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Die Erfindung betrifft eine Grundwassersonde, ein Grundwassersondensystem und ein Verfahren zur Messung des Grundwasserspiegels.
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Grundwasserüberwachung und des Grundwassermanagements. Da ein Großteil des Nutzwassers und des Trinkwassers aus dem Grundwasser gewonnen wird, ist eine Überwachung und Kontrolle der Grundwasserspiegel erforderlich. Dazu wird der Grundwasserspiegel an einer Vielzahl von Orten überwacht. Dabei kann der Grundwasserspiegel z.B. von Hand vermessen werden. Weiterhin gibt es einfache Drucksonden, welche durch ein Bohrloch ins Grundwasser herabgelassen werden können. Die bei solchen Untersuchungen ermittelten Wasserstände werden teilweise von Hand in Datenbänke eingepflegt und dort hinterlegt. In der Wasserwirtschaft oder dem Bergbau gibt es festgelegte Grenzwerte, deren Unter- oder Überschreiten Folgen für die Wasserwirtschaft bzw. den Bergbau haben können.
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Die bislang bekannten Drucksensoren zur Grundwasserspiegelmessung weisen eine Vielzahl an Problemen auf. Die Druckmessung basiert auf einem Sensor, dessen Messwerte sich mit der Zeit verändern bzw. verfälschen, so dass der Sensor verfälschte Messsignale abgeben kann. Deswegen müssen diese Drucksensoren häufig rekalibriert werden. Auch eine sondeninterne Uhr zeigt mit der Zeit eine signifikante Abweichung von der tatsächlichen Zeit an, so dass eine akkurate Bestimmung der Uhrzeit erschwert wird.
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Weiterhin kann zur Druckbestimmung ein Vorwissen über eine Wassersäule im gemessenen System erforderlich sein, wobei die Dichte des Wassers mit der Zeit auf Grund eines veränderlichen Salzgehaltes ebenfalls variieren kann. Deswegen werden bei diesen Messungen oft unpräzise Messwerte generiert. Zudem ist der Wartungsaufwand für die bekannten Grundwassersonden hoch.
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Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Messung und/oder Überwachung des Grundwasserspiegels bereitzustellen. Dabei kann es insbesondere die Aufgabe der Erfindung sein, präzisere Messwerte bereitzustellen und/oder die benötigte Wartungsintensität der Grundwassersonden zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Ein Aspekt betrifft eine Grundwassersonde mit einem kontaktlosen Abstandsmessgerät zum kontaktlosen Messen eines Abstands der Grundwassersonde zum Grundwasserspiegel. Ein Luftdruckmessgerät ist zum Messen des Luftdrucks am Ort der Grundwassersonde ausgebildet. Weiterhin weist die Grundwassersonde ein Zeitmessgerät auf zum Messen der Uhrzeit. Schließlich weist die Grundwassersonde auch ein Höhenmessgerät auf zum Bestimmen der absoluten Höhenposition der Grundwassersonde.
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Die Grundwassersonde kann als ein einziges kompaktes Bauteil ausgebildet sein oder als ein mehrteiliges Messgerät. In der Grundwassersonde sind zumindest die voranstehend aufgelisteten Messgeräte integriert, nämlich sowohl das kontaktlose Abstandsmessgerät, das Luftdruckmessgerät, das Zeitmessgerät und das Höhenmessgerät.
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Die Grundwassersonde kann ein oder mehrere Gehäuse aufweisen, in denen die Messgeräte zumindest teilweise integriert und/oder geschützt sind. Die Gehäuseelemente der Grundwassersonde können miteinander verbunden sein. Die Grundwassersonde ist derart dimensioniert, dass sie zumindest teilweise in ein Bohrloch zur Grundwasserbestimmung einführbar ist.
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Das kontaktlose Abstandsmessgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es ohne unmittelbaren Kontakt zum Grundwasser die Höhe des Grundwasserspiegels messen kann. Dazu kann das Abstandsmessgerät einen Sender und einen Empfänger aufweisen. Der Sender kann Messsignale aussenden, die am Grundwasserspiegel zurück zum Empfänger des Abstandsmessgeräts reflektiert werden. Diese Messsignale können beispielsweise Lichtsignale, Lasersignale, Schallsignale und/oder Radarsignale sein. Die Messsignale können entweder unmittelbar am Grundwasserspiegel reflektiert werden, oder an einem auf dem Grundwasserspiegel schwimmenden Schwimmbauteil.
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Das kontaktlose Abstandsmessgerät ermöglicht somit durch eine Abstandsbestimmung des Grundwasserspiegels vom Abstandsmessgerät eine Höhenbestimmung des Grundwasserspiegels ohne unmittelbaren Wasserkontakt der Grundwassersonde. Dabei kann die Höhenposition der Grundwassersonde berücksichtigt werden.
