DE3531547A1 - Verfahren zur wassergewinnung aus grundwasserleitenden erdschichten und brunnenausbildung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassergewinnung aus grundwasserleitenden Erdschichten und befaßt sich mit einer Brunnenausbildung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Nach herkömmlichen Verfahren werden zur Wassergewinnung aus grundwasserleitenden Erdschichten eine oder mehrere Bohrbrunnen abgebohrt, in die später ein Brunnenfilterrohr (Fassungsrohr) mit einem gegenüber der Brunnenbohrung geringeren Durchmesser eingesetzt und mit einer Um­ schüttung aus grobem Kies stabilisiert wird, wobei die Umschüttung in der Korngröße an unterschiedliche Eigen­ schaften unterschiedlicher Erdschichten in der Formation angepaßt wird. In Höhe der nicht wasserleitenden Schich­ ten und oberhalb der wasserleitenden Schichten erfolgt eine Abdichtung des Brunnenrohres mittels einer einge­ brachten Tonschicht. Die Brunnenbohrung wird möglichst bis in eine Wasser schwer leitende Schicht hinein abge­ bohrt, so daß ein unterhalb des Brunnenfilterrohres angeordnetes Sumpfrohr mit seinem unteren Ende in diese Schicht hineinragt. Das untere Sumpfrohrende ist geschlossen, so daß das Sumpfrohr nicht nur als Pumpen­ sumpf, sondern auch als Sandfang und als Widerlager für Zuggestänge beim Ziehen des Brunnenrohres mit dem daran befestigten Filterrohr dienen kann (Nold, Brunnen­ filter-Buch, 5. Auflage 1977, J.F. Nold + Co., 6081 Stockstadt, Abb. 19, Seite 34, und Abb. 79 auf Seite 86). Diese Art der Wasssergewinnung ist jedoch nur für gröber körnige Schichten geeignet, insbesondere für Schichten aus Mittel- bis Grobsanden, Kiesen oder Steinen. Schichten aus Feinsanden müssen jedoch gegen den Filter abgedichtet werden. Die dem Brunnen von Feinsanden drohende Verschlemmung ist im Schrifttum häufig darge­ stellt worden. Die relativ dünnwandige Kiesumschüttung des Filterrohres vermag diese Verschlemmung nicht zu verhindern. Bohrbrunnen in Gebieten mit mehreren für die Wasserentnahme brauchbaren Schichten sind auch schon in Etagenausbildung mit Tonschüttungen zur Abdichtung von Schichten aus Feinsanden gegen den Filter ausgebaut worden. Brunnenbohrungen, die unvorhergesehen in mächtige Feinsandschichten eindringen, werden häufig abgebrochen und aufgegeben, wenn nicht tieferliegende und für die Wasserausbeutung geeignete Schichten vorhanden sind oder vermutet werden.

Andererseits ist der mit Grundwasser gefüllte Porenraum gerade in feinstkörnigen Sanden am größten. Das Poren­ volumen beträgt bei feinkörnigen Sanden etwa 40 Vol.% und bei kiesigen Grundwasserleitern nur etwa 20-30 Vol.%, so daß der Wassergehalt in Feinsanden erheblich größer ist als in grobporigen Grundwasserleitern, aus denen das Wasser mit herkömmlichen Methoden gewonnen werden kann.

In großen Gebieten der Erde, vor allem auch in Norddeutschland und im Oberrheingraben, liegen mächtige Schichten grundwasserleitender Feinsande mit einem wasser­ gefüllten Porenraum von etwa 40 Vol.% vor. Das Grund­ wasser aus diesen Schichten ist mit den bekannten Mitteln nicht oder nur mit einem großen -- wirtschaftlich nicht mehr vertretbaren -- Aufwand für die Nutzung durch den Menschen gewinnbar. Diese erheblichen Grundwasservorräte sind wegen der Brunnenversandung unangetastet, weil die Brunnenversandung bisher unvermeidlich erschien.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für die Gewinnung von Grundwasser aus feinkörnigen Schichten und auch aus klüftigen und verkarsteten Festgesteinen der Erde mit möglichst geringem Aufwand zu finden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein neues Verfahren mit Merkmalen nach dem Patentanspruch 1.

