Kontaminierte Standorte
Die Planung und Überwachung von Grundwassersanierungen erfordert detaillierte und räumliche Informationen zur Grundwasserfließbewegung.
In-situ-Grundwasserfließmessungen können das Grundwassermonitoring vor und während Sanierungsmaßnahmen unterstützen, beispielsweise zur Planung, zur Plausibilitätsprüfung, zum Nachweis der Wirksamkeit von Maßnahmen und zur Validierung von Fließmodellen. In-situ Fließmessungen unterstützen beispielsweise dabei, zu erkennen, ob
• ein Sanierungsbrunnen die erwartete hydraulische Wirkung erzielt
• eine Schadstofffahne in einer bestimmten Tiefe transportiert wird
• eine Grundwasserentnahme die Umgebung beeinflusst
• ein Modell die reale Strömungssituation übereinstimmend abbildet
Die Grundwassersituation an Grundstücksgrenzen ist in Bezug zum Kontaminationsaustrag, der Ermittlung von Grundwasserstörern oder der Erfassung der Reichweite von Grundwassersanierungen häufig ein sensibles Thema, bei denen zuverlässige Informationen zur Grundwasserfließbewegung erforderlich sind. Auch am Rand von Sanierungsstandorten, an denen Grundwasserfließmodelle häufig enden, sind belastbare Informationen zur Grundwasserfließsituation gefordert.
Viele Standorte weisen bei genauer hydrogeologischen Erkundung einen hydraulisch heterogenen Untergrund auf. Auf Industriestandorten spielen auch Einflüsse durch Kontaminationen, Erschütterungen, Betriebsbrunnen oder der Grundwassernutzung zu Kühlungszwecken eine Rolle, die zu einer unbeständigen Grundwasserfließsituation führen. Hier unterstützen In-situ-Fließmessungen das Verständnis der Fließprozesse im Aquifer für die Planung und Überwachung von Grundwassersanierungen oder der Optimierung der Grundwassernutzung auf Industriestandorten.
Verschiedene Sanierungsstrategien beinhalten das Einbringen reaktiver, schadstoffabbauender Mikropartikel in den Grundwasserleiter. Beim Einspülen von Partikelsuspensionen in den Grundwasserleiter verändert sich dessen hydraulische Eigenschaft und es besteht die Gefahr, dass die mit Mikropartikeln besetzte Zone umflossen wird. Um ein Verstopfen des Grundwasserleiters zu vermeiden und die gewünschte Ausbreitung der Partikelsuspension zu erzielen, muss eine auf den Grundwasserleiter angepasste Dosierungsstrategie angewendet werden. Begleitende hochauflösende in-situ-Fließmessungen in benachbarten Messstellen können die Strömungsverhältnisse im Grundwasserleiterprofil vor und während des Injektionsprozesses überwachen. Fließänderungen können so direkt erfasst und der Dosierungsprozess angepasst werden.
Grundwassergewinnung
Ein nachhaltiges Grundwassermanagement beginnt mit dem Verständnis des Aquifersystems.
Rund 75% unseres Trinkwassers kommen aus dem Grundwasser. Grund genug, um es genauer zu erkunden. Zum Schutz von Grundwasserkörpern sowie für eine nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung, gerade in Hinblick auf steigenden Wasserbedarf und Klimaveränderungen.
Mit in-situ-Fließmessungen in Messstellen, die im Bereich von Wasserwerken und Grundwasserförderanlagen liegen, können Förderreichweiten aufgezeigt und so die Ausweisung von Schutzzonen unterstützt werden. Sie geben Informationen zur Fließverteilung in Profil des erschlossenen Grundwasserleiters oder zur Fließbewegungen in tiefen Aquiferen. Mit Langzeitmessungen werden Änderungen der Fließdynamik bei wechselnder Grundwasserförderung aufgezeigt.
