf. Damit ist die Konstanz der Strömungsverhältnisse nicht mehr gegeben. Trotzdem läßt sich der Vorgang analog auswerten wenn zuvor eine Korrektur der Meßwerte stattgefunden hat. Diese ist nach folgender Gleichung vorzunehmen: s k = s − s2 / 2 M (8) Es wird dann im folgenden bei der Auswertung, statt mit den gemessenen (s), mit den korrigierten Wasserständen (sk) weitergerechnet. Gleichung 8 macht deutlich, dass je größer die Mächtigkeit eines Aquifers ist und je geringer die relative Absenkung darin ist, sich der Wert von sk an s annähert. Bei sehr mächtigen Aquiferen kann daher die Korrektur überflüssig werden. Je nach den Eigenschaften des untersuchten Grundwasserleiters, den angrenzenden hydrogeologischen Bedingungen sowie den Brunneneigenschaften herrschen unterschiedliche Strömungsverhältnisse vor. Die Darstellung der analytische Abbildungen dieser Verhältnisse und die zugehörigen graphischen Auswerteverfahren würden den Rahmen eines Skriptes sprengen. Hierzu sei auf das Buch von DAWSON & ISTOK (1991) verwiesen, in dem in einer Art „Kochrezept“ Auswerteverfahren für vielfältigste Situationen zusammengestellt sind. Im folgenden wird nur eine begrenzte Auswahl, die bei unseren Versuch Anwendung finden, dargestellt. Im vorliegenden Fall (Pumpversuch BTUC) gelten folgende Annahmen: • der Aquifer ist isotrop (isotropic). • der Brunnen ist vollständig (fully penetrating) • der Aquifer ist ungespannt (unconfined) • der Aquifer ist von unendlicher Ausdehnung theoret_grundlagen_pv 8 Bestimmung der Parameter mit der Methode nach JACOB & COPPER Bei dieser Methode, auch als „straight line method“ bezeichnet, handelt es sich um eine Vereinfachung der Methode von THEIS. (DAWSON & ISTOK 1991). Sie kann angewendet werden, wenn r (radiale Distanz zw. Förder- und Beobachtungsbrunnen) klein oder t (Pumpzeit) groß ist. Zur Anwendung der Methode muß gelten: t >= 3,8 (S/T) r² (TGL 23864, Blatt 5) Auf dieser Basis lassen sich nun die Parameter auf 3 Varianten ermitteln: 1. graphisch auf halblogarithmischem Papier aus dem zeitlichen Verlauf der Absenkung in einem Beobachtungspunkt Vorgehensweise: • Die korrigierte Absenkung wird auf halblogarithmischem Papier über der Zeit aufgetragen (Abszisse: Absenkdauer, logarithmisch; Ordinate: Absenktiefe linear). • Im Idealfall sollte sich durch die Meßpunkte eine Gerade legen lassen • Abweichungen können auftreten durch 1) den Einfluß des Brunnens zu Beginn der Messung 2) Einflüsse aus den randlichen Teilen des untersuchten Aquifervolumens gegen Ende der Messung • Aus diesem Grund werden die nichtlinearen Abschnitte zu Beginn und zum Ende der Messung nicht für Ermittlung der Ausgleichsgerade berücksichtigt • Aus der Gerade wird die Absenkungsänderung ∆sr während der Zeitspanne von log(t) bis log(10*t) bestimmt. • t0 ist definiert als Abzissenabschnitt der durch die Verlängerung der Gerade bestimmt wird. • Dann lassen sich Transmissivität (T), Durchlässigkeitsbeiwert (kf) und Speicherkoeffizient (S) wie folgt berechnen: T= 0183 . *Q ∆sk S= 2.25 * T * t 0 r² [m²/s] (9) (10) theoret_grundlagen_pv 9 wobei ∆sk = korr. Wasserspiegel- (Druck-)änderung innerhalb einer