DE10149024B4

DE10149024B4 - Method for determining physical quantities of groundwater and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE10149024B4
Application number: DE10149024A
Authority: DE
Inventors: Alexander Morgenstern; Frank BÖRNER; Jürgen Schön; Hans Gawlik
Original assignee: DRESDNER GRUNDWASSERFORSCHUNGS; Dresdner Grundwasserforschungszentrum Ev
Current assignee: DRESDNER GRUNDWASSERFORSCHUNGS; Dresdner Grundwasserforschungszentrum Ev
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE10149024A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser im Untergrund durch das Einführen einer wässrigen, chemisch oder physikalisch markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit, in das in einem Raum die Sonde umgebende Grundwasser, zur Ausbildung eines damit angereicherten Grundwasserbereiches, der mit der Grundwasserströmung in ein richtungsbezogenes Messfeld bewegt, Veränderungen erhält, deren Maxima-Minima-Verteilung im Grundwasser zur Feststellung der Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit sowie Temperaturverteilung und -veränderung mittels auf der Sonde angeordneter Sensoren, ohne Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes gemessen wird.Method for determining physical quantities of groundwater in the subsurface by introducing an aqueous, chemically or physically marked solution with a conductivity that differs from the groundwater, into the groundwater surrounding the probe in a room, to form an enriched groundwater area that is related to the direction of the groundwater flow Measuring field moves, changes are received, the maximum-minimum distribution in the groundwater to determine the direction and speed of the groundwater flow as well as temperature distribution and change is measured by means of sensors arranged on the probe, without influencing the natural flow field.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers durch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method to determine the physical quantities of the pending in a borehole Groundwater by introducing it an aqueous marked solution with conductivity different from groundwater in a predetermined Space and a probe to carry out of the procedure.

Es ist bekannt, physikalische Größen des Grundwassers, wie Strömungsrichtung und – geschwindigkeit sowie seine Zusammensetzung zu messen und zu bestimmen. Weiterhin sind dazu entsprechende Einrichtungen bekannt, die als Sonden ausgebildet, unter Verwendung daran angeordneter Sensoren, die unterschiedlichen physikalischen Größen des Grundwassers im Bohrloch ermitteln.It is known physical quantities of groundwater, like flow direction and - speed as well as measure and determine its composition. Farther Corresponding devices are known for this purpose, which are designed as probes, using sensors arranged thereon, the different physical quantities of the Determine groundwater in the borehole.

Die DE 198 55 048 C1 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der Eigenschaften des Grundwassers in einer Bohrung und/oder eines Gesteins. Gemäß der Schrift gelangt eine Sonde mit einem Packer zur Anwendung, der eine mehrschichtige, dehnbare Wandung aufweist. Die Wandung hat eine flüssigkeitsdurchlässige Schicht und einen Zwischenraum, in dem sich ein flüssigkeitsdurchlässiges Mittel zur Abstandhaltung und eine druckdichte Wandung zur Einbringung in eine Bohrung befindet. Die Wandung schließt ein Druckmittel ein, mit dem die äußere Wandung des Packers gegen die Innenwandung der Bohrung oder einem die Bohrung auskleidenden Filterrohres drückt. Das flüssigkeitsdurchlässige Mittel zur Abstandhaltung ist mit einer Anordnung für die Zuführung einer Tracerflüssigkeit verbunden. Im Packer und/oder auf seiner Wandung sind Mittel zur Messung der Tracerflüssigkeit angeordnet. Mit der Sonde ist eine Bestimmung der hydraulischen sowie der Transporteigenschaften von Grundwasser und damit die Ermittlung der Richtung und der Geschwindigkeit der Grundwasserströmung im Bereich einer unverrohrten oder mit einem Filterrohr ausgekleideten Bohrung möglich. Die dargestellte Lösung weist den signifikanten Nachteil auf, dass die Tracerflüssigkeit durch die Membran in das mit einem nicht definierten Volumen anstehende Grundwasser diffundieren muss und die Messeinrichtung nicht ausreichend punktuell verteilt, das Messfeld überstreichen kann. Die Verwendung einer Membran, welche einerseits Speicher und Ausgabe der Tracerflüssigkeit und Mittel zur Arretierung der Lage der Sonde ist, bringt erhebliche funktionale Nachteile bei der Ermittlung der gewünschten physikalischen Größen. Weiterhin erlaubt die Sonde nur einen Einsatz in ungetrübtem Grundwasser. Die mit der Sonde vorzunehmenden Messungen beschränken sich auf eine Messart, wobei die Messimpulse durch einen Sender einer Empfängereinrichtung übermittelt werden. Die Sende- und Empfangseinrichtung arbeitet in relativ geringen vertikalen und horizontalen Erstreckungsbereichen und ist nur unzureichend geeignet, genaue Messdaten zur Verfügung zu stellen.The DE 198 55 048 C1 discloses a probe for determining the properties of groundwater in a well and / or a rock. According to the document, a probe with a packer is used, which has a multilayer, expandable wall. The wall has a liquid-permeable layer and a space in which there is a liquid-permeable means for spacing and a pressure-tight wall for introduction into a bore. The wall includes a pressure medium with which the outer wall of the packer presses against the inner wall of the bore or a filter tube lining the bore. The liquid-permeable means for spacing is connected to an arrangement for supplying a tracer liquid. Means for measuring the tracer fluid are arranged in the packer and / or on its wall. The probe enables the hydraulic and transport properties of groundwater to be determined, and thus the direction and speed of the groundwater flow in the area of an uncased or lined bore with a filter pipe. The solution shown has the significant disadvantage that the tracer liquid has to diffuse through the membrane into the groundwater present with an undefined volume and the measuring device is not sufficiently distributed at certain points and can sweep over the measuring field. The use of a membrane, which is storage and output of the tracer fluid and means for locking the position of the probe, brings considerable functional disadvantages when determining the desired physical quantities. Furthermore, the probe only allows use in undisturbed groundwater. The measurements to be carried out with the probe are limited to one type of measurement, the measurement pulses being transmitted by a transmitter to a receiver device. The transmitting and receiving device works in relatively small vertical and horizontal ranges and is only insufficiently suitable for providing accurate measurement data.

