DE102006039141A1

DE102006039141A1 - Verfahren und Düsen-Saug-Infiltrations-System "Werner Wils" zur Entnahme und/oder Verbringung flüssiger Medien in einem Grundwasserleiter

Info

Publication number: DE102006039141A1
Application number: DE102006039141A
Authority: DE
Inventors: Werner Wils
Original assignee: WILS ANDREA; WILS KATRIN
Current assignee: WILS ANDREA; WILS KATRIN
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2007-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verbringung (Einleitung, Ableitung und Ansiedlung - Infiltration) von flüssigen Medien, insbesondere Wasser, in einen Grundwasserleiter (15) mittels einer Rohr- oder Schachtverbindung. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von vorhandenen und/oder während einer sondierenden Untersuchung ermittelten Daten - wie den Durchlässigkeitseigenschaften und der Fließrichtung des Grundwasserleiters (15) - eine optimale Eintauchtiefe (10) und eine Infiltrationsleistung (Q) für die Infiltration im Grundwasserleiter (15) bestimmt wird, wobei mindestens eine in der bestimmten optimalen Eintauchtiefe (10) in den Untergrund (11) eingebrachte infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung (5B) eine gezielte Infiltration des Mediums ermöglicht, bei der in der optimalen Eintauchtiefe (10) ein Porenwasserdruck (17) im Grundwasseranstrom (18) des Grundwasserleiters (15) erhöht wird und dadurch eine Infiltrationswiderstandsenkung im Grundwasserabströmbereich (22) unter Erhöhung der Infiltrationsleistung (Q) erfolgt. DOLLAR A Zur Durchführung des Verfahrens wird ein System zur Entnahme und/oder Verbringung (Einleitung, Ableitung und Ansiedlung - Infiltration) von flüssigen Medien, insbesondere Wasser oder mit Suspensionen angereichertes Wasser, in einen Grundwasserleiter (15) über eine entnahmeseitige und/oder infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung vorgesehen, bei dem als Rohr- oder Schachtverbindung entnahmeseitig eine Entnahmelanze (5A) und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine System zur Entnahme und Verbringung (Einleiten, Ableiten und Ansiedeln – Infiltration) flüssiger Medien in einen Grundwasserleiter.
Beim Grundwasser handelt es sich um jenes Wasser, das die Hohlräume unter der Erdoberfläche ausfüllt und nur dem hydrostatischen Druck der Schwerkraft unterliegt. Es entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Uferbereich von Oberflächengewässern (wie Flüssen oder Seen) in den Boden gedrückt wird. Beim Bodendurchgang wird das Grundwasser physikalisch und chemisch gereinigt; auch biologische Vorgänge laufen dabei ab. Das Grundwasser sinkt durch die verschiedenen Bodenschichten, bis es auf wasser-undurchlässige Stauer trifft.
Wie Oberflächengewässer fließt auch das Grundwasser in Abhängigkeit vom Gefälle und dem durchflossenen Leiter. In Kies beträgt die Durchgangszeit 5 bis 20 m/Tag; in feinporigeren Sedimenten wie Sand nur etwa 1 m/Tag, da Kapillar- und Porensaugkräfte den Fluss behindern. Die Oberfläche des Grundwasserflusses wird Grundwasserspiegel genannt.

Aus dem Stand der Technik sind bereits einige Verfahren zur Grundwasserabsenkung (Entnahme) und Verbringung des Grundwassers in nahe gelegene Einleitmöglichkeiten bekannt.

Im allgemeinen wird ein Bauwerk in einer offenen, trockenen Baugrube hergestellt, die den Raum zur Gründung und Herstellung des Bauwerks unterhalb der Erdoberfläche schafft. Das Bauen in offener, trockener Baugrube ist übersichtlich und bietet hohe Sicherheiten, da die Baugrubensohle, Böschungen oder der Verbau für jeden Bauherrn und Ingenieur sichtbar sind. Sollen diese Vorteile auch dort wahrgenommen werden, wo sich Bauwerke oder Teile derselben unter dem Grundwasserspiegel befinden, ist eine Grundwasserabsenkung durchzuführen. Sie bezweckt eine örtlich begrenzte Absenkung des im Erdreich vorhandenen normalen ruhenden Grundwasserspiegels auf ein tieferes Niveau in Form eines Absenktrichters, um so die Trockenlegung der Baugrube zu erreichen.

Die am häufigsten angewandten Verfahren zur Ausführung von Bau- und Montage- sowie Erdarbeiten in wasserhaltigen Böden beinhalten lokale, temporäre Bodenentwässerungen.

Bei der geschlossenen Wasserhaltung wird dabei zwischen der Gravitations-(Schwerkraft)-entwässerung und der Vakuumgrundwasserabsenkung unterschieden. In einfachen Fällen kann dies mit Drainagen, Sickerleitung und Pumpensumpf erreicht werden. Für größere Absenktiefen stehen Tiefendrainage, Tiefbrunnen oder Nadelfilter zur Verfügung.

Ob eine Anlage als Vakuumanlage oder nach dem Prinzip der Schwerkraft arbeitet, richtet sich im wesentlichen nach der Beschaffenheit des zu entwässernden Bodens, die durch den Wasserdurchlässigkeitswert k_f charakterisiert wird. Je größer k_f, desto größer ist der Partikelabstand im Boden. Das Vakuumverfahren findet bei Feinböden mit Durchlässigkeitswerten von k_f = 10^–2 bis 10^–8 cm/s Anwendung, zu denen die sogenannten Schluffböden, Lehme und Tone gehören. Durch Einführung des Vakuums in das Filterrohr wird das im Boden enthaltene Wasser in den Filter gesaugt und anschließend gefördert. Dabei wird zumeist so verfahren, dass vor der Vakuum-Pumpe Wasser und Luft zusammen über ein luftdichtes Leitungssystem angesaugt werden.

Bei gröberen Böden, wie Sand- und Kiesböden mit Durchlässigkeitswerten von k_f = 10^–2 bis mehr als 1 cm/s arbeitet die Anlage nach dem Schwerkraftprinzip, und das Wasser fließt dem Filter frei zu.

Bekannte Anlagentypen sind Schachtbrunnen, Bohrbrunnen und Nadelfilteranlagen.

Zum Beispiel wird beim Schachtbrunnen durch manuellen oder maschinellen Aushub ein vertikaler Schacht bis in den Grundwasserkörper errichtet. Im Zuge des Tieferschreitens wird der Schacht mit Mauerwerk oder vorgefertigten Fertigteilen aus (Stahl)-beton gesichert. Die Zuströmung des Grundwassers zum Brunnen erfolgt durch die Sohle des Schachtes und/oder einer vertikalen Filterstrecke.

Beim Bohrbrunnen wird eine Bohrung bis in den Grundwasserkörper vorgetrieben. Im Bereich der wasserführenden Schicht ist eine Filterstrecke vorgesehen. Die Nachteile dieser Verfahren liegen in der zeitaufwendigen und kostenintensiven Schachtaushebung bzw. Brunnenbohrung.

Nadelfilteranlagen bestehen aus eng nebeneinander eingebrachten Unterdruck-Grundwasserfassungen mit kleinem Querschnitt, die miteinander durch Sammelleitungen mit einem Pumpenaggregat verbunden sind. Das Aufstellen der Nadelfilter kann auf dem Wege der Einspülung bzw. Bohrung erfolgen, wobei die Förderhöhe der externen Pumpe die Baugrubentiefe begrenzt ( DE 4040803 A1 ).

Das mit einem vorgebbaren Volumenstrom geförderte Wasser wird zumeist aus dem Baugrubenbereich in eine Vorflut abgeleitet (Abwasser-/Regenkanal oder offene Gewässer). In der Praxis sind die dabei anfallenden Einleitgebühren von Nachteil.

Alternativ können die Schacht- oder Bohrbrunnen als (Filterbrunnen, Sickerbrunnen, oder Schluckbrunnen) auch zur Wasserrückgabe (Versickerung) eingesetzt werden, indem durch manuellen oder maschinellen Aushub ein Schacht bzw. eine Bohrung bis zum Grundwasserkörper vorgetrieben werden. Im Bereich der tieferliegenden wasserführenden Schicht ist eine Filterstrecke vorgesehen, durch die das geförderte Wasser ins Grundwasser zurückgegeben wird. Aufgrund der Notwendigkeit einer großen Filterfläche für eine effektive Wasserrückgabe durch den Bohrbrunnen, die über eine ausgedehnte Filterstrecke realisiert wird, besteht jedoch die Gefahr des Anschneidens verschiedener Bodenschichten und Grundwasserarten.

Für die Versickerung kommen neben Oberflächenversickerungen also alle Arten von Brunnen zum Einsatz, die auch für die Grundwasserabsenkung gebräuchlich sind. Darunter fallen Flachhaltungen, Wellpointanlagen, Tiefbrunnen und horizontale Versickerungen.

