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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
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Transmissivität einer flüssigkeitsf'ührenderL Bodenschicht, insbesondere
eines Grundwasserleiters.
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Bei der Nutzung, Gewinnung, Speicherung und Bewirtschaftung von Flüssigkeiten
wie Wasser und Erdöl, ist die Kenntnis der den Mengenumsatz bestimmenden Parameter
wichtig. Das gleiche gilt bei der Grundwasserabsenkung zur Entwässerungszwecken,
bei der Gewinnung geothermischer Wärme mittels Wasser und bei verwandten Aufgabenstellungen.
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Der Mengenumsatz ist der Transmissivität der flüssigkeitsführenden
Bodenschicht proportional. Die Transmissivität T (m²/s) ist definiert durch T=k.d
Ilierin bedeuten k (m/s) den Durchlässigkeitsbeiwert (Permeabilität) und d (m) die
Schichthöhe.
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Herkömmlicherweise werden die Schichthöhen aus Bodenprofilen und die
Werte k und T aus Pumpversuchen, selten aus Versickerungsversuchen, bestimmt. In
der Regel wird ein großdimensierter Entnahmebrunnen im technischen Maßstab und eine
Anzahl von Beobachtungsrohren in die flüssigkeitsführende Schicht niedergebracht.
Die Flüssigkeit wird dann über längere Zeit mit konstanter Menge entnommen (gepumpt).
Sie muß von der Entnahmestelle abgeleitet werden, ohne daß sie in die Schicht, aus
der sie entnommen ist, zurücksickern kann.
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Die Druckoberfläche der Flüssigkeit stellt sich unter der Wirkung
der Entnahme in einem Absenkungstrichter ein. Aus seinem raumzeitlichen Verlauf
sowie aus seinem Auffüllvorgang bei beendeter Entnahme können unter Berücksichtigung
der Fördermenge die Werte k und T errechnet werden0 Unter Umständen werden dabei
noch
die Dichte und Zähigkeit der Flüssigkeit in Abhängigkeit von Stoff und Temperatur
berücksichtigt.
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Das Pumpverfahren hat die Nachteile eines großen technischen, finanziellen,
personellen und zeitlichen Aufwandes und schafft das Problem der Abführung großer
herausgrpumpter Wassermengen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und die Transmissivität ohne jeden Pumpversuch in einem kleindimensionalen Bohrloch
unmittelbar zu messen.
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Gelöst wird diese Aufgabe ach der Erfindung durch Anregen des Flüssigkeitsspiegels
zu einer periodischen (oszillierenden) oder aperiodischen gedämpften Schwingung,
durch Messen und Registrieren des Schwingungsverlaufs mittels geeignet er Meßwertaufnehmer
z.B. Druckdose und analoger Schreib- oder digitaler Registriergeräte, beispielsweise
eines Kompensationsschrebers, und durch Auswerten der Meßergebnisse auf rein rnathematischem
Wege mittels geeigneter Formeln, die auf den augrundeliegende Fhysikalischen Zusammenhängen
basieren, oder auf graphischem Wege durch Vergleich mit bestimmten Standardkurven.
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Eine besonders einfache Auswertung der Meßergebnisse geschieht mittels
Bestimmung einer kennzahl E durch Vergleich mit Standardkurven gemäß Bild ü, 7 und
8 und durch Berechnung eines Dämpfungskoeffizienten ß und der Transmissivität T
mit Hilfe der mathematischen Formeln la, 1b; 2a, 2b und 3a, 3b gemäß Bild 4 und
5.
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Eine besollders zweckmäßige und vorteilhafte Durchführung des Verfahrens
ergibt sich durch Vornahme mehrerer Messungen und durch Normierung uiid Mittelung
der Ergebnisse.
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In durchführungstechnischer Hinsicht empfiehlt sich zur Anregung der
Schwingung die Anwendung von Druckluft in einem Brunnenrohr mit einen luftdicht
abgeschlossenen Brunnenkopf, der über ein Schnellschlußventil schlagartig zur Außenluft
hin geöffnet werden kann.
