DE29518645U1 - Device for deeply horizontal groundwater sampling - Google Patents
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Description
Vorrichtung zur tiefenhorizontierten GrundwasserprobenahmeDevice for deep-level groundwater sampling
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tiefenhorizontierten Grundwasserprobenahme in einem Pegel-Brunnenrohr, in dem in mehreren Entnahmehorizonten Entnahmevorrrichtungen5 bestehend aus Steigleitungen, Unterwassermotorpumpen und Stromzuführungen, eingebaut sind, wobei es gleichgültig ist, ob die Entnahmehorizonte gegeneinander abgedichtet sind, oder nicht.The invention relates to a device for deep-level groundwater sampling in a gauge well pipe in which sampling devices 5 consisting of risers, submersible motor pumps and power supplies are installed in several sampling horizons, it being irrelevant whether the sampling horizons are sealed against each other or not.
Um Informationen über Qualitätsparameter von Grundwässern zu erhalten, werden Grundwasser-Gütemeßstellen in den Einzugsgebieten von Wasserwerken oder Beobachtungsmeßstellen bzw. Erkundungsmeßstellen bei Grundwasserverunreinigungen gebohrt und regelmäßig beprobt. Hierbei ist es für bestimmte Fragestellungen notwendig, tiefenhorizontierte Grundwasserproben aus Grundwassermeßstellen zu entnehmen. Dazu werden Multi-Level-Meßstellen gebaut und zwar mit tiegengestaffeiten kurzen Filterstrecken und den zwischen den Filterstrecken in den Ringraum zwischen Bohrlochwand und Brunnenrohr eingebauten Abdichtungen, um das Grundwasser aus einem bestimmten Filterbereich, d.h. aus einem definierten Grundwasserleiterabschnitt zu gewinnen und um keine Umlaufigkeiten im Ringraum des Grundwasserpegels herbeizuführen.In order to obtain information about the quality parameters of groundwater, groundwater quality measuring points are drilled in the catchment areas of waterworks or observation measuring points or exploration measuring points in the case of groundwater contamination and samples are taken regularly. For certain questions, it is necessary to take deep-level groundwater samples from groundwater measuring points. For this purpose, multi-level measuring points are built with short filter sections at different levels and seals installed between the filter sections in the annular space between the borehole wall and the well pipe in order to extract the groundwater from a specific filter area, i.e. from a defined aquifer section, and to avoid circulation in the annular space of the groundwater level.
In die Grundwassermeßstellen werden zur tiefenhorizontierten Beprobung mechanische oder elektrisch betriebene Entnahmevorrichtungen in mehreren Entnahmehorizonten gleichzeitig fest eingebaut. Die Entnahmehorizonte sind untereinander durch Packer im Brunnenrohr hydraulisch getrennt. Die Probenahme erfolgt dann meist für jeden Entnahmehorizont einzeln und nacheinander. Derart hergestellte Meßstellen erfordern erhebliche Investitionskosten und esMechanical or electrically operated sampling devices are permanently installed in the groundwater measuring points for deep-level sampling in several sampling horizons at the same time. The sampling horizons are hydraulically separated from each other by packers in the well pipe. Sampling is then usually carried out for each sampling horizon individually and one after the other. Measuring points constructed in this way require considerable investment costs and
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ergeben sich weiterhin beim festen Einbau Probleme dahingehend, daß eine Pumpe defekt, ein Packer undicht oder sonstige Fehler im System auftreten können. Wenn die Untersuchungsmaßnahme beendet ist, was in der Regel nach Monaten oder Jahren der Fall ist, dann muß die Entnahmevorrichtung gezogen werden. Regelmäßig sitzen jedoch die Einbauten derart fest, daß die verhältnismäßig schwachen Verbindungselemente den Zug beim Herausheben nicht aushalten und abreißen. Die im Pegelrohr verbleibenden Teile sind oft nicht zu fangen und herauszuziehen. Damit wird die Meßstelle unbrauchbar und muß aufgegeben werden. Unabhängig vom finanziellen Verlust ergibt sich der Nachteil, daß die Meßstelle nicht mehr weiter als gute- oder hydrogeologische Meßstelle genutzt werden kann und möglicherweise ganz Datenreihen damit unbrauchbar geworden sind, weil keine Folgedaten zu gewinnen sind. Es ist somit erforderlich, eine neue Meßstelle am gleichen Ort mit entsprechenden Investitionen einzurichten.problems still arise with fixed installations, such as a pump being defective, a packer leaking or other errors in the system. When the investigation is completed, which is usually after months or years, the extraction device must be removed. However, the installations are often so tight that the relatively weak connecting elements cannot withstand the pull when they are lifted out and break off. The parts that remain in the gauge pipe often cannot be caught and pulled out. This makes the measuring point unusable and it has to be abandoned. Regardless of the financial loss, there is the disadvantage that the measuring point can no longer be used as a good or hydrogeological measuring point and that entire data series may become unusable because no follow-up data can be obtained. It is therefore necessary to set up a new measuring point at the same location with the corresponding investment.