Flachhaltungen sind Brunnen, bei denen zur Grundwasserabsenkung eine Saugpumpe im Einsatz ist und die aufgrund der Saugleistung von Pumpen max. 8 m tief sind. Sie sind mit Filterrohren von in der Regel DN 150 ausgebaut und mit Kiesschüttung umgeben.

Wellpointanlagen sind Flachhaltungen einfachster Art, bei denen das Filterrohr gleichzeitig als Saugschenkel (in der Wasserhebung) dient und die in den Grundwasserleiter eingespült werden. Die Filterstrecke ist hier nur etwa 1 bis 2 m lang. Eine Kiesschüttung wird nicht eingebaut, u. U. wird Tressengewebe verwendet.

Tiefbrunnen haben Bohrdurchmesser zwischen 500 und 800 mm und Filterdurchmesser von 125 bis 300 mm. Sie sind mit einer Filterkiesschüttung versehen. In die Tiefbrunnen wird eine Fallleitung eingebaut, über die das zu versickernde Wasser dem Brunnen übergeben wird. Die Brunnen können auch so gebaut werden, dass in unterschiedlichen Grundwasserleitern Filterstrecken vorhanden sind und das aus den oberen Grundwasserleitern dem Brunnen zufließende Wasser in den unteren Grundwasserleiter versickert wird. Horizontale Versickerungen bestehen neben Sickergräben an der Oberfläche aus in flache Schlitze eingebauten Filterrohren, die mit Sammelschächten verbunden sind und von diesen das zu versickernde Wasser erhalten.

Allen beschriebenen gängigen Methoden zur Wasserversickerung ist gemein, dass das Wasser dem Gebirge über unten geschlossene, mit Filterstrecken versehene Rohre übergeben wird.

Für Schluckbrunnen herkömmlicher Bauart ist, wie schon erwähnt, die Filterfläche, also bei gegebenem Bohrdurchmesser die Filtersteckenlänge, ein ausschlaggebender Faktor für die Versickerungsmenge. Auch muss die Geschwindigkeit des Wassers beim Übergang zum Gebirge verhältnismäßig klein sein, um Verwirbelungen, Sauerstoffeintrag zu vermeiden und damit die Gefahr von Verlockerungen und Verstopfungen zu verringern. Die maximal zulässige Geschwindigkeit wird bei 1,5 m/h gesehen. Auch ist besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Umläufigkeiten zu legen, was durch sorgfältiges Verschließen und Abdichten des Ringraumes erreicht werden soll.

Zudem sind ökologische Gesichtspunkte bekannt geworden. Vor dem Hintergrund einer bereits angespannten hydrologischen Situation mit sinkenden Grundwasserständen zeigen durchgeführte Untersuchungen zu den Auswirkungen von Klimaänderungen auf den Wasserhaushalt, dass sich bis zum Jahre 2055 einige der den Landschaftswasserhaushalt bestimmenden Wasserhaushaltsgrößen deutlich – und zum Negativen – verändert werden. Ein weiterer Rückgang der schon nicht üppigen jährlichen Niederschläge würde – bei gleichzeitig zunehmender Verdunstung – insbesondere im Sommer zu drastischen Folgen führen. So wäre bei sich intensivierenden sommerlichen Verdunstungsverlusten über offenen Wasserflächen und in Feuchtgebieten bis zum Jahre 2055 mit einer Sickerwasserbildung zu rechnen, die um mehr als die Hälfte unter der heutigen läge.

Die flächendeckende Abnahme von Sickerwasserbildung und Gebietsabfluss würde insbesondere in den trockenen Sommermonaten dazu führen, dass sich die Grundwasserbestände ernsthaft verringern, die Wasserstände in den Oberflächengewässern (Seen und Flüsse) merklich sinken und die Wasserqualität erheblich leidet (Fischsterben).

Zu den wesentlichen Elementen einer zukunftsorientierten Versorgungsstrategie gehören also neben den oben beschriebenen kommerziellen Nutzungsmöglichkeiten, der bekannten Verfahren auch der Einsatz dieser Technik unter ökologischen Gesichtspunkten zur rationellen Wassernutzung, wie beispielsweise zur Erhöhung eines Gebietswasserrückhaltes.

Auf diese Weise lassen sich dann möglicherweise auch in Zukunft unter veränderten klimatischen und wasserhaushaltlichten Bedingungen ökologisch notwendige Mindestgrundwasserstände und eine nachhaltige Trinkwasserbereitstellung gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System anzubieten, welches für den technischen Einsatz unter Beachtung ökologischer Gesichtpunkte die Möglichkeit bietet, möglichst effizient mit geringem technischem Aufwand eine möglichst große Menge Grundwasser in einen Grundwasserleiter infiltrieren zu können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches sich in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 dadurch auszeichnet, dass in Abhängigkeit von vorhandenen und/oder während einer sondierenden Untersuchung ermittelten Daten – wie den Durchlässigkeitseigenschaften und der Fließrichtung des Grundwasserleiters – eine optimale Eintauchtiefe und eine Infiltrationsleistung für die Infiltration eines flüssigen Mediums in einem Grundwasserleiter bestimmt wird, wobei mindestens eine in der bestimmten optimalen Eintauchtiefe in den Untergrund eingebrachte Rohr- oder Schachtverbindung eine gezielte Infiltration des Mediums ermöglicht, bei der in der optimalen Eintauchtiefe ein Porenwasserdruck im Grundwasseranstrom des Grundwasserleiters erhöht wird und dadurch eine Infiltrationswiderstandsenkung im Grundwasserabströmbereich unter Erhöhung der Infiltrationsleistung erfolgt.

Dabei setzt sich der durch die Rohr- oder Schachtverbindung erhöhte Porenwasserdruck statisch bis zum nächsten Stauer des Grundwasserleiters fort.

Das erfindungsgemäß System wird als Düsen-Saug-Infiltrations-System oder Düsen-Spritz-Infiltrations-System „DSI-System" bezeichnet.

Die Bezeichnung macht klar, dass die. Infiltration anhand von Düsen an einer Kontaktstelle mit erhöhter Fließgeschwindigkeit in einem Infiltrationswasserleiterübergabebereich stattfindet. Die Bezeichnung Saug-System verdeutlicht, dass bei der Infiltration die Ausnutzung der Anziehungskräfte des abfließenden Grundwassers in den Poren des Grundwasserabstroms erfolgt. Die Bezeichnung Infiltration kennzeichnet die Übergabe flüssiger Medien in den Grundwasserleiter.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst die optimale Eintauchtiefe, der in den Untergrund einbringbaren infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung in Abhängigkeit der Durchlässigkeitseigenschaft, insbesondere der vorher bekannten oder ermittelten hydraulischen Leitfähigkeit des Untergrundes bestimmt. Die Bestimmung erfolgt anhand vorhandener Daten oder praktischer Untersuchungen in jeweiligen Einsatzgebiet.

Die optimale Eintauchtiefe – auch als Infiltrationsbrunneneinbautiefe bezeichnet – wird dann anhand der vorhandenen Daten der hydraulischen Leitfähigkeit über eine Wertetabelle ( 4) ermittelt und separat berechnet (3) [Formel 3 und 12].

Die theoretische Vorberechnung der Infiltrationsleistung (Q_I) und Dimensionierung der zum Düsen-Saug-Infiltrations-System gehörenden speziell ausgerüsteten Brunnen beziehungsweise der infiltrationsseitigen Lanze und des zugehörigen Verfahrens erfolgt anhand vorhandener Daten, dem Durchmesser (d) der Infiltrationslanze der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung, der infiltrationsseitigen Förderhöhe (FH), der hydraulischen Leitfähigkeit (k_f) und der theoretisch ermittelten optimalen physikalischen Eintauchtiefe (E_ph).

Die zugehörigen Berechnungsformeln sind in 3 angegeben und im Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Nach der Auslegung wird der infiltrationsseitige Teil der Rohr- oder Schachtverbindung bis zum Eintreten eines Druckausgleichs zwischen hydrostatischem Druck des Grundwasserleiters und eines vorgebbaren Spüldrucks einer das Medium in die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung fördernden Pumpe in die theoretisch ermittelte optimale Eintauchtiefe verbracht.