Dieses Verfahren ermöglicht die Wassergewinnung zum Nutzen für den Menschen aus feinkörnigen Schichten sowie aus klüftigen und verkarsteten Zonen und Lockergesteinen.

Das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, daß ein Bohrloch in die feinkörnige Schicht möglichst bis an deren Sohle abgebohrt, dann aber mit Kies vollständig wieder aufgefüllt wird, so daß die Wasserentnahme oberhalb dieser Füllung und somit auch im wesentlichen oberhalb der feinkörnigen Schicht erfolgen kann. In diese feinkörnige Schicht ragt dann kein Filterrohr hinein, so daß auch kein Versanden des Brunnens vorkommen kann. Die Kiesfüllung des Bohrloches im Bereich der feinkörnigen Schicht bildet eine stehende Säule und wirkt bei Grundwasserentnahme im Brunnen als vertikaler Drain, der das Wasser aus den Poren der feinkörnigen Schicht drainiert und nach oben an die druckentlastete Grundwasseroberfläche ableitet. Daraus folgt, daß eine möglichst große Drainoberfläche angestrebt wird, so daß die Brunnenbohrung möglichst tief und mit maximal möglichem Durchmesser in die auszubeutende Schicht getrieben werden sollte. Die Oberfläche der Drainfüllung des Bohrloches vergrößert sich mit zunehmender Tiefe und in Abhängigkeit vom Durchmesser mit dem Faktor der Kreiskonstanten. Dabei kann die Brunnenbohrung und die später eingebrachte Kiesfüllung auch geringmächtige wassserwegsame Zonen, z. B. feinkörniges Lockergestein sowie Klüfte und Karstzonen im Festgestein, durchdringen und diese auf gleichem Wege für die Wassergewinnung erschließen, selbst wenn dies bisher wegen der geringen zu erwartenden Ausbeute unwirtschaftlich erschien.

Die Wasserentnahme erfolgt oberhalb der Füllung des Bohrloches vorteilhaft in Niveauhöhe grobkörniger und mit Methoden nach dem Stande der Technik ausbeutbaren Schichten, die meistens oberhalb einer Wasser schwer leitenden Schicht liegen, wobei ein Brunnenrohr mit einem auch unten ausgebildeten Filter bis in diese Niveauhöhe abgesenkt und mit einer Kiesumschüttung stabilisiert wird.

Nach einem besonderen Erfindungsgedanken zur Gestaltung eines Bohrbrunnens für die Wassergewinnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist als Filterrohr (Fassungs­ rohr nach Nold oaO.) eine topfförmige Filterausbildung mit durchbrochenem Boden vorgesehen, wobei auf das Sumpfrohr bekannter Ausbildungen verzichtet wird. Dieser topf­ förmige Filter hat das Charakteristikum eines Grundfilters und ist mit seinem durchlöcherten Boden unmittelbar auf die Kiesfüllung des Bohrloches aufgesetzt und danach mit einer Kiesumschüttung in an sich bekannter Weise stabilisiert, die nach oben durch eine Tonschicht in ebenfalls an sich bekannter Weise abgedichtet ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wasser­ gewinnung liegen vor allem in der geschaffenen Möglichkeit zur Ausbeutung grundwasserleitender, feinkörniger Erd­ schichten, insbesondere Schichten aus feinem Sand, so daß bisher nicht genutzte Wasservorräte für die Trink­ wasserversorgung erschlossen werden können. Außerdem können übereinanderliegende, geringmächtige, wasserwegsame Zonen mit einer durchgehenden Bohrung und in Verbindung mit der Entwässerung von feinkörnigen Formationen wirtschaftlich erfolgreich erschlossen werden, wodurch eine beträchtliche Vermehrung der Grundwasservorräte erreicht wird.

