DE19841301A1

DE19841301A1 - In situ sampling system for ground water comprises laying slightly sloping collecting pipes at different levels in formation, collected water being fed to subterranean chamber or sampled directly by probes in bores at ends of pipes

Info

Publication number: DE19841301A1
Application number: DE1998141301
Authority: DE
Original assignee: ECON AG
Current assignee: ECON AG
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-11-09

Abstract

System for in situ sampling of ground water comprises laying slightly sloping collecting pipes (4, 5, 6) at different levels in the formation. The collected water may be fed to an artificial or natural subterranean chamber or sampled directly by probes in bores at the ends of the collecting pipes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Versuchsverfahren zu Zwecken der exakten Ermittlung von Verlagerungsphänomenen chemischer Stoffe im Boden hinsichtlich einer möglichen Penetration des Grundwassers. Es dient zur Abschätzung der Umweltsicherheit. Das Verfahren beruht auf einem in diesem Bereich üblichen, technischen Aufbau. Das Verfahren erlaubt die Sondierung von Sickerwasser und damit die Erfassung gelöster chemischer Verbindungen zum Zwecke der wissenschaftlichen Bestimmung /Überwachung der Mobilität und Verfügbarkeit dieser Stoffe in wasserleitenden Boden horizonten. Der technische Aufbau ist an die im agrartechnischen Bereich üblichen Entwässerungssysteme angelehnt. Die Bestimmung der Stoffe erfolgt durch chemisch analytische Methoden.The invention relates to a test method for the purposes of the exact determination of Relocation phenomena of chemical substances in the soil with regard to a possible Penetration of groundwater. It is used to assess environmental security. The The process is based on a technical structure customary in this area. The The method allows the probing of leachate and thus the detection of dissolved chemical compounds for scientific purposes / Monitoring the mobility and availability of these substances in water-conducting soil horizon. The technical structure is similar to that used in agricultural technology Drainage systems based. The substances are determined by chemical means analytical methods.

STATE OF THE ART

Der derzeitige Stand der Technik für die Messung der Mobilität chemischer Verbindun gen im Boden ergibt sich aus den Anforderungen an das Versuchsdesign, welches na tionale und internationale Behörden im Zusammenhang mit Anmelde-, Zulassungs-, Registrierungs-, Genehmigungs- und Überwachungsverfahren hinsichtlich der Verla gerung von Stoffen im Boden stellen. Die Lysimetermethodik ist ein Halbfreilandsystem, das als räumlich auf ca. 1 m Tiefe begrenztes System nur eine eingeschränkte Boden variabilität bietet und die natürlichen Begebenheiten hinsichtlich der Adsorptionsei genschaften verschiedener Bodenschichten bis zu den grundwasserführenden Schichten nur ausschnittsweise wiedergeben kann.The current state of the art for measuring the mobility of chemical compounds soil in the soil results from the requirements of the experimental design, which na national and international authorities in connection with registration, admission, Registration, approval and surveillance procedures regarding the publ storage of substances in the floor. The lysimeter methodology is a semi-field system, the system, which is limited to a depth of approx. 1 m, only has a restricted floor offers variability and the natural conditions regarding the adsorption egg properties of different soil layers up to the groundwater Can only reproduce layers in sections.

Bei den gängigsten dieser Methoden wird mit einem Metallzylinder (r = bis ca. 100 cm, l = 100 cm) eine Bodensäule ausgestanzt und auf einem Diaphragma oder Sieb plaziert. Nach der definierten Behandlung der Bodenprobe mit der Testsubstanz, die als radio aktiv markierte Substanz ausgebracht wird, erfolgt die Beregnung unter definierten Be dingungen. Das Sickerwasser sammelt sich unter der Bodenprobe. Hier kann jeweils ein Aliquot entnommen und auf seinen Gehalt an applizierter Testsubstanz und ggf. de ren Abbauprodukte hin untersucht werden. Auf Basis der ermittelten Ergebnisse wird auf Zurückhaltung von Chemikalien im verwendeten Boden bzw. deren Durchgangs fähigkeit in das Grundwasser auf Feldbedingungen hin extrapoliert.In the most common of these methods, a metal cylinder (r = up to approx. 100 cm, l = 100 cm) a base column is punched out and placed on a diaphragm or sieve. After the defined treatment of the soil sample with the test substance, which is called radio active labeled substance is applied, the irrigation takes place under defined Be conditions. The leachate collects under the soil sample. Here can each an aliquot removed and its content of applied test substance and, if applicable, de degradation products are examined. Based on the results determined retention of chemicals in the soil used or their passage ability extrapolated into the groundwater for field conditions.