Die DE 42 30 919 A1 stellt ein Einzelbohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasserströmungsrichtung und -geschwindigkeit vor. Das Verfahren eröffnet Möglichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit durch ein Verfahren abzulösen. Das Herstellen einer radial ausgebildeten Tracerdiffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirkt sich bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten nachteilig auf die Messzeiten aus. Jedoch, sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Grundwassers in Bohrlöchern weitestgehend auf die genaue Messung auch kleinster Strömungsgeschwindigkeiten angewiesen. Das dargestellte Verfahren konzentriert sich deshalb auf die vorhandene Grundwasserströmung mit kleinsten Geschwindigkeiten und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass im Messabschnitt eines Bohrlochs eine horizontale Bildebene videotechnisch virtuell erfasst und mittels einer Optik auf ein Videosensormodul fokussiert und als reale Bildgröße produziert bewertbar gemacht wird. Die Lösung gemäß der Schrift benötigt zur Darstellung der zu ermittelnden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fluoreszierender Partikel, die in der Flüssigkeit suspendiert, die Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen. Die durch den Strömungstransport bedingte Standortabweichung des Tracers wird als Wanderung virtueller Lichtquellen auf einer Matrixsensorfläche fortlaufend registriert und direkt ausgewertet. Die Einrichtung weist allgemein eine zylindrische Form auf. An ihren oberen und unteren Zylinderenden sind Packer angeordnet, die zwischen sich einen ringförmigen, durch die Zylindermantelfläche sowie die Bohrungswand begrenzten Hohlzylinder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuellen und optischen Messung der Eigenschaften des Grundwassers erfolgt. Die Lösung verwendet in ihren technischen Konzeptionen des Verfahrens sowie des apparativen Aufbaus der Vorrichtung genau arbeitende Apparaturen, jedoch ist hier eine Bewertung von rechenbaren Informationen aus schnell verfügbaren Daten nicht zu erhalten. The DE 42 30 919 A1 presents a single borehole method and an apparatus for simultaneously determining the direction and velocity of the groundwater. The method opens up possibilities to replace the disadvantageous measurement of the flow characteristic values over a specific time unit by means of a method. The production of a radially designed tracer diffusion and also the measurement of the time span of the tracer transport between its input and the detection has a disadvantageous effect on the measurement times at low flow speeds. However, the conditions for measuring the flow velocity and direction of groundwater in boreholes are largely dependent on the precise measurement of even the smallest flow velocities. The method presented therefore concentrates on the existing groundwater flow at the lowest speeds and solves the task by virtue of the fact that a horizontal image plane is captured virtually by video technology in the measuring section of a borehole and focused on a video sensor module using optics and made evaluable as a real image size. The solution according to the writing requires a tracer in the form of fluorescent particles which are suspended in the liquid to make the flow and its direction visible in order to display the values of the groundwater behavior to be determined. The location deviation of the tracer caused by the flow transport is continuously recorded as a migration of virtual light sources on a matrix sensor surface and evaluated directly. The device is generally cylindrical in shape. Packers are arranged at their upper and lower cylinder ends, which form an annular hollow cylinder between them, delimited by the cylinder surface and the bore wall, in which the device for the visual and optical measurement of the properties of the groundwater takes place. In its technical conceptions of the method and the apparatus structure of the device, the solution uses apparatuses that work precisely, but here an evaluation of calculable information from rapidly available data cannot be obtained.