Zehnerpotenz von t ist t0 = x-Achsenabschnitt der Verlängerung der angepaßten Gerade 2. graphisch auf halblogarithmischem Papier aus dem räumlichen Verlauf der Absenkung in mehreren Meßstellen zur gleichen Zeit Bei der Auswertung wird analog vorgegangen, nur daß jetzt sk als f(r) aufgetragen wird und auf der x-Achse r0 abgelesen wird. dann ist T: T= 0.366 * Q ∆sk (11) und S: S= 2.25 * T * t r ²0 2. (12) graphisch auf halblogarithmischem Papier aus dem zeitlichen Verlauf des Wiederanstieges im Entnahmebrunnen Nach dem Abschalten der Pumpe findet eine Wiederauffüllung des Absenktrichters statt. Dieser verläuft in mehreren Phasen. Im Idealfall ist der Wiederanstieg in den Beobachtungsbrunnen spiegelbildlich zum Absenkungsverlauf. Im Förderbrunnen findet zunächst ein schlagartiger Wasseranstieg statt. Dann erfolgt hier, wie auch in den Pegeln geringer Entfernung, ein kontinuierlicher Anstieg. In größerer Entfernung hält die Wirkung des Pumpvorganges länger an, so daß hier zunächst noch eine weiter Absenkung beobachtet wird. Da die gleichen Strömungsverhältnisse wie in der Pumpphase vorherrschen, ist der Wiederanstieg der Absenkungsphase gleichzustellen und mit den gleichen Verfahren auswertbar. Trotzdem sind jedoch einige Unterschiede zu beachten. Jeder Wiederanstieg wird durch die vorhergegangene Absenkung direkt beeinflußt. Nach langen Pumpzeiten ist der Datenauftrag s’ = f[lg t’] direkt auswertbar Dazu werden nach dem Abstellen der Pumpe der Wiederanstieg des Wasserspiegels (s’) und die zugehörige Zeit (t’) gemessen, die Meßdaten auf semilogarithmischem Papier aufgetragen, die Ausgleichsgrade gezogen und ∆sk’ aus einer logarithmischen Dekade ermittelt. Die Berechnung der Transmissivität erfolgt dann nach Gleichung 9. Wiederanstiegskurven werden theoret_grundlagen_pv 10 nur von Entnahmebrunnen ausgewertet. Nur dafür sind Vereinfachungen möglich, die für entfernte Meßstellen nicht mehr gelten. Die Beobachtung des Wiederanstieges hat sich ebenfalls an der vorangegangen Pumpzeit zu orientieren. Um äußere Ränder identifizieren zu können sollte t’>= 0,75 t sein. Eine Wiederanstiegskurve läßt sich in drei Zeitabschnitte unterteilen (siehe Abb 2): • der Anstiegsteil der durch Einflüsse des Brunnens geprägt ist. • der mittlere Abschnitt dessen Daten sich am besten für die Bestimmung der Aquiferparameter eignet. • der in der Regel von der halblogarithmischen Wiederanstiegsgerade abweichende langfristige Abschnitt der von den äußeren Rändern oder überlagernden Trends geprägt ist. Abb. 2: Beispiel einer Wiederanstiegskurve eines Entnahmebrunnens Auswertung nach THEIS & HANTUSH (1955) (DAWSON & ISTOK 1991, S. 103 ff) Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, daß der Aquifer während des Versuches vertikalen Zufluß aus /über einen GW-Hemmer erhält (leaky aquifer). Brunnen Q GWH GWL GWH theoret_grundlagen_pv 11 Abb. 3: Leaky Aquifer Dafür muß die Brunnenfunktion verändert werden und der sogenannte Speisungsfaktor (B) eingeführt werden. Es gilt: Q W( u, r / B) 4πT s= (13) mit: W( u, r / B) = ∞ 1 é r² ù ò y exp êë− y − 4 B² y úûdy (14) u und: u= r ²S 4Tt (15) Diese Gleichung läßt sich näherungsweise