Eine Verwendung von normal gebauten Grundwassermeßstellen mit im Grundwasserbereich durchgehender Verfilterung und ohne Abdichtungsstrecken im Ringraum ist für die Entnahme von tiefenhorizontierten Grundwasserproben nicht möglich. Hier treten beim Abpumpen vertikale Strömungen im Ringraum auf; die Wasser aus verschiedenen Tiefen vermischen sich.The use of normally constructed groundwater measuring points with continuous filtering in the groundwater area and without sealing sections in the annular space is not possible for the collection of deep-level groundwater samples. In this case, vertical currents occur in the annular space when pumping; the water from different depths mix.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daßThe invention is based on the object of designing a device of the type mentioned above in such a way that
a) eine Grundwasserprobenahme aus unterschiedlichen Horizonten bei gleichen Entnahmeraten und Bedingungen geschaffen wird, die als mobile Vorrichtung geeignet ist;(a) a groundwater sampling system is created from different horizons at the same sampling rates and conditions, which is suitable as a mobile device;
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b) zu jeder Zeit in Abhängigkeit von der geförderten Wassermenge reproduzierbare Wasserproben entnommen werden können;b) reproducible water samples can be taken at any time depending on the quantity of water extracted;
c) auch bereits vorhandene Grundwassermeßstellen und Brunnen tiefenhorizontiert beprobt werden können, ohne daß störende Vertikalströmungen eintreten.c) existing groundwater measuring points and wells can also be sampled at depth, without disruptive vertical flows occurring.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Brunnenrohr im Bereich der Entnahmehorizonte als Filterrohr ausgebildet ist und die Pumpen innerhalb des Filterrohres angeordnet sind und daß die Steigleitungen, die Pumpen und die Stromzuführungen an einer demontierbaren Deckelanordnung gehaltert sind.This object is achieved according to the invention in that the well pipe is designed as a filter pipe in the area of the extraction horizons and the pumps are arranged within the filter pipe and that the risers, the pumps and the power supplies are held on a removable cover arrangement.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Dekkelanordnung eine das Brunnenrohr abdeckende Deckelhalterung aufweist, an der Auflagen zur Abstützung von kreissegmentförmigen Abdeckungen angeordnet sind, an denen die Steigleitungen mit den Pumpen und die Stromzuführungen befestigt sind.An advantageous embodiment provides that the cover arrangement has a cover holder covering the well pipe, on which supports are arranged to support circular segment-shaped covers, to which the risers with the pumps and the power supplies are attached.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß zum Regeln der Pumpen Frequenzumrichter vorgesehen sind, die zusammen mit einem Stromaggregat mobil angeordnet sind.It is also advantageous that frequency converters are provided to control the pumps, which are arranged in a mobile manner together with a power generator.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die einzelnen Steigleitungen mit einem Meßgerät, einem Auslaufventil, einem Wasserzähler und einer Wasserableitung versehen sind.It is further proposed that the individual risers be provided with a measuring device, an outlet valve, a water meter and a water drain.