Die US 5,339,694 A -Looney- offenbart eine Sonde zur Bestimmung der Bewegung der physikalischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zylinderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet, welche die elektrischen Widerstandswerte eines durch eine Tracerflüssigkeit beeinflussten, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindlichen Grundwassers messen. Hier wird als Tracerflüssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Flüssigkeit transportiert, und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Bewegungsgröße des Feldes werden durch die Sensoren gemessen. Es ist mit diesem Gerät auch möglich, vertikale und horizontale Fließbewegungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwindigkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen. Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwendung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, fest installiert werden müssen, weil sie nicht über Halte- bzw. Zentriermittel wie Packer verfügen. Der Messvorgang kann großflächig vorgenommen werden, jedoch ist die Messbarkeit der sich im Grundwasser bewegenden leitfähigen Flüssigkeit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben. Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren.The US 5,339,694 A -Looney- discloses a probe for determining the movement of the physical quantities of groundwater. The probe is cylindrical. On its circumferential surface, sensors are evenly arranged on its circumference and parallel to the course of its longitudinal center axis, which measure the electrical resistance values of a groundwater in the immediate vicinity of the probe which is influenced by a tracer fluid. The use of salt water, which diffuses through a membrane into the groundwater, is proposed as the tracer fluid which transports the conductive liquid and generates a conductive measuring field that can be detected by the sensors. Extension, shape and size of the field are measured by the sensors. With this device it is also possible to measure vertical and horizontal flow movements and thus determine the shape of the field and the flow speed and direction of the groundwater. The probe and the method for its use have the disadvantage that they have to be installed in a stationary, fixed manner in water-carrying boreholes because they do not have holding or centering means such as packers. The measurement process can be carried out over a large area, but the sensors are insufficiently able to measure the conductive liquid moving in the groundwater. The device only guarantees options for measuring the electrical conductivity, but not a combination with other measuring methods.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser, wie Strömungsrichtung und -geschwindigkeit, im Untergrund durch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche die Bestimmung der physikalischen Größen des Grundwassers ohne eine Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes gewährleistet, und den Einsatz unterschiedlichster Messverfahren unter Beibehaltung des verfahrensgemäßen Regimes und der dazu entwickelten Sonde zu ermöglichen.The invention is based on the object Methods for determining physical quantities of groundwater, such as the direction of flow and speed, in the underground by introducing an aqueous, marked solution with conductivity different from groundwater in a predetermined Space and a probe to carry out the To create a process that determines the determination of the physical Sizes of Guaranteed groundwater without influencing the natural flow field, and the use of different measurement methods while maintaining of the procedural regime and the probe developed for this purpose.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, mit dem die Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser im Untergrund vorgenommen werden kann. Dazu wird eine Sonde in das Bohrloch eingeführt und eine wässrige, chemisch und physikalisch markierte Lösung mit vom Grundwasser abweichenden Eigenschaften gegen das den Raum um die Sonde ausfüllenden Grundwassers ohne dessen Verdrängung ausgetauscht. Der Raum ist ringförmig ausgebildet und wird mit der markierten Lösung angereichert, deren Anreicherungsgröße dabei bestimmt wird. Mit der Grundwasserströmung wird die markierte Lösung aus dem Raum in ein richtungsbezogenes Messfeld bewegt, in dem die sich abzeichnenden Veränderungen als Maxima-Minima-Verteilung ihrer elektrischen und thermischen messbaren Größen im Grundwasser zur Feststellung der Grundwasserfließrichtung sowie -geschwindigkeit mittels elektrischer und thermischer Sensoren ermittelt werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung gewährleistet die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der eingeführten chemisch markierten Flüssigkeit mittels elektrischer Sensoren der Sonde, die über die vollständige Länge der Sonde verteilt sind.According to the invention, the object is achieved by a Procedure solved, with which the determination of physical quantities of groundwater in the underground is carried out can be. For this purpose, a probe is inserted into the borehole and a watery, chemically and physically labeled solution with a different one from the groundwater Properties against that filling the space around the probe Groundwater without its displacement replaced. The room is circular trained and enriched with the marked solution, its enrichment size is determined. With the flow of groundwater, the marked solution is removed moves the room into a directional measuring field in which the emerging changes as a maximum-minimum distribution of their electrical and thermal measurable quantities in groundwater to determine the direction and speed of the groundwater flow can be determined by means of electrical and thermal sensors. The method according to the invention guaranteed the measurement of the maximum-minimum distribution of the chemically labeled introduced liquid by means of electrical sensors of the probe, which run the full length of the Probe are distributed.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Messung der Maxima- und Minima-Verteilung der physikalisch markierten Lösung mittels thermischer Sensoren vorgenommen werden, die in einem eingegrenzten Raum angeordnet sind, in dem die markierte Lösung eingeführt ist und der Größe des Raumes entsprechend im Grundwasser sich ausbildet und gemessen werden kann. Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft ausgeformt, dass die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch und physikalisch markierten Lösungen in ihrer zeitlichen Folge nacheinander eingeleitet und vorgenommen wird, so dass jedes Messverfahren unabhängig voneinander die erforderlichen Daten der physikalischen Größen zur Bestimmung bringt.In an embodiment according to the invention, the measurement of the maxima and minima distribution of the physically marked solution by means of thermal sensors, which are limited in a Are arranged space in which the marked solution is introduced and the size of the room is formed and measured accordingly in the groundwater. The method is advantageously designed such that the measurement the maximum-minimum distribution of the chemically and physically labeled solutions initiated and carried out one after the other in their chronological order is so that each measurement method independently of the required Data of the physical quantities for Determination brings.

