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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers mittels radioaktiver Isotope Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers mittels radioaktiver Isotope, wobei das Isotop in ein die wasserführende Schicht durchsetzendes Bohrloch eingebracht und sodann auf Grund fortlaufender Messungen der Radioaktivität die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.
Es ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem eine radioaktive Isotopenlösung in das Bohrloch injiziert wird und anschliessend das im Bohrloch befindliche Grundwasser oder zumindest ein Teil desselben durch Mischung mit der injizierten Isotopenlösung aktiviert wird. Nach Entfernung der für die beiden erstgenannten Verfahrensschritte erforderlichen Einrichtungen aus dem Bohrloch wird die Strahlungsmesseinrichtung in das Bohrloch eingeführt und durch fortlaufende Messungen der Verlauf der Strahlungsintensität des Wassers im Bohrloch über der Zeit festgestellt, woraus auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden kann. Die mit diesem bekannten Verfahren erzielten Ergebnisse entsprechen jedoch in mehrfacher Hinsicht nicht den Erwartungen.
Als besonders nachteilig erweist sich biebei der verzögerte Beginn des eigentlichen Messvorganges, der sich insbesondere bei der Untersuchung relativ rascher Grundwasserströmungen in einer schwer erfassbaren Verfälschung des Messergeb- nisses auswirkt. Das bekannte Verfahren ist aber noch mit einer weiteren Messunsicherheit behaftet, die durch allenfalls vorhandene vertikale Strömungskomponenten im Bohrloch verursacht wird. Da eine Unterscheidung zwischen vertikalen und horizontalen Komponenten der Strömung auf Grund des Messergebnisses zunächst nicht möglich ist, muss die Vertikalkomponente der Strömung gesondert ermittelt und bei der Auswertung des Messergebnisses berücksichtigt werden. Dies erfordert ein Mehrfaches an apparativem Aufwand.
Bei Anwendung des bekannten Verfahrens besteht dar- über hinaus für die mit der Durchführung betrauten Personen eine erhöhte Strahlungsgefährdung, weil die für die einzelnen Verfahrensschritte benötigten Geräte aufeinander folgend in das Bohrloch eingebracht und aus diesem in verseuchtem Zustand wieder ausgefahren werden müssen. Damit ist aber naturgemäss auch ein verhältnismässig grosser Aufwand hinsichtlich der Reinigung der verseuchten Geräte verbunden.
Von dieser Erkenntnis ausgehend, wurde ein Verfahren gefunden, welches bei wesentlich verringertem Zeitbedarf eine weitaus grössere Messsicherheit gegen- über der vorbekannten Methode bietet. Erfindungsge- mäss besteht dieses Verfahren darin, dass an der zu untersuchenden wasserführenden Schicht das im Bohrloch befindliche Wasser über eine Strecke verdrängt und das Bohrloch aber- und unterhalb dieser Strecke abgeschlossen und sodann die verdrängte Wassermenge durch eine mit einem radioaktiven Isotop homogen gemischte Wassermenge ersetzt und unmittelbar anschlies- send mit den Messungen begonnen wind.
Der Hauptvorteil dieses Verfahrens nach der Erfindung liegt somit darin, dass die Messung bereits wenige Sekunden nach Freigabe des mittels des radioaktiven Isotopes markierten Wassers beginnen kann. Der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität innerhalb des abgeschlossenen Be- rdches des Bohrloches kann daher unmittelbar von jenem Zeitpunkt an verfolgt werden, in dem der Austausch bzw. die Mischung des radioaktiven Wassers mit dem Grundwasserstrom einsetzt.
Zweckmässigerweim wird die Messung beendest, wenn die Radioaktivität des im abgeschlossenen Bereich des Bohrloches befindlichen Wassers bis auf etwa 5 bis 10 Prozent der Ausgangsaktivität abgesunken ist. Durch die erfindungsgemäss vorgesehene Massnahme, die radioaktive Wassermenge innerhalb des Bohrloches nach oben und unten abgeschlossen zu halten, geht tatsächlich nur die vorhandene horizontale Grundwassenströmung in Idas Messergebnis ein.
Daher erübrigt sich auch eine gesonderte Ermittlung der vertikalen Strömung iah Bohrloch. Schliesslich wird durch die Erfindung auch die Strahlungsgefahr erheblich vermindert, da die einzelnen Phasen des Verfahrens in unmittelbarer Aufeinanderfolge an ein und derselben Stelle des Bohrloches ablaufen. Es unter-
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bleibt daher auch das Auswechseln der für die einzelnen Verfahrensschritte erforderlichen Einrichtungen.
Die Erfindung betrifft weiters eine Einrichtung zur Durchführung des obenbezeichneten Verfahrens mit einer in das Bohrloch einzuführenden Sonde, in der eine radioaktive Wassermenge eingeschlossen ist, und die eine Auslösevorrichtung zur Freisetzung der radioaktiven Wassermenge an der zu untersuchenden Stelle des Bohrloches besitzt. Einre bekannte Einrichtung dieser Art besteht aus einer zylindrischen Sonde, in der ein Kolben längsverschieblich gelagert ist, dessen Bewegung von einem im Kopf der Sonde angeordneten Elektromotor über eine in Längsrichtung der Sonde liegende Spindel abgegleitet ist. Die im unteren Teil der Sonde eingeschlossene radioaktive Wassermenge wird durch den Kolben über ein federbelastetes Ventil und ein zentrales Injektionsrohr am unteren Ende der Sonde ausgeschoben.
Das eingangs beschriebene bekannte Verfahren bedient sich dieses Gerätes, für eine Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung erweist es sich jedoch als ungeeignet.
Es wurde deshalb eine Einrichtung entwickelt, die den speziellen Erfordernissen des Verfahrens gemäss der Erfindung Rechnung trägt und welche es ermöglicht, die Vorteile dieses Verfahrens mit bestem Erfolg auszunützen. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelteil der Sonde als Behälter ausgebildet ist, der die gesamte für die Messung erforderliche radioaktive Wassermenge enthält und von einem mittels der Auslösevorrichtung schlagartig absenkbaren, gewichtsbelasteten Fallzylinder ummantelt ist, dass die Strahlungsmesseinrich- tung, z.