Die Erfindung bringt den Vorteil, daß die Vorrichtung für jede einzelne Pegelbeprobung in die Grundwassermeßstelle mit vertretbarem Zeitaufwand eingebaut und nach ausgeführter Probenahme wieder gezogen werden kann. Dabei könnenThe invention has the advantage that the device for each individual level sampling can be installed in the groundwater measuring point with a reasonable amount of time and removed again after the sampling has been carried out.
die Pumpen simultan mit gleichen Pumpraten betrieben werden. Das hat wiederum zur Folge, daß sich im Pegel, im Ringraum und im angrenzenden Aquifer Trennstromlinien ausbilden, die bestimmte Entnahmebereiche voneinander hydraulisch trennen. Ist die Meßstelle wie bei den Multi-Level-Brunnen mit kurzen Filterabschnitten ausgestattet, so sind die Entnahmebereiche einfacher zu beschreiben als bei durchgehend verfilterten Meßstellen. Da die Trennstromlinien sich aber irgendwo zwischen den einzelnen Pumpabschnitten zwangsläufig einstellen, ist der Entnahmebereich immer grob bestimmt. Bei bekannter Geologie können genauere Abschätzungen und überschlägige Berechnungen durchgeführt werden. Da bei den einzelnen Pegelbeprobungen die Pumpen immer in die vorher festgelegte Tiefe eingebaut und gleiche Mengen entnommen werden, stellen sich immer wieder die gleichen hydraulischen Verhältnisse im Aquifer ein. Die Beprobungsergebnisse werden damit untereinander vergleichbar. Da sich die Trennstromlinien beim simultanen Abpumpen auch im Ringraum der Meßstelle einstellen, können auch vorhandene, mit ausreichender Filterstrecke versehene Grundwassermeßstellen tiefenhorizontiert beprobt werden, was bislang nicht möglich war. Probenahmen verfälschende Vertikalstömungen im Ringraum treten nicht auf. Auch bei sehr kurzen Abständen zwischen den Pumpen bilden sich Trennstromlinien aus, was besonders bei der Erkundung von Grundwasserkontaminationen dann wichtig wird, wenn Aquiferbereiche untersucht werden müssen. Pumpraten können dabei nach Untersuchungsbedarf auch für einzelne Pumpen über den Frequenzumrichter eingeregelt werden.the pumps are operated simultaneously with the same pumping rates. This in turn results in the formation of separating flow lines in the gauge, in the annular space and in the adjacent aquifer, which hydraulically separate certain extraction areas from one another. If the measuring point is equipped with short filter sections, as is the case with multi-level wells, the extraction areas are easier to describe than with continuously filtered measuring points. However, since the separating flow lines inevitably appear somewhere between the individual pump sections, the extraction area is always roughly determined. If the geology is known, more precise estimates and rough calculations can be carried out. Since the pumps are always installed at the predetermined depth and the same quantities are extracted during the individual gauge samples, the same hydraulic conditions are always found in the aquifer. The sampling results are therefore comparable with one another. Since the separating flow lines also form in the annular space of the measuring point during simultaneous pumping, existing groundwater measuring points with sufficient filter sections can also be sampled at a depth level, which was not possible until now. Vertical flows in the annular space that distort sampling do not occur. Separating flow lines form even when the distances between the pumps are very short, which is particularly important when investigating groundwater contamination when aquifer areas have to be examined. Pumping rates can also be adjusted for individual pumps using the frequency converter, depending on the examination requirements.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail in the following description using an embodiment shown in the drawings.