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Ein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kennzeichnet sich durch
eine in die Flüssigkeitssäule im Brunnenrohr eingehängte Druckmeßsonde (Bild 2)
mit einem Federbalg, der Schwankungen der Wassersäulenhöhe als Druckunterschiede
aufnimmt und über einen Taststift an ein Differentialtransformator weitergibt, wo
eine Induktivitätsänderung erzielt und gemessen wird0
Das Einschwingverfahren
basiert auf der Anregung, Messung und Auswertung der Antwort eines Brunnen-Flüssigkeitsleitersystems
auf impuls- oder sprunghafte Änderungen in den Druckverhältnissen. Diese Systemreaktion
wird als "Einschwingvorgang" definiert.
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Der Einschwingvorgang besteht in dem Erreichen einer neuen bzw. der
ursprünglichen Gleichgewichtslage des Systems nach der anfänglichen impuls- oder
sprunghaften Änderung in den Druckverhältnissen. Der Einschwingvorgang kann oszillierend
verlaufen, d.h. er kann ein- oder mehrmals über die Gleichgewichtslage hinausschwingen
oder er kann die Gleichtgewichtslage asymptotisch ohne deren Überschreitung erreichen.
Der asymptotische Verlauf kann exponentiell oder logaritliinisch von der Zeit abhängen.
Je nach Art des Systems sind auch andere Verläufe möglich.
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Der Einschwingvorgang wird im Brunnen gemessen. Bei offenen Systemen,
bei denen der Flüssigkeitsspiegel im Brunnen nicht gegen die Atmosphäre abgedichtet
ist, stellt er sich als Bewegung des Wasserspiegels im Brunnen dar. Bei geschlossenen
Systemen besteht der Einschwingvorgang in Änderungen des hydrostatischen Druckes.
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Der Verlauf und die Dauer des Einschwingvorganges hängen in erster
Linie von der Transmissivität der flüssigkeitsführenden Schicht ab. Je kleiner die
Transmissivität ist, umso stärker gedämpft ist der Verlauf des Einschwingvorganges.
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Der Einschwingvorgang eines Brunnen-Flüssigkeitsleitersystems muß
künstlich angeregt werden. Eine natürliche Anregung, z.B.
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durch Erdbeben, kommt vor, ist aber zu selten, als daß sie für Auswertungen
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten geeignet wäre.
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Für die künstliche Anregung muß eine impuls- oder sprunghafte Änderung
in den Druckverhältnissen realisiert werden. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Sie bestehen zoB
- in einer plötzlichen Be- oder Entlastung der
flüssigkeitsführenden Schicht durch eine schwere Auflast (z.B. LKW), - im Auslösen
einer Explosion auf oder unter der Erdoberfläche oder im Brunnen, - im plötzlichen
Einpressen oder Entnehmen eines Flüssigkeitsvolumens, - im Fallenlassen eines Gewichtes
auf die Erdoberfläche oder ene Grubensohle, - im sprunghaften Ablassen von Flüssigkeit
bei geschlossenen unter Druck stehenden Systemen, - im Be- oder Entlasten eines
Brunnenwasserspiegels mittels Kolbens, - im sprunghaften Einbringen oder Ablassen
von Preßluft in einen abgedichteten Brunnen.
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Weitere Arten der Anregung sind möglich.
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Der Einschwingvorgang in die neue oder ursprüngliche Gleichgewichtslage
muß in seinem Verlauf sehr genau gemessen werden.
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Dazu eignen sich z.B.s Differenzdruckmeßgeräte mit kapazitiven oder
induktiven Meßwertwandlern bei geschlossenen Systemen.
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- Druckmeßgeräte unter Ausgleich des atmosphärischen Umgebungsdruckes
mit kapazitiven oder induktiven Meßwertwandlern bei offenen Systemen.
