DE4329729A1 - Verfahren und Einrichtung zur Entnahme von Gas- oder Flüssigkeitsproben aus verschiedenen Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Entnahme von Gas- oder Flüssigkeitsproben aus verschiedenen Schichten über ein gemeinsames, diese Schichten durchdringen­ des und durch Querwandungen in einzelne Längsabschnitte unter­ teiltes Meßrohr mit in den einzelnen Längsabschnitten durch­ lässiger Rohrwandung.

Bei der Probenentnahme über ein beispielsweise in den Boden oder in ein Gewässer eingebrachtes Meßrohr besteht die Gefahr, daß die einzelnen Entnahmestellen innerhalb des Meßrohres zwar gegeneinander abgedichtet sind, trotzdem aber eine Probenver­ fälschung auftritt, weil an einer Entnahmestelle nicht nur Gas oder Flüssigkeit, die aus der dort befindlichen Schicht stammt, aufgenommen wird, sondern auch Medium, das aus höher­ liegenden oder tieferliegenden Schichten zuströmt. Diese Ge­ fahr tritt nicht nur beispielsweise bei leicht durchlässigen Bodenschichten auf, sondern ist auch dadurch vorgegeben, daß bei Bodenuntersuchungen in der Regel die Meßrohre in ein Bohr­ loch eingebracht werden, das einen größeren Durchmesser als das Meßrohr hat und bei welchem nachträglich der Zwischenraum zwischen der Bohrlochwandung und der Meßrohr-Außenwandung mit einer Kiesfüllung ausgefüllt wird. Diese Kiesfüllung am Umfang des Meßrohres begünstigt einen Medienaustausch in vertikaler Richtung zwischen den Bodenschichten, sobald hier Druckunter­ schiede auftreten, die vom Meßrohr ausgehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der genannten Art so auszubilden, daß sicher­ gestellt ist, daß das an einer Probenentnahmestelle im Meßrohr entnommene Gas oder die dort entnommene Flüssigkeit nur aus der dort befindlichen Umgebungsschicht stammt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus den auf der Höhe interessierender Umgebungsschichten be­ findlichen Rohrabschnitten nur so viel oder weniger an Gas- oder Flüssigkeitsmenge abgezogen wird, wie durch normalen, ohne eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit vor dem Meßrohr erfolgenden Zustrom von außen in den betreffenden Rohrabschnitt zum Probenentnahmezeitpunkt eintritt. Hierzu können die Pumpen zum Abzug von Gas oder Flüssigkeit aus den einzelnen Meßrohrabschnitten über einen Mikroprozessor in Abhängigkeit von Strömungsmeßwerten, die in den Meßrohrab­ schnitten oder benachbart in den Schichten angeordnete Strö­ mungsmesser liefern, in ihrer Förderleistung gesteuert sein.

Wenn die vorstehend genannten Verfahrensbedingungen eingehal­ ten werden, wird ein in dem zu überwachenden Umgebungsbereich bestehendes Strömungsgeschwindigkeitsprofil durch die Entnahme von Gas oder Flüssigkeit auf der Zuströmseite nicht gestört, und es treten keine Druckdifferenzen auf, die veranlassen könnten, daß Gas oder Flüssigkeit aus höherliegenden oder tieferliegenden Schichten zu einer unterhalb oder oberhalb von diesen Schichten befindlichen Probenentnahmestelle abgeleitet werden, bei Bodenuntersuchungen auch nicht über eine gut durchlässige Kiesummantelung des Meßrohres. Damit ist sicher­ gestellt, daß die entnommenen Proben nur eine Aussage über die überwachte Schicht machen. Dies ist vor allem bei der Über­ wachung von Trinkwasserbrunnen, einschließlich Mineralwasser­ brunnen, oder von offenen Gewässern ein sehr wichtiger Vor­ teil.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich mit einer Einrich­ tung, die ein in die zu überwachenden Schichten eingebrachtes Meßrohr mit mindestens bereichsweise gas- und flüssigkeits­ durchlässiger Wandung und einem durch Querwandungen in ein­ zelne Längsabschnitte unterteilten Innenraum und mit aus den Längsabschnitten nach dem einem der oberen Rohrenden führen­ den, an mindestens eine Pumpe anschließbaren Entnahmeleitungen durchführen, bei welcher erfindungsgemäß in den Meßrohrab­ schnitten die Wandungsöffnungen auf einen bestimmten, der Strömungsrichtung des in den Schichten fließenden und zu un­ tersuchenden Mediums zugekehrten ersten Umfangsbereich be­ schränkt sind. Vorteilhafterweise können in den Meßrohrab­ schnitten zusätzliche Wandungsöffnungen in einem zweiten, dem ersten Umfangsbereich gegenüberliegenden Umfangsbereich ausge­ bildet sein.