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Es zeigen,Show it,
Fig. la einen Schnitt durch die Vorrichtung im Bereich des Grundwasserleiters bei einem Multi-Level -Brunnen,Fig. la a section through the device in the area of the aquifer in a multi-level well,
Fig. Ib bei einer normalen Grundwassermeßstelle,Fig. Ib at a normal groundwater measuring point,
Fig. 2 eine schematische Schaltungsanordnung der Gesamtvorrichtung,Fig. 2 shows a schematic circuit arrangement of the overall device,
Fig. 3 und 4 die Deckelhalterung der Deckelanordnung in Auf- und Grundriß undFig. 3 and 4 the cover holder of the cover assembly in plan and elevation and
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine segmentf örmige Abdeckung der Deckelanordnung.Fig. 5 is a plan view of a segment-shaped cover of the lid arrangement.
Der in Fig. la dargestellte Multi-Level-Brunnen weist ein in den Boden eingesetztes Brunnenrohr 12 auf, das entsprechend den vorgesehenen Entnahmehorizonten 15 Filterrohrabschnitte 16 aufweist. Am Boden ist dieses Rohr 16 mittels einer Bodenverschlußklappe 23 verschlossen. In Höhe eines jeden Entnahmehorizonts 15 und damit Filterrohrabschnittes 16 befindet sich eine Unterwassermotorpumpe 3, die jeweils mit einer Steigleitung 5 versehen ist. Diese Steigleitungen 5 sind nach oben hin über das Bodenniveau 22 an einer Deckelanordnung 17 hinausgeführt. Bei einem durchgehenden Brunnenrohr 12 DN 100 ist der Einbau von drei Pumpen 3 sinnvoll und bei einem DN 125 können es vier Pumpen 3 sein, sowie dies in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt ist.The multi-level well shown in Fig. 1a has a well pipe 12 set into the ground, which has filter pipe sections 16 corresponding to the intended extraction horizons 15. At the bottom, this pipe 16 is closed by means of a bottom closure flap 23. At the level of each extraction horizon 15 and thus filter pipe section 16, there is an underwater motor pump 3, each of which is provided with a riser 5. These risers 5 are led upwards above the ground level 22 on a cover arrangement 17. With a continuous well pipe 12 DN 100, the installation of three pumps 3 is sensible and with a DN 125 there can be four pumps 3, as is shown in the present embodiment.
Die einzelnen Entnahmestellen 15 sind durch Abdichtungen 24 im Ringraum der Bohrung zwischen Brunnenrohr und Bohr-The individual extraction points 15 are separated by seals 24 in the annular space of the bore between the well pipe and the borehole.
lochwand mit z.B. einem Tonmineralgemisch, hydraulisch getrennt, wobei zwischen diesen Abdichtungen 24 noch Kiesschüttungen 25 vorgesehen sind. Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, wird als oberster Entnahmehorizont 15 der Bereich des Wasserspiegels 21 gewählt und damit der oberste Punkt des Aquifers.hole wall with, for example, a clay mineral mixture, hydraulically separated, with gravel fillings 25 provided between these seals 24. As can be seen from Figure 1, the area of the water level 21 is chosen as the uppermost extraction horizon 15 and thus the uppermost point of the aquifer.
Die Ausführungsform nach Fig. Ib zeigt eine vereinfachte Darstellung des Einflußbereichs der einzelnen Pumpen 3 im Aquifer auf der Grundlage von abgepumpter Menge/Zeit und nutzbarer Porosität des Filterkieses und anstehendem Gebirge in einer Grundwassermeßstelle bei Anwendung der simultanen Pumprate-Methode. Dabei ist eine durchgehende Verfilterung mit einem durchgehenden Filterrohr 16' im Aquiferbereich und ohne Abdichtungsstrecken im Brunnenringraum vorgesehen.The embodiment according to Fig. Ib shows a simplified representation of the area of influence of the individual pumps 3 in the aquifer based on the pumped quantity/time and the usable porosity of the filter gravel and the rock in a groundwater measuring point when using the simultaneous pumping rate method. Continuous filtering with a continuous filter pipe 16' in the aquifer area and without sealing sections in the well annulus is provided.
