DE102014220212A1 - Mobile measuring device for the in-situ determination of the hydraulic permeability of riverbeds in the vertical direction by means of a slug or bail test - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mobile Messvorrichtung zur in-situ Ermittlung der hydraulischen Durchlässigkeit von Gewässersohlen mittels Slug- oder Bail-Test. Die Messvorrichtung umfasst: – einen rohrförmigen Grundkörper, der in einen Bodenzylinder mündet; – eine Druckeinstelleinheit, die zur schlagartigen Änderung der Druckverhältnisse im Innern des Grundkörpers ausgelegt ist; und – eine Drucksonde, die zur kontinuierlichen Erfassung des Drucks im Innern des Grundkörpers ausgebildet ist.The invention relates to a mobile measuring device for in-situ determination of the hydraulic permeability of water bodies by means of slug or bail test. The measuring device comprises: a tubular base body which opens into a bottom cylinder; - A pressure setting, which is designed for abrupt change in the pressure conditions in the interior of the body; and - a pressure probe, which is designed to continuously detect the pressure in the interior of the main body.
Description
Die Erfindung betrifft eine mobile Messvorrichtung zur in-situ Ermittlung der hydraulischen Durchlässigkeit von Gewässersohlen in vertikaler Richtung mittels Slug- oder Bail-Test. The invention relates to a mobile measuring device for in-situ determination of the hydraulic permeability of water body in the vertical direction by means of slug or bail test.
Technologischer Hintergrund Technological background
Seen und Flüsse sind, sofern nicht künstlich abgedichtet oder gänzlich kanalisiert, in der Regel an das Grundwasser angebunden. Somit kann beispielsweise aus einem Fluss entweder Wasser in den Grundwasserkörper infiltrieren oder ein See oder Fluss wird von Grundwasser gespeist. Im Laufe der natürlichen Wasserstandvariation von Gewässern kann dieser Zustand innerhalb kurzer Zeit wechseln. Eine wesentliche Größe, die dabei die Geschwindigkeit und Umfang dieser Austauschprozesse zwischen Oberflächen- und Grundwasser kontrolliert, ist die hydraulische Leitfähigkeit (oder Durchlässigkeitsbeiwert) der Gewässersohle. In Gewässersohlen, die aus Lockersedimenten bestehen, wird die hydraulische Leitfähigkeit von Faktoren wie der Korngrößenverteilung der Sedimente, Korn- und Porenform, Porosität, Kompaktion, Lagerungsdichte, etc. beeinflusst. Ein weiterer erheblicher Einflussfaktor kann die Ausbildung von hydraulisch geringleitfähigen Schichten sein, z. B. durch Anlagerung von Feinkorn- und Tonpartikeln oder Ausbildung von Biofilmen (z. B. Algen), die zu einer hydraulischen Abdichtung der Gewässersohle, der sogenannten Kolmation führen können. Die hydraulische Charakterisierung von Gewässersohlen ist daher bedeutend, um Austauchprozesse zwischen Oberflächen- und Grundwasser besser zu verstehen. Lakes and rivers are usually connected to the groundwater, unless they are artificially sealed or fully canalised. Thus, for example, a river can either infiltrate water into the groundwater body, or a lake or river is fed by groundwater. In the course of natural water level variation of waters this state can change within a short time. An important factor controlling the speed and extent of these exchange processes between surface and groundwater is the hydraulic conductivity (or permeability coefficient) of the riverbed. In river beds, which consist of loose sediments, the hydraulic conductivity is influenced by factors such as the particle size distribution of the sediments, grain and pore shape, porosity, compaction, storage density, etc. Another significant factor may be the formation of hydraulically poorly conductive layers, for. B. by addition of fine grain and clay particles or formation of biofilms (eg., Algae), which can lead to a hydraulic seal of the riverbed, the so-called Kolmation. Hydraulic characterization of riverbeds is therefore important to better understand the intersections between surface and groundwater.
Zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften in Gewässersohlen werden in der Regel a) Sedimentkerne entnommen und Laborversuche durchgeführt; b) Grundwassermessstellen in Gewässersohlen installiert, an denen hydraulische Tests durchgeführt werden können. Eine zunehmend genutzte Methode beinhaltet darüber hinaus die Messungen von Wassertemperaturen entlang der Gewässersohle. Unterschiedliche Temperaturbereiche können dabei auf Bereiche mit unterschiedlichem hydraulischem Austauschverhalten hinweisen. To determine the hydraulic properties in bodies of water, sediment cores are usually taken and laboratory tests are carried out; b) Groundwater measuring points installed in riverbeds where hydraulic tests can be carried out. An increasingly used method also includes measurements of water temperatures along the riverbed. Different temperature ranges can indicate areas with different hydraulic exchange behavior.