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- Wasserstandsmesser nach dem Ultraschallprinzip bei offenen Systemen.
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Andere Arten der Messung sind möglich.
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Der gemessene Einschwingvorgang wird in seinem zeitlichen Verlauf
mit der der Messung entsprechenden Genauigkeit registriert.
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Hierzu sind analoge Schreibgeräte oder digitale Registriergeräte zu
verwenden. Sie können mit Kleinrechnern zur Teil- oder Vollauswertung verbunden
werden.
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Nachstehend ist eine technische Lösung für die Durchführung des Einschwingverfahrens
bei Grundwasserleitern anhand der Bilder 1 bis 3 näher beschrieben.
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Es zeigen Bild 1: die Meßeinrichtung in ihrer gesamten Anordnung,
Bild 2 : die Druckmeßsonde zur Messung von Wasserspiegeländerungen, Bild 3 : den
Ablaufplan der Auswertung, Bild 4 : den Erfassungsbeleg für gespannte Grundwasserleiter,
Bild 5 : den Erfassungsbeleg für ungespannte Grundwasserleiter, Bild 6 : die Standardkurvenschar
E, Bild 7 : die Standardkurvenschar E 1, und Bild 8 : die Standardkurvenschar D
2.
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Im Bild 1 ist eine Anordnung der Meßeinrichtung zum Durchführen des
Einschwingverfahrens an einem Brunnen-Grundleitersystem dargestellt.
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Die Anregung und Messung des Einschwingverfahrens erfolgt in einem
Beobachtungsbrunnen, der in die flüssigkeitsführende Schicht, hier einen Grundwasserleiter,
hinabreicht. Der Brunnen weist unten einen Filter auf, durch dessen Öffnungen das
Grundwasser mit dem
Inneren des Brunnens in Verbindung steht. Oberhalb
des Filters besitzt der Brunnen ein dichtes Aufsatzrohr.
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Das Bild 1 zeigt einen gespannten Grundwasserleiter, d.h. das Wasser
steht infolge einer überlagernden undurchlässigen Schicht unter Druck und steigt
im Brunnen über die Oberkante des durchlässigen Grundwasserleiters an.
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Bei einem ungespannten Grundwasserleiter würde das Wasser innerhalb
und außerhalb des Brunnens d in gleicher Höhe stehen. Das Aleßprinzip bliebe dabei
das gleiche. Das Brunnenrohr ist oben durch einen dafür konstruierten Brunnenkopf
druckdicht abgeschlossen. Der Brunnenkopf enthält Durchgänge für eine Druckluftleitung
und das Stromkabel der Meßsonde. Ferner ist an ihm ein Schnellschlußventil angebracht,
mit dem der Verschluß gegen die Außenluft plötzlich geöffnet werden kann.
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Zur Anregung des Einschwingvorganges wird Preßluft in den Brunnen
geleitet. Sie kann aus einer Preßluftflasche entnommen werden.
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Im Brunnen hängt unterhalb des Wasserspiegels die Meßsonde. Sie wird
durch eine Batterie mit 6 V Eingangsspannung versorgt. Die wasserstandsabhängige
Ausgangsspannung wird auf einem Registriergerät angezeigt. Als solches dient ein
ompensationsschreiber.
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Dieser wird mit Wechselstrom betrieben.
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Bei geschlossenem Sclmellschlußventil wird der Ruhewasserspiegel im
Brunnen durch Preßluft einige Dezimeter nach unten ausgelenkt.
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Die Aus lenkung wird am Kompensationsschreiber beobachtet und durch
entsprechende Preßluftzufuhr etwa 0,5 bis 1 Minute lang konstant gehalten, Darauf
wird das Schnellschlußventil plötzlich geöffnet.
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Das Brunnen-Grundwasserleitersystem erfährt dadurch einen Druckstoß,
dessen Größe der konstanten Anfangsauslenkung entspricht.
