Kamerabefahrung mit PHREACAM®
Zuverlässige hydraulische Untersuchungen beginnen mit der Überprüfung von Ausbau und Zustand von Grundwassermessstellen.
Brunnenkamerabefahrungen sichern die Durchführung von hydraulischen Untersuchungen und Grundwasserprobenahmen durch die Ausbau- und Zustandskontrolle von Messstellen ab und sind daher wichtig für die Qualitätssicherung. Fließmessungen und hydraulische Tests können auf Basis der gewonnenen Informationen sicher geplant und fehlerbehaftete Analyseergebnisse im Vorfeld vermieden werden.
Das Inspektionssystem PHREACAM® wurde von uns für eine automatisierte Voruntersuchung von Grundwassermessstellen entwickelt. Die Befahrung erfolgt automatisch und bindet kein Personal, daher können zeitgleich Vorbereitungen für Probenahme oder für hydraulische Tests erfolgen. Die Sichtung und Auswertung des aufgezeichneten Videos erfolgt nach der Bergung der Kamera und kann im Schnelldurchlauf des Videomaterials durchgeführt werden.
Kamerabefahrungen dienen auch zum Orten von Schadstellen, zum Überprüfen von Rohrverbindungen und Erfassung der Ausrichtung der Filterrohrgeometrie. Unvollständig verschraubte Rohrverbindungen und Schadstellen können die Ursache von Fremdwasserzutritten sein. Eine Kamerabefahrung zeigt aufschwimmende Phase, eingetragene Fremdkörper, dient zur Sichtung der Auflandung und gibt Auskunft über die Notwendigkeit der Reinigung/Regenerierung vor einer Nutzung. Charakteristische Belagmuster und Schlieren entlang des Brunnenfilters geben auch Hinweise auf stationäre Vertikalströmungen in der Messstelle.
Die Tiefenpositionen von Rohrübergängen sind in den Ausbauplänen von Grundwassermessstellen üblicherweise nicht dokumentiert. Ältere Messstellen weisen häufig Belagbildung auf der Rohrwandung und an den Filterschlitzen auf, wobei diese nicht immer einheitlich entlang der Filterstrecke verteilt sind und die Durchflussverhältnisse im betroffenen Messabschnitt erheblich verändern können. Um fehlerhafte Ergebnisse bei horizontalen Fließmessungen zu vermeiden sollten Messungen daher nicht in Bereichen von Rohrverbindungen oder mit starkem Filterrohrbelag durchgeführt werden. Zur Planung der Messtiefen für horizontale Fließmessungen ist es daher wichtig, die Position von Rohrübergängen sowie von belagfreien Rohrabschnitten zu erfassen. Bedarfsweise können wir Messstellen im Vorfeld der Fließmessungen ertüchtigen bzw. reinigen.
Vertikale Fließmessungen
Vertikale Fließmessungen unterstützen die hydraulische Charakterisierung der Aquifers und die Planung horizontaler Fließmessungen
Grundwassermessstellen stellen einen bevorzugten vertikalen Transportweg für das Grundwasser über die Filterrohrstrecke als auch entlang die Kieshinterfüllung dar. In Abhängigkeit des Grundwassergefälles stellt sich eine Druckpotentialdifferenz in der Messstelle bereits bei geringer hydraulischer Druckdifferenz ein und kann eine kontinuierliche vertikale Strömung in der Messstelle auslösen. Auch bei kleinen vertikalen Fließraten werden mit der Zeit große Wassermengen über eine Messstelle umverteilt. Dies kann beispielsweise einen Einfluss auf die Analysenergebnisse von Grundwasserproben zur Folge haben.
Mit unseren Messsonden für vertikale Fließmessungen können wir Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 10 mm/s bis hinunter zu 0,01 mm/s erfassen und so den vertikalen Massentransport über die Messstelle schon bei geringen Transportmengen nachweisen und berechnen. Aktive Zufluss- und Abflusszonen im Profil der Messstelle können dabei zuverlässig identifiziert werden.