B. ein Geiger-Müller-Zählrohr in der Sonde selbst, und zwar im Behälter für die radioaktive Wassermenge oder unmittelbar darüber angeordnet isst und die Sonde oberhalb und unterhalb des Behälters für die radioaktive Wassermenge je eine aufblasbare ringförmige Dichtmanschette aus elastischem Material aufweist.
Somit sind sämtliche für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers erforderlichen Instrumente in einem einzigen Gerät vereinigt. Da der Behälter der Sonde bereits die für die Messung erforderliche homogene Gesamtmenge radioaktiven Wassers enthält, kann der zeitraubende und den Messbeginn verzögernde Mischvorgang im Bohrloch selbst unterbleiben, was auch insofern von Vorteil ist, als mit kleineren Mengen radioaktiver Substanz das Auslangen gefunden wird, da der durch die Mischzeit sonst bedingte Verlust hier entfällt. Die rasche Messbereitschaft der Einrichtung wird aber auch dadurch begünstigt, dass die Freisetzung des Behälterinhaltes durch schlagartiges Absenken des Fallzylinders ausserordentlich rasch vor sich geht.
Selbstverständlich wirken sich alle diese Faktoren im Zusammenwirken mit der an sich günstigen Anordnung der Strahlungsmesseinrichtung innerhalb der Sonde, wie sie bei einer bekannten, abwechselnd als Injektor für das radioaktive Medium und Messgerät arbeitenden Sonde bereits angewendet wurde, in einer erheblich verbesserten Messgenauigkeit der Einrichtung aus, wobei durch die praktisch vollkommene Isolierung des in der Messzone befindlichen Wassers gegenüber dem darüber und darunter liegenden Bereich der Bohrung alle schädlichen Einflüsse auf das Messergebnis von der Messzone ferngehalten werden.
In weiterer Ausgestaltung der Einrichtung kann vorteilhafterweise die unterhalb des Behälters für das radioaktive Wasser angeordnete Dichtmanschette bei geschlossenem Behälter an der Innenwand des Fallzy- linders unter Druck anliegen und den bis unter die untere Dichtmanschette absenkbaren Fallzylinder bis zum Auslösezeitpunkt in dieser Lage festhalten. Die untere Dichtmanschette übernimmt somit zugleich die Aufgabe der sonst separat vorzusehenden Auslösevorrichtung zur Freisetzung des radioaktiven Wassers.
Nach einer anderen Ausführungsvariante ist es aber auch möglich, den Fallzylinder bei geschlossenem Behälter durch ein z. B. elektromagnetisch auslösbares Klinkengesperre oder dgl. festzuhalten. Diese Ausführung wird beispielsweise dann in Betracht zu ziehen sein, wenn eine rein elektrische Steuerung sämtlicher Betätigungsorgane der Sonde erstrebenswert erscheint.
Weiters erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Fallzylinder mittels eines den Anschlag bildenden zentralen Teleskoprohres mit der Sonde verbunden ist. Man erzielt dadurch einen verhältnismässig grossen Bewegungsbereich des Fallrohres, so dass die Unterbringung der für den Messvorgang erforderlichen Menge aktivierten Wassers im Behälter auch bei kleinem Durchmesser der Sonde keinerlei Schwierigkeiten bereitet.
Schliesslich ist es zweckmässig, dass Zusatzteile, insbesondere auswechselbare Fallzylinder verschiedenen Durchmessers, an der Sonde anbringbar sind, die eine Verwendung der Sonde in Bohrlöchern verschiedenen Durchmessers unter Anpassung des Fassungsraumes des Behälters an den jeweiligen Bohrlochdurchmesser gestatten. Dies gestattet eine vielseitige Anwendbarkeit der Einrichtung, ohne dass das Grundgerät selbst sowie seine Anschlussteile ausgetauscht werden müssen.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Einrichtung nach der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen Fig. la und Fig. lb eine erste Ausführungsvariante des Gerätes in verschiedenen Arbeitsphasen innerhalb einer Versuchsbohrung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den oberen Teil des Gerätes nach der Linie IT_-II in Fig. 6, Fig. 3 einen Längsschnitt durch den unteren Teil desselben Gerätes ge- mäss der Schnittlinie III-III in Fig. 7.
Fig. 4 zeigt einen ,gegenüber der Darstellung der Fia. 2 um 90 gedrehten Längsschnitt durch den oberen Teil des Gerätes gemäss der Linie IV-IV in Fig. 6, und Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt durch das gleiche Gerät gemäss der Linie V -V in Fig. 7.
Fig. 6 s@tellt einen horizontalen Schnitt durch den Oberteil des Gerätes nach der Linie VI-VI in Fig. 2 dar, die Fig. 7 und 8 je einen weiteren Hori- zontalschnitt nach den Linien VII-VII und VIII-VIII in Fig. 3. Eine zweite Ausführungsvariante der Einrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt, die einen Längsschnitt durch den unteren Teil :dieses Gerätes zeigt.
Bei beiden Ausführungsvarianten der Einrichtung nach der Erfindung wird eine im wesentlichen zylindrische Sonde 3 verwendet, welche in eine die wasserführende Schicht durchsetzende, üblicherweise mit perforierten Rohren ausgekleidete Versuchsbohrung 11 einführbar ist. Der Kopf 4 der Sonde 3 ist mittels eines Anschlussstückes 2 an einem mehradrigen Tragschlauch 1 befestigt, der die zur Fernbedienung der Sonde erforderlichen Kabel, Verbindungsschläuche usw. enthält. Unterhalb des Kopfes 4 der Sonde 3 befindet sich eine aufblasbare, ringförmige Dichtmanschette 5 zur Abdichtung des unteren Teiles der Sonde 3 gegen den dar- über liegenden Teil der Versuchsbohrung 11.