Die Fig. 2 veranschaulicht die Gesamtanlage, wobei zur Regelung der Unterwassermotorpumpen 3 Frequenzumrichter 2 vorgesehen sind, die über Stromzuführungen 6 angeschlossen sind. Die Stromversorgung erfolgt über ein Stromaggregat 1. Dieses Stromaggregat 1 und die Frequenzumrichter 2 sind mobil auf einem Fahrzeug eingebaut. An die Steigleitungen 5 sind jeweils Meßgeräte für die pH-Werte und die elektrische Leitfähigkeit angeschlossen mit unmittelbar folgenden Auslaufventilen 8 zur Probeentnahme sowie Schlauchleitungen 9 mit jeweils dazwischen angeordneten Wasserzählern 10. Die Schlauchleitungen 9 münden schließlich in eine Wasserableitung 11.Fig. 2 illustrates the entire system, whereby frequency converters 2 are provided to control the submersible motor pumps 3, which are connected via power supplies 6. The power supply is provided by a power generator 1. This power generator 1 and the frequency converters 2 are installed on a mobile vehicle. Measuring devices for the pH values and the electrical conductivity are connected to the risers 5, with outlet valves 8 immediately following for taking samples and hose lines 9 with water meters 10 arranged between them. The hose lines 9 finally lead into a water drain 11.
Die Messung bzw. Probeentnahme kann derart vorgenommen werden, daß nach dem Einbau der Pumpen und dem Einstellen der Fördermenge die Meßstelle etwa 30 Minuten abgepumpt wird, damit sich stationäre Zustände einstellen. DabeiThe measurement or sampling can be carried out in such a way that after installing the pumps and adjusting the flow rate, the measuring point is pumped out for about 30 minutes so that stationary conditions are established.
werden der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit gemessen. Die Wasserproben werden dann genommen, wenn diese Werte in den Fiterabschnitten 16 konstant sind. Der gesamte Beprobungsablauf wird protokolliert, um bei Bedarf anhand von Bohrprofilen und Ausbauzeichnungen Auswertungen durchführen zu können. Nach dem Ausbau der Anlage aus der Meßstelle kann sie wieder bis zum nächsten Probenahmetermin, z.B. für hydrogeologische Stichtagsmessungen, verwendet werden.the pH value and the electrical conductivity are measured. The water samples are taken when these values are constant in the filter sections 16. The entire sampling process is recorded in order to be able to carry out evaluations if necessary using bore profiles and installation drawings. After the system has been removed from the measuring point, it can be used again until the next sampling date, e.g. for hydrogeological reference date measurements.
Die Figuren 3 bis 5 veranschaulichen die Ausgestaltung der Deckelanordnung 17. Dabei ist jedes Brunnenrohr 12 mit einer Deckelhalterung 18 versehen, die aus einem zylindrischen Außenring 26, Versteifungsrippen 27 und horizontalen Auflagen 19 besteht. In diese vom Außenring 26 und den Auflagen 19 gebildeten kreissegmentförmigen Ausschnitten werden entsprechend Abdeckungen 20 eingesetzt, die mit Durchgangsöffnungen 28 versehen sind, wo die Steigleitungen 5 bzw. Stromzuführungen 6 gehaltert sind. Damit lassen sich diese Teile einfach einbauen und auch zum Verlegen der Meßstelle entsprechend ausbauen und wiederverwenden.Figures 3 to 5 illustrate the design of the cover arrangement 17. Each well pipe 12 is provided with a cover holder 18, which consists of a cylindrical outer ring 26, stiffening ribs 27 and horizontal supports 19. Covers 20 are inserted into these circular segment-shaped cutouts formed by the outer ring 26 and the supports 19, which are provided with through-openings 28 where the risers 5 or power supply lines 6 are held. This means that these parts can be easily installed and can also be removed and reused for relocating the measuring point.
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