Unter hydraulisch angeregten Fließverhältnissen können Informationen zu bevorzugten Fließzonen gewonnen und die hydraulische Durchlässigkeit der angrenzenden Sedimente relativ zueinander ermittelt werden. Aufgrund der empfindlichen Ansprechreaktion der Messsonden reichen sehr geringe Förderraten zur hydraulischen Anregung aus, um Messdaten zu gewinnen. An kontaminierten Standorten minimiert dies die Menge an Grundwasser, die gehandhabt und entsorgt werden muss.
Standardmäßig führen wir Messungen in Messstellen mit Durchmessern von 2,5 bis 8 Zoll und bis zu einer Tiefe von 100 Metern durch. Die Messungen können durch Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen unterstützt werden.
Horizontale Fließmessungen
Wir kombinieren Multilevel-Messungen, Strömungskonditionierung und unser Prozessverständnis, um hochauflösende Informationen zur Grundwasserfließbewegung zu gewinnen.
Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit werden konventionell aus Grundwasserständen benachbarter Messstellen und den daraus berechnete Fließmodellen abgeleitet. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Modelle ist jedoch dann eingeschränkt, wenn die verwendete Datengrundlage lückenhaft oder unzureichend ist. Dies kann beispielsweide bei nicht korrelierenden Pegelständen, bei weitständigen Pegelnetzen, ungünstiger Anordnung der Messstellen, einer unzureichenden Pegelanzahl und bei flachem Grundwassergefälle der Fall sein. Konventionelle hydrogeologische Erkundungsverfahren bieten nicht immer Informationen mit der geforderten Auflösung und Stichhaltigkeit.
In diesen Fällen können begleitende horizontale In Situ Fließmessungen die Erkundung unabhängig von Pegelstandmessungen unterstützen. Durch die Bereitstellung und Integration von realen Fließdaten in die Datenbasis kann die Erstellung von Fließmodellen verfeinert und abgesichert werden.
Um die Informationsdichte zu erhöhen und Fließdaten zum Abgleichen zu gewinnen führen wir Messungen zeitgleich in mehreren Tiefen einer Grundwassermessstelle durch (Multilevel-Messungen). So lassen sich Fließbewegungen über das Aquiferprofil hinweg detailliert auflösen, die Aussageschärfe erhöhen und der operative Aufwand reduzieren.
Standardmäßig führen wir horizontale Fließmessungen in Kombination mit Durchflussvorrichtungen in Bohrlochdurchmessern von 2 bis 8 Zoll und bis zu einer Tiefe von 100 Metern durch. Bei Multilevel-Messungen setzen wir typischerweise zwei bis vier Messmodule in Folge im Abstand von einem Meter ein.
Tiefenaufgelöste Fließmessungen
Auf Fließmodellen aufbauende Grundwassergleichenpläne spiegeln allgemein ein stationäres, zweidimensionales Bild der Grundwasserfließbewegung wider. Für großräumige Betrachtungen ist dies meist ausreichend. Typischerweise wird ein Grundwasserleiter aber räumlich durchflossen, häufig entlang bevorzugter Fließpfade, die sich an Sedimentstrukturen und -netzwerke orientieren. Die Kenntnis dieser Fließpfadverteilung ist bei einer kleinräumigen Betrachtung oft entscheidend.
Die horizontale Durchflussbewegung in einer Messstelle ist daher nicht immer in allen Tiefen gleich. Zum Abgleich von Ergebnissen sind Messungen in mehreren Tiefen erforderlich. Zu diesem Zweck führen wir Multilevel-Messungen in mehreren Tiefen einer Grundwassermessstelle durch. Mit Multilevel-Messungen wird die Fließbewegung im Aquiferprofil detaillierter aufgelöst, die Aussageschärfe wird erhöht und der operative Aufwand reduziert.
Es ist zu berücksichtigen, dass In-situ-Fließmessungen nur punkt- bzw. linienhafte Informationen bereitstellen. Abhängig von den lithologischen Verhältnissen und dem Ausbau der Grundwassermessstellen können die gemessenen Fließbewegungen vom umgebenden Grundwasserströmungsbild abweichen. Ergebnisse von in-situ-Fließmessungen sollten daher möglichst im Kontext mit Ergebnissen aus begleitenden Untersuchungen bewertet und interpretiert werden.