Bei den bisher verwendeten Verfahren besteht eine Vielzahl von Problemen, die häufig eine zuverlässige quantitative Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit der Gewässersohle nicht erlauben:
- 1) Während der Bodenprobenentnahme wird häufig die Bodenstruktur verändert. Laborversuche finden darüber hinaus ex-situ, d.h. außerhalb der eigentlichen Lagerungsbedingungen statt. Dies kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Messwerte führen. Darüber hinaus ist diese Herangehensweise häufig sehr zeitintensiv.
- 2) Kolmationsschichten haben in der Regel eine Mächtigkeit von einem bis wenige Millimeter. Bei der Installation von Grundwassermessstellen wird eine Kolmationsschicht in der Regel durchörtert. Da hier die hydraulische Durchlässigkeit in der horizontalen Ebene gemessen wird, d.h. parallel zur Gewässersohle, sind Effekte einer Kolmationsschicht häufig nicht fassbar.
- 3) Die Erfassung von Wassertemperaturen deutet in der Regel nur auf Bereiche in der Gewässersohle mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften hin. Eine Quantifizierung der hydraulischen Leitfähigkeit auf Grundlage von Temperaturmessungen ist in der Regel nicht ohne weiteres möglich.
- 1) During soil sampling, the soil structure is often changed. In addition, laboratory experiments take place ex-situ, ie outside the actual storage conditions. This can lead to a considerable impairment of the measured values. In addition, this approach is often very time consuming.
- 2) Colmation layers usually have a thickness of one to a few millimeters. When installing groundwater measuring points, a colmation layer is usually discussed. Since here the hydraulic permeability in the horizontal plane is measured, ie parallel to the riverbed, effects of a colmation layer are often not tangible.
- 3) The detection of water temperatures usually only indicates areas in the riverbed with different hydraulic properties. Quantification of hydraulic conductivity based on temperature measurements is usually not readily possible.
Die Messung der hydraulischen Leitfähigkeit von Gewässersohlen muss daher insofern verbessert werden, als dass in-situ Messungen durchgeführt werden sollen, die die quantitative Erfassung der hydraulischen Durchlässigkeit in vertikaler Richtung zur Gewässersohle ermöglichen. Das System muss auch unter schlechten Bedingungen zuverlässig funktionieren und zugleich bedienfreundlich sein. The measurement of the hydraulic conductivity of riverbeds must therefore be improved insofar as in-situ measurements are to be carried out, which allow the quantitative detection of the hydraulic permeability in the vertical direction to the riverbed. The system has to function reliably even under bad conditions and at the same time be user-friendly.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Ein oder mehrere Nachteile des Standes der Technik können mit Hilfe der erfindungsgemäßen mobilen Messvorrichtung zur in-situ Ermittlung der hydraulischen Durchlässigkeit von Gewässersohlen in vertikaler Richtung mittels Slug- oder Bail-Test behoben oder zumindest gemindert werden. Die Messvorrichtung umfasst dazu:
- – einen rohrförmigen Grundkörper, der in einen Bodenzylinder mündet;
- – eine Druckeinstelleinheit, die zur schlagartigen Änderung der Druckverhältnisse im Innern des Grundkörpers ausgelegt ist; und
- – eine Drucksonde, die zur kontinuierlichen Erfassung des Drucks (in diesem Falle Höhe der Wassersäule) im Innern des Grundkörpers ausgebildet ist.
- - A tubular body which opens into a bottom cylinder;
- - A pressure setting, which is designed for abrupt change in the pressure conditions in the interior of the body; and
- - A pressure probe, which is designed for the continuous detection of the pressure (in this case, the height of the water column) in the interior of the body.