Der untere Teil der Sonde 3 besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Fallzylinder 6, dessen Wandung einen Be-
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hälter 7 bildet, in dem die für die Messung erforderliche Menge radioaktiven Wassers enthalten ist. Bei der ersteren Ausführungsvariante des Gerätes (Fig. 1 a bis 8) ist der Fallzylinder 6 durch ein Gewicht 10 belastet, welches an einem Tragring 9 am unteren Ende des Fallzylinders 6 befestigt ist. Im unteren Teil der Sonde 3 befindet sich eine weitere aufblasbare Dichtmanschette 8, welche, wie Fig. 1b zeigt, in der abgesenkten Lage des Fallzylinders 6 den das radioaktive Wasser enthaltenden Raum 7 gegen den unteren Bereich der Versuchsbohrung 11 abdichtet.
Bei der erstgenannten Variante ist der untere Teil der Sonde 3 mit deren Kopf 4 mittels dreier Verbindungsstäbe 12, welche den Behälter 7 in Längsrichtung durchsetzen, verbunden. Die Strahlungs- messeinrichtung befindet sich im Kopf 4 der Sonde 3.
Den Hauptbestandteil des Kopfes 4 der Sonde 3 bildet ein zylindrischer Hohlkörper 13, der nach unten durch einen Boden 14 abgeschlossen ist. Der zylindrische Hohlkörper 13 bildet den Behälter für die Strah- lungsmesseinrichtung 15, deren einzelne Elemente in Fig.2 durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. Die Strahlungsmesseinrichtung 15 besteht im wesentlichen aus einem Natriumjodidkristall 15', dem darüber liegenden Photo-Multiplier 15" und dem aus mehreren Einzelelementen aufgebauten Vorverstärker 15"'.
Der zylindrische Hohlkörper 13 weist insgesamt 4 jeweils um 90 gegeneinander versetzte Längsbohrungen 16, 17, 18 und 20 auf, wobei lediglich die Bohrung 18 als nach oben offene Sackbohrung, alle übrigen Bohrungen als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind. Die Bohrung 16, in deren obere Öffnung eine Schlauchtülle 22 eingesetzt ist, dient, wie nachstehend noch erläutert, zum Eindringen des radioaktiven Wassers in den Behälter 7. Die nächstliegende Längsbohrung 17 dient der Zufuhr von Pressluft zu der unteren Dichtmanschette B. In die Öffnung der Bohrung 17 ist zum Anschluss des nicht dargestellten Pressluftschlauches eine Schlauchtülle 23 eingesetzt, während in die untere Öffnung dieser Bohrung einer der als Rohre ausgebildeten Verbindungsstäbe 12 eingeschraubt ist.
Die nachfolgende Sackbohrung 18, welche gleichfalls mit einer Schlauchtülle 23 für den Pressluftanschluss versehen ist, besitzt etwa in halber Höhe des Hohlkörpers 13 eine radiale Aus- lassöffnung 19. Diese Öffnung 19 mündet in eine Umfangsnut 21 des Hohlkörpers 13, in welche die obere ringförmige Dichtmanschette 5 eingesetzt ist. Etwa in halber Höhe der Sackbohrung 18 weist diese eine weitere radiale Auslassöffnung auf, die durch einen Schraubstopfen 24 unter Beilage einer Ringdichtung 25 verschlossen isst. Der Zweck dieser Auslassöffnung wird noch an anderer Stelle näher erläutert. Die weiters vorhandene Längsbohrung 20 dient als Entlüftungsbohrung des Behälters 7 während seiner Füllung mit radioaktivem Wasser.
Der Hohlkörper 13 weist nahe seinem unteren Ende eine schmale Umfangsnut 26 auf, in der sich eine Ringdichtung 27 befindet, an der der obere Rand des Fallzylinders 6 bei geschlossenem Zustand des Behälters 7 anliegt, und die somit den Behälter 7 nach aussen abdichtet.
Den oberen Teil des Kopfes 4 der Sonde 3 bildet eine zylindrische Hülse 28, welche unter Beilage einer Ringdichtung 29 auf den Hohlkörper 13 aufgeschraubt ist. Die Hülse 28 weist oben einen einwärts gebogenen Ringflansch 30 auf, der zur Befestigung des mehrteiligen Anschlussstückes 2 der Sonde 3 dient. An der Innenseite des Flansches 30 sind insgesamt fünf koaxial angeord- nete ringförmige Teile mittels Schrauben 32 angeschlossen. Den obersten, unmittelbar am Flansch 30 anliegenden Teil bildet ein Anschlussstutzen 31, an dessen Unterfläche eine elastische Dichtungsscheibe 34 aufliegt, der unter Beilage einer Zwischenscheibe 35 eine weitere Dichtungsscheibe 34 sowie eine Druckscheibe 33 folgt, in der sich die Gewindebohrungen für die Schrauben 32 befinden.
Einer der Schrauben 32 gegenüberliegend befindet sich ein Einsatzrohr 42, welches die Ringteile 31, 34 und 33 durchsetzt und nach innen in eine Schlauchtülle 43 ausläuft. Das durch eine Schraube 44 verschlossene Einsatzrohr 42 dient zum Befüllen der Sonde mit radioaktivem Wasser, zu welchem Zweck die Schlauchtülle 43 und 22 durch einen nicht dargestellten Schlauch verbunden sind.
In die erweiterte obere Öffnung des Anschlussstutzens 31 ist eine elastische Ringdichtung 36 eingesetzt. Diese Ringdichtung 36 ist mittels einer auf den An- schlussstutzen 31 aufgeschraubten, nach Art einer über- wurfmutter ausgebildeten Schraubhülse 38 unter Zwischenlage einer Beilagscheibe 37 verspannbar. Auch die Schraubhülse 38 besitzt in ihrem oberen Bereich einen erweiterten Bohrungsteil, in dem sich zwei konische Klemmringe 39 und 40 befinden, zwischen denen das Ende der Umhüllung des in Fig. 2 nicht dargestellten mehradrigen Tragschlauches 1 festklemmbar ist. Diese Umhüllung besteht zweckmässigerweise aus einem Geflecht von Nylonfäden oder dgl.
Zum Verspannen der Klemmringe 39 und 40 ist ein Gewindering 41 vorgesehen, Ader in, die obere Öffnung der Schraub hülse 38 einschraubbar ist. Die unabhängig voneinander ver- spannbaren elastischen Dichtungsscheiben 34 und 36 umschliessen den bis ins Innere des Sondenkopfes 4 hineinragenden Tragschlauch 1 und dichten somit den Innenraum des Kopfes 4 nach aussen ab (nicht dargestellt).