ADDITIONAL EXPLANATIONS ON THE UNIQUE CHARACTERIZATION

Das neue Versuchsverfahren zur Probenahme von Sickerwässern unter Versuchsfel dern ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sondierung direkt im Feld erfolgen kann. Hierzu werden Sammelgefäße, z. B. Rohre, in verschiedenen Bodentiefen und paralle len Entfernungen unter einer zu behandelnden Fläche horizontal verlegt. Die Sammel behälter Können aus jedem für diese Zwecke geeignetem Material gefertigt sein. Die Einbringung der Sammelgefäße in die Bodenhorizonte erfolgt zerstörungsfrei, d. h. die Oberbodenhorizonte bleiben ungestört. Die Gefäße werden in einen oder mehrere Bo denhorizonte in verschiedenen Tiefen mittels eines Horizontalbohrsystems in einem im Einzelfall festzulegenden dreidimensionalen Muster verlegt. Die Tiefe ab der Bo denoberfläche ist durch die Bodenbegebenheiten begrenzt. Technisch möglich sind Be probungstiefen auch unterhalb 10 m.The new test method for sampling leachate under test field is characterized in that the probing can take place directly in the field. For this purpose, collecting vessels, e.g. B. pipes, in different depths and parallel len distances horizontally laid under a surface to be treated. The gathering Containers can be made of any material suitable for this purpose. The The collection vessels are introduced into the soil horizons without being destroyed. H. the Soil horizons remain undisturbed. The vessels are placed in one or more Bo horizons at different depths using a horizontal drilling system in one Three-dimensional pattern to be determined in individual cases. The depth from the bo The surface is limited by the soil conditions. Technically possible are sample depths also below 10 m.

Die Sammler sind zur Erdoberfläche hin wasserdurchlässig (Siebstruktur), zum Erd mittelpunkt hin sind sie wasserundurchlässig, so daß sich das Sickerwasser darin sammeln kann. Der Verlauf der Sammelgefäße im Boden wird mit einer leichten Krän kung gegen die Horizontale angelegt. Dies gewährleistet den Ablauf in die Haupt sammler. Die Sammlung des Sickerwassers kann wahlweise aus einem Aushub (Kel ler, natürlicher Hang) oder direkt von der Feldoberfläche aus mittels schräg in den Bo den verlegten Beprobungssonden erfolgen. Dabei wird die Sonde schräg in den Boden bis zum Endpunkt des Sammelgefäßes vorangetrieben. Der geneigte Teil der Sonde ist auch zur Oberfläche hin undurchlässig. Durch die Sonde wird mittels einer Pumpe das Sickerwasser aus den Sammlern aus einem Senkknie kontinuierlich abgepumpt. Eine Übersicht über die Anordnung der Sammler und der Hauptsammeleinrichtung geben die nachfolgenden Abbildungen.The collectors are permeable to the earth's surface (sieve structure), to the earth At the center, they are impermeable to water, so that the leachate is in it can collect. The course of the collecting vessels in the bottom is made with a light cranes against the horizontal. This ensures the drain in the main collector. The collection of the leachate can either be from an excavation (Kel natural slope) or directly from the field surface by sloping into the Bo the installed sampling probes. The probe is slanted into the ground driven to the end point of the collecting vessel. The inclined part of the probe is also impermeable to the surface. The probe uses a pump to do this Leachate from the collectors is continuously pumped out of a sink knee. A Provide an overview of the arrangement of the collectors and the main collection facility the following pictures.