Die entwickelte Messvorrichtung ermöglicht die in-situ Ermittlung der hydraulischen Durchlässigkeit von Gewässersohlen mittels Slug- und Bail-Test. Dafür wird der Bodenzylinder des rohrförmigen Grundkörpers im flachen Wasser (etwa 1 m Wassertiefe) in die Gewässersohle gedrückt, derart dass ein Inneres des rohrförmigen Grundkörpers seitlich gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Im rohrförmigen Grundkörper wird dann eine plötzliche Erhöhung oder Verringerung des inneren Wasserstandes gegenüber dem Umgebungswasserstand mit Hilfe der Druckeinstelleinheit herbeigeführt, z. B. durch Beaufschlagung mit oder schlagartigem Ablassen von Druckluft. Mit der Drucksonde wird die Abfall- bzw. Anstiegskurve des inneren Wasserstandes aufgezeichnet und die Daten können über verfügbare mathematische Modelle ausgewertet und interpretiert werden. Mit Hilfe dieser Messvorrichtung erhält man einen quantitativen Wert zur hydraulischen Durchlässigkeit der Gewässersohle in vertikaler Richtung. Die Messvorrichtung ermöglicht somit die in-situ Messung der hydraulischen Leitfähigkeit in Gewässersohlen mittels Slug- und Bailtest. Die Messung erfolgt insbesondere in vertikaler Richtung, das heißt, Auswirkungen auch dünner Kolmationsschichten auf die Infiltration/Exfiltration entlang der Gewässersohle können quantitativ erfasst werden. Gegenüber den herkömmlichen Ansätzen zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften von Gewässersohlen ergibt sich somit eine erhebliche Reduktion des Arbeits- und Zeitaufwandes. Zudem ist die Flexibilität wesentlich erhöht, da keine Bohrfahrzeuge oder schweres Equipment zur Installation notwendig sind. The developed measuring device enables the in-situ determination of the hydraulic permeability of riverbeds by means of slug and bail tests. For this purpose, the bottom cylinder of the tubular base body in the shallow water (about 1 m water depth) is pressed into the water body sole, so that an interior of the tubular base body is laterally sealed from the environment. In the tubular body then a sudden increase or decrease in the internal water level compared to the ambient water level with the help of Druckeinstelleinheit is brought about, for. B. by applying or sudden discharge of compressed air. With the pressure probe, the drop or rise curve of the internal water level is recorded and the data can be displayed on available mathematical models are evaluated and interpreted. With the help of this measuring device to obtain a quantitative value to the hydraulic permeability of the water body in the vertical direction. The measuring device thus enables the in-situ measurement of the hydraulic conductivity in water bodies by means of slug and bail test. The measurement is carried out in particular in the vertical direction, that is, the effects of even thin Kolmationsschichten on the infiltration / exfiltration along the riverbed can be detected quantitatively. Compared with the conventional approaches to determine the hydraulic properties of water body thus results in a significant reduction in labor and time. In addition, the flexibility is significantly increased because no drilling or heavy equipment for installation is necessary.
Ein Slug- und Bail-Test ist eine hydrogeologische Geländemethode zur Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes eines Grundwasserleiters, der in permanent oder temporär installierten Grundwassermessstellen (oder Brunnen) durchgeführt wird. Der Slug- und Bail-Test beruht darauf, dass der Grundwasserstand in der Grundwassermessstelle schlagartig gegenüber dem Umgebungsgrundwasserstand verändert wird. Dies geschieht beispielsweise durch die schnelle Entnahme von Wasser aus einer Grundwassermessstelle oder das Einbringen eines Verdrängungskörpers in eine Grundwassermessstelle. Alternativ dazu kann die schlagartige Änderung des Wasserspiegels auch durch eine Beaufschlagung der Grundwassermessstelle mit Druckluft erfolgen. In allen Fällen wird die schlagartige Änderung des Grundwasserstandes sowie der zeitliche Verlauf der Anpassung des Grundwasserstandes in der Grundwassermessstelle an den Umgebungsgrundwasserstand beispielsweise mittels einer Drucksonde verfolgt. Der Slug- und Bail-Test hat gegenüber Pumpversuchen den Vorteil, dass er in der Regel mit geringem zeitlichen, personellen und materiellen Aufwand durchgeführt werden kann und mittels Slug- und Bail-Test häufig räumlich höher aufgelöste Daten erhoben werden können. A slug and bail test is a hydrogeological terrain method for determining the permeability coefficient of an aquifer, which is carried out in permanently or temporarily installed groundwater measuring points (or wells). The slug and bail test is based on the groundwater level in the groundwater monitoring station being abruptly changed compared to the ambient groundwater level. This happens, for example, by the rapid removal of water from a groundwater measuring point or the introduction of a displacement body in a groundwater measuring point. Alternatively, the sudden change in the water level can also be done by pressurizing the groundwater measuring point with compressed air. In all cases, the sudden change in the groundwater level and the time course of the adaptation of the groundwater level in the groundwater monitoring station to the ambient groundwater level, for example, by means of a pressure probe is tracked. The slug and bail test has the advantage over pumping tests that it can generally be carried out with little time, personnel and material outlay, and that spatially higher resolution data can often be collected using the slug and bail test.
