DE19643817A1 - Verfahren zur Untersuchung des Gewässermilieus - Google Patents

Description

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungs- und/oder Milieubedingungen in Gewässern beschrieben.

Herkömmliche Meßverfahren zur Ermittlung von Strömungsbedingungen beruhen auf der direkten Detektion der Strömung mit mechanischen Meßsonden, bei denen die Strömung z. B. mit beweglichen Drehflügeln oder unter Nutzung des Coriolis-Prinzips gemessen wird. Diese Meßprinzipien eignen sich jedoch nur für schnelle Strömungsvorgänge, die bei vielen Anwendungsfällen in natürlichen Gewässern nicht auftreten.

Eine andere Möglichkeit beruht auf der Zugabe von Markierungsstoffen, z. B. optisch detektierbaren Markern wie Eosin, Salzlösungen oder radioaktive Substanzen. Bei diesen Verfahren müssen oft erhebliche Mengen dieser Stoffe in die zu vermessenden Aquifere hineingegeben werden, um zu verwertbaren Ergebnissen zu kommen.

Abgesehen von dem toxischen Potential der zumeist verwendeten Marker - bei dem optischen Markierungsstoff Eosin handelt es sich z. B. um eine halogenorganische Verbindung - Salzlösungen als Leitfähigkeitsmarker verändern das biologische und chemische Milieu - radioaktive Substanzen können ebenfalls Veränderungen im biologischen Bereich bewirken - müssen zumeist große Marker-Substanzmengen eingesetzt werden, da zwischen Zugabe- und Detektionsorten Verluste durch Sorptions- und Verdünnungsprozesse auftreten um die Marker-Konzentration an den Detektionsorten hinreichend hoch zu halten.

Vielfach wird die Strömungsrichtung in Grundwasseraquiferen auch durch Vermessung der Grundwasserspiegelhöhen in Grundwasserpegeln ermittelt. Dazu sind mindestens 3 Pegel notwendig. Diese Methode ist aber sehr teuer, wenn extra zu diesem Zweck Pegel installiert werden müssen. Außerdem ist die Methode unzureichend, wenn beispielsweise die detaillierte Strömungsstruktur als vertikales Profil ermittelt werden soll oder wenn es um die kleinräumige Ermittlung von Strömungsstrukturen in den oberflächennahen Schottern und Kiesen von Fließgewässern geht. Insbesondere in der Nähe von Flüssen ist diese Methode unzureichend, da sich je nach Wasserstand des benachbarten Flusses die Strömung im Grundwasseraquifer ändert und sogar umkehren kann.

Die Ermittlung der Fließgeschwindigkeit von Grundwasserströmen läßt sich bislang nur indirekt aus dem Aquifergefälle und der Durchlässigkeit des Aquifergesteins berechnen. Anhaltspunkte über die Gesteinsdurchlässigkeit ergeben Grundwasserspiegelabsenkungen beim Abpumpen gegebener Wassermengen und der Verlauf des Grundwasserspiegelanstiegs im abgepumpten Pegel nach beendetem Abpumpen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind sehr vage und erfassen die Verhältnisse über den gesamten Aquiferquerschnitt. Sie geben keinerlei Auskunft über die Strömungsverhältnisse im Detail. Hier fehlen einfache und zuverlässige Methoden.

Neben der Ermittlung der Fließstruktur in einem Gewässer ist es für viele Untersuchungen notwendig, das physikalisch-chemische und ggf. biologische Milieu im Gewässer zu ermitteln. Beispiele für Parameter, die das Milieu in einem Aquifer kennzeichnen sind z. B. Temperatur, pH-Wert Leitfähigkeit, Redox-Potential, Gehalte an Sauerstoff Eisen, Mangan, Nitrat, Sulfat, Methan, Kohlensäure/Kohlendioxid, Erdalkalien, Ammonium, Hydrogensulfid/Schwefelwasserstoff, Huminstoffe, Vorkommen von Enzymen, Mikrobenspezies und Mehrzellerspezies. Darüber hinaus ist es oftmals wichtig, bestimmte Kontaminanten oder Kontaminantengruppen zu ermitteln. Beispiele hierfür sind z. B. die Gehalte an Halogenorganika, ein- und mehrkernige Aromaten, Nitro- und Aminoaromaten, Biozide.

Durch die herkömmlichen Probenahmetechniken, nämlich Abpumpen der Probe zur der Detektion der Parameter, werden viele der genannten Parameter so massiv verfälscht, daß sie nicht oder nur eingeschränkt zur Auswertung herangezogen werden können. Außerdem vermitteln sie selbst dann, wenn sie nicht durch das Abpumpen verfälscht werden, nur ein grobes Bild aus dem Umfeld der jeweilig gewählten Probenahmestelle. Insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und schwacher Ergiebigkeit des Aquifers versagt die Pumpmethode vollends.

