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Praktikumsbericht zur Hydromechanik. Pumpversuch und Versickerungsversuche am Ewaldsee

Praktikumsbericht / -arbeit 2014 21 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Geologie, Mineralogie, Bodenkunde

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Versuchsaufbau, Geräte und Versuchsdurchführung
2.1 – Kurzpumpversuch
2.2 – Schurfgrube
2.3 – Doppelringinfiltrometer

3. Ergebnisse
3.1 – Kurzpumpversuch
3.2 – Schurfversickerung
3.3 – Doppelringinfiltrometer

4. Interpretation
4.1 – Kurzpumpversuch
4.2 – Schurfversickerung
4.3 – Doppelringinfiltrometer

5. Anhang

6. Abbildungsverzeichnis

7. Tabellenverzeichnis

1. Einführung

Die Bestimmung der Durchlässigkeiten von Böden und Gesteinen kann im Gelände mit verschiedenen Methoden bestimmt werden. Mit Hilfe von Grundwassermessstellen und eines Pumpversuches kann der Absenktrichter und somit die Reaktion des Grundwasserleiters auf die Systemänderung ermittelt werden. Hieraus lassen sich über Berechnungen die Durchlässigkeiten im Grundwasserleiter bestimmen.

Kleinräumig kann die Infiltrabilität des anstehenden Materials über Versickerungsversuche bestimmt werden, die wiederum Rückschlüsse auf die Durchlässigkeiten im Grundwasserleiter zulassen. Exemplarisch wurden Versuche mit einem Doppelringinfiltrometer, sowie einer Schürfgrube durchgeführt. Ziel war die Vermittlung von Kenntnissen über die Versuchsdurchführungen mit anschließender Datenauswertung.

Als Versuchsort wurden hierbei die Grundwassermessstellen und das Gelände, am und um den Ewaldsee, in Gelsenkirchen gewählt (siehe Abb. 1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.1: Übersicht des Versuchsgebietes / Quelle: www.openstreetmap.org (Eigene Darstellung und Bearbeitung)

2. Versuchsaufbau, Geräte und Versuchsdurchführung

Im Folgenden werden die verwendeten Geräte und Verfahren beschrieben. Anschließend erfolgt die Beschreibung der Versuchsdurchführung.

2.1 – Kurzpumpversuch

Für den Kurzpumpversuch werden mehrere Grundwassermessstellen (GWM) oder Brunnen benötigt, die sowohl im gleichen Grundwasserleiter ausgebaut sind, als auch in geringer Distanz zueinander liegen, um die Reaktion des Grundwasserleiters (Absenktrichter) auf die Versuchsdurchführung erfassen zu können. In einer GWM wird der Wasserspiegel mit Hilfe einer Tauchpumpe abgesenkt (GWM1). An die Pumpe muss in der Lage sein eine konstante Förderleistung aufrecht zu erhalten und diese Stufenweise einregeln zu können. Idealerweise kann die Pumpe an eine Pumpensteuerung angeschlossen werden, die die jeweils aktuelle Fördermenge aufzeichnet. Da diese Steuerung zum Zeitpunkt des Praktikums defekt war, musste auf das Verfahren der „Auslitterung“ zurückgegriffen werden, um die Fördermenge zu erfassen. Hierzu wird ein Gefäß mit bekanntem Volumen mit dem geförderten Wasser befüllt und die Zeit erfasst, die hierzu benötigt wird. Dieser Vorgang wird mehrfach Wiederholt, um einen repräsentativen Durchschnittswert zu erhalten.

Vor Versuchsbeginn sind zwingend folgende Parameter zu erheben:

- Ruhewasserspiegel
- Abstich (Wasserstand bezogen auf die Rohroberkante der GWM)
- Tiefe der GWM
- Distanz der GWM zueinander

Tabelle 2.1: Vor Versuchsbeginn erhobene Parameter zur Versuchsauswertung / Quelle: Eigene Bearbeitung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierzu wird die Distanz der Messstelle zum Pumpenstandort virtuell auf 10 cm gesetzt.