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Durch die kontaktlose Messung kann die Langlebigkeit der Grundwassersonde erhöht werden, da bei der Messung keine Wassereinwirkung auf die Grundwassersonde benötigt wird. Dabei kann eine Korrosionsgefahr einzelner Elemente der Grundwassersonde reduziert werden sowie eine mögliche Verschmutzung von Sensoren der Grundwassersonde durch Salz, Kalk und/oder andere Wasserverunreinigungen, welche zu Ungenauigkeiten des Messergebnisses führen können.
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Das Luftdruckmessgerät kann z.B. als ein Barometer ausgebildet sein und den Luftdruck an der Grundwassersonde messen. Dazu kann es z.B. an einer dem Grundwasserspiegel abgewandten Seite der Grundwassersonde angeordnet sein.
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Das Zeitmessgerät kann als eine möglichst präzise Uhr ausgebildet sein und/oder zum Empfang eines Uhrzeitsignals ausgebildet sein.
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Das Höhenmessgerät dient zum Bestimmen der absoluten Höhenposition der Grundwassersonde. Dabei kann das Höhenmessgerät die Höhenposition der Grundwassersonde relativ zum Meeresspiegel bestimmen. Alternativ kann das Höhenmessgerät die Höhenposition auch in Form von Koordinaten bestimmen, welche zumindest die absolute Höhe der Grundwassersonde in einem geeigneten Koordinatensystem bestimmen können.
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Sämtliche dieser Messgeräte sind in der Grundwassersonde integriert. Die Grundwassersonde kann weiterhin eine Schnittstelle und/oder eine Ausgabeeinheit aufweisen, wie z.B. eine Steckverbindung und/oder Bluetooth und/oder andere Funkverbindung zum Übermitteln der von der Grundwassersonde generierten Daten an einen geeigneten Empfänger wie z.B. einen Datenträger und/oder ein computerähnliches Lesegerät. Die von den Messgeräten gemessenen Werte können somit digital erzeugt und/oder gespeichert werden, insbesondere in einem einfach auslesbaren und/oder weiterzuverarbeitenden Datenformat.
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Mit der Grundwassersonde können Messwerte erzeugt werden, welche Informationen über zeitabhängige Grundwasserspiegel sowie zeitabhängige Druckwerte am Ort der Messung enthalten. Diese Messwerte sind wichtig für die Auswertung der Grundwasserdaten mittels der sogenannten „Tidal Subsurface Analysis“, abgekürzt TSA. Diese Analyseart der Grundwasserspiegel ist zusammengefasst in dem Artikel „Utilizing the impact of earth and atmospheric tides on groundwater systems: a review reveals the future potential“ von Timothy C. McMillan et al. von 2019. Dabei wird der Grundwasserspiegel in einen Zusammenhang gesetzt mit dem Luftdruck und den aktuellen Erdgezeiten. Während der Grundwasserspiegel und der Luftdruck jeweils aktuell gemessen werden müssen, so können die Auswirkungen der Gezeiten mit Hilfe der aktuellen Uhrzeit genau berechnet werden. Dazu sind jedoch möglichst genaue und exakte Zeitangaben der jeweiligen Grundwasserspiegelhöhe und Druckmessungen notwendig, bevorzugt synchronisiert zur UTC, d.h. zu „Coordinated Universal Time“.
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Die Grundwassersonde liefert somit sämtliche Messwerte, die zu einer eingehenden Analyse der Grundwasserspiegel, insbesondere im Rahmen der TSA, benötigt werden. Zugleich kann die Grundwassersonde sehr präzise Messdaten generieren und ist aufgrund der Wasserkontaktlosen Messung relativ langlebig und wartungsarm.
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Die somit generierten Daten sind für die Grundwasserwirtschaft von großer Bedeutung. Hierbei werden Daten mit einer hohen Auflösung sehr präzise generiert. Weiterhin kann eine Mindestanzahl an Messungen pro vordefinierter Zeiteinheit generiert werden. Außerdem kann auf Grund des Zeitmessgeräts eine akkurat geeichte Zeit verwendet werden. Die Grundwassersonde kann zur Messung des Grundwasserspiegels, des Luftdrucks und der Geoposition verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Höhenmessgerät in ein Positionsmessgerät der Grundwassersonde integriert, welches dazu ausgebildet ist, neben der absoluten Höhenposition auch die absolute Position der Grundwassersonde zu bestimmen. Dazu kann das Positionsmessgerät die Geoposition ermitteln, z.B. in 3D-Koordinaten, insbesondere 3D-Koordinaten im Bezugssystem der Erde. Diese 3D-Koordinaten beinhalten sowohl die Höhenposition als auch die horizontale Position auf der Erdoberfläche am Ort der Grundwassersonde. Hierbei ist somit das Höhenmessgerät genaugenommen ein Positionsmessgerät für die Geoposition, welches die 3D-Position der Grundwassersonde bestimmen kann. Demnach kann die Grundwassersonde gemäß dieser Ausführungsform nicht nur die Höhe des Grundwasserspiegels bestimmen, sondern zugleich dazu auch die Geoposition am Bohrloch.