Der Unterteil der Sonde 3 wird gleichfalls durch einen zylindrischen Hohlkörper 45 gebildet, welcher eine zentrale Sackbohrung 46 besitzt, die nach unten durch eine mit Schrauben 48 befestigte Ringplatte 47 abgeschlossen ist. Auch der Hohlkörper 45 besitzt eine seitliche längsverlaufende Sackbohrung 49 mit einer radialen Auslassöffnung 50, die in die Umfangsnut 54 mündet, in der die untere Dichtmanschette 8 angeordnet ist. Ähnlich wie beim Oberteil der Sonde ist auch hier eine weitere, mittels Ringdichtung 52 und Schraubstopfen 51 verschlossene radiale Öffnung der Bohrung 49 vorgesehen.
Die Bohrung 49 ist in folgender Weise mit der Pressluftzufuhr verbunden: Die unteren Enden der Ver- bindungsstäbe 12 durchsetzen den flansohamtigen oberen Teil 55 des Hohlkörpers 45 und sind an diesem unter beidseitiger Beilage von Dichtungsringen 56 mittels Muttern 57 angeschraubt. Der mit der Bohrung 17 fluchtende hohle Verbindungsstab 12 besitzt im Bereich zwischen den beiden Dichtungsringen 56 eine seitliche Öffnung, die mit einer in den flanschartigen Teil 55 eingefrästen Ausnehmung 53, welche in die Bohrung 49 mündet, korrespondiert.
In die zentrale Sackbohrung 46 des Hohlkörpers 45 ist ein die Ringplatte 47 durchsetzendes Teleskoprohr 58 längsverschieblich eingesetzt, das einen gleichfalls längsverschieblichenausziehbaren Stab 59 umhüllt, der eine am unteren Ende ödes Tedleskoprohres 5 8 aufgeschraubte Kappe 60 durchsetzt. Am oberen Ende des Teleskoprohres 58 ist eine diesem als Anschlag dienende Endkappe 61 mittels zweier Stifte 62 befestigt. Zum gleichen Zweck besitzt auch der ausziehbare Stab 59 an
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seinem oberen Ende einen ringförmigen Anschlag 63.
Um das Teleskoprohr 58 ist eine Dämpfungsfeder 84 angeordnet, deren unteres Ende auf der Ringplatte 47 aufliegt und deren oberes Ende das Auflager für einen Ring 85 bildet, an dem die Endkappe 61 bei ausgezogenem Teleskoprohr 58 anschlägt. Am unteren Ende des ausziehbaren Stabes 59 ist mittels einer Mutter 65 eine Nabe 64 befestigt, welche durch radiale Rippen 66 mit einem Haltering 67 verbunden ist, der den unteren Abschluss des Fallzylinders 6 bildet und in den der Tragring 9 für das Gewicht 10 eingesetzt ist.
Bei der zweiten Ausführungsvariante nach Fig.9 sind der Kopf 4 der Sonde 3 und deren Unterteil durch ein Zwischenrohr 68 verbunden, in dem der Messde- tektor, hier ein Geiger-Müller-Rohr, eingeschlossen ist. An das Zwischenrohr schliesst unter Beilage einer Ringdichtung 69 ein Magnetgehäuse 70 an. Im unteren Teil des Magnetgehäuses 70 befindet sich ein gekapselter Elektromagnet 72. In den Flansch 71 des Magnetgehäuses 70 sind in Längsrichtung angeordnete Gewindebolzen 73 eingeschraubt. Diese tragen eine unterhalb des Magnetgehäuses 70 angeordnete Ringplatte 74, an deren Unterseite eine elastische Ringdichtung 75 aufliegt. Diese Ringdichtung 75 stützt sich auf einen Einsatzring 76 des Fallrohres 6', welcher durch radiale Schrauben 77 am Fallrohr 6' befestigt ist.
Die untere Stirnfläche des Einsatzringes 76 ist konisch ausgebildet, wobei die gedachte Spitze dieser Kegelfläche nach unten gerichtet ist. Die Ringplatte 74 besitzt zwei nach unten gerichtete Ansätze 79, an denen je ein Klinkenstück 78 mittels eines Bolzens 80 in einer vertikalen Ebene drehbar gelagert ist. Die Klinkenstücke 78 untergreifen die konische Stirnfläche des Einsatzringes 76 und halten diesen und somit auch das Fallrohr 6' in der aus Fig. 9 ersichtlichen Lage fest, in der der Behälter 7' für das radioaktive Wasser geschlossen ist.
Zur Auslösung des Klinkengesperres ist ein zentrischer Mitnehmerstift 81 vorgesehen, welcher die Ringplatte 74 durchsetzt und oberhalb dieser eine Ankerscheibe 82 trägt, wobei diese Ankerscheibe 82 den Magnetkern für den Elektromagneten 72 bildet. Die inneren Enden der Klinkenstücke 78 sind durch einen Bolzen 83 mit dem Mitnehmerstift 81 gelenkig verbunden, so dass beim Anheben der Ankerscheibe 82 durch den Elektromagneten 72 die Klinkenstücke 78 den Einsatzring 76 und damit den Fallzylinder 6' freigeben. Der Einsatzring 76 dient zugleich als Belastungsgewicht für den Fallzylinder 6'.
Verfahrensmässig wird unter Benutzung eines der beiden oben beschriebenen Geräte wie folgt vorgegangen: Vor dem Einbringen in die Versuchsbohrung 11 wird der Behälter 7 bzw. 7' der Sonde mit radioaktivem Wasser gefüllt und verschlossen. Die Sonde wird nun mit Hilfe des Tragschlauches 1 in die Versuchsbohrung 11 abgesenkt. Sobald das Niveau der zu untersuchenden Bodenschicht erreicht ist, wird über die bereits beschriebenen Zuführungsleitungen dar oberen Dichtmanschette 5 Pressluft zugeführt, so dass sich diese ausdehnt und längs ihres gesamten Umfanges abdichtend an die Wand des Bohrloches anlegt. Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt der Fallzylinder 6 bzw. 6' in seiner oberen Endstellung, in der der Behälter 7 bzw. 7' geschlossen ist.