Je nach individueller Konzeption kann die Wassergewinnung mit unterschiedlichen Mischungsanteilen von Wasser aus grobkörnigen und Wasser aus feinkörnigen Schichten erfolgen. Dabei ergibt sich ein besonderer Vorteil, daß das vielfach heute mit Schadstoffen zunehmend konta­ minierte Grundwasser aus höher an der Erdoberfläche liegenden Grundwasserleitern mit Grundwasser aus tiefen, unkontaminierten, durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erschlossenen Schichten verdünnt wird, so daß vorgegebene Grenzwerte für Schadstoffgehalte unter­ schritten werden. Vor allem die in oberen wasserleitenden Schichten zunehmenden Nitratgehalte lassen sich auf diese Weise durch Verdünnung mit Wasser aus tieferen Schichten reduzieren.

Schließlich wirkt die mächtige Füllung des Bohrloches bei der Entwässerung von klüftigen und verkarsteten Grund­ wasserleitern mit bakterieller Kontamination als Langsamfilter. Dadurch können hygienisch bedenkliche Trinkwassergewinnungsgebiete in klüftigen und vor allem verkarsteten Gebieten der Erde einer einwandfreien Nutzung dem Menschen zugeführt werden.

Zu erwähnen ist auch der Vorteil des geringen baulichen Aufwandes für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Einsparung langer Filterstrecken, langer Aufsatzrohre und eines Sumpfrohres.

Auf der Zeichnung sind Ausführungs- und Anwendungsbei­ spiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnung eines Brunnens im vertikalen Schnitt durch das obere Ende,

Fig. 2 eine Schemazeichnung im vertikalen Schnitt eines Brunnens im feinkörnigen Lockergestein gegenüber Fig. 1 im Maßstab verkleinert,

Fig. 3 eine Schemazeichnung eines Brunnens entsprechend Fig. 2 mit geringmächtigen, wasserführenden, grobkörnigen Zonen und

Fig. 4 eine Schemazeichnung entsprechend Fig. 2, jedoch bei Anwendung der Erfindung in gering­ mächtigen Lockergesteinsschichten sowie in klüftigen und verkarsteten Festgesteinen.

Die schematische Darstellung auf der Zeichnung erfolgte in Anlehnung an DIN 4023. Die grundwasserleitenden Erd­ schichten wurden in Fig. 1 zum Zwecke einer zeichnerisch besseren Verdeutlichung mit horizontaler Wasser­ linienschraffur versehen. Die Fig. 1 zeigt in einem gegenüber den Darstellungen in den Fig. 2 bis 4 vergrößerten Maßstab das obere Ende eines Brunnens zur Wassergewinnung unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nach der Erfindung wird eine Brunnenbohrung 1 von der Erdoberfläche 2 durch grundwasserleitende Schichten 3 hindurch bis in größere Tiefen feinporiger Schichten 4, insbesondere Schichten aus feinem Sand, vorteilhaft auf eine darunterliegende, Wasser schwer leitende Schicht hinein abgebohrt. Im Anschluß an die Erstellung der Brunnenbohrung 1 wird das Bohrloch mit einer Füllung 5 aus grobkörnigem Kies oder dergleichen wieder angefüllt, und zwar bis an die für die Wassergewinnung vorgesehene Schicht aus feinem Sand, so daß die die Füllung 5 bildende Säule aus grobkörnigem Kies mit ihrer Oberfläche etwa bis in Höhe der grundwasserleitenden, grobkörnigen Schichten reicht. Auf die Oberfläche der Füllung 5 aus grobkörnigem Kies ist ein Filter 6 aufgesetzt, welches nach einem besonderen Gedanken der Erfindung als ein topfförmiges Grundfilter mit einem durchlöcherten Boden 7 ausgebildet ist. Dieses Filter 6 wird anschließend durch eine Kieseinschüttung stabilisiert, dessen Korngröße in an sich bekannter Weise an die örtlichen anstehenden Schichten angepaßt wird. Ein relativ kurzes Brunnenrohr 8 führt somit vom Filter 6 an die Oberfläche 2. Für die Abdichtung des Brunnenrohres 8 nach oben ist eine Tonschicht 9 oder dergleichen eingebracht, wie es an sich bekannt ist. Für die Wasserentnahme aus dem relativ flachen Brunnenrohr mit dem an seinem unteren Ende angeordneten Grundfilter 6 sind bekannte Förder­ einrichtungen einsetzbar. Die Füllung 5 der Brunnen­ bohrung 1 wirkt innerhalb der feinporigen Schichten 4 als ein Filter, in dem sich bei Grundwasserentnahme eine Vertikalströmung nach oben in das Brunnenrohr 8 ausbildet. Dabei erfolgt keine Versandung des Entnahmebrunnens, da in der Füllung 5 des Bohrloches durch die Schwerkraft alle Feinstteile zurückgehalten werden.