Mit Versuchsbeginn sind die Wasserstände in den GWM sehr engmaschig zu erfassen. Im Idealfall stehen hierzu Drucksonden mit intrigiertem Datenlogger zur Verfügung, da diese in der Lage sind präzise die Wasserstände in sehr kurzen Zeitintervallen zu erfassen. Da lediglich eine Drucksonde zur Verfügung stand, wurde die Wasserstandsänderung in der zweiten GWM (GWM2) mit Hilfe von Lichtloten erfasst.

Nach Erreichen eines „quasi“-stationären Zustandes, bei dem die Wasserstandsänderungen in der GWM2 je Zeiteinheit vernachlässigbar bzw. nicht mehr vorhanden sind, wird die Pumpe abgestellt und der Wiederanstieg des Grundwassers erfasst. Bei einem Langzeitpumpversuch wäre an dieser Stelle die Förderleistung der Pumpe erhöht und die Reaktion des Grundwasserleiters bis zur Einstellung eines weiteren „quasi“-stationären Zustandes dokumentiert worden. Dieser Vorgang müsste mindestens dreimal wiederholt werden. Erst an die mehrfache Leistungserhöhung wäre hier der Wiederanstieg zugelassen worden.

Der Versuch wäre in beiden Fällen beendet, wenn der Wiederanstieg des Grundwassers den Ausgangszustand/Ruhewasserspiegel wieder erreicht hätte und keine Wasserstandsänderungen mehr registriert würden. Da das Praktikumsziel durch die Vermittlung der Versuchsdurchführung bereits erreicht und für den vollständige Wiederanstieg mit einer sehr langen Zeitspanne zu rechnen war, wurde der Versuch nach Erreichen eines akzeptablen Wertes beendet.

2.2 – Schurfgrube

Der Versickerungsversuch mit einer Schurfgrube ist mit sehr geringem Aufwand zu betreiben, da wenige Materialien benötigt werden. Die Grube wird mit Hilfe von Spaten und Schaufel ausgehoben und durch einen Zollstock oder Maßband vermessen (Höhe, Tiefe, Breite). Hierbei ist zu beachten, dass die Grube den gewachsenen Boden erreicht und eine möglichst ebene Unterfläche aufweist, da der humose Oberboden deutlich höhere Durchlässigkeiten aufweist und aufgrund seiner i.d.R. geringen Mächtigkeit nicht repräsentativ für das Gesamtsystem ist. Aufgrund der lokalen Situation war im vorliegenden Fall jedoch eine Einbringung der Schurfgrube bis zum gewachsenen Boden nicht möglich, so dass der Versuch untypischer Weise im humosen Oberboden stattfinden musste (vgl. Abb. ).

Die Schurfgrube wurde mit einer Länge von 60 cm und einer Breite von 60 cm ausgehoben, so dass sich hieraus eine Grundfläche von 3600 cm² bzw. 0,36 m² ergab.

Abb. 2.1: Schürfgrube / Quelle: eigene Aufnahme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anschließend wird die Grube auf eine zuvor festgelegte Höhe mit Wasser befüllt (Einmessung mit Zollstock / Maßband bzw. Schwimmer) und in regelmäßigen Abständen der Wasserstand gemessen (instationärer Versuch). Eine weitere, hier nicht durchgeführte Versuchsdurchführung ist die stationäre Versickerung. Im stationären Versuchsaufbau wird der Wasserstand konstant gehalten (Nachfüllen des Wassers mit Messbechern) und die Wassermenge gemessen, die zur Aufrechterhaltung des konstanten Wasserspiegels benötigt wird.