Ziel einer sensitiven und korrekten Ermittlung der Gewässerparameter muß daher die in-situ-Messung möglichst vieler der o.g. Parameter sein, und zwar mit miniaturisierter Meßmethodik auf möglichst kleinem Raum. Für eine Reihe chemisch-physikalischer Parameter, z. B. Gasgehalte im wäßrigen Medium, pH-Werte, Redox-Potential, Leitfähigkeit wurden auf dem medizinisch-diagnostischen Sektor bereits wesentliche Fortschritte bei der Analyse von Körperflüssigkeiten gemacht, die sich ohne Weiteres auf die Aquiferuntersuchung übertragen lassen. Hier ist es notwendig, diese Untersuchungsmethoden mit geeignet miniaturisiert einsetzbaren Strömungsmeßeinrichtungen zu kombinieren. Letztere sind aber nicht vorhanden und müssen entwickelt werden.

Diese Aufgabe wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 23 gelöst. Das Verfahren eignet sich besonders für die Anwendungen gemäß Anspruch 24. Das Verfahren wird nachfolgend beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Prinzip der Fluidströmungsdetektion mittels in der Fluidströmung relativ zur Detektorposition 1. begrenzt beweglichen Strahlungsemittenten und 2. nicht oder begrenzt beweglichen Meßstoffemittenten. Dabei sind unter den emittierten Meßstoffen auch Strahlungsemittenten subsummiert.

Mittels der Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten relativ zur Detektorposition begrenzt beweglichen Strahlungs- und/oder Meßstoffemittenten wird aus dem räumlichen Strömungsfeld vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeits- und die Strömungsrichtungskomponente der horizontalen Ebene ermittelt, mittels den relativ zur Detektorposition fixierten Meßstoffemittenten können die absoluten Werte der Strömungsrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit im gesamten dreidimensionalen Raum relativ zur Meßgeratposition uneingeschränkt ermittelt werden.

In der Regel reicht es aus, die horizontale Strömungskomponente zu ermitteln, da von der Horizontalen wesentlich abweichende Strömungskomponenten in der Regel nur in Teichen, Seen und Meeren und vor allein in Grundwässern unterhalb von oberirdischen Gewässern auftreten. Allerdings können sie in Grundwasserpegeln z. B. auch auf Strömungskomponenten zwischen unterschiedlichen Grundwasserstockwerken hinweisen, wie sie z. B. auch durch die Pegelinstallation verursacht werden können.

• a) Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten frei beweglichen emittierten Meßstoffen, die aus der fixierten Emissionsquelle stammen, eignet sich auch für extrem langsame Strömungsvorgänge, die durch Strömungsgeschwindigkeiten von < 1 m/d gekennzeichnet sind, aber auch für schnellere Strömungen.
• b) Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten frei beweglichen emittierten Meßstoffen, die aus der begrenzt beweglichen Emissionsquelle stammen, eignet sich für Strömungsvorgänge, die durch Strömungsgeschwindigkeiten von < 1 m/d gekennzeichnet sind.
• c) Die erfindungsgemäßen Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten begrenzt beweglichen Strahlungsemittenten eignet sich für Strömungsvorgänge, die durch Strömungsgeschwindigkeiten von < 1 m/d gekennzeichnet sind.

a) Zunächst wird die Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten frei beweglichen emittierten Meßstoffen aus fixierten Emissionsquellen beschrieben, die sich für die Ermittlung der Strömung uneingeschränkt im gesamten dreidimensionalen Raum eignet.

Diese Verfahrensvariante beinhaltet eine Vorrichtung bestehend aus einem relativ zum Detektor fixierten Emitter für die emittierten Meßstoffe und von vorzugsweise sphärisch um den Emitter angeordneten Strahlungs- und/oder Meßstoffdetektoren, die mit ihren Befestigungs- und ggf. Detektions-Signalableite-Vorrichtungen so angeordnet sind, daß sie auf die Strömung des Wassers möglichst ohne Einfluß sind. Die Strahlungsemittenten emittieren nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise eine Strahlung, die eine Reichweite von wesentlich geringerer Distanz ist, als diejenige zwischen Strahlungsemittenten-Emitter und Detektoren. Dies ist beispielsweise die Alpha-Strahlung wie sie von Thoriumkerne enthaltenden Partikeln ausgeht. Der Vorteil dieser Strahlung ist zusätzlich der, daß die Strahlendetektion auch in trübem Wasser funktioniert.