PREVIOUS TECHNOLOGY

Beim bisherigen Stand der Technik wird ein vergleichsweise kleines Halbfreilandsystem zur Grundlage der Beurteilung komplexer Systeme herangezogen. Die Technik erlaubt es nicht, Zufallseffekte auszuschließen, wegen des geringen Volumens haben Wurm gänge, Wurzellöcher, verschobene Steine an den Rändern mit der Folge der bevor zugten, schnelleren Verlagerung einen überdurchschnittlichen Einfluß. Die Beschrän kung auf die geringe Tiefe von 1 m unterstützt diesen vergleichsweise hohen Unsicher heitsfaktor. Die Flächennutzung und deren Einfluß bleiben beim Lysimetermodell ohne Bedeutung. Flächennutzungen, wie z. B. Verdichtungen durch Straßen oder Pflaster beläge, landwirtschaftliche Maßnahmen, wie Pflügen (25-30 cm durchschnittliche Pflugtiefe) Können nicht in das Versuchsdesign eingehen.In the previous state of the art, a comparatively small semi-open field system used to base the assessment of complex systems. The technology allows it does not rule out random effects, because of the small volume of worms passages, root holes, shifted stones on the edges with the consequence of the before move, faster relocation an above-average influence. The restriction The low depth of 1 m supports this comparatively high uncertainty factor. The land use and its influence remain without in the lysimeter model Importance. Land use, such as B. road or pavement compaction coverings, agricultural measures, such as plowing (25-30 cm average Plow depth) Can not go into the experimental design.

Die Simulation eines wasserleitenden Horizontes in 1 m Tiefe hat nur einen untergeord neten Anspruch auf repräsentative Ergebnisse. Wasserleitende Horizonte Können und verlaufen tatsächlich in weit größeren Bodentiefen. Der Einfluß auf sich im Boden verla gernde Stoffe kann nicht für tiefer liegende, vermehrt anaerober Horizonte ermittelt wer den. Die einerseits hinsichtlich der leichteren chemisch analytischen Erfassung der Verlagerung und des Abbaues der Prüfsubstanzen gegebene Effizienz des radioaktiven Systems erfordert andererseits eine aufwendige Entsorgung des Bodenkernes nach Versuchsende, da das ganze System (Boden und Wasser) radioaktiv belastet ist und entsprechend der gesetzlichen Vorgaben entsorgt werden muß. Wegen der Ver wendung von radioaktiv markierten Stoffen Können Lysimeter nur einmalig verwendet werden, da die Analytik über Radioaktivität erfolgt, können Interferenzen mit Vorgän gerverbindungen nicht ausgeschlossen werden.The simulation of a water-conducting horizon at a depth of 1 m has only one subordinate right to representative results. Water-bearing horizons can and actually run at much greater depths. The influence left on the ground It is not possible to determine any substances that can cause deeper lying, increasingly anaerobic horizons the. The one with regard to the easier chemical analytical recording of the Relocation and degradation of the test substances given efficiency of the radioactive Systems, on the other hand, require extensive disposal of the soil core End of experiment because the whole system (soil and water) is radioactive and must be disposed of in accordance with legal requirements. Because of the ver Use of radioactive substances Can only use lysimeters once Since the analysis is carried out via radioactivity, interference with events can occur connections are not excluded.

GEGENÜBERSTELLUNG DES BISHERIGEN STANDES DER TECHNIK MIT DEM BESCHRIEBENEN ECON-SYSTEM COMPARISON OF THE PRIOR ART WITH THE DESCRIBED ECON SYSTEM

SOLUTION AND ACHIEVED BENEFITS

Das ECON-System erlaubt eine größere Versuchsfläche einschließlich der Beprobung in größeren Tiefen. Damit kann der Einfluß von Artefakten weitgehend minimiert wer den. Die Flächen, auf denen die Versuche durchgeführt werden, bleiben in ihrer Nut zung, d. h. auch Bodenbearbeitungsmaßnahmen, die in der Praxis einer Verlagerung Vorschub leisten Können, werden nicht vermieden. The ECON system allows a larger test area including sampling at greater depths. The influence of artifacts can thus be largely minimized the. The surfaces on which the tests are carried out remain in their groove tongue, d. H. also tillage measures in practice a relocation Being able to advance is not avoided.

Durch die Verlegung von mehreren Bodenhorizonten in mehreren Tiefen wird die Aus sagekraft erheblich größer, eine Übertragung der Ergebnisse auf Freilandsituationen ist repräsentativer.By laying several floor horizons in several depths, the end sagekraft significantly larger, a transfer of the results to outdoor situations more representative.