Eine vorteilhafte, das Verfahren ausgestaltende erfinderische Lösung ist darin zu sehen, dass die Bestimmung der physikalischen Größen durch eine Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch und physikalisch markierten Lösung gleichzeitig räumlich separat in einem Messzeitraum vorgenommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Bestimmung der physikalischen Größen von Grundwasser mit einer Sonde durchgeführt, die eine zylindrische Gestalt aufweist, auf deren Umfang sowie in Richtung ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet sind und in mindestens einem, zwischen Begrenzungen geschaffenen Raum, der in seiner Erstreckung einen von der Bohrungswand umschlossenen, hohlzylinderförmigen Ringraum bildet, in den eine chemisch oder physikalisch markierte Lösung eingeführt und mit dem Grundwasser in eine Wirkverbindung gebracht ist, deren Konzentration, räumliche Verteilung sowie die physikalisch, thermischen Verhaltsweisen des Grundwassers gemessen und über ein Datenverarbeitungsmodul zur Auswertung gebracht sind. Zu den auf der Mantelfläche angeordneten Sensoren für die Bestimmung der zu messenden Größen ist eine Einrichtung zur Infiltration von flüssigen markierten Lösungen und weiterhin ein Orientierungsmodul für eine richtungsbezogene Zuordnung der Messwerte und ein Datenübertragungsmodul vorgesehen. Die Sonde weist mindestens einen zwischen vertikalen Begrenzungen gebildeten Raum auf, der in seiner Erstreckung einen von der inneren Wand des Filters begrenzten, die Sonde umgebenden zylindrischen Ringraum bildet, der die Sondenoberfläche umgibt und durch die innere Wand des Filterrohres begrenzt ist. Die radiale Erstreckung zwischen der Zylinderoberfläche der Sonde und der Wand des Filterrohres ist so bemessen, dass ein geschlossener, hohlzylindrischer Ringraum ausgebildet wird, dessen Volumen vom Grundwasser ausgefüllt ist. In dem die Sonde umgebenden Ringraum ist eine chemisch oder physikalisch markierte Lösung gegen das anstehende Grundwasser austauschbar. Sie wird mit dem Grundwasser in eine Wirkverbindung gebracht und mit diesem bewegt. Die Bewegung des Grundwassers erteilt der im Ringraum eingeführten markierten Lösung eine räumliche Verteilung, deren Erstreckung und Form mit den Sensoren gemessen und einer Bewertung zugeführt wird. Die Sonde weist für ihre äußere vertikale Begrenzung Packer auf, zwischen denen in gleichen Abständen, ringförmig auf der Mantelfläche der Sonde verteilt, elektrische Sensoren vorgesehen sind und einen Tracerraum, der durch weitere Packer ausgebildet ist, und über elektrisch sowie thermisch wirkende Sensoren verfügt, die eine Messung des Verhaltens der physikalisch beeinflussten Lösung in diesem Bereich vornehmen.An advantageous solution according to the invention that embodies the method is that the physical quantities are determined by measuring the maxima-minima distribution of the chemically and physically labeled solution at the same time spatially separately in a measurement period. The method according to the invention is carried out for determining the physical quantities of groundwater with a probe which has a cylindrical shape, sensors are arranged on its circumference and in the direction of its longitudinal central axis, and in at least one space created between boundaries, the extent of which is one of the Bore wall forms enclosed, hollow cylindrical annular space, into which a chemically or physically marked solution is introduced and brought into an active connection with the groundwater, the concentration, spatial distribution and the physical, thermal behavior of the groundwater are measured and brought to evaluation via a data processing module. In addition to the sensors arranged on the lateral surface for determining the quantities to be measured, a device for the infiltration of liquid marked solutions and an orientation module for a direction-related assignment of the measured values and a data transmission module are provided. The probe has at least one space formed between vertical boundaries, the extension of which forms a cylindrical annular space bounded by the inner wall of the filter and surrounding the probe, which surrounds the probe surface and is bounded by the inner wall of the filter tube. The radial extent between the cylinder surface of the probe and the wall of the filter tube is dimensioned such that a closed, hollow cylindrical annular space is formed, the volume of which is filled by the groundwater. In the annulus surrounding the probe, a chemically or physically labeled solution can be exchanged for the groundwater. It is brought into active connection with the groundwater and moved with it. The movement of the Groundwater gives the marked solution introduced in the annular space a spatial distribution, the extent and shape of which is measured with the sensors and subjected to an evaluation. For its outer vertical boundary, the probe has packers between which electrical sensors are provided at equal intervals, distributed in a ring on the outer surface of the probe, and a tracer space which is formed by further packers and has electrical and thermal sensors measure the behavior of the physically influenced solution in this area.