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Gemäß einer Ausführungsform empfängt das Zeitmessgerät über ein Funksignal ein jeweils aktuelles Zeitsignal. Dadurch kann ein unerwünschtes Auseinanderlaufen des Zeitmessgeräts der Grundwassersonde verhindert und/oder reduziert werden. Jedenfalls kann so die Uhrzeit automatisch aktualisiert werden, so dass die Grundwassersonde aber auch über längere Zeiträume hinweg, z.B. über mehrere Monate hinweg, sehr genaue zeitabhängige Messwerte generieren kann. Tatsächlich muss eine solche Funkuhr als Zeitmessgerät manuell gar nicht gestellt und/oder aktualisiert werden. Deswegen können die jeweils generierten Messdaten einfach mit dem zum Messzeitpunkt empfangenen aktuellen Zeitsignal verknüpft werden. Damit wird die Zeitmessung präziser und somit verbessert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Grundwassersonde ein Navigationssystemempfänger auf, welcher als das Höhenmessgerät zum Bestimmen der absoluten Höhenposition ausgebildet ist und zugleich als das Zeitmessgerät zum Messen der Uhrzeit ausgebildet ist. Der Navigationssystemempfänger beinhaltet somit eine Mehrzahl von Messgeräten. Der Navigationssystemempfänger kann z.B. als ein GPS-Empfänger ausgebildet sein, als ein GLONASS-Empfänger, als ein Galileo-Empfänger, als ein BeiDou-Empfänger und/oder allgemein als ein GNSS-Empfänger. Als globaler Navigationssystemempfänger kann der Empfänger immer die aktuell gültige Position erhalten, welche insbesondere auch die Höhenposition der Grundwassersonde enthält. Da solche Navigationssystemempfänger über das Satellitensystem auch ein Zeitsignal empfangen, kann der Navigationssystemempfänger auch zusätzlich als das Zeitmessgerät verwendet werden. Dadurch empfängt der Navigationssystemempfänger nicht nur die aktuelle absolute Position einschließlich der absoluten Höhenposition, sondern zusätzlich auch ein aktuelles Zeitsignal. Der Navigationssystemempfänger integriert somit eine Vielzahl von Sensorfunktionalitäten und ist zudem sehr präzise für die Grundwassermessung verwendbar.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Navigationssystemempfänger als ein GNSS-Empfänger ausgebildet, also als ein globales Navigationssatellitensystemempfänger. Damit kann der GNSS-Empfänger insbesondere dazu ausgebildet sein, die Daten unterschiedlicher Navigationssatelliten und/oder Pseudosatellitenempfängern zu empfangen, einschließlich von teilweise bestehenden und teilweise erst künftigen Satellitensystemen wie GPS, GLONASS, Galileo, und/oder BeiDou.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das kontaktlose Abstandsmessgerät als ein Laserdistanzmessgerät ausgebildet. Als solches Laserdistanzmessgerät kann insbesondere ein Präzisions-Lidar verwendet werden, also ein hochpräziser und hochauflösender 3D-Laserscanner. Dabei steht Lidar für das englische „light detection and ranging“. Diese Form der Messung ist besonders robust und liefert genaue, hochauflösende Messdaten für den Abstand der Grundwassersonde und/oder des Abstandsmessgeräts zum Grundwasserspiegel, an welchem das ausgesendete Lasersignal reflektiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Grundwassersonde zumindest zweiteilig aufgebaut und weist ein Funkbauteil und ein Absenkbauteil auf. Dabei ist das Funkbauteil dazu ausgebildet, an einer Position außerhalb eines Bohrlochs angeordnet zu werden, beispielsweise an einem Bohrlocheingang. Weiterhin kann das Absenkbauteil dazu ausgebildet und konfiguriert sein, dass es in ein Bohrloch abgesenkt werden kann. Damit kann das Funkbauteil eine Funkverbindung zu einem Satellitensystem aufrechterhalten, während das Absenkbauteil näher an den Grundwasserspiegel herangeführt werden kann. Die Grundwassersonde kann hierbei so konfiguriert sein, dass der Abstand des Absenkbauteils zum Funkbauteil, insbesondere deren Höhenabstand, bekannt, einstellbar und/oder messbar sein kann, um die Messdaten der verschiedenen Bauteile der Grundwassersonde gut miteinander verknüpfen zu können. Die Bauteile können über ein Zugkabel und/oder eine Datenleitung miteinander verknüpft sein, beispielsweise eine Funkdatenleitung, einen Lichtwellenleiter und/oder ein elektrisch leitendes Datenkabel.