Die optimale Eintauchtiefe wird praktisch dadurch ermittelt, indem die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung in den Grundwasserleiter eingebracht wird, bis der Druckausgleichs zwischen hydrostatischem Druck des Grundwasserleiters und einem vorgebbaren Spüldrucks erreicht ist. Bereits hier ist eine gezielte Infiltration des Mediums möglich, das bei Erreichung der optimalen Eintauchtiefe ein Porenwasserdruck im Grundwasseranstrom des Grundwasserleiters erhöht wird und dadurch eine Infiltrationswiderstandsenkung im Grundwasserabströmbereich unter Erhöhung der Infiltrationsleistung erfolgt.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch den vorgebbaren Spüldruck des infiltrationsseitigen Teiles der Rohr- oder Schachtverbindung in der optimalen Eintauchtiefe im Grundwasseranstrom ein nicht durchströmbarer Bereich für das Grundwasser des Grundwasserleiters ausgebildet wird, was zu einer Fließrichtungsänderung mit Zeit- und Wegverlängerung und Erhöhung des Porenwasserdruckes der grundwasserleitenden Poren des Grundwassers im Grundwasseranstrom [Hochdruckgebiet] führt.

Dadurch wird im Grundwasserabströmbereich des nicht durchströmbaren Bereiches eine Infiltrationswiderstandsenkung unter Erhöhung der Infiltrationsleistung erreicht, die einerseits durch den vorgebbaren Spüldruck des infiltrationsseitigen Teiles der Rohr- oder Schachtverbindung und/oder andererseits durch einen im Grundwasserabströmbereich entstehenden Unterdruckbereiches oder Vakuumsbereiches [Tiefdruckgebiet] im Grundwasserleiter bewirkt wird.

Zudem ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung einerseits die Ansiedlung von Suspensionen, die in dem für den Grundwasseranstrom nicht durchströmbaren Bereich [Hochdruckgebiet] bis zum Bereich des Druckausgleichs zwischen Anströmbereich und nicht durchströmbaren Bereich, wobei die Suspensionen dem zu infiltrierenden Medium beigemischt werden, möglich. Die Beimischung bewirkt eine Vermeidung von Ausfällungen im nicht durchströmbaren Bereich und eine Senkung des Energiebedarfes bei der Infiltration des mit der Suspension angereicherten zu infiltrierenden Mediums oder bei gleicher Energiezufuhr eine erhöhte Infiltrationsleistung des mit Suspension versetzten Mediums in den Grundwasserabströmbereich [Tiefdruckgebiet].

In vorteilhafter Weise können die im nicht durchströmbaren Bereich [Hochdruckgebiet] angesiedelten, den Kräften des Grundwasserabströmbereich gehorchenden Suspensionen speicherähnlich angelegt sein und durch Druckaussetzung, der das mit der Suspension versetzte und zu infiltrierende Medium fördernden Pumpe, der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung, im Grundwasserabströmbereich, durch die Kräfte des natürlichen Grundwasserleiters, wieder aufgelöst werden.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die im nicht durchströmbaren Bereich [Hochdruckgebiet] den Kräften des Grundwasserabströmbereichs nicht gehorchenden speicherähnlich angelegten Suspensionen, die nicht durch eine Druckaussetzung, der das mit Suspension versetzte zu infiltrierende Medium fördernden Pumpe, der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung, im Grundwasserabströmbereich aufgelöst werden, gezielt im Baugrund des Infiltrationsbereiches anzusiedeln.

Zur Erreichung einer möglichst kontinuierlichen Betriebsweise zeichnet sich das Verfahren in einer Ausführungsvariante dadurch aus, dass durch den Einbau eines jeweils in Förderichtung öffnenden Sperrorgans und einer in Förderichtung vor dem Sperrvorgang vorgeschalteten Filterstrecke in die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung ein periodischer Betrieb zwischen Infiltration und Rückförderung des Mediums zur Vermeidung von Bodeneintrieb im Infiltrationsbereich ermöglicht wird.

Zur Durchführung des Verfahren wird ein System zur Entnahme und/oder Verbringung (Einleitung, Ableitung und Ansiedlung Infiltration) von flüssigen Medien, insbesondere Wasser oder mit Suspensionen angereichtes Wasser, über eine entnahmeseitige und/oder infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung ausgebildet, welches als Rohr- oder Schachtverbindung entnahmeseitig eine Entnahmelanze und infiltrationsseitig eine Infiltrationslanze aufweist, die über ein Pumpenaggregat zur Erzeugung eines notwendigen vorgebbaren Spüldruckes miteinander verbunden sind.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist jede Lanze des Systems, ein Transportrohr und eine Filterstrecke auf, die über einem Auftriebssicherungsventil angeordnet sind, wobei das Auftriebssicherungsventil oberhalb eines Infiltrationsregulierungsstücks eines Eintauchtiefenregulierungsrohres mit angeordnetem Spülkopf zur Entnahme oder Infiltration ausgeführt ist.

Schließlich ist das Auftriebssicherungsventil so ausgelegt, dass es zum periodischen Betrieb jeweils in Grundwasserfließrichtung öffnet.

Die entnahmeseitigen und infiltrationsseitigen Lanzen werden vorzugsweise in Kombination als das „Düsen-Saug-Infiltrations-System " betrieben. Die Bezeichnung bezieht sich auf den im Grundwasserabströmbereich entstehenden saugenden Unterdruckbereich oder Vakuumsbereiches [Tiefdruckgebiet] des Grundwasserleiters, der erfindungsgemäß durch das Verfahren und das zugehörige System bewirkt wird.

Die entnahmeseitige und infiltrationsseitige Lanze sind auch unabhängig voneinander betreibbar, wobei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung nach dem Verfahren eine Erhöhung der Infiltrationsleistung erlaubt.

Mit dem Einsatz der Düsensauginfiltration als neuartiges Infiltrationsverfahren ergeben sich, bezogen zur Umwelt, zum Materialeinsatz, zum Energieverbrauch und somit auch bezüglich der Wirtschaftlichkeit folgende positive Aspekte.

Ein herkömmlicher Schluckbrunnen ist mit großem Bohrlochdurchmesser (je nach geplanter Versickerungsleistung) zu bohren, mit entsprechendem Filter auszubauen und einer abgestimmten Filterkiesschüttung zu versehen. In verhältnismäßig kurzen Abständen müssen die Filter gereinigt werden, was hohen kostenmäßigen Aufwand verursacht. Zur Infiltration kann nur von Eisen und Schwebstoffen gereinigtes Wasser gelangen, da ansonsten die Kolmation und Verlockerungen der Filterschlitze wesentlich schneller geschehen würde. Infiltrationselemente zur Düsensauginfiltration bestehen nur aus einem eine Infiltrationslanze darstellendes Rohr, das bei entsprechenden Grundwasserleitern ohne Bohrarbeiten in den Grundwasserleiter eingespült wird, keine Verkiesung und keinen weiteren Ausbau erhält. Wartungsarbeiten sind nicht durchzuführen, Verlockerungen und Kolmation nicht zu besorgen.

Die neuartigen Infiltrationsbrunnen erzielen bei geringem Durchmesser sehr hohe Infiltrationsraten. Es sind somit im Vergleich zu herkömmlichen Schluckbrunnen wesentlich weniger Bauwerke sowie weniger umfangreiche Bauwerke notwendig, um die gleiche Menge Wasser in den Grundwasserleiter zu versickern. Daraus resultieren erneut Material-, Arbeitsaufwands- und Energieeinsparungen.

Bei Entwässerungsmaßnahmen ist auch für den Abtransport des gehobenen Wassers zu sorgen. Dazu ist vielfach der Einsatz langer Rohrleitungen und entsprechender Pumpsysteme nötig. Beim Einsatz des neuen Verfahrens ist eine Infiltration in der Nähe der Entnahmestelle möglich. Demzufolge reduziert sich der Einsatz von Rohrleitungen und Pumpen entsprechend, was zu Material- und Energieeinsparungen führt.

Vielfach kann unter Außerachtlassung der neuartigen Infiltrationsbrunnen gehobenes Grundwasser nur der Vorflut zugeführt werden. In manchen Fällen sind dann auf Grund Förder- und Einleitmengen sowie den Qualitäten der einzuleitenden Wässer (Eisengehalte) genehmigungsrechtlich problematisch. Bei Einsatz der Düsensaugfunktion kann das gehobene Wasser in unmittelbarer Nähe zu den Förderbrunnen in den Entnahmegrundwasserleiter infiltriert werden und so die Netto-Fördermengen und die Einleitmengen im Idealfall auf Null reduziert werden. Problematische Projekte werden so wasserrechtlich genehmigungsfähig.

Durch die bei der Infiltration mit dem Verfahren auftretenden Effekte kann die Menge des anströmenden Grundwassers zu einer Baugrube gesenkt werden, so dass sich auch Brutto-Fördermengenreduzierungen ergeben. Daraus resultieren eine verringerte Anzahl an Förderbrunnen mit entsprechenden Pumpen, elektrischen Zuleitungen und Rohrleitungen zur Hebung und zum Abtransport des Wassers. Es ergeben sich wiederum Material-, Energie-, Arbeitsaufwands- und damit Kostenreduzierungen.

