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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung oder Umkehrung eines zwischen mindestens einer unteren und mindestens einer oberen Grundwasserleiterschicht bestehenden Druckgradienten, wobei zwischen den Grundwasserleiterschichten mindestens eine wasserstauende Trennschicht mit mindestens einer wasserdurchlassenden Fehlstelle angeordnet ist.
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Derartige Vorrichtungen zur Verringerung oder Umkehrung des zwischen zwei Grundwasserleiterschichten bestehenden Druckgradienten sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und beispielsweise in der
DE 198 48 695 A1 beschrieben. So ist dem Fachmann für Dekontamination von Grundwasser aus den unteren Grundwasserleiterschichten bekannt, zusätzliches Wasser über Rohre, die sich in die untere Grundwasserleiterschicht erstrecken, von außen hinzuzuführen, um so eine Erhöhung des Wasserdruckes in der unteren Grundwasserleiterschicht zu erhalten. Durch eine derartige Druckerhöhung in der unteren Grundwasserleiterschicht wird die Richtung eines von der oberen zu der unteren Grundwasserleiterschicht weisenden Druckgradienten umgekehrt oder der Druckgradient verringert. Die Ursache für den zwischen zwei Grundwasserleiterschichten bestehenden Druckgradienten besteht in dem hydraulischen Gefälle des Grundwassers in Flußrichtung innerhalb einer Grundwasserleiterschicht sowie in den unterschiedlichen hydrostatischen Drücken zwischen den benachbarten Grundwasserleiterschichten, die durch mindestens eine wasserstauende Trennschicht voneinander getrennt sind.
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Eine Umkehr des Druckgradienten hat zur Folge, daß Grundwasser aus der unteren Grundwasserleiterschicht in die obere Grundwasserleiterschicht strömt. Dort kann aufgrund der besseren Zugänglichkeit eine Dekontamination des Grundwassers durchgeführt werden.
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Bei einer Verringerung des Druckgradienten wird kontaminiertem Grundwasser oder Schadstoffphasen, welches/welche sich bereits in der oberen Grundwasserleiterschicht befindet/befinden, nicht die Möglichkeit gegeben, über in der Trennwand angeordnete Fehlstellen in die untere Grundwasserleiterschicht zu strömen.
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Derartige bekannte Vorrichtungen zur Verringerung oder Umkehrung des vorhandenen Druckgradienten zwischen zwei Grundwasserleiterschichten erfordern zur Sicherstellung einer durchgehenden Druckbeaufschlagung der unteren Grundwasserleiterschicht ein kontinuierliches Zuführen oder Abführen von Wasser. Dies hat zur Folge, daß das Betreiben derartiger Vorrichtungen nicht nur kosten- sondern auch wartungsintensiv ist.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verringerung oder Umkehrung eines zwischen zwei Grundwasserleiterschichten bestehenden Druckgradienten zur Verfügung zu stellen, deren Betreiben nahezu kosten- und wartungsfrei ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Anspruchs 1 und verfahrensseitig durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der unteren Grundwasserleiterschicht eine Wassersperrwand zugeordnet ist, die im Bereich einer in einer zwischen der unteren und oberen Grundwasserleiterschicht vorhandenen Trennschicht bestehenden Fehlstelle angeordnet ist. Mit Hilfe der im wesentlichen senkrecht zu der Schichtebene angeordneten Wassersperrwand wird ermöglicht, daß das sich vor der Wassersperrwand stauende Grundwasser der unteren Grundwasserleiterschicht eine Druckerhöhung in der unteren Grundwasserleiterschicht und somit eine Umkehr oder Verringerung des Druckgradienten in Richtung der oberen Grundwasserleiterschicht bewirkt. Aufgrund der bei entsprechender Druckerhöhung stattfindenden Druckgradientenumkehr strömt das Grundwasser über Fehlstellen, die in der zwischen den Grundwasserleiterschichten angeordneten Trennschicht vorhanden sind, aus der unteren in die obere Grundwasserleiterschicht. Auf diese Weise wird nicht nur die Sicherung – wie es auch bei einer Verringerung des Druckgradienten stattfindet – von in der oberen Grundwasserleiterschicht enthaltenen Schadstoffen innerhalb dieser Schicht ermöglicht, sondern auch die Strömung von Schadstoffen aus der unteren in die obere Schicht. Somit ist eine Konzentration von schadstoffbelastetem Grundwasser in der oberen Schicht sowie eine Herausfilterung dieser Schadstoffe innerhalb der oberen Schicht möglich.