Bei der ersteren Ausführungsvariante nach Fig. 1 a bis 8 wird der Fallzylinder 6 durch die unter Druck gehaltene untere Dichtmanschette 8 in der Schliesslage festgehalten, wogegen der Fallzylinder 6' der zweiten Ausführungsvari- ante nach Fig. 9 durch die Klinkenstücke 78 gehalten ist.
Nun wird die Auslösevorrichtung betätigt, die den Fallzylinder 6 bzw. 6' freigibt, so dass sich dieser vom Kopf 4 der Sonde 3 löst und unter der Wirkung seiner Gewichtsbelastung schlagartig bis in seine untere End- lage absinkt. Beim erstgenannten Gerät erfolgt diese Auslösung durch kurze Druckentlastung der unteren Dichtmanschette 8, bei der zweiten Ausführungsvariante durch Betätigung des Elektromagneten 72. Die Dichtmanschette 8 wird bei beiden Konstruktionsvarianten unmittelbar danach wieder unter Druck gesetzt.
Der Inhalt des Behälters 7 bzw. 7' tritt nun in den durch die beiden Dichtmanschetten begrenzten Abschnitt der Versuchsbohrung 11 aus. In diesem Augenblick besteht bereits Messbereitschaft und die Strah- lungsmesseinrichtung 15 tritt in Aktion. Die fortlaufend oder in Zeitabständen gemessenen Strahlungswerte werden über die im Tragschlauch angeordneten Verbindungsleitungen weitergeleitet und über Tage registriert. Sofern in der zu untersuchenden Bodenschicht eine Wasserströmung vorhanden ist, tritt das an der Mess- stelle eingeschlossene radioaktive Wasser mit dem im Bereich zwischen den Dichtmanschetten 5 und 8 durch die Wandung der Versuchsbohrung 11 ein- bzw. austretenden inaktiven Grundwasser in Austausch.
Durch diese Mischung wird die durch den natürlichen Zerfall der radioaktiven Bestandteile bedingte Abnahme der Strahlungsintensität mehr oder weniger beschleunigt, je nachdem, wie gross die Strömungsgeschwindigkeit des ,an der Messistef>e mit dem radioaktiven Wasser in Austausch tretenden Grundwasserstromes ist. Gegebenenfalls vorhandene vertikale Strömungskomponenten, die oft beträchtliche Werte (bis zum zweifachen Wert der horizontalen Strömungskomponente) erreichen können, und deren Berücksichtigung bei der Auswertung der Messung auf erhebliche Schwierigkeiten stösst, gehen nach dem vorliegenden Verfahren, wie leicht einzusehen ist, in das Messergebnis überhaupt nicht ein.
Sobald die Strahlungsintensität des an der Mess- stelle befindlichen Wassers durch die zunehmende Verdünnung durch das inaktive Grundwasser bis auf etwa 5-10 % der Ausgangsaktivität abgesunken ist, was bei grossen Wassergeschwindigkeiten bereits nach etwa 3 bis 10 Minuten, bei kleinen Geschwindigkeiten nach etwa 1 bis 1?/2 Stunden der Fall ist, wird die Messung beendet und die Sonde nach Druckentlastung der beiden Dichtmanschetten 5 und 8 unter Wahrung der vorgeschriebenen Strahlungsschutzmassnahme aus der Versuchsbohrung 11 entfernt.
Nach Reinigung und Wiederbefüllung ist die Sonde für eine neuerliche Messung einsatzbereit.
Um ein und dasselbe Gerät an Versuchsbohrungen unterschiedlichen Durchmessers einsetzen zu können, können Zusatzteile verwendet werden, deren Aussendurchmesser der lichten Weite der jeweiligen Versuchsbohrung entspricht. Diese auswechselbaren Teile können z. B. als zylindrische Hülsen ausgebildet sein, welche auf die Hohlkörper 13 und 45 des Grundgerätes aufgeschoben werden und welche an Stelle der Hohlkörper des Grundgerätes mit Dichtmanschetten grösseren Durchmessers versehen sind.
Die Druckluftzufuhr zu diesen Dichtmanschetten erfolgt durch Anschluss der genannten Zusatzteile an die Pressluftbohrungen 18 und 49 der Hohlkörper 13 und 45 des Grundgerätes. Hiezu werden die bereits oben genannten radialen Öffnungen der Pressluftbohrungen 18 und 49 benützt, welche im
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Normalfall, d. h. bei ausschliesslicher Verwendung des Grundgerätes, durch die Schraubstopfen 24 und 51 verschlossen sind. Bei Verwendung von Zusatzteilen muss selbstverständlich auch der Fallzylinder ausgewechselt werden, wobei der Aussendurchmesser des Fallzylinders dem Durchmesser der Versuchsbohrung soweit als möglich nahe kommen soll.
Dadurch wird sichergestellt, dass die mit der Sonde in die Versuchsbohrung eingebrachte radioaktive Wassermenge nach ihrer Freisetzung den Messraum zwischen den beiden Dichtmanschetten möglichst vollständig ausfüllt. Diese Massnahme bedingt eine wesentliche Präzisierung des zu erwartenden Messer- gebnisses im Vergleich zu den eingangs beschriebenen bekannten Verfahren.
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Method and device for determining the flow velocity of the groundwater by means of radioactive isotopes The invention relates to a method for determining the flow velocity of the groundwater by means of radioactive isotopes, the isotope being introduced into a borehole penetrating the water-bearing layer and the flow velocity being determined on the basis of continuous measurements of the radioactivity .
A method of this type is already known in which a radioactive isotope solution is injected into the borehole and then the groundwater in the borehole or at least part of it is activated by mixing it with the injected isotope solution. After removing the devices required for the first two process steps from the borehole, the radiation measuring device is inserted into the borehole and the course of the radiation intensity of the water in the borehole over time is determined by continuous measurements, from which conclusions can be drawn about the flow velocity. However, the results obtained with this known method do not meet expectations in several respects.