Bei den emittierten Meßstoffen handelt es sich vorzugsweise um solche Partikel, die sich durch die Eigenschaft eines möglichst niedrigen Diffusionskoeffizienten in Wasser auszeichnen, damit der auf ihrer durch die Strömung und Diffusion vorgegebene Bewegungsablauf der Strahlungsemittenten auf ihrem Weg zwischen Emitter und Detektor im wäßrigen Fluid weit überwiegend durch Strömung dominiert wird. Derartige Eigenschaften haben zum Beispiel die großen Farbstoffmoleküle, polycyclische Aromaten und insbesondere Moleküle kolloidaler Größe, wie sie beispielsweise die ionischen Polymeren darstellen, die z. B. als Flockmittel im Handel sind. Solche Stoffe können ohne Weiteres auch mit strahlungsemittierenden Kernen molekulardispers verbunden werden, so daß die resultierenden strahlungsemittierenden Polymeren kolloidal wasserlöslich bleiben.

Die emittierten Meßstoffe werden vorzugsweise als wäßrige Lösung oder kolloidale Dispersion emittiert und zwar vorzugsweise in einer Menge, die gerade hinreichend ist, um eine ausreichende Detektionsreaktion zu verursachen.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der frei emittierten Meßstoffe ist die, daß sie sich gut durch Sorption ab scheiden lasen. Diese Eigenschaft wird deshalb bevorzugt, weil in der Regel das zu beprobende Umfeld dem Aquifers möglichst unbeeinflußt von der Messung bleiben soll. Es besteht daher in vielen Fällen der Bedarf, die emittierten Meßstoffe quantitativ nach dem erfolgten Meßvorgang festzuhalten. Je nach gewähltem Detektionsprinzip kann es auch für den Meßvorgang essentiell sein, die emittierten Meßstoffe zum Meßvorgang auf der Meßstelle zu fixieren. Das kann einfach dadurch geschehen, daß die Meßstoffe in einem vorzugsweise konzentrisch um die Meßvorrichtung bzw. den Emitter der Strahlungs- und/oder Stoff-Emittenten angeordneten partikulären oder monolithischen hochporösen Sorptions-Festbett sorbiert werden. Anstelle der konzentrischen Anordnung kann auch ein Sorptionsfestbett hohlzylindrischer Form gewählt werden.

Bei der Auswahl der emittierten Meßstoffe und dem dazu geeigneten Sorptionsmaterial wird natürlich berücksichtigt, daß das Sorptionsmaterial die übrigen zu messenden Milieuparameter möglichst unbeeinflußt läßt. Dies kann einerseits durch Auswahl der Meßstoffe oder aber durch getrennte räumliche Anordnung der Strömungsparameter- und sonstiger Milieuparameter-Messung geschehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das konzentrisch oder zylindrisch um den Meßstoff-Emitter angeordnete Meßstoff-Sorptionsfestbett selbst die Detektionseinrichtung. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das zur Detektion verwendete Festbettsorptionssystem, das nicht notwendig quantitativ sorbieren muß, von dem vorzugsweise quantitativ sorbierenden Sorptionsbett zur Verhinderung des Eintritts des emittierten Meßstoffs in den Aquifer zu trennen.

Die für die Messung geeigneten und verfügbaren Detektionsprinzipien sind vielfältig und können auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten werden. Im Folgenden werden Beispiele möglicher Detektionsmöglichkeiten angegeben, wobei die Erfindung keinesfalls auf die angegebenen Detektionsprinzipien beschränkt ist:

1. strahlungsemittierende Meßstoffe

• - Direkte Strahlen-Detektion mittels multipler strahlungssensitiver Detektoren, bei denen die meßstoffstämmigen Strahlenimmissionen als elektrische Impulse gemessen werden. Bei dieser Verfahrensvariante ist eine Vielzahl von Detektoren um den Meßstoff-Emitter anzuordnen.
• - Indirekte Strahlendetektion mittels strahlungsinduzierter irreversibler chemischer Reaktionen während des Meßvorgangs. Beispiele hierfür sind die Spaltung von Silberhalogenid in Silber und Halogen, die Bildung von strahlungsinduzierten Farbzentren in Feststoffen, wie sie z. B. in Quarz, Flußspat und anderen Stoffen auftreten oder auch die Polymerisation von Stoffen. Die geschwärzten, verfärbten oder polymerisierten Bereiche können ggf. nach Ablösen der nicht polymerisierten Bereiche nach Herausnahme der Detektionseinrichtung optisch analysiert werden.
• - Indirekte Strahlendetektion mittels strahlungsinduzierter chemischer oder physikalischer Reaktionen nach dem Meßvorgang. Diese Methode eignet sich für Detektoren, die den strahlenden Meßstoff sorbieren. Nach Herausnahme des Detektors wird dieser, da er die Strahlungsemittenten entsprechend dem durch die Strömung induzierten Verteilungsmuster enthält, mit geeigneten Mitteln untersucht. Diese Bereiche strahlen und können mit beliebigen chemischen oder physikalischen Strahlendetektionsmethoden kenntlich gemacht werden.
• - Indirekte Meßstoffdetektion mittels chemischer oder physikalischer Reaktionen nach dem Meßvorgang. Diese Methode eignet sich vorzugsweise für Detektoren, die als Meßstoff-Sorber wirken. Nach Herausnahme des Detektors nach abgeschlossenem Meßvorgang wird dieser, da er die Strahlungsemittenten entsprechend dem durch die Strömung induzierten Verteilungsmuster enthält, mit geeigneten Mitteln untersucht. Beispiele für emittierte Stoffe sind z. B. wasserlösliche Farbstoffe, die sich an ihrer Farbe oder bei Bestrahlung mit UV-Licht optisch erkennen lassen, polycyclische Aromaten, die sich ebenfalls mit UV-Licht optisch erkennen lassen, Schwermetalle, die sich z. B. bei Entwicklung mit sulfidischem Schwefel oder andere Nachweise erkennen lassen. Insbesondere schwach wasserlösliche lipophile Farbstoffe und polycyclische Aromaten lassen sich sehr bequem an aus PE-Folie hergestellten Detektoren sorbieren und nachweisen.

2. Nichtstrahlende Meßstoffe

• - Weitere Möglichkeiten der direkten und indirekten Meßstoffdetektion sind z. B. die Messung der Leitfähigkeitserhöhung bei der Verwendung von Elektrolyten als Meßstoff, der Einsatz von Ionenaustauscher-Detektor-Festbettsorbern bei Elektrolytmeßstoffen, die Schaltung des Detektors als elektrolysewirksamer Sorber, der die Meßstoffkomponente elektrolytisch abscheidet und dabei die Elektrolysestromhöhe mitteilt und sich zusätzlich die gravimetrisch oder anderweitig meßbare abgeschiedene Stoffmenge ermitteln läßt. Möglich ist auch die stromlose Metallabscheidung durch Zementation an Unedelmetallen. Viele weitere Beispiele der dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden Detektionsprinzipien sind möglich.

Eine besondere Bedeutung hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wirkung des Meßstoff-Emitters. Die Emission bzw. Freisetzung der Strahlungsemittenten und/oder Meßstoffe aus dem Emitter soll bevorzugt über die Zeit kontinuierlich in konstanter Menge oder in genau definierten Intervallen ebenfalls in konstanter Menge erfolgen. Die Emissionsquelle soll möglichst kleinräumig sein und die emittierte Meßstoff-Menge je Zeiteinheit soll möglichst gering sein. Als bevorzugte Einrichtung wird hierfür ein Vorratsgefäß für den emittierten Meßstoffe gewählt, das eine feine Austrittskapillare für den Austritt der Lösung und oder kolloidalen Lösung der emittierten Meßstoffe hat und das in seinem Inneren eine miniaturisierte Elektrolyseeinrichtung besitzt, mit der kontinuierlich oder in Intervallen definierte Elektrolysegasmengen als Verdrängungsmedium erzeugt werden können, mit Hilfe derer die emittierten Meßstoffe für den Meßvorgang in den Aquifer freigesetzt werden können. Derartige Einrichtungen sind bekannt und auf dem einschlägigen Markt vorhanden. Um gegebenenfalls chemische Reaktionen der Elektrolyseprodukte mit den emittierten Stoffen zu vermeiden, können die elektrolytisch erzeugten Verdrängergase auch in einem abgeschlossenen, zur Volumenexpansion ausgelegten Verdrängergefäß generiert werden.

Die Strömungsrichtung läßt sich nach dieser Methode eindeutig bei kontinuierlicher oder intervallmäßiger Emission bzw. Freisetzung der Meßstoffe aus dem Emitter bestimmen, sie ergibt sich aus dem Detektionsort: Die Strömungsrichtung ergibt sich aus seiner Lage zum Nordpfeil, nach dem der Detektor vorzugsweise ausgerichtet wird und dem Neigungswinkel, den der Detektionsort zur horizontalen Ebene einnimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit läßt sich durch die Messung des Zeitraumes zwischen einem einmaligen Ereignis einer Emission bzw. Freisetzung der Meßstoffe aus dem Emitter und dem Beginn der Meßstoff-Detektion am Detektor ermitteln. Aus dem gemessenen Zeitraum, dem Abstand zwischen Emissions- und Detektionsort und unter Berücksichtigung der Porosität des anstehenden Gesteins läßt sich die Strömungs- oder Fließgeschwindigkeit des Grundwassers eindeutig bestimmen.