Die Erfindung ist dadurch ausgebildet, dass die Packer, als Mikropacker ausgebildet sind, mit deren radialer Erstreckung zur Innenseite des Filterrohres sowie in vertikaler, der Richtung des Verlaufs der Längsmittenachse der Sonde folgend ein ringartiger, dünnwandiger als Hohlzylinder ausgeformter, mit Grundwasser ausgefüllter Raum gebildet ist, der symmetrisch zur Längsmittenachse, eingegrenzt durch zusätzliche Packer einen Tracerraum bildet, in welchen das anstehende Grundwasser durch die markierte wässrige Lösung ausgetauscht wird. Die Erfindung fortführend erhält die Sonde mit zwischen zusätzlich eingeführten Packern angeordneten Sensoren eine weitere Unterteilung, die Möglichkeiten eröffnet, alternierende Messverfahren einzuführen, die als elektromagnetische, akustische oder optische Verfahren ausgebildet sein können, mit der Sonde zur Anwendung geführt werden, ohne den Grundsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verlassen.The invention is designed that the packers are designed as micro packers, with their radial Extension to the inside of the filter tube and in a vertical, the direction of the course of the longitudinal central axis following the probe, a ring-like, thin-walled as a hollow cylinder formed, filled with groundwater, which is symmetrical to the longitudinal center axis, delimited by additional Packer forms a tracer room in which the pending groundwater through the marked watery solution is exchanged. The invention is continued with the probe with packers inserted between them arranged sensors a further subdivision, the possibilities opened, to introduce alternating measuring methods, which are called electromagnetic, acoustic or optical methods can be formed with the probe led to the application are without leaving the principle of the method according to the invention.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Sonde zur Verfügung, die es ermöglicht, durch die vorteilhafte Einordnung von Sensoren mit voneinander abweichenden Eigenschaften eine Bestimmung ausgewählter physikalischer Größen des Grundwassers, wie seine Fließrichtung und -geschwindigkeit vorzunehmen, wobei eine besondere Eigenschaft der Sonde darin besteht, dass sie die Möglichkeit eröffnet, sowohl physikalisch als auch chemisch markierte wässrige Lösungen in die Tracerräume einzuführen, die durch Unterteilungen herausgebildet sind. Die verschiedenartig ansprechenden Sensoren gewährleisten die Durchführung mehrerer Messverfahren mittels einer Sonde während einer Messfahrt. Die für die Sonde ausgewählten Packer als Mikropacker gewährleisten die Ausbildung eines mit geringer radialer Erstreckung vom Grundwasser ausgefüllten Ringraumes zwischen der Zylinderoberfläche der Sonde und der Innenwand eines Filterrohres. Die darin eingeführte markierte Lösung lässt sich in ihrer Ausgangszusammensetzung genau bestimmen und gewährleistet eine äußerst fein abgestufte Messung der sich in dem umgebenden Grundwasser ausbildenden Tracerfahne, die mittels unterschiedlicher Messverfahren, hier gemäß der Erfindung, konkret durch eine ausgewählte thermische oder wahlweise elektrische Feldmessung in ihrer Form und Ausdehnung bestimmt wird.The solution according to the invention provides a probe available which enables due to the advantageous classification of sensors with different ones Properties a determination of selected physical quantities of the Groundwater, like its direction of flow and speed, with a special property of Probe is that it opens up the possibility of both to introduce physically as well as chemically marked aqueous solutions into the tracer rooms that are formed by subdivisions. The differently appealing Ensure sensors the implementation multiple measurement methods using a probe during a measurement run. The one for the probe chosen Ensure packers as micro packers the formation of one with little radial extension from the groundwater completed Annulus between the cylinder surface of the probe and the inner wall a filter tube. The marked solution introduced in it can be determine exactly in their initial composition and guaranteed one extremely fine graduated measurement of the formation in the surrounding groundwater Tracer flag, which by means of different measuring methods, here according to the invention, specifically by a selected one thermal or optionally electrical field measurement in its form and expansion is determined.

Die Sonde erlaubt die Durchführung des Verfahrens, das mit einer Messung der in den Ringraum eingeführten markierten Lösung, als Ausgangsdaten beginnend, Veränderungen des thermischen und elektrischen Feldes über den Zustrom des Grundwassers mit der sich bewegenden Tracerfahne bestimmt. Die im Tracerraum für die thermische Messung physikalisch beeinflusste Lösung kann in diesem Raum selbst in seiner radialen, richtungsbezogenen, zeitlichen Veränderung ihres thermischen Feldes im Tracerraum gemessen werden. Bei beiden Messverfahren gelangt eine Maxima- und Minima-Feststellung der elektrischen Leitfähigkeit oder des thermischen Feldes zur Anwendung.The probe allows the execution of the Procedure that marked with a measurement of the inserted into the annulus Solution, starting as baseline, changes of the thermal and electrical field via the inflow of groundwater determined with the moving tracer flag. The one in the tracer room for the thermal measurement physically influenced solution can be in this room itself in its radial, directional, temporal change their thermal field can be measured in the tracer room. With both measuring methods there is a maximum and minimum determination of the electrical conductivity or the thermal field.

Wie bereits ausgeführt, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, unterschiedliche Messverfahren, hier ein elektrisches Messverfahren, mit Erzeugung eines richtungsbezogenen elektrischen Feldes, dessen radiale zeitliche Veränderung festgestellt wird sowie die Messung eines in einem separat ausgebildeten Tracerraum befindlichen, erwärmten Wasservolumens über eine Veränderung seines induzierten thermischen Feldes durch den Zustrom kühleren Grundwassers direkt im Tracerraum vorzunehmen. Der mitlesende Fachmann versteht, dass der Grundsatz der Erfindung, ein oder mehrere Messverfahren mit einer einzelnen Sonde durchzuführen, weitestgehend dadurch realisiert werden kann, dass die Sonde von einer in ihrer radialen Erstreckung wenig mächtigen Wasserhülle geringen Volumens umgeben ist. Beim Einführen der markierten wässrigen Lösung in den hohlzylinderförmigen Ringraum ist ein vollständiger Austausch der markierten Lösung gegen das Grundwasser ohne dessen Verdrängung gewährleistet und damit eine genaue, fein abgestufte Messung der sich ausbildenden Form und Richtung des Tracers in den Messfeldern gesichert. Der bereits erwähnte Vorteil gewährleistet auch die Kombination mehrerer, anders gearteter Messverfahren.As already stated, is it advantageous according to the invention possible, different measuring methods, here an electrical measuring method, with generation of a directional electric field, the radial change over time is determined as well as the measurement of one in a separately trained Heated water volume located in the tracer space via a change its induced thermal field due to the inflow of cooler groundwater directly in the tracer room. The specialist reading along understands that the principle of the invention, one or more measurement methods to be carried out with a single probe, largely as a result can be realized that the probe of one in its radial Extension little powerful water shell small volume is surrounded. When inserting the marked aqueous solution into the hollow cylindrical annulus is a complete Exchange of the marked solution guaranteed against the groundwater without its displacement and thus an accurate, finely graduated measurement of the developing shape and direction of the tracer in the measuring fields. The advantage already mentioned guaranteed also the combination of several different measuring methods.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is based on an embodiment are explained in more detail. In the associated Show drawing:

