Entwicklung eines Bemessungsleitfadens für die Infiltration von Grundwasser mithilfe der Düsensauginfiltration

Koers, Henrik; Ziegler, Martin (Thesis advisor); Forkel, Christian (Thesis advisor); Treskatis, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Düsensauginfiltrationsbrunnen und -anlagen werden seit mehr als einer Dekade als alternatives Verfahren zur Infiltration von Wasser in einen Grundwasserleiter eingesetzt. Infiltrationsanlagen sind als Systemkomponenten von Grundwassermanagementsystemen zu verstehen. Sie stellen bei anthropogenen Grundwassereingriffen neben der Entnahme und der eventuellen Aufbereitung von Grundwasser einen Teil der Verbringungsmethoden dar. Neben der Infiltration kann Grundwasser aus Grundwasserabsenkungen auch in Vorfluter oder Kanalisationssysteme geleitet werden. Wenn eine Einleitung in diese Systeme aus örtlichen, monetären oder ökologischen Gründen nicht gegeben oder gewollt ist, kann das entnommene Wasser nur reinfiltriert werden. Dazu stehen konventionelle Infiltrationsverfahren wie beispielsweise Sickerbecken, -schlitze und Schluckbrunnen sowie Düsensauginfiltrationsbrunnen zur Verfügung. Die Schluckbrunnen stellen dabei die Methode dar, die den Düsensauginfiltrationsbrunnen am nächsten kommt. Im Vergleich werden Düsensauginfiltrationsbrunnen mit geringeren Bohr- und Ausbaudurchmessern hergestellt. Zudem werden sie im Grundwasserleiter nur teilverfiltert ausgebaut. Schluckbrunnen sind hingegen meistens vollkommen und vollverfiltert ausgebaut. Basis für die Bestimmung des Infiltrationsverhaltens von Düsensauginfiltrationsbrunnen sind auf der einen Seite die Rohrströmungen, die das Fließverhalten in der Zuleitung und durch die Düseneinbauten im Brunnenraum beschreiben. Hier bestimmen die Grundsätze der Energieerhaltung und der Kontinuität das Fließverhalten in seiner Geschwindigkeit und im Druckniveau. Auf der anderen Seite lassen sich die Fließvorgänge im Grundwasserleiter analytisch oder numerisch mit dem Gesetz nach Darcy beschreiben. Im Brunnennahbereich kommt es zu Fließvorgängen, die den vollständig laminaren Bereich verlassen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich mit Düsensauginfiltrationsbrunnen relativ geringe, jedoch weiträumige Anstiege der Grundwasseroberfläche verwirklichen lassen. Der Hauptgrund hierfür liegt in der Teilverfilterung der Brunnen, die darauf abzielt, ausschließlich in die durchlässigsten bzw. leistungsfähigsten Abschnitte des Grundwasserleiters zu infiltrieren. Die aufnahmefähigsten Schichten werden bei der Abteufung eines Brunnens im Spülbohrversuch erkundet. Die Tiefenlage und Länge der Filterstrecke wird in Abhängigkeit der Ergebnisse des Spülbohrversuchs festgelegt. Beim Anschluss der Filterstrecke ausschließlich an den durchlässigsten Abschnitt im Grundwasserleiter hat dies Vorteile auf die theoretisch zu verwirklichenden Infiltrationsmengen. In diesem Abschnitt sind durch die höheren Durchlässigkeiten ausgedehnte Grenzbedingungen für die maximale Infiltrationsmenge sowie die dreidimensionale Druckausbreitung im Infiltrationsbereich gegeben. Überprüft werden die hydrogeologischen Gegebenheiten nach dem Ausbau eines Düsensauginfiltrationsbrunnens in einem Stufeninfiltrationsversuch, aus dem die praktische maximale Infiltrationsmenge sowie die Durchlässigkeit im Infiltrationsbereich abgeleitet werden können. Bei Brunnenentwicklungen vor dem Stufeninfiltrationsversuch und Regenerierungen während der