Flüssigkeiten und Gase weisen in den überwiegenden Fällen eine mehr oder minder starke Längsströmung in Gewässer-, Raum- oder Bodenschichten auf und nicht nur ein Steigen oder Fallen ihres oberen Pegels. Erfindungsgemäß werden die Meßrohre auf die ermittelte Strömungsrichtung mit ihren durchlässigen Wandungs­ bereichen ausgerichtet, die sich zweckmäßig jeweils über einen Umfangswinkel von 90° erstrecken. Dadurch ist sichergestellt, daß bei den vorstehend genannten Entnahmekriterien bezüglich der Probenmenge aus der an der Entnahmestelle befindlichen Schicht nur neu zufließendes Medium in den Meßrohrabschnitt gelangt. Bei einer kontinuierlichen Probenentnahme aus einem Meßrohrabschnitt genügt ein erster und der Zuflußrichtung zugekehrter durchlässiger Wandungsbereich. Bei einer intermit­ tierenden Probenentnahme muß in diesem Fall zunächst in dem Meßrohrabschnitt angestautes älteres Medium eine Zeitlang abgesaugt werden, bis mit Sicherheit frisch einströmendes Medium erfaßt wird. Ansonsten empfiehlt sich für eine inter­ mittierende Probenentnahme der Einsatz von auf die Strömungs­ richtung ausgerichteten Rohren mit ersten und zweiten, auf entgegengesetzten Seiten ausgebildeten durchlässigen Wandungs­ bereichen. Hier kann in den Entnahmepausen das Medium die Meßrohrabschnitte quer zur Rohrlängsachse durchströmen, steht in den Meßrohrabschnitten also immer frisches Medium zur Ent­ nahme an.

In den Fällen, wo Probenentnahmen in Schichten durchgeführt werden müssen, in welchen praktisch keine oder nur eine sehr geringe Längsströmung des zu entnehmenden Mediums auftritt, kann erfindungsgemäß in einer durch die beiden durchlässigen Wandungsbereiche der Meßrohrabschnitte und die Meßrohrachse verlaufenden Strömungsebene in der Umgebung mindestens ein freies Rohr mit durchlässiger Wandung oder eine nicht unter­ teilte Zusatzbohrung über die ganze Länge des Meßrohres ausge­ bildet werden, die zur Auslösung einer Zwangsströmung des zu untersuchenden Mediums unter Unterdruck gesetzt und über wel­ che Medium abgepumpt wird. Wichtig ist hierbei, daß diese Unterdruckwirkung in allen von dem Meßrohr erfaßten Schichten vorhanden ist, so daß unter Einhaltung der für die Entnahme­ menge geltenden Bedingungen auch bei einer solchen Einrichtung sichergestellt ist, daß das in einen der Meßrohrabschnitte einfließende Medium auch nur aus der diesen Meßrohrabschnitt umgebenden Schicht stammt.