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In einer Weiterbildung ist zumindest das kontaktlose Abstandsmessgerät im Absenkbauteil angeordnet und zumindest das Zeitmessgerät im Funkbauteil angeordnet. Somit kann die Zeit über ein Funksignal immer aktuell gehalten werden. Weiterhin kann das Abstandsmessgerät im Absenkbauteil relativ nah an den Grundwasserspiegel im Bohrloch abgesenkt werden. Im Absenkbauteil kann zusätzlich noch das Luftdruckmessgerät angeordnet sein, um den Luftdruck ebenfalls möglichst nah am Grundwasserspiegel messen zu können. Im Funkbauteil kann z.B. ein GNSS-Empfänger angeordnet sein, und damit sowohl das Zeitmessgerät als auch das Höhenmessgerät, welches hierbei als ein Positionsmessgerät gebildet sein kann.
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In einer weiteren Weiterbildung der Ausführungsform weist die Grundwassersonde ein als Seilmittel ausgebildetes Verbindungsbauteil auf, über das das Absenkbauteil in einem kontrollierten Abstand zum Funkbauteil anordenbar ist. Das Seilmittel kann beispielsweise als ein Kabel, ein Seil, eine Stange, eine Kette und/oder eine Kombination dieser Seilmittel ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Verbindungsbauteil zumindest zwei oder drei Seile aufweisen, um so eine möglichst stabile Lage des Absenkbauteils relativ zum Funkbauteil herstellen zu können. Das Verbindungsbauteil kann insbesondere flexibel ausgebildet sein, also wie ein Seil oder ein Kabel, um so auf Grund der Gravitationskraft das Absenkbauteil immer genau vertikal unterhalb des Funkbauteils anzuordnen. Dabei kann das Seilmittel entweder eine feste Länge aufweisen (wie z.B. eine Stange), oder eine kontrolliert veränderliche Länge. Beispielsweise kann das Verbindungsbauteil über eine Spule und/oder einen Motor absenkbar, d.h. verlängerbar und/oder verkürzbar sein. Durch eine Zählung der Windungen der Spule kann somit bestimmt werden, wieviel von dem Verbindungsbauteil abgewickelt ist und wieviel noch nicht abgewickelt ist. Dies ermöglicht eine Bestimmung des Abstandes des Absenkbauteils zum Funkbauteils. Dies ist deswegen vorteilhaft, da dann die Messdaten zum Abstand des Grundwasserspiegels vom Absenkbauteil, welches das Abstandsmessgerät enthält, gemessen werden kann und mit dem kontrollierten Abstand des Absenkbauteils zum Funkbauteils kombiniert werden kann. Das Funkbauteil kann dabei über ein GNSS die absolute Höhenposition des Funkbauteils bestimmen. Durch Verknüpfung dieser Messwerte kann somit auch die absolute Höhe des Grundwasserspiegels bestimmt werden.
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In einer Weiterbildung weist das Funkbauteil Befestigungsmittel auf zum Befestigen des Funkbauteils an einem Bohrlocheingang. Diese Befestigungen können beispielsweise Verbreiterungen, Haken, Schraubmittel und/oder Ähnliches sein, mit denen das Funkbauteil am Bohrlocheingang befestigt werden kann. Ist das Bohrloch beispielsweise röhrenförmig ausgebildet, so kann das Funkbauteil Dimensionen aufweisen, die größer als der Röhrendurchmesser sind. Dadurch kann verhindert werden, dass das Funkbauteil zu tief in die Röhre am Bohrloch eindringt, wo es keinen guten Funkempfang mehr hätte.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Grundwassersonde einen Energiegenerator zur regenerativen Energieerzeugung auf. Ein solcher Energiegenerator kann beispielsweise eine Solarzelle sein, die z.B. an dem voranstehend beschriebenen Funkbauteil angeordnet ist. Alternativ kann der Energiegenerator eine Windturbine zur Nutzung von Windkraft aufweisen. Genauso gut könnten über den Kontakt zum Grundwasser Gezeitenkräfte zur Energiegewinnung zu genutzt werden. Bevorzugt wird dazu eine Solarzelle verwendet, da diese eine möglichst unkomplizierte und kompakte Ausbildung der Grundwassersonde ermöglicht, die zuverlässig Energie liefern kann zum Betrieb der Grundwassersonde. Im Ausführungsbeispiel mit dem Funkbauteil und dem Absenkbauteil kann die von dem Energiegenerator erzeugte Energie nötigenfalls zwischen dem Funkbauteil und dem Absenkbauteil übertragen werden. Die Grundwassersonde kann weiterhin zumindest einen batterieähnlichen Energiespeicher aufweisen, um die erzeugte Energie zu speichern und/oder zu buffern.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Grundwassersonde einen Prozessor und/oder einen Speicher auf zum Verarbeiten und/oder Speichern von mittels der Grundwassersonde generierten Messdaten, welche zeitabhängige Informationen über die Höhe des Grundwasserspiegels und dem Luftdruck erhalten. Diese Messdaten können im Rahmen einer TSA-Analyse ausgewertet werden und der Wasserwirtschaft und/oder der Bergbauwirtschaft zur Verfügung gestellt werden.