Die Versuchsflächen können dauerhaft genutzt werden. Es ist möglich, eine Versuch seinrichtung auch über Zyklen verschiedener Nutzungen hin über mehrere Jahre bis hin zu dauerhaften Versuchsfeldern zu nutzen. Das System erlaubt eine Beobachtung des Stofftransfers in wasserführende Horizonte auch bei Umwidmung der Flächen (Weiden, Ackerland, Lagerflächen, Parklandschaften, Gärten), es kann eine tatsächlich praxisnahe anwendungsbegleitende Beobachtung/Überwachung stattfinden.The test areas can be used permanently. It is possible to try It also extends over cycles of different uses over several years to towards permanent test fields. The system allows observation of mass transfer into water-bearing horizons even when the areas are rededicated (Pastures, arable land, storage areas, park landscapes, gardens), it can actually be one practical observation / monitoring accompanying the application.

Die Versuchsfläche wird durch den Versuch nicht verändert, sie kann weiter genutzt werden, die Sammelrohre Können nach Abbruch des Versuches entfernt und der Wie derverwertung zugeführt werden.The trial area is not changed by the trial, it can continue to be used the collecting pipes can be removed after termination of the experiment and the how be recycled.

EXEMPLARY DESCRIPTION OF THE FUNCTION OF THE SYSTEM

Unter einer Versuchsfläche werden in unterschiedlichen Tiefen und zueinander ver schiedenen Abständen mittels Horizontalbohrtechnik Sammelrohre verlegt. Die Rohre gehen in ein Sammelsystem über (Fig. 1). Jedes der einzelnen Sammelrohre, das bei Abmessungen von z. B. 0,2 m × 10 m eine Sammelfläche von 2 m² aufweist (Fig. 2), wird mit einem Durchflußmesser über ein gesteuertes Havarieventil verbunden, das im Störfall (Eindringendes Grundwasser, Überschwemmung) das Wasser sofort in den Havarietank ableitet [Bypass 1.1; .Fig. 3].Collective pipes are laid under a test area at different depths and at different distances from one another using horizontal drilling technology. The tubes pass into a collection system ( Fig. 1). Each of the individual manifolds, the dimensions of z. B. 0.2 m × 10 m has a collecting area of 2 m ² ( Fig. 2), is connected to a flow meter via a controlled emergency valve, which in the event of an accident (penetrating groundwater, flooding) drains the water immediately into the emergency tank [bypass 1.1 ; . Fig. 3].

Das Verbindungsprinzip ist in Fig. 4 dargestellt. Der Durchflußmesser besitzt am Boden ein gesteuertes Entleerventil und im oberen Teil einen Überlaufkanal [Bypass 1.2; Fig. 4] für "zu große" Sickerwassermengen, die nicht mehr sinnvoll gemessen werden kön nen, aber noch keinen Havariefall darstellen, zur Ableitung in den Rohrsammeltank von 6 l. Alle Sammeltanks müssen so weit wie nur möglich gegen Verdunstung gesichert sein.The connection principle is shown in Fig. 4. The flow meter has a controlled drain valve at the bottom and an overflow channel [bypass 1.2 ; Fig. 4] for "too large" leachate quantities that can no longer be measured sensibly, but do not yet represent an accident, for discharge into the pipe collection tank of 6 l. All collection tanks must be protected against evaporation as much as possible.

Bei Erreichen des Levels "VOLL" [Bypass 1.4 in Fig. 4] im Durchflußmesser, der von einem Sensor mitgeteilt wird, öffnet das Entleerventil und leert den Rohrdurchflußmes ser. Dieses Entleeren muß schnell verlaufen, damit die Entleerungszeit im Verhältnis zur Füllzeit vernachlässigbar und somit der Meßfehler gering ist. Bei Erreichen des Levels "LEER" schließt das Entleerventil wieder, und der Durchflußmesser füllt sich er neut mit Sickerwasser.When the level "FULL" [bypass 1.4 in Fig. 4] in the flow meter, which is reported by a sensor, is reached, the drain valve opens and empties the pipe flow meter. This emptying must proceed quickly so that the emptying time is negligible in relation to the filling time and the measuring error is therefore small. When the level "EMPTY" is reached, the drain valve closes again and the flow meter fills up again with leachate.