Für orientierende Messungen wird ein einfaches Meßstoffemissionssystem der elektrolysegasgepumpten Meßstofflösung vorgezogen, indem schwer wasserlösliche Substanzen z. B. als Feststoffpartikel oder sorbiert auf einem porösen Trägerstoff als Emissionsquelle verwendet werden.

b) Verfahrensvariante mit fluidströmungsbewegten frei beweglichen emittierten Meßstoffen, die aus der begrenzt beweglichen Emissionsquelle stammen, vorzugsweise zur Ermittlung der Strömungskomponente in der horizontalen Ebene.

Auch diese Verfahrensvariante beinhaltet eine Vorrichtung bestehend aus einem Emitter für die freien emittierten Meßstoffe und von vorzugsweise flach oder gewölbt über oder unter dem Emitter angeordneten Meßstoffdetektoren, die mit ihren Befestigungs- und ggf. Detektions-Signalableite-Vorrichtungen so angeordnet sind, daß sie auf die Strömung des Wassers möglichst ohne Einfluß sind. Die als Strahlungsemittenten wirkenden Meßstoffe emittieren nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise eine Strahlung, die eine Reichweite von wesentlich geringerer Distanz ist, als diejenige zwischen Strahlungsemittenten-Emitter und Detektoren. Dies ist beispielsweise die Alpha-Strahlung wie sie von Thoriumkerne enthaltenden Partikeln ausgeht. Der Vorteil dieser Strahlung ist zusätzlich der, daß die Strahlendetektion auch in trübem Wasser funktioniert.

Hierbei werden die emittierten Meßstoffe nicht in der Form einer wäßrigen Lösung freigesetzt, sondern vorzugsweise gelöst in einer in Wasser möglichst gering löslichen und nicht zur Emulsion mit Wasser neigenden Trägerflüssigkeit, die eine Dichte kleiner als Wasser oder größer als Wasser hat.

Eine besondere Bedeutung hat auch bei dieser Verfahrensvariante die Wirkung des Meßstoff-Emitters. Die Emission bzw. Freisetzung der Meßstoffe aus dem Emitter soll auch hier bevorzugt über die Zeit kontinuierlich in konstanter Menge oder in genau definierten Intervallen ebenfalls in konstanter Menge erfolgen. Die Emissionsquelle soll möglichst kleinräumig sein und die abgegebene emittierte Meßstoff-Menge je Zeiteinheit soll möglichst gering sein. Als bevorzugte Einrichtung wird hierfür wiederum eine Kapillaraustrittsöffnung gewählt, die mit einem Vorratsgefäß kommunizierend verbunden ist.

Das Vorratsgefäß für den in nichtwäßriger Lösung gelösten emittierten Meßstoffe enthält vorzugsweise dazu eine feine Austrittskapillare für den Austritt der Lösung und oder kolloidalen Lösung der emittierten Meßstoffe. Hierbei ist die Austrittskapillare, für die Vermessung langsam fließender Gewässer vorzugsweise eine möglichst bewegliche Hohlfaser, z. B. aus PE an der Austrittsstelle in den Aquifer mit einem Schwimmkörper verbunden, der eine möglichst geringfügig geringere oder möglichst geringfügig höhere Dichte als Wasser hat.

Bei schneller fließenden Gewässern ist die Emissionsquelle mittels eines Rundstabes oder Rohres mit einer an die Fließgeschwindigkeit angepaßten Rückstellkraft verbunden. Hierbei erübrigt sich zwar die Anwendung von Schwimmkörpern. Die Wirkung der Strömung auf die Auslenkung der Emissionsquelle bei schnellen Strömungen kann aber durch vorzugsweise rotationssymmetrische Verdrängungseinrichtungen mit dem Rundstab als Achsenposition verstärkt werden.

Bei höheren Fließgeschwindigkeiten, die die Anwendung beispielsweise des Rundstabes mit Rückstellkraft notwendig machen, kann diese Variante auch zur Vermessung der Strömungsstrukturen in beliebigen Ebenen außerhalb der Horizontalen eingesetzt werden. In diesen Fällen können prinzipiell durch nacheinander vorgenommene Messungen in mehreren Ebenen räumliche Strömungsmuster ermittelt werden, sofern hinreichende Strömungsparameterkonstanz gegeben ist.

Vorzugsweise besitzt das Vorratsgefäß für den in nichtwäßriger Lösung gelösten emittierten Meßstoffe in seinem Inneren eine miniaturisierte Elektrolyseeinrichtung, mit der kontinuierlich oder in Intervallen definierte Elektrolysegasmengen als Verdrängungsmedium erzeugt werden können, mit Hilfe derer die Meßstoffe für den Meßvorgang in den Aquifer freigesetzt werden können. Die elektrolytisch erzeugten Verdrängergase werden hierbei in einem abgeschlossenen Verdrängergefäß generiert.