The delayed start of the actual measuring process proves to be particularly disadvantageous, which has the effect of a falsification of the measurement result that is difficult to detect, particularly when examining relatively rapid groundwater flows. The known method is, however, subject to a further measurement uncertainty, which is caused by any vertical flow components that may be present in the borehole. Since a distinction between vertical and horizontal components of the flow is initially not possible due to the measurement result, the vertical component of the flow must be determined separately and taken into account when evaluating the measurement result. This requires a multiple of equipment outlay.
When using the known method, there is also an increased risk of radiation for the persons entrusted with the implementation, because the devices required for the individual method steps have to be successively introduced into the borehole and then withdrawn from it in the contaminated state. Naturally, this also involves a relatively large amount of effort in terms of cleaning the contaminated devices.
On the basis of this knowledge, a method has been found which, with a significantly reduced time requirement, offers far greater measurement reliability compared to the previously known method. According to the invention, this method consists in displacing the water in the borehole over a distance on the water-bearing layer to be investigated and closing the borehole above and below this distance and then replacing the displaced water volume with a water volume homogeneously mixed with a radioactive isotope and Immediately afterwards the measurements started.
The main advantage of this method according to the invention is that the measurement can start just a few seconds after the water marked by means of the radioactive isotope has been released. The time course of the radiation intensity within the closed area of the borehole can therefore be followed directly from the point in time at which the exchange or the mixing of the radioactive water with the groundwater flow begins.
The measurement is expediently ended when the radioactivity of the water in the closed area of the borehole has dropped to about 5 to 10 percent of the initial activity. As a result of the measure provided according to the invention to keep the amount of radioactive water inside the borehole sealed up and down, only the existing horizontal groundwater flow is actually included in Ida's measurement result.
A separate determination of the vertical flow in the borehole is therefore unnecessary. Finally, the risk of radiation is also considerably reduced by the invention, since the individual phases of the method take place in direct succession at one and the same point in the borehole. It under-
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Therefore, the replacement of the equipment required for the individual process steps remains.
The invention further relates to a device for carrying out the above-mentioned method with a probe to be introduced into the borehole, in which a radioactive water quantity is enclosed, and which has a triggering device for releasing the radioactive water quantity at the point of the borehole to be examined. A known device of this type consists of a cylindrical probe in which a piston is mounted so as to be longitudinally displaceable, the movement of which is slid off by an electric motor arranged in the head of the probe via a spindle lying in the longitudinal direction of the probe. The amount of radioactive water trapped in the lower part of the probe is pushed out by the piston via a spring-loaded valve and a central injection tube at the lower end of the probe.
The known method described at the beginning makes use of this device, but it proves to be unsuitable for use in the context of the present invention.
A device was therefore developed which takes into account the special requirements of the method according to the invention and which makes it possible to utilize the advantages of this method with the greatest possible success. This device is characterized in that the central part of the probe is designed as a container which contains the entire amount of radioactive water required for the measurement and is encased by a weight-loaded drop cylinder that can be suddenly lowered by means of the triggering device, so that the radiation measuring device, e.g.
B. a Geiger-Müller counter tube in the probe itself, namely in the container for the amount of radioactive water or directly above it eats and the probe above and below the container for the amount of radioactive water each has an inflatable annular sealing sleeve made of elastic material.
This means that all the instruments required to determine the flow velocity of the groundwater are combined in a single device. Since the container of the probe already contains the homogeneous total amount of radioactive water required for the measurement, the time-consuming mixing process that delays the start of the measurement can be omitted in the borehole itself, which is also advantageous in that smaller amounts of radioactive substance are sufficient because the Loss otherwise caused by the mixing time does not apply. The rapid readiness of the device to measure is also promoted by the fact that the contents of the container are released extremely quickly due to the sudden lowering of the drop cylinder.
Of course, all these factors, in cooperation with the inherently favorable arrangement of the radiation measuring device within the probe, as it has already been used in a known probe operating alternately as an injector for the radioactive medium and measuring device, result in a considerably improved measuring accuracy of the device, The practically complete isolation of the water in the measuring zone from the area of the borehole above and below it keeps all harmful influences on the measurement result away from the measuring zone.
In a further embodiment of the device, the sealing cuff arranged below the container for the radioactive water can advantageously rest against the inner wall of the falling cylinder under pressure when the container is closed and hold the falling cylinder, which can be lowered below the lower sealing cuff, in this position until it is triggered. The lower sealing collar thus simultaneously takes on the task of the triggering device, which otherwise has to be provided separately, for releasing the radioactive water.
According to another variant, it is also possible to use the drop cylinder with the container closed by a z. B. electromagnetically triggered ratchet or the like. To hold. This embodiment will have to be considered, for example, if a purely electrical control of all actuating elements of the probe appears to be desirable.
It also proves to be advantageous if the drop cylinder is connected to the probe by means of a central telescopic tube which forms the stop. This achieves a relatively large range of motion for the downpipe, so that accommodating the amount of activated water required for the measurement process in the container does not present any difficulties even if the probe has a small diameter.
Finally, it is useful that additional parts, in particular exchangeable drop cylinders of different diameters, can be attached to the probe, which allow the probe to be used in boreholes of various diameters while adapting the capacity of the container to the respective borehole diameter. This allows the device to be used in a variety of ways without the basic device itself and its connecting parts having to be replaced.
Two exemplary embodiments of the device according to the invention are described below with reference to the drawing. FIGS. 1 a and 1 b show a first variant of the device in different working phases within a test bore, FIG. 2 shows a longitudinal section through the upper part of the device along the line IT_-II in FIG. 6, FIG. 3 shows a longitudinal section through the lower part of the same device according to section line III-III in FIG. 7.
Fig. 4 shows a, compared to the representation of FIG. 2 longitudinal section rotated by 90 through the upper part of the device according to line IV-IV in FIG. 6, and FIG. 5 shows a partial longitudinal section through the same device according to line V -V in FIG. 7.
Fig. 6 shows a horizontal section through the upper part of the device along the line VI-VI in Fig. 2, Figs. 7 and 8 each a further horizontal section along the lines VII-VII and VIII-VIII in Fig 3. A second variant embodiment of the device according to the invention is shown in FIG. 9, which shows a longitudinal section through the lower part of this device.