Mit den neuartigen Infiltrationsbrunnen wird es möglich, Versickerungen auch außerhalb von großen Projekten (z.B. bei der Versickerung von Niederschlagswasser) durchzuführen. Damit kann besonders in problematischen Bereichen der Bodenwasserhaushalt und das Grundwasserdargebot gestützt werden, was besonders hinsichtlich zukünftiger Grundwasserprobleme und Probleme mit aufsteigendem Salzwasser in nördlichen Teilen Deutschlands vorteilhaft sein wird.

Auf Grund der in Tests herausgestellten Unempfindlichkeit des Verfahrens gegenüber Feststoffen im Infiltrationswasser kann auch bisher für Infiltrationen problematisches Wasser zur Infiltration kommen. Dabei reduziert sich der Aufbereitungsaufwand für zu infiltrierendes Wasser, was wiederum zu Material-, Energie- und Kosteneinsparungen und somit zur Umweltentlastung führt. In Vorfluten einzuleitende Wassermengen können reduziert werden.

Durch die neue Düsensauginfiltration wird es möglich, Wasser gezielt mit Feststoffen zu beaufschlagen und dieses zur Infiltration zu bringen, um bestimmte Eigenschaften des Untergrundes zu beeinflussen. Damit ergibt sich eine unkomplizierte, preiswerte Möglichkeit, z.B. durch Veränderungen der chemischen Bedingungen im Grundwasserleiter, diese zu sanieren.

Nachfolgend sind Anwendungsbeispiele beschrieben bei denen das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann.

Natürliche Abläufe der Natur richtig erkannt, theoretisch nachvollzogen und in der Praxis erfolgreich umgesetzt, liefern das Verfahren die Grundlage für das weite Anwendungsspektrum des DSI-Systems. Der Erfolg resultiert aus der Kombination von exakter Vorplanung und der Erfahrung des Einbauteams vor Ort. Die Ausnutzung der Wassertransportgröße der anstehenden Grundwasserleiter ermöglicht ein Absenken und gleichzeitiges Ableiten des gehobenen Grundwassers in einen ortsnahen Grundwasserleiter. Dadurch können einerseits die Absenktrichterreichweiten stark reduziert werden und andererseits die Ableitung in die oberirdische Vorflut vermieden werden. Grundwasserleitermächtigkeit und Infiltrationsbedarf sind Dimensionierungsgrundlage der Infiltrationsrohre (8 mm bis 1000 mm). Durch Kopplung der freigesetzten natürlichen Kräfte mit drehzahlgesteuerten Druckerhöhungspumpen ist mit einem optimierten Energieverbrauch zu rechnen. Bodengutachten und/oder sondierende Düsensauginfiltrationsversuche sind Grundlage für die Vordimensionierung und Projektierung. Hauseigene technische Daten und Kennlinien der zum Einsatz kommenden Pumpen und Infiltrationsrohre garantieren einen kostengünstigen wasserwirtschaftlichen Erfolg.

In der Bauwirtschaft werden Grundwasserspiegelabsenkungen (GWA) dort eingesetzt, wo sich Baukörper, Baugruben und Rohrleitungen im Grundwasserbereich befinden. Das Ziel einer GWA ist es, das Grundwasser im Bereich der Baugruben durch einen Absenktrichter zeitlich begrenzt von Schichten- und Grundwasser freizuhalten. Förderpumpen und Filtersysteme werden um und unter der für das spätere Bauwerk zu errichtende Baugrube zum Fördern von Wasser aufgebaut. Auswirkungen auf den Naturhaushalt, Standsicherheit angrenzender Gebäude und Beeinträchtigungen der Vorflut, z.B. durch Eisenausfällungen, können nicht ausgeschlossen werden.

Durch Kombination von GWA und DSI-Systemen kann der Eingriff in den Wasserhaushalt durch unmittelbare Rückführung des gehobenen Grundwassers auf ein vertretbares Maß. reduziert werden.

Beispielsweise sollten nicht genehmigungsfähige 1,6 m² Mill. Grundwasser dem Grundwasserhaushalt im Biosphärenreservat Spreewald durch Absenkungsarbeiten im Rahmen von Bauarbeiten entzogen werden. Durch den Einsatz des DSI-Systems konnte das gehobene Grundwasser vollständig infiltriert werden, reduzierte Absenktrichterreichweiten waren die Folge. Dabei wurden Eisenkonzentrationen bis 20 mg/l über das DSI-System ohne Komplikationen in den Wasserhaushalt zurückgeführt.

Regenwasserniederschläge von Dächern ab ca. 10 m Dachrinneneinlaufhöhe können über Feinfilter und druckfeste Abflussrohre direkt ohne Pumpeneinsatz verdüst werden. Bei versiegelten Flächen und flachen Gebäuden muss mit Pumpen, die in das System eingepasst sind, gearbeitet werden.

Das Bauwerkstrockenlegungs-DSI-System kann dort zur Anwendung kommen, wo Bauwerksabdichtungen zerstört oder durch Veralterungen zum Wassereintritt im Kellerbereich führen und Schäden an der Bausubstanz zur Folge haben. Statt Sanierung kann das System als technische Lösung zur Anwendung kommen. Im Kellersohlenbereich werden gezielt berechnete Stummelnadelfilter im Grundwasserbereich eingebaut. Über Förderpumpen wird das Grundwasser gehoben und der Kellerbereich entwässert. Das geförderte Wasser wird dann mit dem Förderpumpendruck über die Düsensauginfiltrationslanze in den Grundwasserhaushalt infiltriert. Durch Kopplung mit einer Wärmepumpenanlage treten keine laufenden Betriebskosten für die Grundwasserabsenkung auf.

Vegetationsdecken, Bäume, Parkanlagen und Biotope, die durch Wasserspiegelabsenkungen beeinflusst werden, können durch das neue System gezielt mit Wasserfrachten angefahren werden. Akupunkturähnliche Anordnungen der Infiltrationsdüsen ermöglichen eine hundertprozentig dosierte Wasserzufuhr, die den gestörten Wasserhaushalt ausgleicht. Gleichzeitig können durch das Einbringen von wasserbegleitenden Stoffen in das Infiltrationssystem Krankheiten und Wachstumsstörungen entgegengewirkt werden. Infiltrationswasser kann bei Bedarf als Speicher und Transportmedium für Flüssigdünger genutzt werden und reduziert die Einsatzgröße der Düngerfracht durch direkten Wurzelkontakt. Ein großflächiges Abdriften in den Grundwasserhaushalt kann so ausgeschlossen werden. Durch den Einsatz von Computertechnik sind grundwasserregulierende Maßnahmen bedarfsgerecht und kostensparend einsetzbar.

Im Absenkungsbereich von Tagebauen können DSI-Systeme eingesetzt werden, um den Grundwasserspiegel im Bereich von Ortslagen und Feuchtgebieten zu sichern. Über das DSI-System wird das gehobene Grundwasser im auslaufenden Absenktrichter in Form einer Wand infiltriert. Über Pegelsteuerungssysteme werden Absenktrichter und Infiltrationswandreichweiten eingestellt. Im Zirkulationsbereich Absenkung und Infiltration kommt es langfristig zur Selbstreinigung bzw. Enteisung im Grundwasserleiter. Gehobenes Grundwasser aus der Tagebauvorentwässerung kann über Rohrleitungssysteme das Düsen-Saug-Infiltrations-System in den Absenkungtrichterrandbereich abgeleitet werden.

Bei einem Bauvorhaben wurde mit Vakuum eine k_f-Wertveränderung im Baugrubenrandbereich durchgeführt und damit eine Wasserfördermengenreduzierung auf 80 m³/h erreicht. Pumpversuche im Vorfeld hatten Wassermengen mit Tiefbrunnen im 400 m³/h ergeben. Begrenzte Abflussmöglichkeiten führten zum Versagen der wasserrechtlichen Genehmigung durch die Obere Wasserbehörde. Die Kombination Vakuumwand und Düsensauginfiltration konnte dagegen ohne weitere Auflagen von der Unteren Wasserbehörde genehmigt werden.

Die Düsen-Saug-Infiltration ist als in-situ-Technologie besonders vorteilhaft, wenn Kontaminationen von bebauten Anlagen, Werkstatthallen in großen Tiefen sowie unter Wegen und Straßen in großer Ausbreitung auftreten. In Zusammenarbeit mit der BioSoil-Gruppe können Altlastenprobleme durch eine Komplettlösung maßgeschneidert geplant und gelöst werden. Grundlagen der biologischen Boden- und Grundwassersanierung stellen die von der Natur entwickelten Mechanismen zum Abbau oder zur Transformation von Schadstoffen dar. Das Ziel der technischen Maßnahmen besteht in der Schaffung optimaler Bedingungen für die Sanierungsaktivität durch Mikroorganismen. Beim Einsatz der Düsensauginfiltration wird der natürliche Weg der in-situ-Technologie konsequent fortgeführt.