Je nach Dichte des Schwimmkörpers, an dem zugleich die Emissionsstelle für die emittierten Meßstoffe angeordnet ist, wird als wasserunlösliches Lösungsmittel für Strahlungsemittenten und/oder emittierten Stoff eine geeignete Dichte gewählt. Falls der Schwimmkörper schwerer wie Wasser ist, wird ein Lösungsmittel mit höherer Dichte als Wasser gewählt, falls er leichter wie Wasser ist, wird ein Lösungsmittel mit geringerer Dichte als Wasser gewählt.

Die Meßstoffdetektoren sind vorzugsweise ebene vielfach durchbrochene oder grob poröse Scheiben, deren Funktionen denen der unter a) beschriebenen Variante entsprechen. Auch sie sind gegebenenfalls durch Sorptionseinrichtungen oder Auffangvorrichtungen über- oder unterlagert, um die emittierte überschüssige Lösungsphase aufzufangen.

Beweglich fixiert am Schwimmkörper emittiert die Kapillarfaseröffnung kontinuierlich oder diskontinuierlich feinste Tröpfchen der Lösung der emittierten Meßstoffe in die Aquiferströmung, die in dieser nach oben steigen oder nach unten fallen, je nach ihrer Dichte. Der einseitig an der Kapillarfaser fixierte Schwimmkörper wird je nach Geschwindigkeit und horizontaler Komponente der Aquiferströmung aus der senkrechten Position über oder unter dem Fixpunkt der Kapillare abgelenkt, so daß die aufsteigenden oder fallenden Lösungströpfchen der emittierten Meßstofflösung auf dem Detektor annähernd die Emissionsstelle markieren. Analog der unter a) beschriebenen Verfahrensvariante läßt sich das Detektionsergebnis direkt oder indirekt gewinnen.

Die Strömungsrichtung und die Fließgeschwindigkeit läßt sich nach dieser Methode eindeutig bei kontinuierlicher oder intervallmäßiger Emission bzw. Freisetzung der Meßstoffe aus dem Emitter bestimmen, beide Parameter ergeben sich aus der Detektionslokalität: Je weiter der Detektionsort vom Zentrum des Detektors entfernt ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Unter Berücksichtigung der Porosität des anstehenden Gesteins läßt sich die Strömungs- oder Fließgeschwindigkeit des Grundwassers im anstehenden Gestein aus der ermittelten Geschwindigkeit im freien Wasser eindeutig bestimmen. Die Strömungsrichtung ergibt sich aus der Lage zum Nordpfeil, nach dem der Detektor vorzugsweise ausgerichtet wird.

c) Messung der horizontalen Aquiferströmungskomponenten mit fluidströmungsbewegten begrenzt beweglichen Strahlungs-Emittenten, die sich bei geringen Strömungsgeschwindig­ keiten vorzugsweise zur Ermittlung der Strömungsparameteranteile in der horizontalen Ebene eignet:

Diese Verfahrensvariante nutzt einen einseitig mit einem flexiblen Filament fixierten Schwimmkörper mit geringfügig leichterem oder geringfügig schwererem spezifischen Gewicht als Wasser als Strahlungs-Quellen-Träger. Dabei wird als Strahlung vorzugsweise diodengenerierte elektromagnetische Strahlung eingesetzt. Als Detektionseinrichtung werden vorzugsweise zu kreisförmig flachen oder gewölbt bis maximal halbkugelförmig geformten multiple Photodetektoren zusammengefaßte Vorrichtungen eingesetzt.

Bei schneller fließenden Gewässern ist die Emissionsquelle mittels eines Rundstabes oder Rohres mit einer an die Fließgeschwindigkeit angepaßten Rückstellkraft verbunden. Hierbei erübrigt sich zwar die Anwendung von Schwimmkörpern. Die Wirkung der Strömung auf die Auslenkung der Emissionsquelle bei schnellen Strömungen kann aber durch vorzugsweise rotationssymmetrische Verdrängungseinrichtungen mit dem Rundstab als Achsenposition verstärkt werden.

Bei höheren Fließgeschwindigkeiten, die die Anwendung beispielsweise des Rundstabes mit Rückstellkraft notwendig machen, kann diese Variante auch zur Vermessung der Strömungsstrukturen in beliebigen Ebenen außerhalb der Horizontalen eingesetzt werden. In diesen Fällen können prinzipiell durch nacheinander vorgenommene Messungen in mehreren Ebenen räumliche Strömungsmuster ermittelt werden, sofern hinreichende Störungsparameterkonstanz gegeben ist.