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Vorzugsweise ist die Wassersperrwand senkrecht zur Flußrichtung des in der unteren Grundwasserleiterschicht fließenden Grundwassers hinter der Fehlstelle angeordnet, so daß das vor der Wassersperrwand sich ansammelnde Grundwasser der unteren Grundwasserschicht über die Fehlstelle in die obere Grundwasserleiterschicht entweichen kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das sich vor der Wassersperrwand stauende Grundwasser in nicht zu großen Mengen angesammelt ist. Es würde die Gefahr bestehen, daß das sich anstauende Grundwasser möglicherweise die Wassersperrwand umspülen würde. Eine zuverlässige Funktionsweise der Wassersperrwand als Vorrichtung zur Umkehr oder Verringerung des Druckgradienten wäre somit nicht mehr sichergestellt.
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Die Wassersperrwand erstreckt sich mit ihrem oberen Ende bis in die wasserstauende Trennschicht zwischen den zwei Grundwasserleiterschichten hinein, um so dem Grundwasser in der unteren Grundwasserleiterschicht keine Umspülungsmöglichkeit zu geben. Das obere Ende der Wassersperrwand kann sich auch bis in die obere Grundwasserleiterschicht hinein erstrecken, um ein unkontrolliertes Weiterfließen des Grundwassers in der oberen Grundwasserleiterschicht zu verhindern. In die Wassersperrwand kann dann im Bereich der oberen Grundwasserleiterschicht mindestens ein Tor (”Gate”) als wasserdurchlässiger Bereich eingebaut werden, bei dessen Durchströmung die in dem Grundwasser enthaltenen Schadstoffe gebunden werden. Der Zugang zu derartigen Toren kann durch Horizontal-Drainagen auf Höhe eines unteren wassergesättigten Schichtbereiches der oberen Grundwasserleiterschicht erfolgen, wodurch eine gezielte Entnahme des schadstoffbelasteten Grundwassers in der Nähe einer Fehlstelle möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung oder Umkehrung eines zwischen einer unteren und einer oberen Grundwasserleiterschicht bestehenden Druckgradienten zeichnet sich primär dadurch aus, daß die Druckgradientenumkehr bzw. -verringerung durch eine Erhöhung des Drucks in der unteren Grundwasserleiterschicht erreicht wird. Wird zur Erhöhung des Drucks eine sich im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene erstreckende Wassersperrwand in Flußrichtung des in der unteren Grundwasserleiterschicht fließenden Grundwassers gesehen hinter der Fehlstelle eingesetzt, so kann diese in Kombination mit bekannten Konstruktionen, wie die Entnahme von Wasser aus der oberen Grundwasserleiterschicht, verwendet werden, um so den Effekt der Druckgradientenumkehrung bzw. -verringerung zu verstärken.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wassersperrwände im eingebauten Zustand anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 die Druckgradienten in einem mehrschichtigen schadstoffbelasteten Boden ohne erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2a die Druckgradienten in dem mehrschichtigen schadstoffbelasteten Boden mit einer durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hervorgerufene Druckgradientenumkehr;
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2b die Druckgradienten in dem mehrschichtigen schadstoffbelasteten Boden mit einer durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hervorgerufene Druckgradientenverringerung;
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3a eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Kombination mit einem Tor,
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3b eine Draufsicht der ersten Ausführungsform gemäß 3a;
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4a eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Kombination mit einem Tor;
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4b eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform gemäß 4a;
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5a eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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5b eine Draufsicht der dritten Ausführungsform gemäß 5a.
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Die in den Figuren gleichen und gleichartigen Teile werden mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem schadstoffbelasteten mehrschichtigen Boden mit eingezeichneten Druckgradienten zu einem Zeitpunkt, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung noch nicht eingebaut worden ist. Der mehrschichtige Boden besteht aus einer ersten, oberen Grundwasserleiterschicht 1a und 1b, einer zweiten, unteren Grundwasserleiterschicht 2 und einer wasserundurchlässigen, stauenden Trennschicht 3, die zwischen den beiden Grundwasserleiterschichten angeordnet ist. Die erste Grundwasserleiterschicht 1a und 1b teilt sich in eine untere, wassergesättigte Teilschicht 1b und eine obere, wasserungesättigte Teilschicht 1a auf. Die zwischen diesen beiden Teilschichten 1a und 1b bestehende Trennlinie stellt den Grundwasserspiegel dar.
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Sowohl die untere als auch die obere Teilschicht 1a und 1b bestehen beispielsweise aus Kies oder einem Gemisch aus Kies und Sand. Die untere Grundwasserleiterschicht setzt sich aus Feinsand oder einem Gemisch davon zusammen.
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Die Höhenmaße der einzelnen Schichten bzw. Teilschichten betragen beispielsweise für die obere ungesättigte Teilschicht 1a 5 m, für die untere wassergesättigte Teilschicht 1b 4 m und für die aus Ton bestehende Trennschicht 3 5 m. Die untere Grundwasserleiterschicht kann bis zu einer Tiefe von 50 m unterhalb der Geländeoberkante (GOK) reichen.