Es wird programmtechnisch die Zeitspanne registriert, die beim Füllen des Durchfluß messer vergeht. Da das Durchflußmesser-Volumen (muß noch festgelegt werden) be kannt ist, ergibt sich durch Auswertung der Füllzeit ein mittlerer Wassermengenwert je Zeiteinheit, der um so genauer ist, je kleiner das Volumen ausgewählt wird.The period of time that is filled when the flow is filled is registered in the program knife passes. Since the flow meter volume (to be determined) be is known, evaluating the filling time gives an average amount of water each Unit of time, the more accurate the smaller the volume is selected.

Der Nachteil eines kleinen Durchflußmesser-Volumens besteht darin, daß der Bypass level [2 in Fig. 3] bei größerem Wasseraufkommen eher erreicht wird und damit keine Wassermengenmessung mehr möglich ist. Fallen nämlich "zu große" Wassermengen an, d. h. liegt die Häufigkeit der Durchflußmesserentleerung über einem bestimmten Wert (der noch festgelegt werden muß), bleibt das Entleerventil geschlossen, und das Rohrsickerwasser fließt über Bypass 2 [Fig. 3] sofort in den Rohrsammeltank. The disadvantage of a small flow meter volume is that the bypass level [2 in FIG. 3] is reached sooner with larger water volumes and therefore no more water quantity measurement is possible. If there are "too large" amounts of water, ie if the frequency of the flow meter emptying is above a certain value (which still has to be determined), the drain valve remains closed and the pipe seepage water flows via bypass 2 [ FIG. 3] immediately into the pipe collecting tank.

Die Probennahme kann sowohl von jedem der 15 Rohrsammeltanks je 6 l [Fig. 4] ein zeln, als auch von jedem der 3 Ebenensammeltanks [Fig. 4] je 20 l per Hand erfolgen. Durch die Steuerung des Entleerventils 1.2 [Fig. 4] kann der Inhalt jedes Rohrsammel tanks bei Bedarf in den Ebenensammeltank entleert werden, an den immer die 5 Sam melrohre einer Ebene angebunden sind. Zum Schutz gegen das Überlaufen im Nicht havariefall weist sowohl der Rohrsammeltank, als auch der Ebenensammeltank einen ungeregelten Bypass zum Sammeltank der nächstniederen Ebene auf [Fig. 4].Sampling can be carried out individually from each of the 15 tube collection tanks, each 6 l [ FIG. 4], and also from each of the 3 level collection tanks [ FIG. 4], each 20 l, by hand. By controlling the drain valve 1.2 [ Fig. 4], the contents of each tube collection tank can be emptied into the level collection tank, if necessary, to which the 5 collection tubes of one level are always connected. To protect against overflow in the event of a non-accident, both the pipe collecting tank and the level collecting tank have an unregulated bypass to the collecting tank of the next lower level [ FIG. 4].

Der Havarietank [Fig. 4] muß im Katastrophenfall in der Lage sein, das gesammelte oder eingebrochene Wasser aller 15 Sammelrohre (30 m²) aufzunehmen.In the event of a disaster, the emergency tank [ Fig. 4] must be able to hold the collected or broken water from all 15 collecting pipes (30 m ² ).

Claims

1. for the application of the described system for sampling seepage water horizontally in the ground under realistic field conditions put water collection containers

2. for the application of the system described, characterized in that that with no relevant change in the above and below the horizontal floor horizons with respect to the natural vertical geohydrological mass transport into the soil without interference can be introduced

3. for the application of the system described (horizontal drilling) to Purpose of taking samples.

4. for the claim from 1. &. 2. in connection with the assessment of Substances with regard to their potential for shifting to lower ground levels zonte

5. for the claim from 1. &. 2. in connection with the assessment of Substances with regard to their shifting potential into lower groundwater server manager

6. characterized for the application of the system described, that the sampling from the collectors is partly or fully automated can,

7. characterized for the application of the system described, that the experimental design described as a semi or fully automatic, ex experimental system for data collection in connection with the Be Description of the mobility of chemical substances in the soil within the scope of An Notification, approval, registration, approval and monitoring procedure is applied