Um genauere Detektionsergebnisse zu erzielen werden die Detektoren vorzugsweise durch strahlungsundurchlässige Elemente, z. B. in der Form von Röhrchen, Stäbchen oder Plättchen umgeben, die den seitlichen Strahleneinfall aus der Strahlenemitters verhindern und nur annähernd senkrecht einfallende Strahlen auf die Detektoren gestatten.

Zur Detektion eignen sich alle physikalischen Methoden der Strahlendetektion, aber auch chemische, z. B. diejenige mit lichtempfindlichem Film. Die Methodenvielfalt erlaubt daher die direkte Detektion als auch die nachträgliche, z. B. durch Untersuchung der Filmschwärzung.

Vorzugsweise wird die Meßvorrichtung in schwach bewegten Gewässern durch ein Metallgewicht hinreichender Größe in der vertikalen Position gehalten. Diese Methode zur Lagestabilisation ist in Meßpegeln hinreichend. In offenen schnell strömenden oder bewegten Gewässern müssen ggf. zusätzliche, an und für sich bekannte Maßnahmen zur Positionierung der Meßvorrichtung getroffen werden, z. B. in der Form von mehr oder weniger schweren einzelnen oder mehreren Grundankern. Dies gilt natürlich auch für die anderen genannten Verfahrensvarianten.

Die Strömungsrichtung und die Fließgeschwindigkeit läßt sich auch nach dieser Methode eindeutig bei kontinuierlicher oder intervallmäßiger Strahlen-Emission aus dem Emitter bestimmen, beide Parameter ergeben sich aus der Detektionslokalität: Je weiter der Detektionsort vom Zentrum des Detektors entfernt ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Unter Berücksichtigung der Porosität des anstehenden Gesteins läßt sich die Strömungs- oder Fließgeschwindigkeit des Grundwassers im anstehenden Gestein aus der ermittelten Geschwindigkeit im freien Wasser eindeutig bestimmen. Die Strömungsrichtung ergibt sich aus der Lage zum Nordpfeil, nach dem der Detektor vorzugsweise ausgerichtet wird.

Alle genannten Verfahrensvariationen des erfindungsgemäßen Detektionsprinzips der Strömungsverhältnisse in sich langsam oder schneller bewegenden Gewässern sind auf kleinem Raum zu verwirklichen. Sie sind daher auch in Meßpegeln einsetzbar und ohne Weiteres für die Ermittlung der vertikalen Strömungsstruktur eines Aquifers geeignet.

Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Meßsonden mit zusätzlichen Meßeinrichtungen der Milieuparameter ausgerüstet werden, wenn diese den hinreichenden Miniaturisierungsgrad haben.

Es ist ohne weiteres möglich mehrere der erfindungsgemäßen Strömungsmesser vertikal und/oder horizontal miteinander zu koppeln um die gleichzeitige lineare, flächige oder räumliche Strömungsstruktur zu ermitteln. In langsam fließenden Aquiferen, wie es vielfach beim Grundwasserstrom der Fall ist, ist es meistens jedoch hinreichend nacheinander oder kontinuierlich das erfindungsgemäße Meßgerät in verschiedene Positionen zu verfahren, um die gewünschten Strömungsprofile zu erhalten.

Damit wird insbesondere der Umweltforschung, der Altlastenerkundung, der Gewässersanierung ein vielseitiges Hilfsmittel verfügbar gemacht, mit dem sie ihre Aufgaben weitaus effektiver und wirtschaftlicher lösen kann.

Claims (24)