lösen. Die Werte sind können Tabellen entnommen werden (z.B. DAWSON & ISTOK 1991 S. 107 ff, oder KRUSEMAN & RIDDER 1994 S. 298 ff). Die graphische Auswertung erfolgt analog zu der nach THEIS, nur daß jetzt mehrere Typkurven (dadurch, daß der Parameter B zusätzlich eingeführt wurde) zur Anpassung zu Verfügung stehen (siehe z.B. DAWSON & ISTOK 1991) (siehe Abb. 4). Durch Einsetzen der abgelesenen Werte (W(u, r/B), 1/u, t und s) in die oben stehenden Gleichungen lassen sich T und S bestimmen. Vorgehensweise: • Stellen Sie die Typfunktionen W(u,r/B) über 1/u auf doppellogarithmischem Papier her • Stellen Sie die Meßdaten in gleichem Maßstab in der Form s über t für die jeweiligen Beobachtungstellen dar. Alternativ ist es auch möglich alle Beobachtungsstellen in einer Darstellung zu vereinigen. Dann ist W(u, r/B) über t/r² aufzutragen. (Welche Methode Sie wählen ist Ihnen freigestellt, bei der Auswertung ist die Methodik jedoch zu berücksichtigen). • Überlagern Sie die Datenkurve mit den Typkurven. Bewegen Sie die Kurven so gegeneinander (aber achsenparallel) bis die Kurve der besten Anpassung gefunden ist. Dabei sollen möglichst viele Datenpunkte zu Beginn der Messung verwendet werden. theoret_grundlagen_pv 12 • Wählen sie einen matchpoint und bestimmen Sie W(u,r/B), u, r/B, s und t (bzw. t/r²) durch Ablesen der Koordinaten des matchpoint auf allen 4 Achsen. Die Lage des matchpoints ist unwesentlich, sinnvoll ist es jedoch ihn dort zu wählen wo W(u, r/B) = 1 ist. • Bestimmen Sie T aus Gleichung 13 • Bestimmen Sie S aus Gleichung 15 unter Verwendung der berechneten Transmissivität T. Abb. 4: Typkurven nach HANTUSH (aus DAWSON & ISTOK 1991) Tips zur Auswertung: • Überlegen Sie sich zuerst einen geeigneten Maßstab für die Darstellung der Meßwerte • Stellen Sie dann erst die Typenkurven in gleichem Maßstab dar • Sie können die Kurven auch mit einem PC darstellen. Dann muß jedoch darauf geachtet werden, daß ein Programm verwendet wird das maßstabsfeste Abbildungen erstellt, da viele Programme (z.B. Harvard, Excel) die Graphiken in ihrer Größe selber dimensionieren • Kopien von Daten- und Typkurven sind nur eingeschränkt zu verwenden, da hierbei, insbesondere bei älteren Geräten, Verzerrungen der Darstellungen auftreten theoret_grundlagen_pv 13 Literaturübersicht - DAWSON, K.J. & J.D. ISTOK (1991): Aquifer Testing. Lewis Publishers, Chelsea Michigan. - DVGW-Arbeitsblatt W 111 (1975): Technische Regeln für die Ausführung von Pumpversuchen bei der Wassererschließung. - DVWK-Schriften 58/1 (1982): Ermittlung des nutzbaren Grundwasserdargebotes. Hamburg, Berlin. - GLA (1994): Ergiebigkeitsuntersuchungen in Festgesteinsaquiferen. Geologisches Landesamt Baden-Württemberg, Informationen 6/94. - HÖLTING, B. (1984): Hydrogeologie. Enke Verlag, Stuttgart (2 Aufl). - LAWA (1979): Pumpversuche in Porengrundwasserleitern, Arbeitsblatt 1979 - MELUF Baden-Würtemberg. - KRUSEMAN, G.P. & N.A. de RIDDER (1994): Analysis and Evaluation of Pumping Test Data (2nd ed.) ILRI publication 47, Wageningen, The Netherlands. - TGL 23864: Pumpversuche (Durchführung und Auswertung) Blätter 02-10. theoret_grundlagen_pv