Durch ansteigendes Meerwasser sind Grundwasserressourcen in Küstenregionen durch Salzwasserintrusionen gefährdet. Ein nachhaltiges Grundwassermanagement ist hier entscheidend, um einen Salzwassereintrag in den Süsswasserkörper zu verhindern. Langzeitmessungen der Fließdynamik mit In-situ-Fließmessungen liefern detaillierte, zeitaufgelöste Daten zur lokalen Grundwasserströmung in Aquiferprofil; dabei werden Gezeiteneinflüsse sowie konkurrierende Grundwasserentnahmen sichtbar. Mit diesen Informationen können Strategien zum Grundwassermanagement in diesen Regionen erarbeitet und unterstützt werden.
Tief- und Tunnelbau/Sperrbauwerke
Zur Beurteilung hydraulischer Auswirkungen und Stabilitätsrisiken bei unterirdischen Bauprojekten sind zuverlässige Informationen über Grundwasserfließbewegungen unerlässlich.
Tief- und Tunnelbaumaßnahmen im grundwassererfüllten Baugrund beinhalten typischerweise die Errichtung von Spundwänden, Senkkästen oder Tunnelbauwerken und erfordern eine angepasste Bauwasserhaltung. Bei nicht vorhandener oder unzureichender Bauwasserhaltung wirken diese Strukturen als hydraulische Barrieren oder Drainagen, was die natürliche Grundwasserströmung sowohl lokal als auch großräumig verändert. Grundwasser kann sich vor diesen Sperrbauwerken aufstauen, den Strömungsdruck erhöhen und diese Strukturen mit erhöhter Fließgeschwindigkeit umströmen. Dies begünstigt den Austrag und die Umlagerung von Feinkornanteilen insbesondere im Kontaktbereich zwischen Sperrbauwerk und Grundwasserleiter, was zu strukturellen Änderungen im Korngerüst führen und es auflockern kann.
Eine resultierende Suffusion oder Piping kann zu einer irreversiblen Zunahme der Durchlässigkeit und Ausbildung bevorzugter Fließpfade führen mit der Konsequenz von Setzungen oder einer erhöhte Längsdrainage parallel zu Tunnelbauwerken oder über das Tunneldach. Auch die Standsicherheit von Baugrubensohlen ist durch erhöhte Um- und Unterströmungen gefährdet. Um diese Effekte aufzuzeigen können Fließmessungen zur Überwachung der Durchflussrate und der mitgeführten Partikelfracht in projektbegleitenden Grundwassermessstellen durchgeführt werden.
Oberflächennahe Geothermie
Hochauflösende Untersuchungen der Grundwasserströmung unterstützen die Planung geothermischer Anlagen und weisen deren langfristige Leistungsfähigkeit nach.
Für die Planung von oberflächennahen Geothermieprojekten, der Berechnung der thermischen Reichweite und den Betrieb dieser Anlagen sind Informationen über die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Sie bestimmen, wie schnell sich der Untergrund nach dem Wärmeentzug regeneriert oder ob es zu unerwünschten Beeinflussungen zwischen mehreren Anlagen kommt. Allein in Deutschland werden jährlich etwa 25.000 oberflächennahe Erdwäremsonden (EWS) installiert – ein beträchtlicher Teil davon in grundwasserführenden Formationen.
Bei der Planung thermischer Aquiferspeicher (ATES – Aquifer Thermal Energy Storage) liefern In-situ-Fließmessungen wichtige Informationen zur Fließdynamik im Speicherhorizont. Sie unterstützen die Bewertung von Fließrichtung, Fließgeschwindigkeit und tiefenabhängigen Strömungsanteilen und schaffen damit eine belastbare Grundlage für die Auslegung von Speicher- und Förderbrunnen. Dadurch lassen sich potenzielle Verlagerungen von Wärme- oder Kältefahnen sowie hydraulische Wechselwirkungen zwischen Brunnen frühzeitig erkennen und planerisch berücksichtigen. Tiefenaufgelöste reale Fließinformationen haben hier einen klaren Planungsnutzen.