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Ein Aspekt betrifft einen Grundwassersondensystem mit einer Grundwassersonde gemäß dem voranstehenden Aspekt und einem Schwimmbauteil, welches dazu ausgebildet und konfiguriert ist, auf Höhe des Grundwasserspiegels zu schwimmen und dabei vom Abstandsmessgerät ausgesandte Messsignale zu reflektieren. Ein solches Schwimmbauteil kann z.B. als eine Scheibe ausgebildet sein und/oder ein anderes flächiges Schwimmelement. Hierzu kann beispielsweise eine Kunststoffscheibe verwendet werden, also z.B. eine PVC-Scheibe. Alternativ kann auch eine Scheibe mit einer metallischen Beschichtung verwendet werden, beispielsweise eine Holzscheibe mit einer Metallfolie oder Ähnliches. Das Schwimmbauteil dient zur Reflektion der vom Abstandsmessgerät ausgesandten Messsignale und kann die Zuverlässigkeit der Messungen erhöhen. Das Grundwassersondensystem kann weiterhin die Grundwassersonde und eine Mehrzahl von Schwimmbauteilen umfassen, um so den Einsatz der Grundwassersonde an unterschiedlichen Bohrlöchern zu ermöglichen, ohne das Schwimmbauteil nach Gebrauch notwendigerweise wieder bergen zu müssen.
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Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum zeitabhängigen und druckabhängigen Bestimmen des Grundwasserspiegels mittels einer Grundwassersonde mit den Schritten:
- - Kontaktloses Messen eines Abstands der Grundwassersonde zum Grundwasserspiegel;
- - Messen des Luftdrucks am Ort der Grundwassersonde;
- - Messen der Uhrzeit am Ort der Grundwassersonde; und
- - Bestimmen der absoluten Höhenposition der Grundwassersonde.
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Das Verfahren kann beispielsweise mit einer Grundwassersonde und/oder einem Grundwassersondensystem gemäß der voranstehend beschriebenen Aspekte durchgeführt werden. Deswegen betreffen sämtliche Ausführungen zur Grundwassersonde und dem Grundwassersondensystem auch das Verfahren und umgekehrt.
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Bevorzugt werden bei dem Verfahren die Zeit und die absolute Höhenposition, insbesondere die Geoposition, über ein Funksignal ermittelt, um so möglichst aktuelle und präzise Daten zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Grundwassersonde verwendet, die zumindest zweiteilig ausgebildet ist und ein Funkbauteil und Absenkbauteil aufweist. Dabei ist das Verfahren um die folgenden Schritte ergänzt:
- - Bereitstellen eines Bohrlochs, welches sich von einem Bohrlocheingang bis zumindest zum Grundwasserspiegel erstreckt;
- - Anordnen des Funkbauteils am Bohrlocheingang; und
- - Absenken des Absenkbauteils in das Bohrloch auf einen kontrollierten Abstand unterhalb des Funkbauteils derart, dass das Absenkbauteil eine zuverlässige Messung der Höhe des Grundwasserspiegels durchführen kann.
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Das Bohrloch kann entweder extra gebohrt werden oder es kann ein bereits bestehendes Bohrloch zur Messung verwendet werden. Das Bohrloch erstreckt sich zumindest bis zum Grundwasserspiegel. Dabei ist es notwendig, dass das Bohrloch tief genug ist, um bis zu einem variablen Grundwasserspiegel zu herunterzureichen. Denn der Grundwasserspiegel kann veränderlich sein, insbesondere abhängig von Temperatur, Jahreszeit und/oder den aktuellen Gezeiten.
