Beim Betrieb von Grundwasserfassungen kann es auf Grund von Alterungserscheinungen zu Leistungsrückgängen des Brunnenbauwerks kommen. Im Wesentlichen wird zwischen chemisch-biologisch und mechanisch verursachter Brunnenalterung differenziert. Die chemische Alterung führt durch physikochemische und biologische Prozesse zu Ausfällungen und einem allmählichen Verschluss von Filterrohr, Filterkiesschüttung und seltener auch des angrenzenden Grundwasserleiters. Häufig sind aber die künstlichen Übergänge an der Bohrlochwand und an den Filterrohrschlitzen betroffen.

Neben den seit langem bekannten mineralischen Inkrustationen und Ausfällungen wurde vor rund 10 Jahren die Bedeutung der mechanischen Brunnenalterung entdeckt (siehe DE ZWART, 2006). Durch die Mobilisierung und die Ablagerung von Partikeln kann die hydraulische Durchlässigkeit der Brunnenumgebung stark vermindert werden. Im Nahfeld von Brunnen treten im Vergleich zum ungestörten Grundwasserleiter deutlich höhere Fließgeschwindigkeiten auf, welche eine Mobilisierung von Partikeln befördert. Treffen diese auf eine Schicht mit geringeren Porenöffnungsweiten, beispielsweise die ehemalige Bohrlochwand, werden diese dort ausgefiltert und akkumuliert. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn ein Filterkuchen der Bohrlochspülung verblieben ist (siehe DE ZWART, 2006).

Die grundlegend auftretenden Filtrationsprozesse sind die Oberflächen- und die Tiefenfiltration. Ein spezieller Fall der Tiefenfiltration stellt dabei die Bildung von Partikelbrücken dar. Dabei sind die einzelnen Partikel klein genug um die Porenhalskanäle zu passieren. Bei hohen Fließgeschwindigkeiten hingegen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der gleichzeitigen Ankunft mehrerer Partikel, wodurch diese sich an einer Engstelle verkeilen und die Pore blockieren können. Dieses Phänomen wurde bei mikroskopischen Untersuchungen von JONGMANS (2004) bis in eine Entfernung von 10 cm außerhalb der Bohrlochwand beobachtet. Die Akkumulation von antransportiertem Feinmaterial aus dem Grundwasserleiter an dieser Barriere reduziert die Durchlässigkeit, erhöht den Eintrittswiderstand an der Bohrlochwand und verringert damit die Ergiebigkeit des Brunnens.

Die Zunahme der Absenkung bei gleichbleibender oder sich verringernder Förderrate ist in der Regel ein guter Indikator für eine vorhandene Brunnenalterung. Alterungsprozesse nehmen somit unmittelbar Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit eines Brunnens. Zur Minderung und Beseitigung von Brunnenalterung wurden im Laufe der Zeit verschiedene Regeneriermaßnahmen entwickelt, welche eine Aboder Auflösung, sowie den anschließenden Austrag der Ablagerungen ermöglichen sollen.

Diese Maßnahmen sind im Merkblatt „W 130“ - Brunnenregenerierung (siehe DVGW W 130 (07/2001)) zusammengefasst und beschrieben. Auf Grund einer Vielzahl von in den 1990er Jahren entwickelten Regeneriertechnologien und der daraus resultierenden Unsicherheit bezüglich der Wahl des richtigen Regenerierverfahrens, formulierte der DVGWFachausschuss „Wassergewinnung“ eine Forschungsaufgabe, welche später im Forschungsvorhaben „W 55/99“ bearbeitet wurde. Das Ziel der Untersuchung(1) lag in der Erforschung derWirktiefe und der grundsätzlichen Klärung der Wirkmechanismen verschiedener Regeneriertechnologien. Dies sollte dazu dienen, den Wirkbereich einzelner Technologien unter klar definierten Rahmenbedingungen präzisieren zu können. (2)

Abbildung 1.1: Stromlinienverlauf bei der Intensiventnahme aus einem Vertikalfilterbunnen mit einfacher Filterkiesschüttung nach DGFZ (2003)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde für einige Technologien der mathematische Nachweis der Strömungsprozesse im brunnennahen Raum mittels des ASM (Aquifer-Simulation Modell)(3) geführt. Unter anderem wurde auch das Strömungsverhalten eines Seihers zur Intensiventsandung betrachtet.