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Der Wasserspiegel im Brunnen gerät sofort in Bewegung. E;r unterliegt
einem Einschwingvorgang entsprechend der Transmissivität des Grundwasserleiters
und nilinnt seine Ruhelage ein. Die Dauer des Einschwingvorganges liegt in der Größenordnung
von Minuten.
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Der Einschwingvorgang wird bei der in den Zeichnungen dargestellten
Meßeinrichtung mittels einer speziellen Wasserstandsmeßsonde gemessen. Diese besteht
ous einer Druckmeßsonde und einer Druckausgleichs-Einrichtung.
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Die Druckmeßsonde ist in Bild 2 dargestellt. Sie hängt unterhalb des
Wasserspiegels im Wasser. Innerhalb der Sonde befindet sich ein Federbalg. Dieser
verformt sich proportional zu der über der Sonde befindlichen Wassersäule. m Federbalg
ist eiii Stift befestigt, der entsprechend der Bewegung des Balges in einen Differentialtransformator
eintaucht und dessen Induktivität ändert.
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Die Eingasspannung beträgt # 6 V, die maximale Ausgangsspannung #
1.27 V. Damit beträgt die Auflösung der hier dargestellten Druckmeßsonde 0,01 mm
Wasserspiegeländerung bei einem Meßbereich von - 0,35 m. in größerer Meßbereich
ist be Verwendung eines steiferen i)ruckbalges erzielbar. Da die Druckmeßsonde wenig
mechanisch bewegte Teile enthält, ist die Trägheit sehr gering. Sie folgt ca her
den Wasserspiegeländerungen fast verzögerungsfrei.
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Mittels der in Bild 2 dargestellten Vorspalmfeder wird der Federbalg
so vorgespannt, daß bei einer Eintauchtiefe der Sonde von rd. 500 mm keine Spannung
abgegeben wird, so daß hier der elektrische Nulipunkt des Gerätes liegt.
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Um zu verhindern, daß der Luftdruck bzw. der durch Preßluft erzeugte
Überdruck von der Druckmeßsonde mit gemessen wird, wird der luftgefüllte Innenraum
der Sonde über eine Schlauchverbindung mit einem Druckausgleichsgerät verbunden
(siehe Bild 1). Dieses Gefäß hängt oberhalb des Wasserspiegels im Brunnen und stellt
die Kompensation gegen den Druck im Brunnenraum her.
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Die von der Druckmeßsonde abgegebene, dem Wasserstand proportionale
Ausgangsspannung wird durch ein Kabel auf die Registriereinrichtung übertrag. Bei
der in Bild 1 dargestellten Meßanordnung ist dafür ein Kompensationsschreiber verwendet.
Er schreibt den Einschwingvorgang analog als x - t - Diagramm auf. Die Geschwindigkeit
des Papiervorschubes ist, entsprechend dem unterschiedlichen Verlauf der Einschwingvorgänge,
zwischen 50 und 300 mm/min.
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regelbar. Die Eingangs spannung liegt entsprechend dem Ausgang der
Druckmeßsonde zwischen iniV und 5 V.
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Der Schreiber wird bei der dargestellten Meßanordnung mit Wechselstrom
betrieben. Seine Stromversorgung erfolgt hier durch eine Batterie in Verbindung
mit einem Zerhacker. Dadurch ist die Meßanordnung von einem stationären Wechselstromanschluß
oder einem Wechselstromgenerator unabhängig.
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Die Auswertung der Messungen nach dem Einschwingverfahren hat die
quantitative Bestimmung der Transmissivität zum Ziel. Nach der jeweiligen Art des
Systems un des gemessenen Einschwingvorganges ist der Gang der Auswertung verschieden.
Einheitlich jedoch ist die Einteilung der Auswertung in drei Schritte. Diese sind
l. die Erfassung der Meßergebnisse, II. die Normierung der Einschwingvorgänge und
III. die Berechnung der Transmissivität.
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Im Bild 3 (siehe unten) ist der Ablaufplan der Auswertung fiir gespannte
und ungespannte Grundwasserleiter dargestellt. Bei gespannten Grundwasserleitern
ist zwischem dem oszillierendem und dem exponentiell gedämpften Einschwingvorgang
zu unterscheiden. Bei ungespannten Grundwasserleitern tritt im Wesentlichen nur
der asymptotische nicht oszillierende Einschwingvorgang auf.