In both embodiment variants of the device according to the invention, an essentially cylindrical probe 3 is used, which can be inserted into a test bore 11 which penetrates the water-bearing layer and is usually lined with perforated pipes. The head 4 of the probe 3 is fastened by means of a connector 2 to a multi-core support hose 1 which contains the cables, connecting hoses, etc. required for remote control of the probe. Below the head 4 of the probe 3 there is an inflatable, ring-shaped sealing sleeve 5 for sealing the lower part of the probe 3 from the part of the test bore 11 lying above it.
The lower part of the probe 3 consists essentially of a tubular drop cylinder 6, the wall of which has a loading
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forms container 7, in which the required amount of radioactive water is contained for the measurement. In the first variant of the device (FIGS. 1 a to 8) the drop cylinder 6 is loaded by a weight 10 which is attached to a support ring 9 at the lower end of the drop cylinder 6. In the lower part of the probe 3 there is a further inflatable sealing cuff 8 which, as FIG. 1b shows, in the lowered position of the falling cylinder 6 seals the space 7 containing the radioactive water from the lower area of the test bore 11.
In the first-mentioned variant, the lower part of the probe 3 is connected to its head 4 by means of three connecting rods 12 which pass through the container 7 in the longitudinal direction. The radiation measuring device is located in the head 4 of the probe 3.
The main component of the head 4 of the probe 3 forms a cylindrical hollow body 13 which is closed at the bottom by a base 14. The cylindrical hollow body 13 forms the container for the radiation measuring device 15, the individual elements of which are indicated in FIG. 2 by dash-dotted lines. The radiation measuring device 15 essentially consists of a sodium iodide crystal 15 ', the photo multiplier 15 "located above it and the preamplifier 15"' made up of several individual elements.
The cylindrical hollow body 13 has a total of 4 longitudinal bores 16, 17, 18 and 20 offset from one another by 90, with only the bore 18 being designed as an upwardly open blind bore and all other bores as through bores. The bore 16, in the upper opening of which a hose nozzle 22 is inserted, is used, as will be explained below, for the penetration of the radioactive water into the container 7. The closest longitudinal bore 17 is used to supply compressed air to the lower sealing collar B. In the opening of the Bore 17 is used to connect the compressed air hose, not shown, a hose nozzle 23, while one of the connecting rods 12 designed as tubes is screwed into the lower opening of this bore.
The following blind bore 18, which is also provided with a hose nozzle 23 for the compressed air connection, has a radial outlet opening 19 about halfway up the hollow body 13. This opening 19 opens into a circumferential groove 21 of the hollow body 13, into which the upper annular sealing collar 5 is used. Approximately halfway up the blind bore 18, this has a further radial outlet opening which is closed by a screw plug 24 with the addition of an annular seal 25. The purpose of this outlet opening is explained in more detail elsewhere. The longitudinal bore 20 which is also present serves as a ventilation bore of the container 7 while it is being filled with radioactive water.
The hollow body 13 has near its lower end a narrow circumferential groove 26 in which there is an annular seal 27, against which the upper edge of the drop cylinder 6 rests when the container 7 is closed, and which thus seals the container 7 from the outside.
The upper part of the head 4 of the probe 3 is formed by a cylindrical sleeve 28 which is screwed onto the hollow body 13 with the addition of an annular seal 29. The sleeve 28 has an inwardly curved annular flange 30 at the top, which is used to fasten the multi-part connection piece 2 of the probe 3. A total of five coaxially arranged annular parts are connected to the inside of the flange 30 by means of screws 32. The uppermost part, which lies directly on the flange 30, is formed by a connection piece 31, on the lower surface of which an elastic sealing washer 34 rests, which is followed by an additional sealing washer 34 and a pressure washer 33, in which the threaded bores for the screws 32 are located.
Opposite one of the screws 32 there is an insert tube 42 which passes through the ring parts 31, 34 and 33 and ends in a hose nozzle 43. The insert tube 42 closed by a screw 44 is used to fill the probe with radioactive water, for which purpose the hose nozzle 43 and 22 are connected by a hose (not shown).
An elastic ring seal 36 is inserted into the enlarged upper opening of the connecting piece 31. This ring seal 36 can be braced by means of a screw sleeve 38 screwed onto the connection piece 31 and designed in the manner of a union nut with a washer 37 in between. The screw sleeve 38 also has an enlarged bore part in its upper region, in which there are two conical clamping rings 39 and 40, between which the end of the envelope of the multi-core support tube 1, not shown in FIG. 2, can be clamped. This sheath expediently consists of a mesh of nylon threads or the like.
To tighten the clamping rings 39 and 40, a threaded ring 41 is provided, core in, the upper opening of the screw sleeve 38 can be screwed. The elastic sealing disks 34 and 36, which can be clamped independently of one another, enclose the support tube 1 protruding into the interior of the probe head 4 and thus seal the interior of the head 4 from the outside (not shown).
The lower part of the probe 3 is also formed by a cylindrical hollow body 45 which has a central blind hole 46 which is closed at the bottom by an annular plate 47 fastened with screws 48. The hollow body 45 also has a lateral, longitudinally running blind bore 49 with a radial outlet opening 50 which opens into the circumferential groove 54 in which the lower sealing collar 8 is arranged. Similar to the upper part of the probe, a further radial opening of the bore 49, closed by means of an annular seal 52 and screw plug 51, is also provided here.
The bore 49 is connected to the compressed air supply in the following manner: The lower ends of the connecting rods 12 penetrate the flansohamtigen upper part 55 of the hollow body 45 and are screwed to it by means of nuts 57 with sealing rings 56 enclosed on both sides. The hollow connecting rod 12, which is aligned with the bore 17, has a lateral opening in the area between the two sealing rings 56 which corresponds to a recess 53 milled into the flange-like part 55, which opens into the bore 49.