Zu sanierende Kontaminationsarten sind:

– Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) einschließlich Schwerölkontamination
– aromatische Verbindungen (z.B. BTEX-Aromaten, Styren)
– Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
– leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LHKW)
– substituierte Phenole (z.B. Pentachlorphenol PCP)
– substituierte Aromaten und cyclische Verbindungen (z.B. Chlorbenzole)

Zur Gewinnung von Unterlagen für die technisch erfolgreichste und wirtschaftlich günstigste Planung und Ausführung von DSI-Anlagen können sondierende Düsenspritzfiltrationsversuche durchgeführt werden. Kostengünstig ohne Großtechnik werden in geologischen k_f-Wertbereichen bis 10-5 m/s mit der Mini-DSI-Lanze Spülbohrungen in Handarbeit bis 50 m Tiefe im Zeitraum einer Stunde abgeteuft und analysiert. Die Ergebnisse werden mit Hilfe einer Infiltrations-k_f-Werttabelle ausgewertet. Der Einsatz der Minidüse gibt Auskunft über Art, Beschaffenheit, Ausdehnung und Mächtigkeit der Bodenschichten, Baugrundeigenschaften und Grundwasserverhältnisse. Das DSI-System im Versuchsfeld zeigt auch kleinräumig wechselnde k_f-Werte innerhalb des Grundwasserleiters an.

Die Tiefenlage des Infiltrationsbereiches ergibt sich aus dem Maß der zu infiltrierenden Wassermenge. Die physikalische Mindestdüseneintauchtiefe ergibt sich aus den hydro- und geologischen in-situ-Verfahren am Infiltrationsstandort. Der Düseneinsatzpunkt stellt sich bei Erreichen der erforderlichen Infiltrationsbereichsoberfläche und dem daraus resultierenden Volumen ein. Die natürliche Eintauchtiefe der Infiltrationsdüse kann durch den Einsatz eines Spülrohres mit nachträglichem Einbau der Infiltrationslanze im Tiefmaß verschoben werden. Eine weitere Möglichkeit die erforderlich berechneten Einbaubereiche zu erreichen ist der Einsatz einer Bohrspülung.

Aus den Erfahrungen der durchgeführten DSI-Projekte kann man davon ausgehen, dass für Großprojekte einschließlich Tagebaugruben eine neue Absenkstrategie eingesetzt werden kann. Nach geologischen Auswertungen können Grundwasserstockwerke für den Abtransport des gehobenen Grundwassers genutzt werden. Gestaffelte Förderpumpen im Bereich der Tagebaugruben können direkt in tiefergelegene Grundwasserstockwerke ableiten. Energie-, Reinigungs- und Vorflutkosteneinsparung in Größenordnungen wären die Folge. Die Belastung des Grundwasserhaushaltes würde auf ein Mindestmaß reduziert werden. Wasserrechtliche Genehmigungen und UVP hätten weniger Ansatzpunkte für eine Verweigerung. Mit der neuen Absenktechnologie (Feldpumpversuche werden zur Zeit durchgeführt) wird Grundwasser nicht mehr gehoben, der Wasserspiegel wird abgesenkt und das Grundwasser wird im Absenktrichtermittelpunkt unterhalb der Baugrube in wasserführende Schichten umgeleitet.

In Folge der Braunkohleförderung im Tagebauverfahren kommt es bei der Umschichtung der Braunkohledecklandschaften zur Vermengung der in-situ k_f-Wertebereiche. Chemische Prozesse in den gebildeten Kippen, beeinflusst durch Luft, Regen und Grundwasser, führen zur Schwefelsäurebildung. Bei der Seebildung in den Tagebaurestlöchern kommt es zu einer Versäuerung der Wasserlandschaft, die von der Natur nicht abgebaut werden kann. Düsensauginfiltrationsversuche zeigen, dass es im Bereich der Kippen zu keiner Infiltrationsbereichsbildung kommt. Aus diesen Erkenntnissen kann man ableiten, dass es in der Kippe nur gering horizontal und hydraulisch bedingt zu verstärktem vertikalem Abstrom kommt. Höhenunterschiede im Bereich zwischen natürlichem Grundwasserspiegel im Seerandbereich und Seewasserspiegel führen auftriebsbedingt zu gelockerten Seebodenverhältnissen. Grundsätzlich muss man davon ausgehen, dass bei der Seewasserneubildung aus dem Hauptgrundwasserleiter unter dem Seebodenbereich die Schwefelsäure in den See eingetragen wird. In Ausnutzung der chemisch-physikalischen, einschließlich der artesisch-hydraulischen Gegebenheiten können Kalkinjektionen in verschiedenen Varianten zur Sanierung in den Grundwasserleiter verbracht werden. Gezielte Kalk-Düsensauginfiltrationsbereiche, platziert im Grundwasserleiterzustrombereich, können langfristig zu der gewünschten Seewasserqualität führen.

Garten-, Haus- oder technische Versorgungsbrunnen können mit dem Infiltrationssaugfilter in Kombination mit einem Endlos-Aufsatzrohr im wasserspiegelnahen Bereich installiert werden. Der Spezialfilter wird über einen haushaltsüblichen Wasseranschluss im Handspülverfahren eingespült (Voraussetzung: hydraulische Leitfähigkeit k_f > 10^–5 m/s). Das Erreichen der förderfähigen wasserführenden Schicht wird beim Einspülen durch Wasserverlust angezeigt und der Spezialfilter kann auf Förderfunktion umgestellt werden. Das Endlos-Aufsatzrohr wird an der Geländeoberkante getrennt und eine Förderpumpe nach Wahl des Betreibers kann angeschlossen werden. Die Dimensionierung des Aufsatzrohres und die eingesetzte Spülwassermenge sind das Maß für die geplante Förderleistung (bis 10 m³/h). Die Installation des Brunnens erfolgt im Selbsteinbau und ohne weiteren Technikeinsatz.

Bei dem seit den sechziger Jahren angewendeten Düsenstrahlverfahren (HDI) tritt ein Düsenstrahl unter hohem Druck (200 bis 600 bar) und großer Geschwindigkeit (bis 200 m/s) seitlich aus dem Spülrohr oberhalb einer Bohrkrone aus. Der anstehende Boden wird zerschnitten, umgelagert und mit der eingepressten Submission vermischt. Mit den bekannten Einfach- bis Dreifachverfahren können Maximalelemente mit einem Durchmesser von 3 m aufgebaut werden. Beim Einsatz des neuen DSI-Verfahren können Injektionsmittel drucklos in den natürlichen Grundwasserstrom eingebracht werden. Die Auswahl des Injektionsmittels richtet sich nach den hydrogeologischen Verhältnissen und dem Anwendungsauftrag der porenfüllenden Injektion. Im Grundwasserleiter können über den Infiltrationsbereich hinaus Injektionsmittel angesiedelt werden. Injektionsmittel können in Form einer Lösung bis hin zur Gelmasse als Langzeitspender in den zu verändernden Baugrund eingebracht werden (z.B. Feinzement, Suspension, Kalklösung, gemahlene Kohle, Wasserglaslösung, Betonit und Feinstbindemittel). Düsenspritzinjektionsversuche auf der Grundlage ingenieurtechnischer Vorgespräche sind die Grundlage für das Erreichen der Vorgaben für die Projektrealisierung. Ein Gleichgewicht der Kräfte in-situ zwischen Poren, Injektionsmittel und Grundwasserströmung bringen den gewünschten Erfolg der Aufgabenstellung.

Erfolgreiche Versuche mit der Mini-Düsensauginfiltrationslanze PE DN 32/20 zeigen, dass beim Einsatzgebiet „Streckenabsenkung" Grundwasserableitung absolut ausgeschlossen werden kann. Eingebaut wird im Verhältnis 3/1, drei Saugfilter in Entnahmelanzen und eine Infiltrationslanze. Angeordnet werden die Infiltrationslanzen im Vor- und Rücklauf der Rohrgrabenlage, die Infiltrationstiefe liegt hier im Bereich der Filteranordnung für die Grundwasserförderung. Für die Infiltrationsanlage wird das Material aus dem Absenkungsbereich verwendet. Infiltration und Grundwasserabsenkungsanlage sind im Baufeld spiegelbildartig angeordnet. In angespannter Baufeldlage kann die Mini-DSI-Anlage auch dort angeordnet werden, wo schützenswerte Objekte, Holzfundamente, Bäume oder Biotope von der Wasserspiegelabsenkung negativ beeinflusst werden. Für die Infiltration werden die Pumpensysteme aus dem Absenkungsbereich genutzt, so dass keine zusätzlichen Installations- und Energiekosten auftreten. Ein Sicherheitsnotablaufsystem sichert die Baugrube bei Infiltrationsausfall. Installiert wurden Infiltrationslanzen per Hand, sie können in der Betriebszeit von der Pumpenwache ohne Technikeinsatz reguliert, aktiviert und versetzt werden.