Bei Projekten mit mehreren Erdwärmesonden muss das Sondenfeld so angeordnet werden, dass die erzeugten Kältefahnen benachbarte Sonden nicht überschatten. Dies würde zu einer Verringerung der Effizient führen. Die Anordnung von EWS sollten daher idealerweise quer zur örtliche Grundwasserfließrichtung erfolgen. Auch für die räumliche Abgrenzung zu Trinkwassergewinnungsgebieten, sofern der Nutzhorizont der Wasserförderung betroffen ist, ist die Kenntnis der Grundwasserfließrichtung wichtig. Ebenso um dem notwendigen Abstand zu benachbarten Grundstücken oder anderen geothermischen Anlagen zu ermitteln, um rechtliche Konflikte zu vermeiden.
In vielen Fällen werden bereits vor der Auslegung von Erdwärmesondenfeldern Testbohrungen für Thermal Response Tests (TRT) errichtet, die als Grundwassermessstellen zur späteren Überwachung der Grundwassertemperatur ausgebaut werden. Temperaturüberwachungen sind von Bedeutung, um Vereisungen im Aquifers zu vermeiden und auch um die Auswirkungen auf die Grundwasserfauna berücksichtigen zu können.
Ausgebaute Testbohrungen können ab 2,5-Zoll Ausbaudurchmesser für Multilevel Grundwasserfließmessungen zur Ermittlung der Grundwasserbewegung im Profil des Aquifers genutzt werden.
Bei offenen Systemen wie flache bzw. oberflächennahe geothermische Dublettenanlagen ist die Kenntnis der Fließrichtung essenziell, um den Schluckbrunnen (Rückgabe) sicher im Abstrom des Förderbrunnens (Entnahme) oder zumindest senkrecht zur Grundwasserfließrichtung zu positionieren. Diese Anordnung vermeidet thermische Kurzschlüsse und verhindert die unmittelbare Rezirkulation des abgekühlten Wassers. Eine Überwachung des Strömungsfeldes mit In-Situ-Fließmessungen zwischen den Brunnen kann Hinweise auf die Ausbildung unerwünschter bevorzugter Fließpfade liefern, die infolge hoher Zirkulationsraten und des damit verbundenen Partikeltransports entstehen, und dadurch zur Kontrolle der Systemeffizienz beitragen.
Überwachung zeitlich veränderlicher Fließbewegung
Veränderliche Grundwasserfließverhältnisse erfordern oft eine Langzeiterfassung der Fließbewegung für eine belastbare Interpretation
Grundwasser fließt nicht immer konstant und einförmig in Richtung und Geschwindigkeit. Fließbewegungen in großen Aquifertiefen zeigen oft stationäre und störungsfreie Fließbewegungen gegenüber oberflächennahen Fließbewegungen, die stärker hydraulischen Druckwechselereignissen ausgesetzt sind. Hydraulische Druckwechselereignisse sind durch eine Vielzahl von teilweise zusammenwirkenden Einflüssen wie Luftdruck- und Vorfluterschwankungen, Gezeiten, Grundwasserentnahmen oder seismischen Effekte durch Auto- und Bahnverkehr oder Baumaßnahmen verursacht. Geringe Fließbewegungen werden hierdurch häufig überlagert.
Mit Langzeit-Fließmessungen, die eine hohe Richtungsgenauigkeit bereitstellen, können durch äußere Einflüsse verursachte Artefakte statistisch ausgegrenzt und transiente Fließmodelle unterstützt werden. So können die Aussageschärfe verbessert, die Latenz hydraulischer Reaktionen erfasst sowie die Ursachen von Fließwechselereignissen identifiziert und deren Auswirkungen aufgezeigt werden.
Bei geringer Fließbewegung können Schadstofffahnen in einigen Fällen infolge von andauernde hydraulischen Druckwechselereignissen, beispielsweise durch Vorfluteränderung, Verkehr oder Industriebetrieb eine größere räumliche Ausbreitung aufweisen. Diese Effekte lassen sich durch Langzeit In-situ-Fließmessungen identifizieren.