In the central blind bore 46 of the hollow body 45, a telescopic tube 58 penetrating the ring plate 47 is inserted in a longitudinally displaceable manner and enveloping a likewise longitudinally displaceable extendable rod 59 which penetrates a cap 60 screwed on at the lower end of the tedlescope tube 58. An end cap 61 serving as a stop is attached to the upper end of the telescopic tube 58 by means of two pins 62. The extendable rod 59 also has the same purpose
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an annular stop 63 at its upper end.
A damping spring 84 is arranged around the telescopic tube 58, the lower end of which rests on the ring plate 47 and the upper end of which forms the support for a ring 85 against which the end cap 61 strikes when the telescopic tube 58 is extended. At the lower end of the extendable rod 59 a hub 64 is fastened by means of a nut 65, which is connected by radial ribs 66 to a retaining ring 67 which forms the lower end of the drop cylinder 6 and into which the support ring 9 for the weight 10 is inserted.
In the second embodiment variant according to FIG. 9, the head 4 of the probe 3 and its lower part are connected by an intermediate tube 68 in which the measuring detector, here a Geiger-Müller tube, is enclosed. A magnet housing 70 is attached to the intermediate tube with the addition of an annular seal 69. An encapsulated electromagnet 72 is located in the lower part of the magnet housing 70. Threaded bolts 73 arranged in the longitudinal direction are screwed into the flange 71 of the magnet housing 70. These carry an annular plate 74 arranged below the magnet housing 70, on the underside of which an elastic annular seal 75 rests. This ring seal 75 is supported on an insert ring 76 of the downpipe 6 ', which is attached to the downpipe 6' by radial screws 77.
The lower end face of the insert ring 76 is conical, the imaginary tip of this conical surface pointing downwards. The ring plate 74 has two downwardly directed lugs 79, on each of which a pawl piece 78 is rotatably mounted in a vertical plane by means of a bolt 80. The pawl pieces 78 engage under the conical end face of the insert ring 76 and hold this and thus also the downpipe 6 'in the position shown in FIG. 9, in which the container 7' for the radioactive water is closed.
To trigger the ratchet locking mechanism, a central driver pin 81 is provided, which passes through the ring plate 74 and above it carries an armature disk 82, this armature disk 82 forming the magnetic core for the electromagnet 72. The inner ends of the pawl pieces 78 are articulated to the driver pin 81 by a bolt 83, so that when the armature disk 82 is lifted by the electromagnet 72, the pawl pieces 78 release the insert ring 76 and thus the drop cylinder 6 '. The insert ring 76 also serves as a loading weight for the drop cylinder 6 '.
The procedure is as follows using one of the two devices described above: Before it is introduced into the test bore 11, the container 7 or 7 'of the probe is filled with radioactive water and sealed. The probe is now lowered into the test bore 11 with the aid of the support tube 1. As soon as the level of the soil layer to be examined has been reached, compressed air is supplied to the upper sealing sleeve 5 via the supply lines already described, so that it expands and is sealingly applied to the wall of the borehole along its entire circumference. Up to this point in time, the falling cylinder 6 or 6 'remains in its upper end position, in which the container 7 or 7' is closed.
In the first embodiment variant according to FIGS. 1 a to 8, the drop cylinder 6 is held in the closed position by the lower sealing sleeve 8 which is kept under pressure, whereas the drop cylinder 6 ′ of the second embodiment variant according to FIG. 9 is held by the pawl pieces 78.
The release device is now actuated, which releases the drop cylinder 6 or 6 'so that it detaches itself from the head 4 of the probe 3 and suddenly drops to its lower end position under the effect of its weight load. In the first-mentioned device, this release takes place by briefly relieving the pressure of the lower sealing sleeve 8, in the second variant by actuating the electromagnet 72. In both construction variants, the sealing sleeve 8 is immediately put under pressure again.
The contents of the container 7 or 7 ′ now emerge into the section of the test bore 11 delimited by the two sealing collars. At this moment there is already readiness to measure and the radiation measuring device 15 comes into action. The radiation values measured continuously or at time intervals are passed on via the connecting lines arranged in the support tube and recorded over the course of days. If there is a flow of water in the soil layer to be examined, the radioactive water enclosed at the measuring point exchanges with the inactive groundwater entering or exiting the area between the sealing collars 5 and 8 through the wall of the test bore 11.
Through this mixture, the decrease in radiation intensity caused by the natural decay of the radioactive components is more or less accelerated, depending on how great the flow velocity of the groundwater flow at the measuring point is in exchange with the radioactive water. Any vertical flow components that may be present, which can often reach considerable values (up to twice the value of the horizontal flow component) and whose consideration in the evaluation of the measurement encounters considerable difficulties, are not included in the measurement result according to the present method, as is easy to see one.
As soon as the radiation intensity of the water at the measuring point has fallen to about 5-10% of the initial activity due to the increasing dilution by the inactive groundwater, which at high water speeds already after about 3 to 10 minutes, at low speeds after about 1 to 1? / 2 hours is the case, the measurement is ended and the probe is removed from the test bore 11 after the two sealing sleeves 5 and 8 have been depressurized while observing the prescribed radiation protection measures.
After cleaning and refilling, the probe is ready for a new measurement.
In order to be able to use one and the same device on test bores of different diameters, additional parts can be used, the outside diameter of which corresponds to the clear width of the respective test bore. These replaceable parts can e.g. B. be designed as cylindrical sleeves which are pushed onto the hollow bodies 13 and 45 of the basic device and which are provided with larger diameter sealing collars instead of the hollow bodies of the basic device.
The compressed air supply to these sealing collars takes place by connecting the mentioned additional parts to the compressed air bores 18 and 49 of the hollow bodies 13 and 45 of the basic device. For this purpose, the above-mentioned radial openings of the compressed air bores 18 and 49 are used, which in the
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Normal case, d. H. with exclusive use of the basic device through which the screw plugs 24 and 51 are closed. If additional parts are used, the drop cylinder must of course also be replaced, whereby the outer diameter of the drop cylinder should come as close as possible to the diameter of the test bore.
This ensures that the amount of radioactive water introduced into the test bore with the probe fills the measuring space between the two sealing sleeves as completely as possible after its release. This measure necessitates a significant specification of the measurement result to be expected in comparison to the known methods described at the beginning.