1. Verfahren zur kleinräumigen Ermittlung der Fluidströmungsparameter Fließgeschwindigkeit und Fließrichtung mittels eines oder mehrerer der Hilfsmittel emittierte Meßstoffe und emittierte Strahlung und einem oder mehreren der Strahlungs-Detektions-Orte, und Meßstoff-Detektions-Orte, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder mehrere der Hilfsmittel mindestens während des Meßvorgangs begrenzt beweglich und/oder frei beweglich in dem zu vermessenden strömenden Fluid zwischen einer oder mehrerer relativ zu den Detektions-Orten begrenzt beweglichen und/oder fixierten Quellen von Strahlungs-Emission und Meßstoff-Emission und einem oder mehreren der Detektions-Orte für Strahlungsemission und Meßstoff-Detektion vorliegen und daß mindestens ein Detektions-Ort und mindestens eine Emissions-Quelle innerhalb eines Meßgerätes vorliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel Meßstoffe aus der Emissions-Quelle als Lösung emittiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel Meßstoffe aus der fixierten Emissions-Quelle als wäßrige Lösung emittiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel Meßstoffe aus der begrenzt beweglichen Emissions-Quelle als nichtwäßrige Lösung emittiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel Meßstoffe aus der Emissions-Quelle mittels elektrolytischer Erzeugung von Verdrängungsgas emittiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsquelle für Strahlung und/oder Meßstoffe an einem begrenzt beweglichen Schwimmkörper mit geringerer oder höherer Dichte als Wasser fixiert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsquelle für Strahlung und/oder Meßstoffe an einem begrenzt beweglichen Element mit einer an die Strömungsgeschwindigkeit angepaßten Rückstellkraft fixiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstoff-Emissionsquelle die Öffnung einer Kapillare ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsemittent ein Meßstoff ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsemittent eine begrenzt bewegliche feste Strahlenquelle ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsemittent an einem begrenzt beweglichen Schwimmkörper mit geringerer oder höherer Dichte als Wasser fixiert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsemittent eine Diode ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierten Strahlen und/oder Meßstoffe mittels eines sorptionsaktiven monolithischen und/oder partikulären Festbettspeichers empfangen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor und/oder Festbettspeicher für die emittierten Strahlen und/oder Meßstoffe eben, gewölbt, hohlsphärisch oder hohlzylindrisch geformt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die emittierten Strahlen und/oder Meßstoffe gegen Seitenstrahleneinfall undurchlässigen Elementen bedeckt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die emittierten Strahlen und/oder Meßstoffe ein sorptionsaktiver monolithischer und/oder partikulärer Festbettspeicher ist.

17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die emittierten Strahlen und/oder emittierten Meßstoffe, die aus diesen Emissions-Vorgängen als sorbierte Strahlen und/oder Partikel auf strömungsrichtungs- und/oder strömungsgeschwindigkeitsabhängig lokalisierten Detektor-Orten in der Form einer gespeicherten topographischen Sorptionsmuster-Information unmittelbar nach dem Zeitpunkt ihrer jeweiligen Einwirkung auf den Detektor und/oder zeitlich versetzt direkt oder indirekt original und/oder als Sorptionsmuster-Kopie als ablesbare Information zur Erkennung des momentanen Zustandes der Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit oder der zeitlichen Gang der Strömungsrichtungs-Änderung und den zeitlichen Gang der Strömungsgeschwindigkeits-Änderung abgibt und/oder enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die Meßstoffe aus der fixierten Emissionsquelle für die emittierten Meßstoffe die aus diesen Emissions-Vorgängen als sorbierte Strahlen und/oder Partikel auf unterschiedlichen Detektorlokalitäten in der Form einer gespeicherten topographischen Sorptionsmuster-Information unmittelbar nach dem Zeitpunkt ihrer jeweiligen Einwirkung auf den Detektor als ablesbare Information zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit abgibt und in der Verbindung mit Datenspeichersystemen den Gang der zeitlichen Strömungsrichtungs-Änderung ermöglicht.

19. Verfahren nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Datendetektion und Datenspeicherung und Datenverarbeitung nach einem oder mehreren der optischen, physikalischen, elektronischen, elektrochemischen und chemischen Sorptions- und/oder Detektions- und/oder Datenverarbeitungs- und Datenspeicher-Prinzipien erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor nach einem oder mehreren der Sorptions- und/oder Detektionsprinzipien
Leitfähigkeitsänderung im Elektrolyt,
Widerstandsänderung der Detektorelektroden,
physikalisch und/oder chemisch wirkende Photonen und Strahlenteilchendetektion,
Elektrolyse,
Elektrolysestromänderung,
Coulometrie,
Zementation,
Ionenaustausch,
elektrolytische Stoffabscheidung,
Charge-Transfer-Sorption,
Adsorption/Absorption von Lipophilen an lipophilen Feststoffen,
Fluoreszenz,
Phosphoreszenz,
gravimetrische Analyse,
optische Transmission,
Fluorimetrie,
chemische Reaktion,
strahlenchemische Reaktion,
Extraktion.

21. Verfahren nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den emittierten Strahlungsemittenten angereicherte Detektor einer physikalischen und/oder strahlenchemischen Analyse unterzogen wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßeinheiten linear, flächig oder räumlich zur gleichzeitigen Bestimmung linearer, flächig oder räumlich ausgedehnter Strömungsstrukturen miteinander gekoppelt sind.

23. Verfahren nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder mehrere miniaturisierte Milieumeßsysteme für weitere physikalische Parameter und chemische Parameter in dem Fluidströmungsdetektor integriert sind.

24. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Vermessung von Grundwasser, Fließgewässern, stehenden Gewässern und Meeren sowie angrenzenden Kompartimenten Verwendung findet und darüber hinaus auch von künstlichen Gewässern.