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Beim Absenden des Absenkbauteils kann das Absenkbauteil so weit heruntergesenkt werden, dass es zuverlässige Messergebnisse bei der Bestimmung des Abstandes zum Grundwasserspiegel generiert. Dies kann ein Abstand von einigen Metern sein, abhängig von Bestimmungen des Messgeräts. Einige Lasermessgeräte können über relativ hohe Entfernungen zuverlässige Messwerte bieten. Es ist vorteilhaft, bei der Bestimmung des Luftdrucks möglichst nah an den Grundwasserspiegel heranzukommen, ohne ihn jedoch zu berühren. Dabei können sehr präzise Messwerte generiert werden.
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Bei dem Verfahren kann es vorgesehen sein, den Abstand des Absenkbauteils zum Funkbauteil zu variieren, insbesondere in Abhängigkeit von den Gezeiten. So kann beispielsweise etwa ein konstanter Abstand zum Grundwasserspiegel automatisch eingestellt werden, zum Beispiel ein Abstand von einem Meter und/oder in einem einstelligen Meterbereich.
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Im Rahmen dieser Erfindung können die Begriffe „im Wesentlichen“ und/oder „etwa“ so verwendet sein, dass sie eine Abweichung von bis zu 5% von einem auf den Begriff folgenden Zahlenwert beinhalten, eine Abweichung von bis zu 5° von einer auf den Begriff folgenden Richtung und/oder von einem auf den Begriff folgenden Winkel.
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Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, lateral, usw. beziehen sich - sofern nicht anders spezifiziert - auf das Bezugssystem der Erde in einer Betriebsposition des Gegenstands der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem in einer Figur gezeigten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Grundwassersondensystems mit einer Grundwassersonde in einer Betriebsposition.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Grundwassersondensystems 100 mit einer Grundwassersonde 1 in einer Betriebsposition. Dabei ist die Grundwassersonde 1 teilweise in ein Bohrloch 130 abgesenkt. Das Bohrloch 130 erstreckt sich zumindest von einer Erdoberfläche 140 etwa vertikal nach unten bis hin zum Grundwasserspiegel 120. Das Bohrloch 130 kann durch eine Röhre verstärkt sein, um so eine hinreichende Stabilität und eine zuverlässige Messung zu ermöglichen. Am oberen Ende des Bohrlochs 130, insbesondere an einem oberen Röhrenende, ist ein Funkbauteil 10 der Grundwassersonde 1 angeordnet. Neben dem Funkbauteil 10 weist die Grundwassersonde 1 zumindest noch ein Verbindungsbauteil 30 und ein Absenkbauteil 20 auf, welches in das Bohrloch 130 abgesenkt ist.
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Das Funkbauteil 10 weist einen Navigationssystemempfänger 40 auf. Der Navigationssystemempfänger 40 dient zugleich als Zeitmessgerät 41, als Höhenmessgerät 42 und als Positionsmessgerät 43. Der Navigationssystemempfänger 40 kann als ein GNSS-Empfänger ausgebildet sein. Der Navigationssystemempfänger 40 ist im Wesentlichen vollständig außerhalb des Bohrlochs 130 angeordnet, und zwar in einer Position vertikal oberhalb des Bohrlochs 130. Damit hat der Navigationssystemempfänger 40 einen guten Funkkontakt zu Satelliten des zugehörigen Navigationssystems. Über Funk kann der Navigationssystemempfänger 40 die aktuelle Uhrzeit sowie die genaue absolute Position, insbesondere die absolute Höhe empfangen. Die absolute Höhe und/oder die absolute Position kann in Navigationskoordinaten und/oder anderen 3D-Koordinaten vorliegen und/oder umgewandelt werden. Die Höhenpositionsbestimmung und/oder generelle Positionsbestimmung muss lediglich ein einziges Mal erfolgen, um gültige Messwerte zu liefern. Alternativ kann die Position und/oder Höhe immer wieder neu bestimmt werden, um so die einmal vorgenommene Messung zu überprüfen. Die Zeitsignale werden immer wieder neu empfangen und aktualisiert, insbesondere immer dann, wenn die Grundwassersonde 1 weitere Messdaten generiert.
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Das Funkbauteil 10 kann weiterhin ein Energiegenerator 70 aufweisen, welcher als eine Solarzelle 71 ausgebildet sein kann. Der Energiegenerator 70 dient zum Bereitstellen einer Betriebsenergie . der Grundwassersonde 1. Auch der Energiegenerator 70 ist somit außerhalb des Bohrlochs 130 angeordnet, wo er ausreichend Betriebsenergie generieren kann. Die Solarzelle 71 kann insbesondere als ein oberes Ende und/oder als eine Art Deckel der Grundwassersonde 1 ausgebildet sein, wodurch Platz gespart werden kann und eine kompakte Bauweise der Grundwassersonde ermöglicht wird.