Betriebsphase gilt es, die Voraussetzungen für eine optimale Einzelleistungsfähigkeit der Brunnen zu schaffen. Für die Anlagenplanungen sind neben den Einzelleistungsfähigkeiten auch die Gruppenwirkung der Infiltrations- und benachbarter Absenkbrunnen mitzubedenken. Planerisch ist dies in einfachen Fällen mit analytischen Mehrbrunnenansätzen und in sonstigen Fällen mit Grundwassermodellierungen lösbar. Außerhalb des Brunnennahbereichs entspricht das Fließverhalten bei der Düsensauginfiltration den bekannten Gesetzmäßigkeiten. Bezüglich des Druckausbreitungs- und Fließverhaltens im Filter- und Brunnennahbereich herrschte bis jetzt Unkenntnis. Vor allem der Einfluss der Düseneinbauten war lange Zeit ungeklärt. Zur Aufklärung wurden klein- und großmaßstäbliche Labor- und Felduntersuchungen durchgeführt. Neben dem Einsatz verschiedener Brunnenausbaumaterialien wurden Variationen mit unterschiedlichen hydrogeologischen Verhältnissen (äußeren Grundwasserströmungen) und Infiltrationstechniken durchgeführt. Der initiale Einfluss der Ausbaumaterialien, Filterrohre und -schüttungen, war als sehr gering gegenüber dem Einfluss aus der Durchlässigkeit des Grundwasserleiters einzustufen. Äußere Grundwasserströmungen hatten auch keinen direkten Einfluss auf die Fließbedingungen im Brunnennahbereich. Bei der Anwendung unterschiedlicher Infiltrationstechniken wurde deren Einfluss auf den Brunnennahbereich deutlich. Es stellten sich unterschiedliche Druckausbreitungen beim Vergleich eines geschlossenen Systems ohne und eines mit einer Düse ein. Daraufhin wurden weitere Versuche durchgeführt, in denen bei einer Infiltration ohne Düse über die Filterhöhe unterschiedliche Piezometerhöhenänderungen im Filterrohr ermittelt wurden. Diese bedingten eine nicht konstante Ausstromverteilung aus dem Filter. Für die Bemessungsbedingungen ist jedoch eine konstante Ausströmung aus dem Filterrohr optimal. Um diese zu generieren, wurde eine neue Düsenform, das sogenannte Düsenregister, entworfen. Mit diesem konnte eine annähernd konstante Druck- und Ausstromverteilung versuchstechnisch nachgewiesen werden. In Vergleichsversuchen zu den zuvor verwendeten Düsen und einer Infiltration ohne Düse konnten verbesserte Druck- und Ausstrombedingungen nachgewiesen werden. Die Versuchsergebnisse für die unterschiedlichen Infiltrationstechniken wurden mit numerischen Berechnungen für den Grundwasserleiter und Strömungssimulationen für das Fließverhalten im Filterrohr samt dem Düseneinbau nachmodelliert. Mit der Erkenntnis des ungleichmäßigen Ausstroms aus dem Filterrohr bei Anwendung unterschiedlicher Infiltrationstechniken und den entsprechenden Ansätzen in der Modellierung konnten die Versuchsergebnisse im Grundwasserleiter bestätigt werden. Die Strömungssimulationen gaben qualitativ die versuchstechnisch ermittelten Verhältnisse bei der Anwendung der unterschiedlichen Infiltrationstechniken wieder. Die Erkenntnisse aus der praktischen Anwendung, der Weiterentwicklung der Bohr-, Mess-, Infiltrations- und Regenerierungstechniken sowie der durchgeführten Versuche und Simulationen mündeten in einem Bemessungsleitfaden für die Herstellung von Düsensauginfiltrationsanlagen. Es wird dabei in planerische, bauliche und betriebliche Anforderungen unterschieden, die bei Projekten mit Düsensauginfiltrationsbrunnen bei der Dimensionierung zu beachten sind.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik [314310]

Identifikationsnummern

Downloads