Als Ergebnis heißt es dort: „Es konnte nachgewiesen werden, dass die Erwartung des Merkblatt W 130, dass diese Geräte der Intensiventnahmetechnik ihre Wirkung bis in die anstehende Bodenformation ausdehnen können, nicht erfüllt werden kann. Die Gerätetechnik ... vermag nur die Filterschlitze und die Filterkiesschicht zu waschen. Der Waschprozess bezieht sich dabei auf die gesamte Schichtstärke und erreicht eine hohe Effizienz.“ Und weiter heißt es: „Da die aktiven Behandlungszonen der Technik immer in Höhe der Packer auftreten, sollte die Arbeitsweise der Geräte durch Anpassung der Umsetzungstechnologie optimiert werden.“

NILLERT und BÄSLER (2006) haben in ähnlicher Weise die Strömungsgeffekte bei der Intensiventnahme mittels einer numerischen Modellierung (Feflow 5.3) untersucht. Sie konnten zeigen, dass die Entsandung des Filterkieses „nicht in einer lateralen Kammerströmung, ... sondern grundsätzlich eher vertikal bei der Umströmung von Manschetten oder Packern“ stattfindet. Außerdem zeigen ihre Ergebnisse, dass „die gewünschte Reinigungsleistung . . . bei Manschettenscheiben als Kammerbegrenzung . . . kaum weiter als 1 bis 2 dm in die Kammer hinein erzielt“ werden kann, weshalb ein angepasstes Umsetzen der Entnahmekammer notwendig ist.

NILLERT (2007) konkretisierte dies Anfang 2007 nochmals und stellt fest, dass „die Entsandungskammer nur an ihren Enden die gewünschte Wirkung erzielt, in ihrer Mitte jedoch nahezu wirkungslos blieb“. Er weist abschließend darauf hin, dass Packer dabei eine effektivere Entsandung als Manschetten bewirken.

Diese exemplarischen Untersuchungen werden in der vorliegenden Arbeit vertieft und im Detail fortgeführt. Am Beispiel der Intensiventsandungstechnologie mittels abgepackerter Unterwassermotorpumpe wird eine Szenarioanalyse erstellt, welche die Einflussfaktoren auf die Anströmung und deren Zusammenhänge im brunnennahen Raum beleuchten soll. Der betrachtete Untersuchungsraum erstreckt sich dabei vom Filterrohr über die Filterkiesschüttung (Zone I), über die Kontaktzone Grundwasserleiter/Filterkiesschüttung bis in die anstehende, brunnennahe Gesteinsformation (Zone II).

Die numerische Modellierung verschiedener Szenarien, welche etwa den Einfluss der Brunnendimension, verschiedener Ausbaugrößen sowie verschiedener Filter- und Filterkieseigenschaften beinhaltet, ist der Schwerpunkt dieser Arbeit und soll eine Aussage über die Sensibilität der einzelnen Parameter zulassen. Dies umfasst den Teil II - „Szenarioanalyse der Fließcharakteristik im brunnennahen Raum“ (ab Seite 37). Auf Basis der Szenarioanalyse folgt der praktische Nachweis anhand realer, hydraulischer Testarbeiten. In Teil III - „Hydraulische Testarbeiten“ (ab Seite 79) werden die Ergebnisse einer Differenzmessung der Reinigungsleistung verschiedener Entsandungskammern an einem Trinkwasserbrunnen dargelegt.

Im Laufe der weiteren Untersuchungen wird auf die Besonderheiten einer filterkieslosen Bauweise ebenso eingegangen werden, wie auf die Vorzüge großer und kleiner Brunnendurchmesser.