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Die Grundwassersonde 1 kann weiterhin eine Schnittstelle 90 am Funkbauteil 10 aufweisen, insbesondere eine Bluetooth-Schnittstelle und/oder eine andere Funk- oder Steckschnittstelle zum Auslesen der Messdaten, zum Aufspielen eines Software-Updates auf die Grundwassersonde 1 oder zu Ähnlichem.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind weiterhin mehrere Entlüftungsöffnungen 11 am Funkbauteil 10 ausgebildet, um so eine hinreichende Lüftung des Bohrlochs 130 zu ermöglichen.
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Am Funkbauteil 10 ist das Verbindungsbauteil 30 befestigt, welches vertikal nach unten vom Funkbauteil 10 in das Bohrloch 130 herabhängt bis zu einem oberen Ende des Absenkbauteils 20. Das Verbindungsbauteil 30 kann als ein Kabel, Seil, eine Kette und/oder eine Stange ausgebildet sein. Die vertikale Länge des Verbindungsbauteils 30 kann variabel und einstellbar sein, um so die Position des Absenkbauteils 20 im Inneren des Bohrlochs 130 einstellen und/oder variieren zu können. Nicht gezeigt sind dazu Variierungsmittel des Verbindungsbauteils 30, beispielsweise Seilwinden und/oder ein Elektromotor zum Variieren der Länge des Verbindungsbauteils 30. Alternativ kann das Verbindungsbauteil 30 auch manuell vor dem Aufbau der Grundwassersonde eingestellt werden und unveränderlich ausgebildet sein.
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An seinem (in Betriebsposition) oberen Ende weist das Absenkbauteil 20 eine Befestigung 22 auf, an welcher das Verbindungsbauteil 30 befestigt ist. Diese Befestigung 22 kann in etwa an einem oberen zentralen Ende des Absenkbauteils 20 angeordnet sein, um so eine möglichst stabile Lage des Absenkbauteils 20 zu gewährleisten.
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Das Absenkbauteil 20 kann kapselartig ausgebildet sein und/oder ein Gehäuse aufweisen, durch das innere Elemente des Absenkbauteils 20 geschützt werden können. Insbesondere kann das Absenkbauteil 20 zylinderförmig ausgebildet sein (wie im Ausführungsbeispiel gezeigt) und/oder zumindest länglich ausgebildet sein mit einem oberen und einem unteren Ende. Dabei weist das obere Ende zur Öffnung des Bohrlochs 130 in etwa vertikal nach oben und das untere Ende des Absenkbauteils 20 in etwa vertikal nach unten hin zum Grundwasserspiegel 120.
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Das Absenkbauteil 20 weist ein Luftdruckmessgerät 60 auf, welches beispielsweise an einem oberen Ende des Absenkbauteils 20 angeordnet sein kann. Das Luftdruckmessgerät 60 kann dabei den Luftdruck über eine Öffnung im Gehäuse des Absenkbauteils 20 messen. Das Luftdruckmessgerät 60 kann als ein Barometer ausgebildet sein.
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An seinem dem Grundwasserspiegel 120 zugewandten Ende, also an seinem unteren Ende, weist das Absenkbauteil 20 das Abstandsmessgerät 50 auf. Das Abstandsmessgerät 50 weist dabei einen Sender 51 und einen Empfänger 52 auf. Der Sender 51 emittiert Messsignale in Richtung zum Grundwasserspiegel 120 hin, also etwa vertikal nach unten, und der Empfänger 52 empfängt die in der Nähe oder am Grundwasserspiegel 120 reflektierten Messsignale. Das Abstandsmessgerät 50 kann insbesondere als ein Lasermessgerät ausgebildet sein, insbesondere als ein Lidar.
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Die vom Sender 51 emittierten Messsignale können unmittelbar am Grundwasserspiegel 120 reflektiert werden und/oder an einem Schwimmbauteil 110. Das Schwimmbauteil 110 kann als eine schwimmende Scheibe auf den Grundwasserspiegel 120 angeordnet werden und eine Verbesserung der Messsignale ermöglichen, insbesondere eine präzisere Messung des Grundwasserspiegelabstands. Aus dem gemessenen Abstand des Grundwasserspiegels 120 zum Abstandsmessgerät 50 und/oder dem unteren Ende des Absenkbauteils 20 kann z.B. zusammen mit der bekannten Höhe des Absenkbauteils 20, der kontrolliert eingestellten Länge des Verbindungsbauteils 30 und ggf. der Höhe des Funkbauteils 10 die absolute Höhenposition des Grundwasserspiegels 120 ermittelt und mit der aktuellen Zeit verknüpft werden. Weiterhin kann eine Verknüpfung zum aktuell vom Luftdruckmessgerät 60 gemessenen Luftdruck verknüpft werden.