Eine Drucksonde ist ein technisches Gerät zur Aufzeichnung des Wasserstandes über die Zeit im Innern des rohrförmigen Grundkörpers. Hierbei wird die Höhe der überlagernden Wassersäule über der eingetauchten Drucksonde gemessen. Der auf der Höhe der Drucksonde herrschende Gesamtdruck setzt sich zusammen aus dem hydrostatischen Druck der überlagernden Wassersäule und dem atmosphärischen Druck. A pressure probe is a technical device for recording the water level over time in the interior of the tubular body. Here, the height of the overlying water column over the immersed pressure probe is measured. The total pressure prevailing at the level of the pressure probe is composed of the hydrostatic pressure of the overlying water column and the atmospheric pressure.
Vorzugsweise weist der Bodenzylinder eine umlaufende Lamellendichtung (aus Gummi) auf. Insbesondere ist die Lamellendichtung seitlich umlaufend an einer Außenwandung des Bodenzylinders angebracht, wobei ein Abstand der Lamellendichtung vom offenen Ende des Bodenzylinders im Bereich von 5 bis 20 cm liegt. Hierdurch wird ein zu tiefes Einsinken der Messvorrichtung verhindert und der Bodenzylinder zusätzlich seitlich abgedichtet. Preferably, the bottom cylinder has a circumferential lamellar seal (made of rubber). In particular, the lamellar seal is mounted laterally circumferentially on an outer wall of the bottom cylinder, wherein a distance of the lamellar seal from the open end of the bottom cylinder in the range of 5 to 20 cm. As a result, too deep sinking of the measuring device is prevented and the bottom cylinder additionally sealed laterally.
Der Bodenzylinder weist ferner vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 10 bis 50 cm und einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 50 cm auf. The bottom cylinder further preferably has a height in the range of 10 to 50 cm and a diameter in the range of 10 to 50 cm.
Der rohrförmige Grundkörper ist vorzugsweise ein Vertikalrohr mit einer Länge im Bereich von 50 bis 180 cm und einem Durchmesser im Bereich von 3 bis 30 cm. The tubular base body is preferably a vertical tube with a length in the range of 50 to 180 cm and a diameter in the range of 3 to 30 cm.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn Haltegriffe an dem rohrförmigen Grundkörper angebracht sind, die das manuelle Platzieren der Messvorrichtung in der Gewässersohle erleichtern. Furthermore, it is preferred if handles are attached to the tubular base body, which facilitate the manual placement of the measuring device in the water body.
Die Druckeinstelleinheit setzt vorzugsweise am geschlossenen oberen Ende des Grundkörpers an. Sie kann beispielsweise einen dort installierten Adapter zur Beaufschlagung mit Druckluft umfassen. The pressure adjusting unit preferably starts at the closed upper end of the main body. It may, for example, include an adapter installed there for the application of compressed air.
Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführung umfasst die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit, die eingangsseitig mit der Drucksonde verbunden ist und ausgelegt ist anhand einer zeitlichen Änderung des Innendrucks eine Durchlässigkeit der Gewässersohle zu bestimmen. Dafür werden von der Drucksonde erfassten Daten der induzierten Wasserstandsänderung in der Grundwassermessstelle beispielsweise mittels eines Tabellenkalkulationsprogramms ausgewertet. Die konkrete Auswertung eines Slug-Tests beziehungsweise Bail-Tests erfolgt beispielsweise analog einem Auswerteverfahren für ungespannte Grundwasserleiter nach
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmen. Further preferred embodiments of the invention can be taken from the claims and the description below.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and an accompanying drawing. The only figure shows:
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die einzige Figur zeigt in stark schematisierter Art und Weise eine Ausführungsform der mobilen Messvorrichtung
Im Inneren des Vertikalrohrs
Die Oberseite des Vertikalrohrs
Zur in-situ Ermittlung der hydraulischen Durchlässigkeit wird die Messvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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