1: Die Anordnung einer Sonde in einem Filterrohr; 1 : The arrangement of a probe in a filter tube;

2: Den Abschnitt X aus 1 in einer vergrößerten Darstellung; 2 : Section X off 1 in an enlarged view;

3: Die Sonde mit einer Darstellung des elektrischen Feldes. 3 : The probe with a representation of the electric field.

Die Sonde 1 nach 1 besteht aus einem zylindrischen Sondenkörper. Zur Zentrierung und Fixierung seiner Lage in der Bohrung bzw. im Filterrohr 3 ist die Sonde 1 mit Mikropackern 2; 2'; 2'', 2''' ausgerüstet, die in vertikalen Abständen voneinander angeordnet sind. Gemäß 1 sind die Packer 2; 2'; 2'', 2''' in einer Funktionsanordnung und halten die Sonde 1 in einer konzentrischen Lage mit gleichen horizontalen Abständen von der Innenwand des Filterrohres 3. In vertikaler Erstreckung befinden sich je ein Packer 2; 2''' im Bereich einer jeweiligen Stirnfläche der Sonde 1. Gleichgerichtet von der Quermittenachse der Sonde 1 beabstandet sind die Packer 2; 2''. Sie bilden zwischen sich einen Tracerraum 4, der hohlzylinderförmig die Sonde 1 umgebend, ein Wasservolumen einschließt. Auf dem Umfang der Sonde 1 verteilt, vertikal mehrfach gestuft, sind elektrische Sensoren 8 ringförmig angeordnet. In der Mitte ihrer vertikalen Erstreckung, auf der Quermittenachse im Tracerraum 4, sind radial angeordnete, thermische Sensoren 9 vorgesehen. Ein Bohrlochmesskabel 14 dient zum Vertikaltransport der Sonde 1 im Bohrloch und gleichzeitig als Träger der Verbindungsleitungen der Sonde 1 mit der Auswertungsstation auf der Geländeoberfläche. Der Größenunterschied der Außendurchmesser des Zylinders der Sonde 1 sowie des der Packer 2; 2'; 2'', 2''', die an der Filterwand des Innenrohres anliegen und zwischen sich erstreckte Räume abgrenzen, lässt erkennen, dass die angestrebte Differenz der Außendurchmesser sehr klein ist und der durch das Grundwasser aufzufüllende hohlzylinderartige Ringraum eine geringe Mächtigkeit seiner radialen Erstreckung hat. Dadurch ist es gewährleistet, dass im Tracerraum 4 sowie in den anliegenden Räumen eine geringe Menge an anstehendem Grundwasser zu verdrängen ist, wenn physikalisch oder chemisch markierte Lösungen durch die Traceröffnungen 15 in diesen Raum eingeführt und volumengleich gegen das anstehende Grundwasser ausgetauscht werden, um entweder die Ausbildung eines richtungsbezogenen elektrischen Feldes zu ermöglichen oder ein differenziertes thermisches Feld auszubilden und damit die Messung der physikalischen Größen des Grundwassers zu gewährleisten, das bei der Einzelheit X in seiner Strömungsrichtung dargestellt ist und die Lage sowie Form einer Tracerfahne 5 im Bereich des Tracerraums 4 zeigt. Die Möglichkeit, nur geringe Mengen markierter Lösung in diese Räume einzuführen und gegen das Grundwasser austauschen zu müssen, garantiert das Erzielen genauer, unverfälschter Messergebnisse.The probe 1 to 1 consists of a cylindrical probe body. For centering and fixing its position in the bore or in the filter tube 3 is the probe 1 with micropackers 2 ; 2 '; 2 '' . 2 ''' equipped, which are arranged at vertical distances from each other. According to 1 are the packers 2 ; 2 '; 2 '' . 2 ''' in a functional arrangement and hold the probe 1 in a concentric position with equal horizontal distances from the inner wall of the fil terrohres 3 , There is one packer in vertical extension 2 ; 2 ''' in the area of a respective end face of the probe 1 , Rectified from the probe's transverse central axis 1 the packers are spaced apart 2 ; 2 '' , They form a tracer space between them 4 , the hollow cylindrical shape of the probe 1 surrounding enclosing a volume of water. On the circumference of the probe 1 Distributed, vertically stepped, are electrical sensors 8th arranged in a ring. In the middle of its vertical extension, on the transverse central axis in the tracer space 4 , are radially arranged thermal sensors 9 intended. A downhole measurement cable 14 is used for vertical transport of the probe 1 in the borehole and at the same time as a carrier for the connecting lines of the probe 1 with the evaluation station on the site surface. The size difference of the outer diameter of the cylinder of the probe 1 as well as that of the packer 2 ; 2 '; 2 '' . 2 ''' , which lie against the filter wall of the inner tube and delimit spaces that extend between them, shows that the desired difference of the outer diameter is very small and that the hollow cylindrical annular space to be filled up by the groundwater has a slight radial extension. This ensures that in the tracer room 4 as well as in the adjoining rooms a small amount of existing groundwater has to be displaced if physically or chemically marked solutions through the tracer openings 15 introduced into this room and exchanged for the existing groundwater at the same volume, either to enable the formation of a directional electrical field or to form a differentiated thermal field and thus ensure the measurement of the physical quantities of the groundwater, which is shown in detail X in its flow direction and the location and shape of a tracer flag 5 in the area of the tracer space 4 shows. The possibility of introducing only small amounts of marked solution into these rooms and having to exchange them for the groundwater guarantees that accurate, unadulterated measurement results are achieved.