In der ehemaligen DDR traten in den achtziger Jahren im Einzugsgebiet einiger Wasserwerke durch Salzaufstieg Probleme in der Trinkwasserversorgung auf. Die Versuche der Infiltration von Oberflächenwasser über den Waldboden brachten nicht den gewünschten Erfolg. Die prognostizierten Klimaveränderungen (z.B. PIK-Studie) lassen vermuten, dass ein solcher Grundwassermangel in Einzugsgebieten von Wasserwerken zukünftig weiter zunehmen wird. Gesteuerte DSI-Systeme im Absenktrichterbereich der Wasserwerksfassungen können den Grundwasserverlust der Wasserwerkspumpen ausgleichen. In Ausnutzung der Förderhöhenenergie kann das Infiltrationswasser ohne Energiezugabe hydrogeologisch und oberflächenwasserbedingt aufgenommen und über Transportleitungen in den Wasserwerksbereich geführt werden. Mit dem System hydraulischer Wieder-Düsensauginfiltration kann aus Gebieten mit nicht beanspruchten Grundwasserleitern über selbstfördernde Brunnen das Grundwasser über Düsensauginfiltrationslanzen in aktive Grundwasserleiter in Wasserwerksschutzgebieten verbracht werden.

Die neueste Entwicklung für den Haupteinsatzbereich „Streckenabsenkung" ist das Saug- und Infiltrationssystem in der Lanzendimension DIV 32-50. Die Doppelfunktion führt zu optimierten Einleit- und Hebegebühren sowie zur Einsparung von Energiekosten und Einbauzeiten. Die absenktrichterbildende Saugventileinstellung in der Lanze führt beim Betreiben im Grabenbereich zur Trockenlegung der wasserführenden Schichten. Parallel dazu wird im Vor- oder Rücklauf des Baustellenbereiches mit den gleichen Lanzen in der Infiltrationseinstellung das gehobenen Grundwasser wieder in den Grundwasserleiter verbracht. Zur Grundwasserhebung und -rückführung kann mit baustellenüblichen Vakuumpumpen oder Kolbenpumpenge gearbeitet werden. Sandfang und Druckerhöhungsanlage sind für den Betrieb des neuen Systems nicht mehr notwendig.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Düsen-Saug-Infiltrations-System zur Entnahme und/oder Verbringung (Einleiten, Ableiten und Ansiedeln) eines flüssigen Mediums wird anhand einiger Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Düsen-Saug-Infiltrations-System, kommunizierende Gefäße, Systemskizze Querschnitt
2A Düsen-Saug-Infiltrations-System, Systemskizze zur Systembeschreibung mit beispielhafter Infiltrationslanze als Rohr- oder Schachtverbindung
2B Düsen-Saug-Infiltrations-System, Beispiel Schnitt durch eine Entnahmelanze
3 Düsen-Saug-Infiltrations-System, Auslegungsformeln
4 Ausschnitt k_f-Wertetabelle
5 Abhängigkeit der Infiltrationsleistung der Düsenspritzlanze vom Lanzendurchmesser, k_f-Wert und der Betriebspumpenförderhöhe
6 Betriebspumpenförderleistung in Abhängigkeit der Förderhöhe
7 Düsen-Saug-Infiltrations-System, Systemskizze Querschnitt
8 Saug- und Infiltrationslanzensystem DN 12-200, Systemskizze Querschnitt
9 DN 32-50 Streckenabsenkungs- und Infiltrations-System, Systemskizze Querschnitt
1 zeigt eine schematische Darstellung eines infiltrationsseitigen Rohr- und Schachtverbindung mit Grundwasseranstrom 18 und den Bereich eines erhöhten Porenwasserdruckes 17. Gleichzeitig zeigt die 1 den entstehenden Unterdruckbereich 25 im Grundwasserabströmbereich 22.
2A und 2B zeigen dass Düsen-Saug-Infiltrations-System ebenfalls auf seiner infiltrationsseitigen Seite, gemäß 1, wobei anhand der 2A und 2B detailliert die erfindungsgemäßen Wirkungen erläuterbar sind.
Das Düsen-Saug-Infiltrations-System kann zum Einleiten, Ableiten und Ansiedeln von flüssigen Medien einschließlich Suspensionen in den Poren des Grundwasserleiters eingesetzt werden. Beim Einbauvorgang einer Infiltrationslanze 5B können k_f-Wertbereiche analysiert und Grundwasserabflussgrößen berechnet werden. Mit der Möglichkeit einer Anordnung von Porenwasserdrucksensoren (nicht dargestellt) an der Infiltrationslanze 5B kann eine Grundwasserfließrichtungsbestimmung durchgeführt werden. Bevorzugt über Schmutzwassertauchpumpen 1 mit hoher Druckkennlinie 2 können flüssige Medien 3 einschließlich Suspensionen 4 unter Anwendung der Infiltrationslanze 5B, vorzugsweise mit integriertem, hochliegenden Ein- und Auftriebssicherungsventil 6 einschließlich Grundwasser -Spülwasserreinigungsrohr 7 in grundwasserleitende Poren 8 (in-situ) verbracht werden.
Beim Austritt der Infiltrationsmedien 3 am Spülkopf 9 im Bereich der physikalischen oder technischen Eintauchtiefe 10 breitet sich der Druck 2 schlagartig, kugelförmig 12 bis zum Eintreten des Druckausgleiches 13 im Porenwasser 14 des Grundwasserleiters 15, in Abhängigkeit von der hydraulischen Leitfähigkeit k_f-Wert 16 aus. Der Porenwasserdruck 17 setzt sich statisch bis zu einem nächsten Stauer 43 des Grundwasserleiters 15 fortsetzt.
Im Anströmbereich 18 bildet sich auf Grund des erhöhten Porenwasserdruckes 13 ein vom Grundwasserantrom 18 nicht durchströmbarer Bereich 19. Dieser Zustand führt zur Grundwasserfließrichtungsänderung 20 des Anstromes 18 mit einer Zeit- und Wegverlängerung zur Folge 21. Im Grundwasserabströmbereich 22 erhöht der Druck 2 zeitgleich die Grundwasserabfließgeschwindigkeit 23, damit erhöht sich die Infiltrationsleistung 24, aufgrund der entstandenen Situation 21 der Entstehung eines Unterdruckes 25 im Grundwasserleiter 15. Es bildet sich ein Vakuumbereich 26, der zu einer weiteren Infiltrationsleistungserhöhung 24 führt.
Während der Infiltration kann es in dem für den Anstrom 18 nicht durchströmbaren Bereich 19 zum Grundwasseraustausch mit Infiltrationsmedien und deren Ausfällungen kommen.
Beim Zusatz von Suspensionen 4 kommt es bis zum Bereich des Druckausgleiches auf Grund der geringen Fließgeschwindigkeit zum Schließen der Poren 14, daraufhin kommt es zur Senkung des Druckenergiebedarfes, der Überschuss verschiebt sich in den Abströmbereich 22. Die erfolgte Ansiedlung der Suspensionen 4 in dem nicht durchströmbaren Bereich 19 sind speicherähnlich angelegt und können durch Druckaussetzung 2 in den Grundwasserleiterabstrom 22 aufgelöst werden.
Bei der Verwendung von Suspensionen 4, die nicht nach Kräften des Grundwasserleiterabstromes 22 unterliegen, kann eine gezielte Ansiedlung den Baugrund beeinflussen. Durch den Einbau einer Filterstrecke 31 oberhalb von dem Ein- und Auftriebssicherungsventil 6 in das System der Infiltrationslanze 5 ist auf Grund der Doppelfunktion von 6 eine Grundwasserförderung 27 im Wechsel zur Infiltration möglich. Infiltrationsversuche zeigen, dass mit Anwendung des Ein- und Auftriebssicherungsventils 6 ein Zusetzen des Spülkopfes 9 beim periodischen Betrieb und Einbau der Infiltrationslanze 5 ausgeschlossen wird.