Langzeitmessungen dienen zur Beweissicherung von wechselnder Grundwasserfließbewegung bei Sanierungsmaßnahmen und bei konkurrierender Nutzung, zum Nachweis von Gezeiteneffekte auf küstennahe Aquifere oder bei Tiefbaumaßnahmen. Die zeitgleiche Erfassung von Fließbewegung und der mitgeführten Schwebstofffracht liefern hier vertiefende Informationen, beispielsweise zum Austrag von Feinkorn und zu Frachtänderungen von Feinkornanteilen bei Tiefbaumaßnahmen.
Grubengebäude und Tagebaue
Geflutete Bergwerke stellen sowohl ein hohes Risiko in Bezug zu Kontaminationsausbreitungen als auch ein bedeutsames geothermische Potential dar– meist mit unbekannten hydraulischen Verhältnissen.
Allein in Deutschland gibt es weit über tausend mit Grundwasser geflutete Grubenbauwerke, die hochwirksame Netzwerke für den Grundwasser- bzw. Grubenwassertransport darstellen. Je nach Standort können sie ein Risikopotential darstellen, beispielsweise für Kontaminationsverlagerung und -ausbreitung, andererseits bieten sie ein hohes geothermisches Nutzungspotential, da sie große künstliche Wärmespeicher darstellen. Sie können für Grubenwasser-geothermie oder als thermische Zwischenspeicher genutzt werden. Mit In-Situ-Fließmessungen können die Fließbewegungen in diesen Systemen über erbohrte Stollen und Hohlraume erkundete werden und Informationen für geothermische Planung und Effizienzberechnungen bereitgestellt werden. Gleichzeitig können solche Messungen Erkenntnisse über Schadstofftransport- und Ausbreitungsprozesse in Grubengebäuden vermitteln.
Für Messeinsätze in erschlossenen Stollen und Schächten sowie Tagebaurandbereichen mit tiefen Grundwasserständen können wir Messungen bis in 300m Tiefe ab 2,5-Zoll Messstellendurchmesser anbieten sowie Wasserstand- und Tiefenlotungen bis 200m Tiefe.
Die Ursachen von Fließbewegungen in den gefluteten Grubengebäuden sind vielschichtig und wirken häufig zusammen. Typischerweise werden Fließbewegungen in gefluteten Schächten und Stollen durch thermisch induzierte oder dichtegetriebene Konvektionen angetrieben. Aber auch durch Infiltration von einsickerndem Grund- und Oberflächenwasser. Weitere Ursachen sind Zwangskonvektion, beispielweise durch Grubenwasserhaltung, wodurch Wasser infolge von Druckunterschieden aktiv durch das Streckennetz gezogen wird. Auch die Geometrie und Topografie des gefluteten Grubengebäudes können die Strömungsdynamik beeinflussen, wobei Schächte und Stollen als großräumige hydraulisch Kurzschlüsse wirken und eine interne Wasserzirkulation ermöglichen. In-situ-Fließmessungen in erbohrten Stollen und Schächten können wichtige Hinweise auf das Transportverhalten in diesen Systemen liefern. Unter hydraulisch angeregten Fließverhältnissen, beispielsweise durch Auffüllversuche, können hydraulische Verbindungen aufgezeigt und hydraulisch charakterisiert werden.
In Tagebauen prägt die Verzahnung von abgelagertem Abraumkippenmaterial mit anstehenden Sedimenten zukünftige Grundwasserströmungsregime, wenn die Gruben geflutet werden und Grundwasser in diese Strukturen eindringt. Insbesondere im Bereich ehemaliger Tagebauränder liegen gestörte lithologische Verhältnisse und damit auch eine wechselhafte hydraulische Durchlässigkeit infolge unterschiedlicher Sortierung und Lagerungsdichte vor. Dadurch können lokal veränderte Grundwasserfließverhältnisse und Feinkornverlagerung auftreten. Hier können in-situ-Fließmessungen Informationen zum Verständnis des sich entwickelnden hydrogeologischen Strömungsregimes liefern und so Grundwassersanierungsstrategien und geotechnische Risikobewertungen in diesen Bereichen unterstützen.