Zur Bestimmung der Strömungsstärke in den einzelnen Schichten kann zweckmäßig seitlich oder stromaufwärts von dem Meßrohr ein Zusatzrohr angeordnet oder eine benachbarte Zusatzbohrung geschaffen werden, das oder die ebenfalls in einzelne Ab­ schnitte unterteilt und mit einer durchlässigen Wandung ver­ sehen ist. In die einzelnen Rohrabschnitte sind Strömungsmes­ ser der Pumpsteuereinrichtung auf der Höhe der interessieren­ den Umgebungsschichten eingesetzt und messen das auf dieser Schichthöhe die Rohrabschnitte durchströmende Medium zur Be­ stimmung der Strömungsgeschwindigkeit und damit der pro Zeit­ einheit in die Meßrohrabschnitte einströmenden und maximal entnehmbaren Gas- oder Flüssigkeitsmenge.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten, für die Entnahme von Proben aus dem Erdreich vorgesehenen Einrichtung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein in das Erdreich eingesetztes Meßrohr und durch benachbarte Zusatzbohrungen;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit II gekennzeichneten Meßrohr­ abschnittes;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Meßrohr in einem durchlässigen Wandungsbereich.

Fig. 1 ist bezüglich der Ausbildung der einzelnen Einrich­ tungsteile als rein schematische Darstellung zu sehen. Sie zeigt ein Meßrohr 10, das in eine durch mehrere übereinander­ liegende Bodenschichten a-h hindurchgeführte Bohrung einge­ setzt ist. Das Meßrohr ist durch Querwandungen 11 in mehrere Meßrohrabschnitte 12 unterteilt, von denen diejenigen Meßrohr­ abschnitte, aus welchen eine Probenentnahme vorgesehen ist, in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 12, gefolgt von dem Buchstaben der zugehörigen Bodenschicht, bezeichnet sind. Es sind dies die Brunnenrohrabschnitte 12b, 12c, 12e, 12f und 12g. Der Grund­ wasserpegel 13 in der Bodenschicht b ist mit einer gestrichel­ ten Linie angedeutet. Die Strömungsrichtung des Grundwassers ist mit Pfeilen 14 gekennzeichnet.

Alle Querwandungen 11 des Meßrohres 10 sind auf einem zentra­ len Rohr 15 befestigt und zusammen mit diesem Rohr 15 auch gemeinsam im Meßrohr 10 verschiebbar. Das Rohr 15 kann gleich­ zeitig auch die Probenentnahmeleitungen 16 aufnehmen, die von einzelnen Meßrohrabschnitten zu einer außerhalb des Meßrohres 10 befindlichen Fördervorrichtung 17 führen. Diese Probenent­ nahmeleitungen 16 sind in der schematischen Darstellung der Fig. 1 alle gesondert und außerhalb des Rohres 15 befindlich dargestellt. Hier können aber unterschiedliche Anordnungen getroffen sein, wie sie beispielsweise in der DE-PS 41 25 141 oder der Patentanmeldung P 43 16 973.2 der Anmelderin be­ schrieben sind.

In der Fördervorrichtung sind in der Zeichnung schematisch angedeutete Pumpen 17.1 angeordnet, die über einen Mikropro­ zessor hinsichtlich ihrer veränderbaren Förderleistung in Abhängigkeit von Steuersignalen gesteuert oder geregelt sind, die über eine elektrische Sammelleitung 18 von Strömungsmes­ sern 19 geliefert werden, die beim dargestellten Ausführungs­ beispiel in einem dem Meßrohr benachbarten Rohr 20 auf der Höhe der in die Überwachung genommenen Bodenschichten b, e, f und g angeordnet sind und mit welchen die Strömungsgeschwin­ digkeit des Grundwassers in den einzelnen Bodenschichten ge­ messen wird. Das Rohr 20 ist durchgehend mit einer durchlässi­ gen Wandung versehen, und die Strömungsmesser 19 sind in Rohr­ abschnitten angeordnet, die durch Querwandungen 21 voneinander getrennt sind. Die Trennwandungen 21 sind auf einem zentralen Tragrohr 22 befestigt, durch welches die elektrischen Verbin­ dungsleitungen zu den einzelnen Strömungsmessern 19 hindurch­ geführt sind.

Das Meßrohr 10 ist hier nur im Bereich der Meßrohrabschnitte, aus welchen Grundwasserproben entnommen werden sollen, mit Wandungsöffnungen 23 versehen, und dort auch nicht über seinen gesamten Umfangsbereich. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 erläutert.