Bei Infiltrationsversuchen mit belüftetem Infiltrationswasser 3 mit einem Eisenanteil bis 20 mg/l bei einer konstanten Druckeingabe 2 kommt es zu keiner Verockerung im Infiltrationsbereich 32. Infiltrationsleistungsversuche zeigen, dass mit Wirkung des Vakuums 26 eine vielfach höhere Infiltrationsleistung 24 mit gezieltem Infiltrationspunkt 27 im Grundwasserleiter 15 gegenüber einem Gravitationsschluckbrunnen erfolgt.
In der 3 sind die Berechnungsformeln für die einzelnen physikalischen Werte, die in der Praxis zur Auslegung und zum Betrieb des infiltrationsseitigen Brunnens beziehungsweise der infiltrationsseitigen Lanze 5B notwendig sind.
Zur Auslegung des Einbaus der infiltrationsseitigen Lanze 5B ist wie bereits erläutert der Bodendurchlässigkeitswert k_f von besonderer Bedeutung. Dieser k_f-Wert ist als gegebene oder zu ermittelnde Größe zu betrachten. Er kann selbstverständlich bei Vorhandensein anderer Größen berechnet werden [Formel 4].
Steht der k_f-Wert bereits durch ein Bodengutachten zur Verfügung, so kann durch die in 4 zum Teil dargestellte Tabelle über den bekannten k_f-Wert bei einem bestimmten Betriebsdruck – im Ausführungsbeispiel beispielsweise 2bar (0,2 MPa) die voraussichtliche Infiltrationsleistung in m³/h bereits quantifiziert werden.
Die voraussichtliche Infiltrationsleistung Q_I kann nach 3 mit einem Sicherheitsaufschlag S von beispielsweise 30% auch berechnet werden. [Formel 1]. Aus dem Bodendurchlässigkeitswert k_f und der Infiltrationswassermenge Q_I ist wiederum mit einem Sicherheitswert S von beispielsweise 30% der Radius r [Formel 2] ermittelbar, der nach Formel 6 zunächst einer theoretischen physikalischen Eintauchtiefe E_ph entspricht.
Gleichzeitig ergibt sich in Abhängigkeit des gegebenenfalls durch ein Bodengutachten bekannten oder in Versuchen ermittelten k_f-Wertes die porendruckerhöhte Kreisfläche A_Kr [Formel 3] im Grundwasserleiter 15.
Für die spätere einzuhaltende Infiltrationsbrunneneinbautiefe I_BI [Formel 12] ist ein Zulage Z durch die Länge L_IK des Grundwasserspiegels W_SP bis zum Rand der Infiltrationskugel 44 2A [Formel 5] zu beachten.
Durch Auswahl eines Infiltrationsrohrdurchmessers mit einer bestimmten zugehörigen Nennweite NW DN 32 ist unter Beachtung der Infiltrationswasserfließgeschwindigkeit I_Fg [Formel 7] ein zugehöriger Infiltrationsdüsendurchmesser d [Formel 8] und ein Infiltrationsdüsendurchlass A_Kd [Formel 9] ermittelbar.
Die Infiltrationswassermenge eines Einzelbrunnens 5B – infiltrationsseitige Lanze 5B – bestimmt sich nach Formel 10, wobei sich die Anzahl Q_IB/Stück 5B [Formel 11] der zu installierenden infiltrationsseitigen Lanzen 5B nach der gewünschten zu infiltrierenden Gesamtwassermenge Q_{I Ges.} richtet.
Die Infiltrationsbrunneneinbautiefe I_BI [Formel 12] ergibt sich, wie erwähnt, aus der Summe des Abstandes Oberkante Gelände zum Wasserspiegel W_SP, dem Radius r und der Länge L_IK des Grundwasserspiegels W_SP bis zum Rand der Infiltrationskugel 44 (2A).
Die Herstellung eines Riegels für das anströmende Grundwasser, der Infiltrationsbrunnenriegelabstand I_RA zwischen den einzelnen infiltrationsseitigen Lanzen 5B kann mit einer Sicherheit S von beispielsweise 20% nach der Formel 13 berechnet werden. Die Infiltrationsriegellänge R_L ergibt sich nach Formel 14.
Die Infiltrationsmenge gesamt Q_{I Ges.} [Formel 15] ist berechenbar, so dass durch Vorberechnungen ermittelt werden kann, ob eine gewünschte zu infiltrierende Wassermenge Q_{I Ges.} infiltrierbar ist, wobei die dazu benötigte Anzahl Infiltrationsbrunnenanzahl Q_IB/Stück [Formel 11] und Auslegung der einzelnen infiltrationsseitigen Lanzen 5B ermittelbar ist.
5 zeigt, dass in Abhängigkeit der Förderhöhe und mit steigendem Bodendurchlässigkeitswert k_f von 10^–5 bis 10^–2 die Förderleistung zur Infiltration des Mediums, also die Infiltrationswassermenge Q_I gemäß 5 ansteigt.
5 zeigt ferner, dass die Förderleistung zur Infiltration Q_I in m³/h auch mit dem Anstieg der Nennweite NW der Infiltrationslanze 5B zunimmt, wofür in 5 jeweils vier von links nach rechts dargestellte Kennlinien stehen. Die linken vier Kennlinien kennzeichnen somit bei gleicher Nennweite DN 15 (1/2'') den Anstieg der Förderleistung in Abhängigkeit des Bodendurchlässigkeitswertes k_f von 10^–5 bis 10^–2 ansteigend und der Wirkung entsprechend der Y-Achse hinsichtlich der zu erwartenden Förderhöhe. Die fünfte bis achte Kennlinie kennzeichnet eine weitere Nennweite DN 32 (5/4'') und die Linien 9 bis 12 die größte Nennweite DN 40 (1½'') mit den gleichen Abhängigkeiten.
6 verdeutlicht nochmals, dass bei gleichem Bodendurchlässigkeitswert k_f die Förderleistung zur Infiltration eines Mediums in der Infiltrationslanze 5B durch den Anstieg der einzustellenden Förderhöhe erhöht werden kann.
Zur Verdeutlichung zeigt 7 einen klassischen Anwendungsfall, nämlich die Trockenlegung einer Baugrube für den Hausbau. Zur Erzeugung eines Absenktrichters werden nahe der herzustellenden Baugrube Grundwasserentnahmelanzen 5A je nach Auslegung, wie zuvor beschrieben, in den Grundwasserleiter 15 eingebracht. Um die entsprechend entnommene Wassermenge infiltrieren zu können werden die mehreren Entnahmelanzen 5A, wie schematisch in einer Einzeldarstellung nochmals in 8 dargestellt, mit mehreren Infiltrationslanzen 5B verbunden, wobei die Infiltrationsleistung durch Q_I durch das gefundene Verfahren und das damit einhergehende Prinzip des Düsen-Saug-Infiltrationssystems (DSI) in hoher Menge im Grundwasserabstrombereich problemlos in den Grundwasserleiter zurückgeführt, also infiltriert werden kann.
8 zeigt den schematischen prinzipiellen Aufbau des Systems der Entnahmelanze 5A und der Infiltrationslanze 5B. Die Entnahmelanze 5A und die Infiltrationslanze 5B sind über eine Pumpe 1, vorzugsweise über eine Schmutzwassertauchpumpe, miteinander verbunden.
An der Schmutzwassertauchpumpe ist die Förderhöhe zur Infiltration des Mediums einstellbar. Die Lanzen 5A, 5B weisen entsprechend Saugstutzen und Druckstutzen 38, 39 auf, wobei die Entnahmelanzen 5A in bekannter Weise ein Transportrohr 37 aufweisen, in dem eine Filterstrecke 31 mit entsprechender Filterlänge 41 angeordnet ist. In den Lanzen 5A, 5B ist anhand der Pfeile die Fließrichtung des Mediums angedeutet. Unterhalb der Filterstrecken 31 sind die Auftriebssicherungsventile 6 angeordnet, wobei oberhalb der Auftriebssicherungsventile 6 zusätzlich ein Infiltrationsregulierungsstück 34 vorgesehen wird. Die Auftriebssicherungsventile 6 sichern, dass das Medium jeweils nur in Fließrichtung der jeweiligen Entnahmelanze 5A zuführbar beziehungsweise über die Infiltrationslanze 5B infiltrierbar ist.
9 zeigt schließlich ein aus mehreren Entnahmelanzen 5A und Infiltrationslanzen 5B ausgeführtes System, welches insbesondere für größerer abzusenkende Bereiche zum Einsatz kommen kann.