Werden In-situ-Fließmessungen als ausschließliche Datenquelle eingesetzt, kann die Aussagekraft der Messergebnisse durch die Korrelation von Multilevel-Fließdaten mit lokalen Sedimentstrukturen deutlich verbessert werden. Um belastbare Ergebnisse zu erhalten, ist es daher zweckmäßig, Fließmessungen in mehreren Tiefen innerhalb einer Messstelle durchzuführen.
Grenzen analytischer Korrekturfaktoren und der Messansatz von PHREALOG
Die Erfahrung zeigt, dass im Profil einer Brunnenfilterstrecke Strömungsabweichungen auftreten, die typischerweise auf kleinskalige Änderungen der hydraulischen Randbedingungen zurückzuführen sind. In Kombination mit dem Grundwasserdurchfluss kann dies zur Ausbildung von Strömungsartefakten führen. Das Verständnis der zugrunde liegenden Strömungsprozesse ist daher entscheidend, um natürliche Grundwasserfließbewegungen von messstellenbedingten Strömungsartefakten unterscheiden zu können (PHREASIM). Der Vergleich von Fließdaten aus unterschiedlichen Tiefen trägen dazu bei, dies zu erkennen die Interpretation zu verbessert und Ergebnisse abzusichern.
Abhängig von der Länge der Filterstrecke können im Vorfeld vertikale Fließmessungen durchgeführt werden, um die hydraulischen Verhältnisse innerhalb der Messstelle näher zu charakterisieren und um vertikale Strömungsanteile zu identifizieren, die horizontale Fließmessungen beeinflussen können. Auf Grundlage dieser Voruntersuchungen und der verfügbaren Bohrprofile legen wir geeignete Messtiefen für die horizontalen Fließmessungen fest.
Unsere Messerfahrung zeigt, dass auch in einheitlich ausgebildeten Sedimentpartien Fließrichtung und –geschwindigkeit naturgemäß variiert. Unterschiede in Fließrichtung und Fließgeschwindigkeit innerhalb einer Grundwassermessstelle können zusätzlich durch kleinräumige lithologische Heterogenität, durch unregelmäßigen Messstellenausbau sowie durch zugesetzte Filteröffnungen oder Filterkiesbereiche, aber auch durch die Orientierung der Filterschlitze zur natürlichen Fließrichtung verursacht werden.
Die genannten Einflussfaktoren wirken sich entsprechend auf den Zusammenhang zwischen den innerhalb einer Messstelle gemessenen Fließgeschwindigkeiten und den Grundwasserfließgeschwindigkeiten im umgebenden Aquifer aus. Um die Filtergeschwindigkeit im Aquifer aus der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen ableiten zu können, wird in klassischen Formelwerken ein Korrelationsfaktor (sog. „α-Faktor“) verwendet. Bei Kenntnis der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen soll mit diesem Ansatz die Filtergeschwindigkeit vf im umgebenden Aquifer realitätsnah abgebildet werden. Diese Formelwerke tragen jedoch nicht allen einflussnehmenden Faktoren hinreichend Rechnung, um aus gemessenen Durchflussgeschwindigkeiten die Filtergeschwindigkeiten im Aquifer mit belastbarer Genauigkeit für alle Fließszenarien ableiten zu können. Beispielsweise wird der variable hydraulische Einfluss durch geometrische Formfaktoren der Brunnenfilterrohre in Bezug zur natürlichen Fließrichtung nicht berücksichtigt.
Aus diesem Grund verfolgt PHREALOG einen messdatenbasierten, statistisch gestützten Ansatz. Durch die systematische Erfassung von Fließdaten in mehreren Tiefen charakterisieren wir die Verteilung und Variabilität der Grundwasserströmung über das untersuchte Aquiferprofil, identifizieren vorherrschende Fließrichtungen und Geschwindigkeitsbereiche und berechnen repräsentative mittlere Fließgeschwindigkeiten, soweit dies durch die Messdaten gerechtfertigt ist.
Dieser Ansatz verbindet umfangreiche tiefenaufgelöste Messungen mit der Bewertung messstellenspezifischer hydraulischer Einflüsse und ermöglicht dadurch eine belastbarere Interpretation der lokalen Grundwasserfließverhältnisse bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand vor Ort.
Praxisbewährte Standards
Das Verständnis der hydraulischen Randbedingungen an Brunnen ist der Schlüssel zu zuverlässigen Ergebnissen aus In-situ Fließmessungen.
Hochaufgelöste Standorterkundungen erfordern detaillierte, räumliche und zeitdynamische Fließinformationen, die mit konventionelle Erkundungsmethoden meist nicht hinreichend gewonnen werden können. Mit in-situ-Fließmessungen können reale Echtzeit-Strömungsdaten zur Planung, Beweissicherung, zur Plausibilitätskontrolle und zur Verfeinerung von Fließmodellen bereitgestellt werden.
Stichhaltige hydraulische Information aus Messstellen zu gewinnen ist anspruchsvoll und setzt Wissen zur Einsatzplanung, Datenauswertung und -bewertung voraus. Für unsere Messeinsätze haben wir daher eine bewährte Abfolge von Arbeitsschritten entwickelt, um unsere Messungen nachvollziehbar zu machen und um eine Qualitätssicherung zu gewährleisten.
Unsere Stärke liegt dabei nicht allein in der Erhebung von Messdaten sondern in der Kombination von eigener Messmethodik, Qualitätssicherung, hydrodynamischem Verständnis, Forschung und langjähriger Erfahrung.
Also - warum PHREALOG? Weil wir davon überzeugt sind, dass nur durch die Kombination dieser Kernkompetenzen zuverlässige Fließinformationen und ein Verständnis lokaler Aquifersysteme aus der Anwendung von In-situ-Fließuntersuchung zu gewinnen ist.
Denn durch die Verknüpfung von Informationen aus horizontalen und vertikalen Fließmessungen sowie Kamerainspektionen können Ergebnisse optimal korreliert und analysiert werden. So können wir belastbare Informationen zur Grundwasserbewegung liefern. In Lauf unserer 25-jährigen Praxis in Kombination mit Forschung haben wir ein hohes Maß an Verständnis zu den hydraulischen Randbedingungen in Grundwassermessstellen erarbeitet.
Fachwissen und Erkenntnisse, die wir mit unseren Kunden teilen.
Bei einem Messeinsatz gehen wir folgenden Fragestellungen nach:
1. Kamerabefahrung: Stimmt der Messstellenausbau? In welchen Tiefen liegen Rohrübergänge? Wie ist der Zustand der Filterstrecke und ist die Messstelle für In Situ Fließmessungen geeignet?
2. Vertikale Fließmessungen: Liegen hydraulische Kurzschlüsse vor und ist ein Einfluss auf horizontale Durchflussmessungen gegeben? Lassen sich Zufluss- und Abflussbereiche sowie hydraulisch wirksame Tiefen identifizieren, die als Target-Tiefe für Horizontale Fließmessungen eignen? Liegen Durchmischungen vor, die Einfluss auf die Messungen nehmen?
3. Horizontale Fließmessungen: In welche Tiefen liegen welche Fließrichtung und geschwindigkeit vor? Wie konsistent ist der horizontale Durchfluss in Tiefenprofil und wie gleichförmig ist der Durchfluss im Zeitverlauf? Sind weitere Messungen erforderlich, um Ergebnisse abzugleichen und abzusichern? Sind zeitliche Änderungen in der Fließdynamik erkennbar und können dessen Ursachen identifiziert werden? Ändert sich die Schwebstofffracht im Tiefenprofil? Liegen hydraulische Störungen vor, und welche Ursachen kommen infrage?
Dieser systematische Ansatz gewährleistet zuverlässige Ergebnisse und macht die Datenerfassung transparent und nachvollziehbar. Zur Lösung dieser Fragestellungen greifen wir insbesondere auf unsere langjährigen Einsatzerfahrungen zurück.