In Fig. 1 ist mit strichpunktierten Linien in der Grundwasser­ strömungsrichtung gesehen hinter dem Meßrohr 10 eine Zusatz­ bohrung 24 in der Nachbarschaft des Meßrohres niedergebracht, die sich über die gesamte Länge des Meßrohres 10 erstreckt, die nur einen kleinen Durchmesser aufweisen kann und die durch keine Querwandungen unterteilt ist. In dieser Zusatzbohrung 24 wird mittels eines ebenfalls mit strichpunktierten Linien angedeuteten Ventilators 25 ein Unterdruck erzeugt oder mit­ tels einer Pumpe auch Grundwasser abgesaugt, wodurch bei weit­ gehend stehendem Grundwasser eine Zwangsströmung von Grund­ wasser durch die einzelnen Meßrohrabschnitte 12 des Meßrohres 10 hindurch erzwungen werden kann.

Aus der gegenüber Fig. 1 vergrößerten Darstellung des Meßrohr­ abschnittes 12g in Fig. 2 ist der die einzelnen Meßrohrab­ schnitte gegeneinander abdichtende Aufbau der Querwandungen 11 ersichtlich. In diesem beim dargestellten Ausführungsbeispiel untersten Probenentnahmebereich ist das Tragrohr 15 unmittel­ bar als Probenentnahmeleitung verwendet und mit einem durch­ lässigen Wandungsbereich 15.1 versehen. Das Meßrohr 10 ist von einer Kiesschicht 25 umgeben. Die in dem Meßrohrabschnitt 12g vorhandenen Wandungsöffnungen 23 sind wie auch in den anderen Meßrohrabschnitten auf zwei einander gegenüberliegende Um­ fangsbereiche des Meßrohres beschränkt, wie aus Fig. 3 er­ sichtlich ist. Diese beiden durchlässigen Wandungsbereiche sind jeweils auf einen Umfangswinkel von 90° begrenzt und sind auf die durch die Pfeile 14 gekennzeichnete Strömungs­ richtung des Grundwassers ausgerichtet. Die beiden Wandungs­ bereiche definieren zusammen mit der Meßrohrachse eine Strö­ mungsebene, in welcher die Zusatzbohrung 24 (Fig. 1) angeord­ net ist. In den Figuren von rechts anströmendes Grundwasser kann durch den ersten mit Öffnungen 23 versehenen Wandungsbe­ reich in die Meßrohrabschnitte einströmen und durch den ent­ gegengesetzten zweiten durchlässigen Wandungsbereich wieder aus den Meßrohrabschnitten abströmen, solange keine Proben­ entnahme in das Rohr 15 erfolgt. Da bei der Probenentnahme die Pumpen der Fördervorrichtung 17 in ihrer Förderleistung so gesteuert sind, daß höchstens so viel Grundwasser aus einem Meßrohrabschnitt entnommen wird, wie durch den stromaufwärts ausgerichteten ersten durchlässigen Wandungsbereich in den Meßrohrabschnitt, hier 12g, im Verlauf der natürlichen Grund­ wasserströmung einfließt, bleibt stromaufwärts eine in den Fig. 2 und 3 mit einer strichpunktierten Linie angedeutete Strömungspotentiallinie 26 erhalten, die hier geradlinig ver­ tikal verläuft und sicherstellt, daß bei der Probenentnahme in einem Meßrohrabschnitt nicht auch Grundwasser aus benachbarten Bodenschichten in unerwünschter Weise angesaugt wird. Nur stromabwärts, hinter dem Meßrohr 10, macht sich eine Proben­ entnahme in einem Meßrohrabschnitt durch eine verminderte Abströmgeschwindigkeit des Grundwassers und eine entsprechend deformierte Strömungspotentiallinie 26′ bemerkbar. Eine in diesem Bereich dadurch mögliche Vermischung von Grundwasser benachbarter Schichten hat aber keine Rückwirkungen auf den Probenentnahmebereich.