Der Versickerungsversuch in Schurfgruben ist aufgrund der auftretenden Fehlerquellen in ihrer Aussagekraft beschränkt, so dass in der Praxis i.d.R. aufwändigere Versuche mit größeren Genauigkeiten zur Bestimmung der Durchlässigkeit durchgeführt werden. Als größte Fehlerquelle können hier die „ungeschützten“ Seitenwände der Schürfgrube angesehen werden (Randeffekt), da hier das Wasser ebenfalls in die Bodenzone infiltrieren kann und hier die Mächtigkeit der durchsickerten Schicht nicht bekannt ist. Als weitere bedeutende Fehlerquelle können präferenzielle Fließwege durch z.B. Wurzelgänge oder Bioturbation angesehen werden. Diese Fehlerquelle tritt jedoch ebenfalls bei den übrigen betrachteten Sickerversuchen auf, so dass diese nicht als Spezifikum für die Schürfgrube angesehen werden kann.

2.3 – Doppelringinfiltrometer

Der Versickerungsversuch mittels Doppelringinfiltrometer benötigt zwei Metallringe mit bekanntem Durchmesser bzw. bekannter Fläche, eine Einschlaghilfe, sowie einen Schwimmer mit einer Höhenskala zur Erfassung der Höhendifferenz.

Zur Versuchsvorbereitung wird der Oberboden analog zum Schurfgrubenversuch vorbereitet (Abtragen des humosen Oberbodens bis zum gewachsenen Boden und Einebnen der Versuchsfläche). Anschließend werden die Infiltrometerringe mit der Schlagseite (Scharfkantig geschliffene Kante zur Vereinfachung des Einschlagens) nach unten auf die vorbereitete Fläche aufgebracht und mit Hilfe einer Einschlaghilfe in den Boden getrieben. Hierbei ist die Eindringtiefe zu dokumentieren, da sie von Bedeutung bei der Auswertung ist. Aus der Differenz der Ringhöhe (25,5 cm) und der verbleibenden Ringhöhe nach dem Einbringen (20,25 cm), ergibt sich eine Eindringtiefe von 5,25 cm.

Die Einschlaghilfe ist ein kreuzförmiges Element, dass das gleichmäßige Eintreiben der Infiltrometerringe ermöglicht, sowie ein Verschieben der Ringe gegeneinander verhindern soll, um gleichmäßige Abstände des inneren Ringes um äußeren Ring zu gewährleisten. Die Ausrichtung der eingetriebenen Ringe sollte zudem mit einer Wasserwaage kontrolliert werden. Aufgrund der lokalen Gegebenheiten war ein Einbringen der Infiltrometerringe in den gewachsenen Boden nicht möglich, so dass auch bei dieser Versuchsdurchführung in den humosen Oberboden infiltriert werden musste. Auch war ein Ausrichten mittels Wasserwaage nicht möglich.

Die Versuchsdurchführung kann ebenso wie der Schürgrubenversuch unter stationären und instationären Bedingungen durchgeführt werden. Bei der stationären, hier nicht durchgeführten Versuchsanordnung, werden die Infiltrometerringe mit Wasser auf einen zuvor festgelegten Wasserstand befüllt und anschließend der Wasserstand des inneren Ringes konstant gehalten. Dabei wird die zugeführte Wassermenge je Zeiteinheit dokumentiert.

Bei der hier gewählten, instationären Versuchsanordung wird der Wasserstand des inneren Infiltrometerrings gegen die Zeit dokumentiert und mindestens so lange gemessen, wie die Änderungen je Zeiteinheit keinen konstanten Wert annehmen. Die Gesamtdauer des Versuches betrug in diesem Falle 20 Minuten.

In beiden Fällen ist auf den Füllstand des äußeren Ringes zu achten und dieser wird bei Bedarf aufgefüllt.