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Die wasserundurchlässige Trennschicht 3 beinhaltet eine wasserdurchlässige Fehlstelle 4, durch die Grundwasser aus der oberen Grundwasserleiterschicht in die untere Grundwasserleiterschicht eindringen kann. Auch wenn die untere Grundwasserleiterschicht wassergesättigt ist, wird das Grundwasser von der oberen in die untere Grundwasserleiterschicht und nicht umgekehrt durch die Fehlstelle hindurchströmen, da aufgrund unterschiedlicher hydrostatischer Drücke zwischen den benachbarten Grundwasserleiterschichten ein nach unten weisender Druckgradient 5b vorhanden ist. Auch in Flußrichtung 6 des in der ersten und zweiten Grundwasserleiterschicht fließenden Grundwassers ist aufgrund des hydraulischen Gefälles innerhalb der Grundwasserleiterschichten ein Druckgradient 5a in Flußrichtung 6 vorhanden.
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Ein Schadstoffherd 7, der im Grundwasser der oberen Grundwasserleiterschicht vorhanden ist, wird aufgrund des nach unten weisenden Druckgradienten 5b ebenso wie das Grundwasser durch die Fehlstelle 4 in die zweite Grundwasserleiterschicht 2 eindringen. Wird nun abstromig in einigen Kilometern Entfernung aus der zweiten Grundwasserleiterschicht, die als Trinkwasser-Reservoir dienen kann, Trinkwasser entnommen, so besteht die Gefahr der Entnahme von schadstoffbelastetem Trinkwasser. Um einer solchen Gefahr entgegenzutreten, wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene ausgerichteten Wassersperrwand 8, wie sie in den 2a und 2b schematisch dargestellt ist, eingebaut.
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Da die Wassersperrwand, wie sie in 2a gezeigt wird, in Flußrichtung des Grundwassers innerhalb der unteren Grundwasserleiterschicht gesehen hinter der Fehlstelle 4 angeordnet ist, wird bei ausreichender Druckerhöhung das sich vor der Wassersperrwand 8 stauende Grundwasser über die Fehlstelle 4 in die obere Grundwasserleiterschicht 1a und 1b abfließen. Die dadurch bedingte Umkehrung des Druckgradienten 5'b von der unteren Grundwasserleiterschicht in Richtung der oberen Grundwasserleiterschicht bewirkt nicht nur einen Rücktransport der in die untere Schicht bereits eingedrungenen Schadstoffe, sondern auch eine Sicherung der noch in der oberen Schicht enthaltenen Schadstoffe innerhalb dieser.
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Die sich auf diese Weise in der oberen Grundwasserleiterschicht ansammelnden Schadstoffe können über ein wasserdurchlässiges Tor, wie es in den 3 bis 5 in Kombination mit der erfindungsgemäßen Wassersperrwand gezeigt wird, abgeleitet und gereinigt werden.
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Alternativ kann die Wassersperrwand auch eine geringere Druckerhöhung in der unteren Grundwasserleiterschicht bewirken, die für eine Verringerung aber nicht für eine Umkehrung des Druckgradienten ausreicht. Auf diese Weise werden in der oberen Schicht vorhandenen Schadstoffe in dieser gesichert, dringen also nicht in die untere Schicht ein.
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Die 3a und 3b zeigen eine erste Ausführungsform einer Wassersperrwand 8 in Verbindung mit dem Tor 9, das im Bereich der oberen Grundwasserleiterschicht 1a und 1b angeordnet ist. Die als Dichtungswand ausgebildete Wassersperrwand 8 erstreckt sich von der unteren, wasserundurchlässigen Schicht durch die untere Grundwasserleiterschicht 2 hindurch bis zu der wasserundurchlässigen Trennschicht 3. Auf diese Weise verbleibt dem sich vor der Dichtungswand 8 stauenden Grundwasser keine Möglichkeit, die Dichtungswand ober- oder unterhalb zu umspülen.
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Das Tor 9 besteht aus Dichtwänden, die im oberen Bereich 10a wasserundurchlässig und im unteren Bereich 10b Wegsamkeiten für Wasser aufweisen, wobei die oberen Wandbereiche 10a mittels Aussteifungseinrichtungen 15 mit einer fixierten Entfernung voneinander beabstandet sind. Zwischen den Wandbereichen 10a und 10b sind von unten nach oben gesehen beginnend am oberen Ende der Dichtungswand 8 eine Stahlbetonplatte 13, eine Filterkiespackung 11 und eine Aktivkohlepackung 12 mit schadstoffbindenden Mitteln angeordnet.