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Anhand von Bild 3 wird im folgenden beschrieben, wie die Auswertung
im Einzelnen durchzuführen ist.
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Aus den Registrierungen werden zusammengehörige Wertepaare der Zeit
und der Auswlenkung des Brunnenwasserspiegels nach Beginn des Einschwingvorganges
entnommen. Sie werden in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge in Formblättern erfaßt.
Bild 4 (siehe unten) zeigt den Erfassungsbeleg, der bei gespanntem Grundwasser Verwendung
findet, Bild 5 (siehe unten) den Erfassungsbeleg für ungespanntes Grundwasser.
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Der Einschwingvorgang wird bei der Untersuchung eines Brunnens mehrmals
angeregt und gemessen. Dadurch können Ungenauigkeiten in der Registrierung oder
Ablesung weitgehend vermieden oder durch Mittelung ausgeglichen werden. Vor der
Mittelung müssen die einzelnen Einschwingvorgänge normiert werden, um den Einfluß
unterschiedlicher Anfangsauslenkungen des Wasserspiegels auszuschalten.
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Dazu wird die Anfangsauslenkung xO des Wasserspiegels = 111 gesetzt.
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Die in zeitlicher Folge daran anschließenden, kleineren Auslenkungen
xi werden in Bruchteilen von 1 1 1 angegeben. Bei ungespannten Grundwasserleitern
werden die Differenzen (xO - xi) der Auslenkungen gebildet. Die normierten Einschwingvorgänge
werden gemittelt.
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Danach werden die gemittelten Werte auf halblogarithmischem Papier
aufgetragen. Bei gespannten Grundwasserleitern benutzt man eine Darstellung mit
den Auslenkungen x auf der logarithmischen Achse und den Zeiten t auf der linearen
Achse. Bei ungespannten Grundwasserleitern werden die Auslenkungsdifferenzen (x
- x) auf der linearen Achse aufgetragen, die Zeiten t auf der logarithmischen Achse.
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Um die Transmissivität berechnen zu können, wird eine Hilfsgröße E
benötigt. Sie hat sich aus theoretischen Untersuchungen ergeben.
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Um ihren Wert beim einzelnen Einschwingversuch zu finden, werden die
gemittelten normierten Einschwingverläufe in der halblogarithmischen Darstellung
in entsprechendem Maßstab mit einer Schar von
Standardkurven verglichen.
Diese sind in Bild 6,7 und 8 (siehe unten) dargestellt. Aus der mit der gemittelten
Kurve des einzelnen Einschwingversuchs deckungsgleichen Standardkurve kann die Große
h abgelesen werden. Die Kurvenschar für die E0 - Werte ist unabhängig von der Anfangsauslenkung
x0, die kurvenscharen E1 und E2 gelten als Beispiel für x0 = 0,5 m.
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Für andere Anfangsauslenkungen x0' sind vor dem Vergleich alle Werte
der gemessenen Kurve mit 50/x0' zu multiplizieren.
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Bei den Formeln zur Bereciiiiung von T werden folgende Bezeichnungen
verwendet: T (m²/s) = Transmissivität, r (m) = Brunnenradius, w ß (-) = Dämpfungskoeffizient,
#(s) = Periode der Schwingung bei oszillierendem Eins chwingvorgang.
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bei ex. gedämpftem Einschwingvorgang.
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H (m) = Druckhöhe des Grundwassers er der ° Oberkante des Grundwasserleiter
bei E(s-1) = Kennzahl entsprechend den Standardkurven g (m/s2 ) = Erdbeschleunigung
= 9,81 m/s2 d' (in) = Standardschichthöhe = 1 m Die Berechnung erfolgt aus den nachstehend
aufgeführten Formeln.