Der äußere Ring dient als „Schutzfront“ der Versickerung, so dass gewährleistet ist, dass die Infiltration des inneren Rings ausschließlich eine vertikale Komponente aufweist und nicht zusätzliche horizontale Komponenten den Fließweg verlängern. Dieser Versuch sollte zudem im Idealfall mehrfach wiederholt werden, um eine Infiltration in die gesättigte und nicht in die ungesättigte Bodenzone zu gewährleisten. Durch die mehrfache Wiederholung wird die Bodenluft möglichst vollständig unterhalb der Versuchsanordnung verdrängt, sodass diese die Infiltration nicht weiter behindern bzw. verzögern. Die Gaskomponente des Porenraumes gilt als ein beträchtlicher, zeitverzögernder Faktor bei der Infiltration. Ziel des Geländepraktikums war die Vermittlung der Versuchsdurchführungen und der dabei enthaltenen kritischen Punkte, so dass auf eine mehrfache Wiederholung des Versuches verzichtet werden konnte.

3. Ergebnisse

3.1 – Kurzpumpversuch

Beim Kurzpumpversuch wurde das Absenken des Grundwasserspiegels innerhalb des Grundwasserleiters gegen die Zeit gemessen. Die Messungen beim Absenken erstrecken sich über einen Zeitraum von 2 Stunden und 47 Minuten, während sich die Messungen, nach dem Abschalten der Pumpe, über einen Zeitraum von 55 Minuten erstrecken.

Wie zu erwarten zeigt die Messung einen annähernd linearen Verlauf an bei dem der Wasserspiegel mit fortlaufender Zeit absinkt. Kleinere Sprünge innerhalb der Messungen gehen auf die Veränderungen der Pumpleistung und folglich auf die Veränderung der entnommenen Wassermenge pro Zeiteinheit zurück. Für die ersten 30 Minuten wurde nach jeder Minute eine Messung vorgenommen. Stabilisiert sich allmählich die Absinkrate, so wurden die Zeitintervalle auf 5 Minuten, und schlussletztlich auf 15 Minuten, erhöht. Die stetige Verringerung der Absinkrate, wirkt dem erhöhen der Zeitintervalle entgegen und schadet der Gesamtauflösung der Messreihe nur geringfügig. Nach Ablauf der 2 Stunden und 47 Minuten ist der Wasserspiegel um 1,40 m auf 2,53 m abgesunken. Während dieses Zeitabschnitts wurde die Pumpleistung variiert, welches direkten Einfluss auf das entnommene Wasservolumen pro Sekunde hatte. Die entsprechenden Werte sind der Tabelle 5.1 zu entnehmen.

Im zweiten Schritt wurde die Pumpe ausgeschaltet, welches das weitere Absinken des Wasserspiegels verhindert und zum Wiederanstieg Dieses führt. Für den 55 Minütigen Zeitraum wurden die Intervalle gegen Ende der Zeit, ebenfalls von 1 Minute auf 5 Minuten erhöht. Dabei gilt anzumerken, dass das Lichtlot zu einem Zeitpunkt nicht richtig funktionierte und als Folge dessen einige fehlerhafte Werte gemessen wurden. Indiziert sind diese durch einen sprunghaften Anstieg des Wasserspiegels und einige Minuten später durch entgegen laufenden Werten. Respektive sind diese Ergebnisse nicht Teil des Diagrammes. Durch den Austausch des Messinstrumentes können die nachfolgenden Werte als glaubhaft angenommen werden. Die entsprechenden Werte befinden sich in der Tabelle 5.2.

Gekennzeichnet ist der Rücklauf des Wassers, durch einen zu Beginn raschen Anstieg des Wasserspiegels, welcher sich nach und nach auf einem kleineren Niveau einpendelt. Nach Ablauf von 55 Minuten lag der Wasserspiegel bei 1,42 m und damit rund 29 cm unterhalb des Basiswertes.

[...]

Details

Seiten
21
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783668235861
ISBN (Buch)
9783668235878
Dateigröße
799 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v320390
Institution / Hochschule
Technische Fachhochschule Georg Agricola für Rohstoff, Energie und Umwelt zu Bochum
Note
Schlagworte
Praktikumsbericht Hydrogeologie Hydromechanik Pumpversuch Kurzpumpversuch Versickerungsversuch Schürfgrube Doppelringinfiltrometer

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Titel: Praktikumsbericht zur Hydromechanik. Pumpversuch und Versickerungsversuche am Ewaldsee