Aus 1 ist zu entnehmen, und in der vergrößerten Darstellung gemäß 2 detaillierter dargestellt, dass die Packer 2; 2'', welche den Tracerraum 4 begrenzend ausbilden, unmittelbar, ohne eine Membran an der Innenwand des Filterrohres 3 anliegen und der Tracerraum 4 auch seine äußere radiale Begrenzung, durch diese Wand erhält. Das Grundwasser kann damit in den Tracerraum 4 strömen und die darin eingeführte physikalisch, also thermisch markierte Lösung für eine unverfälschte Darstellung der Messung beeinflussen.Out 1 can be seen, and according to the enlarged view 2 detailed that the packer 2 ; 2 '' which the tracer space 4 limit, immediately, without a membrane on the inner wall of the filter tube 3 and the tracer room 4 also maintains its outer radial boundary through this wall. The groundwater can thus enter the tracer room 4 flow and influence the physical, i.e. thermally marked solution introduced for an unadulterated representation of the measurement.

2 zeigt dabei korrekt, dass die elektrischen Sensoren 8 auch im Tracerraum 4 gleichartig angeordnet sind wie auf dem Zylindermantel der Sonde 1 zwischen den Packern 2; 2'''. Die zu wählenden Messverfahren, im Ausführungsbeispiel ein elektrisches und weiterhin ausgewählt ein thermisches Messverfahren, erlauben, da die Sensoren 8; 9 in gleichen Räumen angeordnet, unabhängig voneinander in Funktion gesetzt werden können, auch eine Kombination beider Verfahren in zwei zeitgleich ablaufenden Messvorgängen. 2 shows correctly that the electrical sensors 8th also in the tracer room 4 are arranged in the same way as on the cylinder jacket of the probe 1 between the packers 2 ; 2 ''' , The measuring methods to be selected, in the exemplary embodiment an electrical and also a thermal measuring method, allow the sensors 8th ; 9 arranged in the same room, can be set to function independently of one another, also a combination of both methods in two simultaneous measurement processes.

Das ausgewählte Beispiel lässt aber erkennen und gibt dem mitlesenden Fachmann eine ausreichende Information an die Hand, dass mittels der Sonde 1 auch andere Messverfahren, wie elektromagnetische, akustische und optische Messungen einzeln sowie in Kombination Verwendung finden können, ohne das erfindungsgemäße Verfahren zu verlassen. Die weitere Information gibt Anlass zu der Feststellung, dass die Bestimmung der physikalischen Größen ohne eine Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes des Grundwassers erfolgreich durchgeführt werden kann und unverfälschte Messwerte der zu ermittelnden Größen erhalten werden können.However, the selected example reveals and provides the reading specialist with sufficient information that by means of the probe 1 other measuring methods, such as electromagnetic, acoustic and optical measurements, individually and in combination, can also be used without leaving the method according to the invention. The further information gives rise to the conclusion that the determination of the physical quantities can be carried out successfully without influencing the natural flow field of the groundwater and that unadulterated measured values of the quantities to be determined can be obtained.

3 zeigt schematisch die Messung des induzierten elektrischen Feldes, unabhängig von der Anwesenheit einer chemisch markierten Lösung. Die idealisierten Bögen stellen im Schnittpunkt mit dem horizontalen Richtungspfeil die Eindringtiefe 12 und damit die messbare Begrenzung des elektrischen Feldes 11 dar, welches sich in der Bohrlochumgebung 10 ausbreitet. Wie zu erkennen, ist das elektrische Feld 11 in seiner vertikalen Erstreckung symmetrisch um die Richtungsachse der Eindringtiefe 12 dargestellt und überspannt in Abhängigkeit von der Messanordnung die gesamte Längserstreckung der Sonde 1. 3 shows schematically the measurement of the induced electric field, regardless of the presence of a chemically labeled solution. The idealized arches represent the depth of penetration at the intersection with the horizontal directional arrow 12 and thus the measurable limitation of the electric field 11 which is in the borehole environment 10 spreads. As can be seen, the electric field 11 in its vertical extension symmetrically about the direction axis of the penetration depth 12 shown and spans the entire longitudinal extent of the probe depending on the measuring arrangement 1 ,

Die Messung der radial zeitlichen Veränderung des thermischen Feldes innerhalb des Tracerraumes 4 zeigt dabei die 2. Die Auswirkung auf das induzierte thermische Feld innerhalb des Tracerraumes durch die Ausbildung der Traccerfahne, bedingt durch den Zustrom kühleren Grundwassers, macht eine sehr empfindliche Messung notwendig.The measurement of the radial temporal change in the thermal field within the tracer space 4 shows the 2 , The effect on the induced thermal field within the tracer space due to the formation of the tracer flag, due to the inflow of cooler groundwater, makes a very sensitive measurement necessary.