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Fall 1 : gespannter Crundwasserleiter, oszillierender Einschwing----------
vorgang
Fall 2 : gespannter Grundwasserleiter, exponentiell gedämpfter
Einschwingvorgang ß = (4#² /#² + E0²) .#/ (4# . E0) (2 a) T = 8.17 . rw² / (#.ß)
(m²/s) (2 b) Fall 3 : Ungespannter Grundwasserleiter
Die Berechnungsergebnisse werden zweckmäßig am Fuß der Formblätter, Bild 4 und Bild
5, eingetragen.
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Für das oben beschriebene Einschwingverfahren wird kein Entnahmebrunnen
mit großem Durchmesser und mit aufwendigem Filter benötigt.
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Vielmehr braucht nur eine Bohrung von 2 bis 4 Zoll Durchmesser in
die flüssigkeitsführende Schicht niedergebracht zu werden, die mit einem billigen
Filter- und Aufsatzrohr auszubauen ist.
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Das Setzen von besonderen Beobachtungsrohren ist beim Einschwingverfahren
nicht erforderlich.
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Für das Einschwingverfahren wird keine Pumpanlage mit großem Energiebedarf
und mit kostpieliger Ableitung des geförderten Wassers benötigt.
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Es werden keine aufwendigen Meßeinrichtungen für die Erfassung der
Fördermengen und der Spiegelverläufe an mehreren Beobachtungsrohren gebraucht.
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Das Einschwingverfahren ist ohne Wegebauarbeiten in jedem Gelände
und bei jedem Wetter ausführbar, was für den Pumpversuch ncht zutrifft.
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Das Einschwingverfahren ist auf etwa 1 m² Fläche durchzuführen0 Es
eignet sich daher zum Einsatz auf schmalen öffentlichen Wegparzellen, unter Überbauten
und in Gebäuden, wo Pumpversuche kaum möglich sind.
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Der erforderliche Personaleinsatz ist gering. Die Gesamtmeßzeit für
das Einschwingverfahren beträgt rund 1 Stunde, während der Pumpversuch Tage bis
viele Wochen dauert. Aus dieser Tatsache ergeben sich weitere Vorteile gegenüber
dem Pumpversuch.
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Wegen der Schnelligkeit der Durchführung sind beim Einschwingverfahren
keine VerfUlschungen der Meßergebnisse durch meteorologische, hydrologische und
anthropogene Einflüsse zu besorgen.
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Die Einsatzzeit des Personals bei der Durchführung des Einschwingverfahrens
ist wesentlich kürzer als beim Pumpversuch.
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Hierdurch wird es wirtschaftlich möglich, besonders hochqualifiziertes
Personal einzusetzen und entsprechend genaue Ergebnisse zu erzielen.
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Das Einschwingverfahren kann vom Auftraggeber wegen der kurzen Ausführungszeit
und der Konzentrierung der Meßeinrichtung auf einen Punkt leichter überwacht werden
als der Pumpversuch.
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In rechtlicher Plinsicht ergeben sich gegenüber dem Pumpversuch ebenfalls
Vorteile durch das Einschwingverfahren: Es bringt kein Zutagefördern von Grundwasser
mit sich. Daher entfällt ein vorheriges wasserrechtliches Verfahren.
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Beim Einschwingverfahren werden keine fremden Wasserrechte berührt.
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Wegen seines geringen Aufwandes ist das Einschwingverfahren besonders
geeignet zur großflächigen und nach Stockwerken unterschiedenen Ermittlung der Transmissivitäten
und Durchlässigkeitsbei werte in Grundwassergewinnungsgebieten und ganzen Grundwasserlandschaften.
Basierend
auf diesen Werten können u.a. Grundwassermodelle berechnet werden. Das Einschwingverfahren
liefert gut reproduzierbare Ergebnisse. Daher kann es für häufig zu wiederholende
Kontrollmessungen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden