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In Zusammenarbeit mit der "GCI GmbH" und der "Pigadi GmbH" entstand im Zeitraum von April bis Anfang September 2007 meine Diplomarbeit zu folgenem Thema:

"Numerische Prozessmodellierung der Brunnenanströmung bei der Intensiventsandung"


Das Ziel der Arbeit bestand in der Analyse der Fließcharakteristik von Intensiventsandungsprozessen im brunnennahen Raum und der Anfertigung einer Szenarioanalyse sowie der anschließenden Verifizierung der theoretischen Ergebnisse anhand eines Praxistest.

Die Arbeit wurde am "Lehrstuhl für Hydrogeologie" der Technischen Universität Berlin durch Herr Prof. Dr. Tröger betreut, umfasst 131 Seiten und wurde mit der Note 1,0 bewertet.
Auszeichnung mit dem Dr.-Robert-Scheibe-Preis 2008.

Verfolgen Sie die weiteren Entwicklungen (2008 - 2014).



Auszug »  1.1 données du problème


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)

Stromlinienverlauf bei der Intensiventnahme

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.

  (1)   Veröffentlichung des Berichts im Juli 2003.
  (2)   Untersuchung des Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V.: DGFZ (2003)
  (3)   KINZELBACH, W.; RAUSCHER, R. (1995)



bibliographie


  • BEIMS, U.; LUCKNER, L. Interne Studie des Dresdner Grundwasserforschungszentrum.(unveröffentlicht).
  • BIESKE, E.; RUBBERT, W.; TRESKATIS, C. Bohrbrunnen. R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1998.
  • DE ZWART, B.-R. Mechanische Partikelfiltration als Ursache der Brunnenalterung. BBR, 9/2006:14, 2006.
  • DE ZWART, B.-R.; VAN BEEK, K. Summary of research in mechanical clogging. 1:11, 2006.
  • DGFZ Untersuchung zur Bewertung von Gerätetechnik auf die Wirksamkeit in der Kiesschüttung - DVGW-Forschungsvorhaben W 55/99 - Ergebnisbericht. Abschlussbericht, Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V., Meraner Str. 10, 01217 Dresden, Juli 2003. Download
  • DVGW Merkblatt W 119 - Entwickeln von Brunnen durch Entsanden - Anforderungen, Verfahren, Restsandgehalt. Technical report, DVGW Deutsche Vereinigung des Gas− und Wasserfaches e. V., 2002.
  • DVGW Merkblatt W 130 - Brunnenregenerierung. Technical report, DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V., 07/2001.
  • EICHHORN, D. Strömungsprozesse im Vertikalfilterbrunnen. In 4. Blossiner Brunnentage, 2004.
  • HÖLTING, B. Hydrogeologie - Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. Spektrum Verlag, 2005.
  • HOUBEN, G.; TRESKATIS, C. Regenerierung und Sanierung von Brunnen. Oldenbourg Verlag, 2003.
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  • KINZELBACH, W.; RAUSCHER, R. Grundwassermodellierung. Borntraeger Berlin, 1995.
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  • LANGGUTH, H.-R.; VOIGT, R. Hydrogeologische Methoden. Springer, 2003.
  • LIEBSCHER, A.; LIEBSCHER, H.-J. Lehrbuch der Hydrologie - Band 1: Allgemeine Hydrologie - Quantitative Hydrologie. Gebrüder Borntraeger, 1990.
  • NILLERT, P. Entsandungskammer zur Brunnenentwicklung und -regenerierung. In 2. Bamberger Brunnentage, 2007.
  • NILLERT, P.; BÄSLER, H. Effekte bei der Intensiventnahme: Entwickeln von Brunnen beim Neubau und im Regenerierprozess. In 4. Blossiner Brunnentage, 2006.

»  Aktueller Stand


Im Mai 2012: NILLERT, P., Mauder, S. (2012), Brunnenbau mit Entwicklung natürlicher Kornfilter − ein Praxisbericht, Artikel bbr 05/2012, S. 40-49.

Im Februar 2012: NILLERT, P., Gades, M., Schmitz-Habben, U. (2012), Planung und Bau eines Brunnens mit Hochleistungsentsandung, Artikel bbr 02/2012, S. 78-86.

Im Mai 2011 diskutieren Wittstock und Nillert neue Erkenntnisse zur Filterbemessung und zur Technologie der Brunnenentwicklung bei der Erreichtung von sechs Neubaubrunnen durch die Berliner Wasserbetriebe. Externer Download

Im April 2011 zeigen Schmitz-Habben und Nillert den aktuellen Stand der Entwicklung von Intensiventnahmekammern und den Einsatz von Impulstechnologien zur Porenraumstimulation in den bluefacts 2011. Externer Download

Im Januar 2010 folgt der zweite Teil (bbr | 01/2010). In diesem beschäftigen sich die Autoren sich mit der Feststoffaustragsmessung, dem Abbruchkriterium, der Kammerförderrate, der Impulseintragsfrequenz, der Überschüttungshöhe, dem Aufwandsvergleich und Brunnenplanungsfehlern. Externer Download

Im November 2009 folgt an gleicher Stelle (bbr | 11/2009) der erste Teil des Zweiteilers "Doppelkolbenkammer vs. Manschettenkammer bei der Intensiventsandung (Teil 1)" von NILLERT und WITTSTOCK. In Teil 1 werden Brunnen, Testbedingungen und Messergebnisse beschrieben. Externer Download

Im Juli 2009 verweisen NILLERT und TRESKATIS (bbr | 07-07/2009) auf den "Regelmäßigen Anpassungsbedarf im DVGW-Regelwerk durch Fortschritte und Praxisentwicklungen im Brunnenbau ". Externer Download

Im Oktober 2008 präzisiert NILLERT (bbr | 10/2008) seinen Ansatz zur "Bemessung der Kammerförderrate bei der Intensiventsandung von Brunnenfiltern ". Externer Download

Im Mai 2008 folgt an gleicher Stelle (Energie | Wasser-Praxis | 5/2008) eine Veröffentlichung zu den praktischen Erfahrungen und die Untersuchungsergebnisse mit der verbesserten Intensiventnahmetechnik ((SDKK) Symmetrische Doppelkolbenkammer)) durch NILLERT, BÄSLER, WICKLEIN und SCHMITZ-HABBEN. Der Artikel steht auf der Homepage der GCI GmbH zum Download bereit.

Im April 2008 veröffentlichten NILLERT, BÄSLER und FUCHS unter dem Titel: Intensiventnahme bei der Brunnenentwicklung und -regenerierung in der DVGW-Fachzeitschrift Energie | Wasser-Praxis 4/2008 zu den Ergebnissen der Strömungsuntersuchung bei der Intensiventnahme mithilfe der numerischen Prozessmodellierung.