Das Meßrohr 10 kann in seinen für eine Probenentnahme vorgese­ henen Meßrohrabschnitten Wandungsöffnungen 23 auch nur in dem stromaufwärts gerichteten ersten Bereich aufweisen. Bei einer kontinuierlichen Probenentnahme wird das einfließende Grund­ wasser zumindest annähernd vollständig über die Probenentnah­ meleitung abgeführt. Bei einer intermittierenden Probenentnah­ me muß in diesem Fall zunächst das die Füllung des Meßrohr­ abschnittes bildende angestaute ältere Grundwasser abgesaugt werden, bis neu zufließendes Grundwasser in die Probenentnah­ meleitung gelangt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Entnahme von Gas- oder Flüssigkeitsproben aus verschiedenen Schichten, beispielsweise Bodenschich­ ten, über ein gemeinsames, diese Schichten durchdringendes und durch Querwandungen (11) in einzelne Längsabschnitte (12) unterteiltes Meßrohr (10) mit in den einzelnen Längs­ abschnitten durchlässiger Rohrwandung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus den auf der Höhe interessierender Schichten (a-h) befindlichen Rohrabschnitten (12b, 12c, 12e, 12f, 12g) nur so viel oder weniger an Gas- oder Flüs­ sigkeitsmenge abgezogen wird, wie durch normalen, ohne eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit vor dem Meßrohr (10) erfolgenden Zustrom von außen in den betref­ fenden Rohrabschnitt zum Probenentnahmezeitpunkt eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen (17.1) zum Abzug von Gas oder Flüssigkeit aus den einzelnen Meßrohrabschnitten (12b-12g) über einen Mikro­ prozessor in Abhängigkeit von Strömungsmeßwerten, die in den Meßrohrabschnitten oder benachbart in den Schichten angeordnete Strömungsmesser (19) liefern, in ihrer Förder­ leistung gesteuert sind.

3. Einrichtung zur Entnahme von Gas- oder Flüssigkeitsproben aus verschiedenen Schichten gemäß dem Verfahren nach An­ spruch 1 oder 2, mit einem in die Schichten eingebrachten Meßrohr (10) mit bereichsweise gas- und flüssigkeitsdurch­ lässiger Wandung und mit einem durch Querwandungen (11) in einzelne Längsabschnitte (12) unterteilten Innenraum und mit aus den Längsabschnitten nach einem Meßrohrende füh­ renden, an mindestens eine Pumpe (17.1) anschließbaren Entnahmeleitungen (16), dadurch gekennzeichnet, daß in den Meßrohrabschnitten (12b, 12c, 12e, 12f, 12g) die Wandungs­ öffnungen (23) auf einen bestimmten, der Strömungsrichtung des in den Schichten fließenden und zu untersuchenden Mediums zugekehrten ersten Umfangsbereich beschränkt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Meßrohrabschnitten zusätzliche Wandungsöffnungen (23) in einem zweiten, dem ersten Umfangsbereich gegen­ überliegenden Umfangsbereich ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die durchlässigen Wandungsbereiche des Meßrohres (10) sich jeweils über einen Umfangswinkel von 90° er­ strecken.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer durch die beiden durchlässigen Wandungsberei­ che der Meßrohrabschnitte (12) und die Meßrohrachse ver­ laufenden Strömungsebene dem Meßrohr benachbart mindestens ein nicht unterteiltes Rohr mit durchlässiger Wandung oder eine nicht unterteilte Zusatzbohrung (24) über die ganze Länge des Meßrohres (10) angeordnet oder ausgebildet ist, das oder die zur Auslösung einer Zwangsströmung des zu untersuchenden Mediums unter Unterdruck gesetzt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe und seitlich oder strom­ aufwärts von dem Meßrohr (10) ein Rohr (20) oder eine Zusatzbohrung, die in einzelne Abschnitte unterteilt und mit einer durchlässigen Wandung versehen ist, für die Aufnahme mindestens eines Strömungsmessers (19) der Pump­ steuereinrichtung angeordnet oder eingebracht ist.