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Sobald sich der aufgrund des in der unteren Grundwasserleiterschicht aufstauenden Grundwassers entstehende Druck erhöht, dringt schadstoffbelastetes Grundwasser über eine hier nicht gezeigte Fehlstelle durch die Trennschicht 3 hindurch in die obere Grundwasserleiterschicht 1a und 1b ein. Dort durchläuft das schadstoffbelastete Grundwasser sowohl die Filterkies- als auch die Aktivkohlepackung 11 und 12, um so die in dem Grundwasser enthaltenen Schadstoffe herauszufiltern und dauerhaft zu binden. Bezugszeichen 14 beschreibt ein vertikal ausgerichtetes mittig angeordnetes Überlaufwehr 14.
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Die in der 4a entlang des Schnitts B-B gemäß 4b in Schnittsansicht und in 4b in Draufsicht gezeigte zweite Ausführungsform der Absperrwand 8 erstreckt sich von der unteren, wasserundurchlässigen Trennschicht durch die untere Grundwasserleiterschicht und die Trennschicht 3 sowie die obere Grundwasserleiterschicht 1a und 1b hindurch bis an die Oberkante der Seitenwände 10 des Tores 9. Da sich die Wassersperrwand 8 über beide Grundwasserleiterschichten hinweg erstreckt, wird das Grundwasser mit der Flußrichtung 6 sowohl in der unteren als auch in der oberen Grundwasserleiterschicht gestaut.
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Durch eine gezielte Zuführung des sich stauenden Grundwassers mittels einer horizontal angeordneten Drainage 16 beispielsweise mit jeweils einer Länge von ca. 5,0 m und einem Durchmesser von 0,2 m wird erreicht, daß jeder Anteil des schadstoffbelasteten Grundwassers zunächst die Filterkiespackung 11 und anschließend die Aktivkohlepackung 12 zur wirkungsvolleren Schadstoffbindung durchläuft. Dies gilt sowohl für das aus der unteren Grundwasserleiterschicht aufgrund der Umkehrung des Druckgradienten in die obere Grundwasserleiterschicht eindringende schadstoffbelastete Grundwasser, als auch für das aufgrund der Verringerung des Druckgradienten in der oberen Schicht verbleibende schadstoffbelastete Grundwasser.
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Die Aktivkohlepackung kann auch durch Füll- bzw. Reaktormaterial ersetzt oder ergänzt werden, das die Schadstoffe mittels chemischer Reaktion und/oder katalytisch umwandelt.
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Die 5a und 5b zeigen in einer Querschnittsansicht und einer Draufsicht eine dritte Ausführungsform der Wassersperrwand 8, die sich mit ihrem oberen Ende bis zu der Trennschicht 3 erstreckt. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber der zweiten Ausführungsform liegt darin, daß die Tore 9 um eine vertikal ausgerichtete Achse in Relation zu der Wassersperrwand 8 gedreht sind. Hierdurch ist eine individuelle Ausrichtung der horizontalen Drainagen 16 im Verhältnis zu der Flußrichtung 6 des Grundwassers innerhalb der oberen Grundwasserleiterschicht 1a und 1b sowie eine leichtere Herstellung der Gesamtkonstruktion möglich.
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Unabhängig von der Kombination mit einem Tor kann die erfindungsgemäße Wassersperrwand auch mit jeder bekannten Vorrichtung zur Umkehrung des Druckgradienten zwischen zwei Grundwasserleiterschichten kombiniert werden. Denkbar ist die Kombination mit einem sich zwischen der Geländeoberkante und der unteren Grundwasserleiterschicht erstreckenden Rohrs, durch welches zusätzlich Wasser der unteren Grundwasserleiterschicht zugeführt wird. Auf diese Weise ist der Effekt der Druckerhöhung in der unteren Grundwasserleiterschicht und der damit verbundenen Druckgradientenumkehrung um ein Vielfaches zu verstärken, insbesondere wenn vor Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein starker nach unten gerichteter Druckgradient vorhanden war.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Obere, wasserungesättigte Teilschicht der oberen Grundwasserleiterschicht
- 1b
- Untere, wassergesättigte Teilschicht der oberen Grundwasserleiterschicht
- 2
- Untere Grundwasserleiterschicht
- 3
- Wasserundurchlässige Trennschicht
- 4
- Fehlstelle
- 5a, 5'a
- Druckgradient in Richtung der Schichtebene
- 5b, 5'b
- Druckgradient senkrecht zur Schichtebene
- 6
- Flußrichtung des Grundwassers
- 7
- Schadstoffherd
- 8
- Wassersperrwand
- 9
- Tor
- 10, 10a, 10b
- Seitenwände
- 11
- Filterkiespackung
- 12
- Aktivkohlepackung
- 13
- Stahlbetonplatte
- 14
- Überlaufwehr
- 15
- Aussteifungen
- 16
- Horizontal angeordnete Drainagen
