Charakterisierung hydraulischer Grundwasserparameter

Einleitung

In der Grundwasserhydraulik sind trotz jahrzehntelanger Forschung und Datenerhebung manche Parameter nur unzureichend bekannt bzw. belegt. In der Brunnenhydraulik ist die Skin‐Schicht eine große Unbekannte, die nun erstmals detailliert analysiert werden konnte. Zum anderen wird gezeigt wie man mit Hilfe von großen Datensätzen aus dem Fundamentalparameter hydraulische Durchlässigkeit weitere wichtige Größen abgeleitet werden können.

Georg Houben et. al.: Skinschicht im Brunnen – Eigenschaften und Bedeutungen

Die Skin‐Schicht ist ein geringmächtiger Filterkuchen aus schwach durchlässigem Feinmaterial, der sich beim Bohrprozess an der Bohrlochwand bildet. Er kann aus Spülungszusätzen (Bentonit, CMC), aber auch aus von den durchteuften Schichten aufgenommenem Feinmaterial (z.B. Ton, Silt, Kohle) bestehen (bzw. einer Kombination von beidem).

Beim Bohren ist ihre Anwesenheit wünschenswert,da sie Verluste der Bohrspülung in das umgebende Gebirge verringert und somit das Bohrloch stabilisiert. Wenn sie bei der Brunnenentwicklung nicht entfernt wird, kann sie im Brunnenbetrieb aufgrund der geringen Durchlässigkeit jedoch erhebliche Druckverluste verursachen. Diese machen sich als erhöhte Absenkungen bemerkbar, was entsprechend höhere Energiekosten verursacht.

Draufsicht auf einen überbaggerten Entwässerungsbrunnen aus einem Braunkohlentagebau: braun = Grundwasserleiter, grau = Filterkies, hellgrau mittig = mit Kies verfülltes Brunneninneres. Die Skin‐Schicht ist als schwarz‐braunes Band zu erkennen Quelle: Houben

Zwar wird die Skin‐Schicht häufig in der Literatur diskutiert, es fehlt aber an echten Daten zu ihrer Typologie, Mächtigkeit, Zusammensetzung und besondersder hydraulischen Durchlässigkeit. Eine der wenigen Möglichkeiten die Skin‐Schicht zu beproben ergibt sich in Tagebauen, wo die fortschreitende Abbaufront die Entwässerungsbrunnen im Vorfeld nach einigen Jahren freilegt. Dazu wurden nun erstmals Skin‐Proben von überbaggerten Brunnen aus Tagebauen im Rheinischen Braunkohlenrevier und aus der Lausitz detailliert auf ihre hydraulischen Eigenschaftenuntersucht.

Aaron Peche et al.: Abschätzung hydraulischer Parameter und Parameterbandbreiten für voll‐ und variable gesättigte Strömung basierend auf Einzelwerten hydraulischer Leitfähigkeit

Für die hydraulische Berechnung von Strömung im voll‐ und variabel gesättigten porösen Medium müssen Strömungsparameter bekannt sein. Die Bestimmung dieser Parameter kann herausfordernd oder kostspielig sein und oftmals stehen nicht alle relevanten Strömungsparameter zur Verfügung.

In diesem Vortrag stellen wir ein neuartiges Modellnamens HYPAGS (HYdraulic PArameters and Grain Sizes) zur Abschätzung von Strömungsparametern basierend auf Einzelwerten für (i) hydraulische Leitfähigkeit oder den charakteristischen Korndurchmessern (ii) d₁₀ oder (iii) d₂₀ vor. HYPAGS basiert aufeinem System physikalisch‐basierter und empirischer Gleichungen, die mithilfe von großen Messdatensätzenentwickelt wurden.

Das Modell ist gültig für uniforme (gut sortierte) poröse Medien mit monomodalen Siebkurven. Mit dem Modell können Werte für virtuelle Siebkurven, hydraulische Leitfähigkeit, und effektive Porosität abgeschätzt werden. Zusätzlich können Wertebandbreiten für die Formparameter α und n des van Genuchten Modells für Retentions‐ und relative Leitfähigkeitsfunktion abgeschätzt werden.

Um die Nutzbarkeit des HYPAGS Modells zu vereinfachen, wurde eine open‐source stand‐alone GUI (Windows‐Plattform‐basiert) entwickelt. Mit dieser GUI kann das Modell mit nur wenigen Knopfdrücken angewandt werden, ohne dass das Modell neu auf einer Berechnungsplattform (EXCEL, python, etc.) implementiert werden muss. Eine Abbildung der GUI ist unten gegeben.

Screenshot der aktuellen HYPAGS Version (V. 1.4.0) Quelle: BGR

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