1: Pumpe [Schmutzwassertauchpumpe]
2: Druckaussetzung/Druckkennlinie
3: Infiltrationsmedien (Wasser, belüftetes Wasser)
4: Suspensionen
5: Lanzen
5A: Entnahmelanze
5B: Infiltrationslanze
6: Auftriebssicherungsventil
7: Spülwasserreinigungsrohr/Eintauchtiefenregulierungsrohr
8: grundwasserleitende Poren
9: Spülkopf
10: Eintauchtiefe (E_ph)
11: Boden
12: Ausbreitung (kugelförmig)
13: Druckausgleich
14: Porenschließung
15: Grundwasserleiter
16: Hydraulische Leitfähigkeit (k_f)
17: Porenwasserdruck
18: Grundwasseranstrom
19: nicht durchströmbarer Bereich
20: Fließrichtungsänderung
21: Zeit- und Wegverlängerung
22: Grundwasserabströmbereich
23: Grundwasserfließgeschwindigkeit
24: Infiltrationsleistung
25: Unterdruckbereich
26: Vakuumbereich
27: Grundwasserförderung
28: mediumsführende Schicht (Grundwasserleiter)
29: Wasseranstieg
31: Filterstrecke
32: Infiltrationsbereich
33: Messung Wasserspiegel
34: Infiltrationsregulierungsstück
35: Strumpf- oder Schlitzweite
36: Grundwasserfließrichtung
37: Transportrohr
38: Saugstutzen zu 5A
39: Druckstutzen zu 5B
40: Transportrohrlänge
41: Filterlänge
42: Eintauchrohrlänge
43: Stauer
44: Infiltrationskugel
DSI: Düsensauginfiltrations-System
GWA: Grundwasserabsenkung
Q_I: Infiltrationswassermenge
r: Radius porendruckerhöhte Kreisfläche im Grundwasserleiter
A_kr: porendruckerhöhte Kreisfläche im Grundwasserleiter
k_f: Bodendurchlässigkeitswert
L_IK: Länge vom Grundwasserspiegel bis zur Infiltrationskugel
I_Fg: Infiltrationswasserfließgeschwindigkeit
d: Infiltrationsdüsendurchmesser
A_Kd: Infiltrationsdüsendurchlassfläche
Q_IB: Infiltrationswassermenge (Einzelbrunnen)
Q_IB/Stück: Infiltrationsbrunnenanzahl
I_BL: Infiltrationsbrunneneinbautiefe
I_RA: Infiltrationsbrunnenriegelabstand
R_L: Infiltrationsriegellänge
Q_{I Ges.}: Infiltrationsmenge gesamt
W_SP: Wasserspiegel
S: prozentual eingerechnete Sicherheit
NW: Nennweite

Claims

Verfahren zur Entnahme und/oder Verbringung (Einleitung, Ableitung und Ansiedlung-Infiltration) von flüssigen Medien, insbesondere Wasser, in einen Grundwasserleiter (15) mittels einer Rohr- oder Schachtverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von vorhandenen und/oder während einer sondierenden Untersuchung ermittelten Daten – wie den Durchlässigkeitseigenschaften und der Fließrichtung des Grundwasserleiters (15) – eine optimale Eintauchtiefe (10) und eine Infiltrationsleistung (Q) für die Infiltration im Grundwasserleiter (15) bestimmt wird, wobei mindestens eine in der bestimmten optimalen Eintauchtiefe (10) in den Untergrund (11) eingebrachte infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung (5B), eine gezielte Infiltration des Mediums ermöglicht, bei der in der optimalen Eintauchtiefe (10) ein Porenwasserdruck (17) im Grundwasseranstrom (18) des Grundwasserleiters (15) erhöht wird und dadurch eine Infiltrationswiderstandsenkung im Grundwasserabströmbereich (22) unter Erhöhung der Infiltrationsleistung Q erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erhöhte Porenwasserdruck (17) statisch bis zum nächsten Stauer (43) des Grundwasserleiters (15) fortsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass schrittweise – die optimale Eintauchtiefe (10) der in den Untergrund einbringbaren infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung (5B) in Abhängigkeit der Durchlässigkeitseigenschaft der vorher ermittelten hydraulischen Leitfähigkeit (16, k_f) des Untergrundes (11) theoretisch bestimmt wird, und – der infiltrationsseitige Teil der Rohr- oder Schachtverbindung (5B) bis zum Eintreten eines Druckausgleichs (13) zwischen hydrostatischem Druck des Grundwasserleiters (15) und eines vorgebbaren Spüldrucks einer das Medium in die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung (5B) fördernden Pumpe (1) in die theoretisch ermittelte optimale Eintauchtiefe (10) verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den vorgebbaren Spüldruck (2) des infiltrationsseitigen Teiles der Rohr- oder Schachtverbindung (5B) in der optimalen Eintauchtiefe (10) im Grundwasseranstrom (18), ein nicht durchströmbarer Bereich (19) für das Grundwasser des Grundwasserleiters (15) ausgebildet wird, was zu einer Fliessrichtungsänderung mit Zeit- und Wegverlängerung (21, Δt, Δs) und Erhöhung des Porenwasserdruckes (17) der grundwasserleitenden Poren (8) des Grundwassers im Grundwasseranstrom (18) [Hochdruckgebiet] führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundwasserabströmbereich (22) des nicht durchströmbaren Bereiches (19) die Infiltrationswiderstandsenkung unter Erhöhung der Infiltrationsleistung Q erreicht wird, die – durch den vorgebbaren Spüldruck (2) des infiltrationsseitigen Teiles der Rohr- oder Schachtverbindung (5B) und/oder – durch einen im Grundwasserabströmbereich (22) entstehenden Unterdruckbereiches (25) oder Vakuumsbereiches (26) [Tiefdruckgebiet] im Grundwasserleiter (15) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ansiedlung von Suspensionen, die in dem für den Grundwasseranstrom (18) nicht durchströmbaren Bereich (19) [Hochdruckgebiet] bis zum Bereich des Druckausgleichs (13) zwischen Anströmbereich (22) und nicht durchströmbaren Bereich (19), die dem zu infiltrierenden Medium vorher beigemischt werden, – eine Vermeidung von Ausfällungen im nicht durchströmbaren Bereich (19) und – eine Senkung des Energiebedarfes bei der Infiltration des zu infiltrierenden Mediums oder bei gleicher Energiezufuhr eine erhöhte Infiltrationsleistung (24) in den Grundwasserabströmbereich (22) [Tiefdruckgebiet] bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im nicht durchströmbaren Bereich (19) [Hochdruckgebiet] angesiedelten den Kräften des Grundwasserabströmbereich (22) gehorchenden Suspensionen (4) speicherähnlich angelegt sind und durch Druckaussetzung (2), der das zu infiltrierende Medium fördernden Pumpe (1), der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung (5B) in den Grundwasserabströmbereich (22) aufgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im nicht durchströmbaren Bereich (19) [Hochdruckgebiet] angesiedelten den Kräften des Grundwasserabströmbereichs (22) nicht gehorchenden Suspensionen (4), die dem zu infiltrierenden Medium vorher beigemischt werden, speicherähnlich angelegt sind und nicht durch eine Druckaussetzung (2) der das zu infiltrierende Medium fördernden Pumpe (1), der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung (5B), in dem Grundwasserabströmbereich (22) aufgelöst werden, eine gezielte Ansiedlung der Suspension im Infiltrationsbereich in einem Baugrund ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einbau eines jeweils in Förderrichtung öffnenden Sperrorgans (6) und einer in Förderrichtung vor dem Sperrorgan (6) vorgeschalteten Filterstrecke (31) in die infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung (5B) ein periodischer Betrieb zwischen Infiltration und Rückförderung des Mediums zur Vermeidung von Bodeneintrieb im Infiltrationsbereich ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Eintauchtiefe (10) theoretisch anhand vorhandener Daten der hydraulischen Leitfähigkeit (16, k_f) über eine Wertetabelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltrationsleistung (Q_I) theoretisch anhand vorhandener Daten, dem Durchmesser (d) einer Infiltrationslanze (5B) der infiltrationsseitigen Rohr- oder Schachtverbindung (5B), der Förderhöhe (FH) in Abhängigkeit der hydraulischen Leitfähigkeit (16, k_f) und der theoretisch ermittelten optimalen Eintauchtiefe (10) steht.
System zur Entnahme und/oder Verbringung (Einleitung, Ableitung und Ansiedlung-Infiltration) von flüssigen Medien, insbesondere Wasser, aus einem Grundwasserleiter (15) über eine entnahmeseitige und/oder infiltrationsseitige Rohr- oder Schachtverbindung, insbesondere zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohr- oder Schachtverbindung entnahmeseitig eine Entnahmelanze (5A) und infiltrationsseitig eine baugleiche Infiltrationslanze (5B) zum Einsatz kommt, die über ein Pumpenaggregat zur Erzeugung eines notwendigen vorgebbaren Spüldrucks (2) in der infiltrationsseitigen Lanze (5B) miteinander verbunden sind.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Lanzen (5A, 5B) ein Transportrohr (37) und eine Filterstrecke (31) aufweisen, die über einem Auftriebssicherungsventil (6) angeordnet sind, wobei das Auftriebssicherungsventil (6) oberhalb eines Infiltrationsregulierungsstücks (34) eines Eintauchtiefenregulierungsrohres (7) mit angeordnetem Spülkopf (9) zur Entnahme oder Infiltration ausgeführt ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftriebssicherungsventil (6) zum periodischen Betrieb [nach Anspruch 9] jeweils in Grundwasserfließrichtung öffnet.