Das auf diese Weise in Fig. 2 aus den feinporigen Schichten 4 zufließende Wasser wird mit dem Grundwasser aus oberen Schichten 3 vermengt, so daß das Wasser aus diesen grobkörnigen Schichten 3 mit etwaigen Schadstoff­ konzentrationen, bedingt durch Oberflächenkontamination, in erheblichem Maße durch Wasser aus feinporigen Schichten 4 verdünnt wird, wie es zuvor bereits erläutert wurde.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt die gleiche Brunnen- herstellung und Brunnenausbildung, wie sie zuvor in Verbindung mit der Fig. 2 erläutert wurde. Das Bohrloch 1 durchsetzt jedoch in der Höhe überein­ anderliegende, gröber körnige, wasserführende Zonen 10 geringer Mächtigkeit, so daß in Verbindung mit der Drainage der Schichten aus feinporigem Sand oder dergleichen auch eine wirtschaftliche Ausbeutung solcher gröber körniger Zonen relativ geringer Mächtigkeit vorgenommen werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 4 ist die Brunnenbohrung 1 durch Schichten 4 aus feinem Sand hindurch bis in tieferliegende, klüftige und verkarstete Festgesteine abgebohrt worden. Durch die Füllung 5 aus grobkörnigem Kies oder dergleichen wird ein Langsamfilter gebildet, in dem das Wasser -- z. B. hygienisch nicht einwandfreies Wasser -- aus dem Festgestein oder den Karstgerinnen 11 nach oben abgeleitet und durch die Langsamfiltration gereinigt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Wassergewinnung aus grundwasserleitenden Erdschichten mittels Brunnenbohrung, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf größere Tiefe in den zur Wassergewinnung zu erschließenden Grundwasserleitern eingebrachte Brunnenbohrung mit (grobkörnigem) Kies vollständig aufgefüllt und das Wasser anschließend oberhalb dieser Auffüllung entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffüllung der Brunnenbohrung mit grobkörnigem Kies bis zur Höhe einer die für die Wassergewinnung zu erschließenden Schichten überlagernden, Wasser schwer leitenden Schicht erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserentnahme bei einer grobkörnige, grundwasserleitende Schichten durchdringenden Brunnenbohrung etwa in der Höhe dieser grobkörnigen Schichten erfolgt.

4. Brunnenausbildung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in größere Tiefen einer feinkörnigen, grundwasserleitenden Erdschicht (4, Feinsand) eingebrachte Brunnenbohrung (1) eine das Volumen dieser Bohrung im Bereich der feinkörnigen Erdschicht (4) einnehmenden, eine stehende Säule bildenden, Füllung (5) aus grobkörnigem Material aufweist.

5. Brunnenausbildung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter mit einem durchbrochenen Boden ohne Sumpfrohr auf die grobkörnige Füllung (5) aufgesetzt ist.

6. Brunnenausbildung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Höhe einer wasserleitenden grob­ körnigen Schicht (3) auf die Füllung (5) der Brunnenbohrung (1) in der feinkörnigen Schicht (4) aufgesetzter Filter (6) mit einer Umschüttung aus (grobkörnigem) Kies versehen ist.

7. Brunnenausbildung nach den Ansprüchen 4 bis 6, gekenn­ zeichnet durch eine topfförmige Filterausbildung.