11: Sondeprobe
2; 2';2; 2 ';: Packerpacker
2;''; 2''2; ''; 2 '': Packerpacker
33: Filterrohrfilter pipe
44: Tracerraumtracer room
55: Tracerfahnetracer flag
66: GrundwasserspiegelGroundwater level
77: GrundwasserströmungGroundwater flow
88th: elektrische Sensorenelectrical sensors
99: thermische Sensorenthermal sensors
1010: Bohrlochumgebungdownhole environment
1111: elektrisches Feldelectrical field
1212: Eindringtiefepenetration depth
1313: Geländeoberkanteground level
1414: BohrlochmesskabelLogging cable
1515: Traceröffnungtracer opening
XX: Einzelheitdetail

Claims

Method for determining physical quantities of Groundwater underground by introducing an aqueous, chemically or physically labeled solution with a different one from the groundwater Conductivity, into the groundwater surrounding the probe in a room for training of an enriched groundwater area, which with the groundwater flow in a directional measuring field moves, changes, whose Maximum-minimum distribution in the groundwater to determine the direction of the groundwater flow and speed as well as temperature distribution and change by means of sensors arranged on the probe, without interference of the natural flow field is measured.

A method according to claim 1, characterized in that the highlighted solution introduced into the space around the probe and at the same time the pending groundwater is exchanged, whereby the confined space surrounds the probe in a ring with the marked ones solutions filled out whose initial properties are determined and with the groundwater flow in a directional measuring field moves, changes, whose Maximum-minimum distribution of electrical and thermal effects in the groundwater to determine the direction of the groundwater flow as well as speed by means of electrical and thermal sensors is determined.

A method according to claim 1, characterized in that measuring the maximum-minimum distribution the chemically labeled solution by means of electrical sensors which are distributed over the length of the probe.

A method according to claim 1, characterized in that measuring the maximum-minimum distribution the physically marked solution by means of thermal sensors in a confined area around the probe Room initiated and adjusted accordingly to the room becomes.

A method according to claim 1, characterized in that measuring the maximum-minimum distribution the marked solution initiated and carried out one after the other in chronological order becomes.

A method according to claim 1, characterized in that the determination of the physical quantities for measuring the maxima-minima distribution of the chemically and physically labeled solutions simultaneously in one Measurement run is made.

Probe for determining physical quantities in the subsurface, with sensors arranged on their circumference and in the direction of their longitudinal center axis and at least one space created between boundaries ( 4 ), which extends one from the hole wall ( 3 ) forms an enclosed hollow cylindrical annular space into which a chemically or physically marked aqueous solution is introduced and with the groundwater ( 7 ) is brought into an active connection, the concentration, spatial distribution and the physical-thermal behavior of the groundwater being measured and brought to evaluation via a data processing module.

Probe according to claim 7, characterized in that sensors distributed on its cylindrical outer surface ( 8th ; 9 ) an arrangement for the infiltration of the groundwater with marked solution, an orientation module for a direction-related assignment of the measured values, and a data transmission module are provided for the determination of the quantities to be measured, at least one space formed between vertical boundaries, the radial extension of which is considered as one of the inner wall of the filter certain, the probe ( 1 ) surrounding cylindrical annular space is formed, in which a chemically or physically marked solution is exchanged for the groundwater present in it and brought into active connection with the surrounding groundwater, moved with it, receives a spatial distribution, the extent and shape of which is given by sensors ( 8th ; 9 ) is evaluated and the probe ( 1 ) at their outer boundaries packer ( 2 ; 2 ''' ), between which at the same distance, as the sensor ring plane in the outer surface of the probe ( 1 ) distributed, electrical sensors ( 8th ) are provided, with another room as a tracer room ( 4 ) between packers ( 2 '; 2 '' ) is designed, which uses electrically and thermally acting sensors ( 8th ; 9 ) and allow a thermal measurement of the behavior of the physically influenced aqueous liquid, which is between those in the area of the packers ( 2 '; 2 '' ) distinctive tracer flag ( 5 ) is to be carried out.

Probe according to claim 7, characterized in that the probe ( 1 ) via packers trained as micro packers ( 2 ; 2 '; 2 '' . 2 ''' ) with their radial extension to the inside of the filter tubes ( 3 ) and in the vertical direction of the course of the longitudinal center axis of the probe ( 1 ) following an annular, hollow cylinder-like space filled with groundwater with a small radial extent is formed.

Probe according to claim 7, characterized in that the hollow cylindrical space by delimiting into a tracer space ( 4 ) with the packers ( 2 '; 2 '' ) is further subdivided in that the groundwater present in it is exchanged for the marked, aqueous solution