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Die so z.B. in regelmäßigen Zeitabständen gemessenen Messwerte können in einem Speicher 81 gespeichert werden, welcher z.B. im Absenkbauteil 20 angeordnet sein kann. Im Absenkbauteil 20 kann weiterhin eine Energiequelle 21 und/oder ein Prozessor 80 angeordnet sein. Der Prozessor 80 kann die Messgeräte und/oder die Verarbeitung der Messdaten sowie deren Speicherung im Speicher 81 steuern. Die Energiequelle 21 kann sowohl mit den einzelnen Messgeräten der Grundwassersonde 1 als auch dem Prozessor 80 sowie dem Speicher 81 elektrisch verbunden sein. Über das Verbindungsbauteil 30 und/oder einer gegebenenfalls vorhandenen Funkverbindung kann die Energiequelle 21 auch mit dem Funkbauteil 10 verbunden sein, insbesondere mit dem Energiegenerator 70.
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Der Prozessor 80 kann zumindest zum Steuern des Abstandsmessgeräts 50, des Luftdruckmessgeräts 60 und/oder des Navigationssystemempfängers 40 ausgebildet sein. Weiterhin kann der Prozessor 80 für die Speicherung der von diesen drei Messgeräten 40, 50 und/oder 60 generierten Messdaten verantwortlich sein.
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Das Grundwassersondensystem 100 mit der Grundwassersonde 1 und dem Schwimmbauteil 110 ist dazu konfiguriert und vorgesehen, zeitabhängige präzise Messdaten zum Grundwasserspiegel und zum Luftdruck zu generieren. Die so generierten Messdaten können im Rahmen einer TSA-Analyse ausgewertet werden. Die Grundwassersonde 1 ermöglicht eine kompakte, präzise und vergleichsweise kostengünstige Möglichkeit, über längere Zeiträume den Grundwasserspiegel zu vermessen und aufzunehmen. Weiterhin können die Daten digital exportiert und weiterverarbeitet werden. Damit wird ein digitales und modernes Grundwassermanagement ermöglicht.
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Der Prozessor 80 kann als eine energiesparender CPU ausgebildet sein, um einen möglichst langlebigen Betrieb der Grundwassersonde 1 zu gewährleisten. Der Speicher 81 kann als eine SD-Karte ausgebildet sein, auf welcher möglichst viele Daten kompakt gespeichert werden können.
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Die Grundwassersonde 1 ermöglicht eine präzise Bestimmung aller für eine TSA notwendigen Messdaten. Die Grundwassersonde 1 ist dazu konfiguriert und ausgebildet, über längere Zeiträume von z.B. zwei Monaten oder länger in einem standardisierten Bohrloch 130 für Grundwassermessungen zuverlässige Messdaten zu generieren. Die so generierten Daten können ausreichend sein, um innerhalb von zwei Monaten das am Ort vorliegenden Grundwassersystem hinreichend genau zu charakterisieren, also insbesondere seine regelmäßigen Schwankungen zu bestimmen sowie seine hydrogeologischen und geomechanischen Eigenschaften zu quantifizieren, wie z.B. seine barometrische Effizienz, hydraulische Leitfähigkeit, spezifische Speicherkapazität, und/oder Kompressionsfähigkeit. Gegebenenfalls könnten aus den Daten sogar seine poroelastische Eigenschaften ermittelt werden. Dies ist jedoch noch ein aktuelles Forschungsfeld, was noch nicht hinreichend genau erforscht ist. Die Erfindung kann somit zur Grundwasserverbrauchsforschung, -schwankungsmessung und -management beitragen.
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Die Grundwassersonde 1 kann aus marktüblichen, standardisierten elektronischen Bauteilen aufgebaut sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundwassersonde
- 10
- Funkbauteil
- 11
- Entlüftungsöffnung
- 20
- Absenkbauteil
- 21
- Energiequelle
- 22
- Befestigung
- 30
- Verbindungsbauteil
- 40
- Navigationssystemempfänger
- 41
- Zeitmessgerät
- 42
- Höhenmessgerät
- 43
- Positionsmessgerät
- 50
- Abstandsmessgerät
- 51
- Sender
- 52
- Empfänger
- 60
- Luftdruckmessgerät
- 70
- Energiegenerator
- 71
- Solarzelle
- 80
- Prozessor
- 81
- Speicher
- 90
- Schnittstelle
- 100
- Grundwassersondensystem
- 110
- Schwimmbauteil
- 120
- Grundwasserspiegel
- 130
- Bohrloch
- 140
- Erdoberfläche
