11.8 Hydraulische Tests zur Bestimmung der Leitfähigkeit

11.8.1 Slug- und Bail-Tests

Das Prinzip von Slug- und Bail-Tests beruht auf der plötzlichen, künstlichen erzeugten Änderung des hydraulischen Gefälles zwischen Testbrunnen und Grundwasserleiter durch eine schlagartige Erhöhung des Grundwasserspiegles. Der umgekehrte Vorgang, d.h. die schlagartige Erniedrigung des Wasserspiegels im Brunnen wird als Bail-Test bezeichnet.

Die Änderungen des Grundwasserspiegels können mit einem Slugkörper erzeugt werden, der in das Beobachtungsrohr (Brunnen) hineingelassen bzw. herausgezogen wird. Slug-Tests können in ausgebauten Pegeln nur dann durchgeführt werden, wenn der Ruhewasserspiegel oberhalb der Filterstrecke liegt.

Ausrüstung

Abb. 11.12: Messeinrichtung zur Durchführung von Slug- und Bail-Tests (Anlage des IfGG) mit: Slugkörpern für verschiedene Brunnendurchmesser (1), Kabeltrommel mit Stahlseil zur Befestigung des Slugkörpers (2), Lichtlot (3), Laptop mit Software (MDS) zur Programmierung der Datenspeichereinheit und Versuchsüberwachung (4), Datenspeicher MDS2 (5), Druckaufnehmer mit Verbindungskabel zur Datenspeichereinheit (6).

Auswerteverfahren (Darstellung und Interpretationsansätze)

11.8.2 Pumpversuche

Ein Pumpversuch ist eine unter kontrollierten Versuchsbedingungen durchgeführter Feldversuch, bei dem zeitlich befristet Grundwasser über einen Grundwasserbrunnen entnommen wird und nicht im Einflussbereich des Entnahmebrunnens wieder zur Versickerung gebracht wird. Die Grundwasserspiegelreaktion im Entnahmebrunnen sowie in den ggf. vorhandenen Beobachtungsbrunnen (Peilrohren) wird über entsprechende Druckaufnehmer als Grundwasserstandsganglinie registiert (digitale Aufnahme der Grundwasserspiegeländerung in Datenspeichereinheiten). Bei der am häufigsten praktizierten Vorgehensweise wird dem betrachteten Grundwasserkörper mit einer konstant arbeitenden Pumpe Grundwasser entnommen. Anhand der raum-zeitlichen Auswertung der Veränderungen des Grundwasserspiegels können bei entsprechender Vorgehensweise und Ausführung des Pumpversuchs folgende Eigenschaften bzw. Kenndaten des betreffenden Aquifers ermittelt werden:

  • Grundwasserleitende Eigenschaften (Transmissivitäten, Durchlässigkeitsbeiwerte);
  • Grundwasserspeichernde Eigenschaften (Speicherkoeffizient S und spezifischer Speicherkoeffizient SS);
  • Lage und Eigenschaften hydraulisch wirksamer Aquiferränder (Stau- und Infiltrationsgrenzen);
  • Brunnen- bzw. Bohrlocheinflüsse.
Abb. 11.13: Schema eines Pumpversuchs (verändert nach Heath 1987). Zu Beginn der Pumpphase (Einschalten der Pumpe) kommt es zur Absenkung der Standrohrspiegelhöhe, am Ende der Pumpphase (Ausschalten der Pumpe) zum Wiederanstieg.

Theoretische Grundlagen zur Auswertung von Pumpversuchen

Der in der Grundwasserhydrologie und Hydrogeologie häufig verwendete Ansatz ist die Differentialgleichung der instationären Strömung in einem homogenen, isotropen Grundwasserleiter (Herleitung s. o.), mit geringfügigen Änderungen (radialsymmetrisches Strömungsfeld bei Anströmung eines Förderbrunnens):

Grundwasserströmung
2 h r 2 + 2 h r · 1 r = S T · h t
r radialer Abstand zum Förderbrunnen [m]
h Standrohrspiegelhöhe zur Zeit t [m]
t Zeit seit Pumpbeginn [s]
S Speicherkoeffizient [1]
T Transmissivität [m²/s]

Die Brunnenfunktion von Theis (1935) ist eine Lösung dieser Gleichung:

Brunnenfunktion von Theis (1935)
s r , t = h 0 - h = Q 4 π T · W u
s Absenkungsbetrag in einem Piezometer (Brunnen) im Abstand r zum Förderbrunnen [m]
h0 Ruhewasserspiegel [m]
h angesenkter Grundwasserspiegel zur Zeit t [m]
QF konstante Förderrate [m³/s oder l/min]
W(u) Theis-Brunnenfunktion
W u = 0 e -u u u -0,577216 - ln u + u - u 2 2 · 2 ! + u 3 3 · 3 ! - u 4 4 · 4 ! + ...
für u=(r²·S)/(4·t·T). γ=0,577216 ist die so genannte Euler-Mascheroni-Konstante.

Diese Gleichung beschreibt die zeitliche und räumliche Ausbreitung eines Absenkungstrichters. Die Änderung der Standrohrspiegelhöhe im Abstand r zum Förderbrunnen ist eine Funktion der Förderrate, der Aquifereigenschaften und der Zeit. Der Absenkungsbetrag ist proportional zur Förderrate und umgekehrt proportional zur Transmissivität.

Wichtige Anmerkung: Die Theis-Brunnenfunktion darf zur Auswertung von Pumpversuchen nur verwendet werden, wenn der betrachtete Grundwasserkörper einem sogenannten idealisierten Aquifer ähnlich ist (Schreiner & Kreysing 1998, S. 434).

Bei stationärer Betrachtung kann die Transmissivität anhand der Geometrie des (quasi)stationären Absenkungstrichters bzw. anhand der Differenz der Standrohrspiegelhöhen und radialen Abstände zweier Messstellen im Absenkungsbereich nach der Brunnenformel von Thiem (1906) ermittelt werden:

Brunnenformel von Thiem (1906)
s 1 - s 2 = h 2 - h 1 = Q 2 π T · ln r 2 r 1
s1, s2 stationäre Absenkungsbeträge bzw.
h1, h2 Standrohspiegelhöhen zweier Messstellen, die sich im Abstand r1 und r2 zum Förderbrunnen befinden (r1<r2)

Gilt für gespannte Aquifere mit konstanter Mächtigkeit. Ist die Verringerung des Fließquerschnittes im ungespannten Grundwasserleiter gegenüber der Absenkung nicht mehr zu vernachlässigen, kann für die Berechnung eine korrigierte Absenkung herangezogen werden (Jacob 1963), die anstelle von s in die Brunnenformel eingesetzt wird:

Korrigierte Absenkung nach Jacob 1963
s' = s - s 2 2 H
korrigierter Absenkungsbetrag
s gemessene Absenkung [m]
H ursprüngliche Aquifermächtigkeit

Auswerteverfahren

Zur Auswertung von Pumpversuchen gibt es eine vielzahl von PC-Computerprogrammen, die eine EDV-gestützte Bearbeitung und Auswertung von Pumpversuchen ermöglichen. Literaturhinweise: Boonstra (1991), Linnenberg (1995), ASTM (1994).

Eine übersichtliche Darstellung findet sich auch bei de Marsily (1986), Interpretation of a Pumping Test (page 168-206).

Auswertungsprogramm der Abt. Hydrologie des IfGG

Die EDV-gestützte Auswertung mittels Software-Programmen ersetzt nicht die sorgfältige Durchführung eines Pumpversuchsverlaufes sowie die sorgfälltige Überprüfung der Plausibilität der zugrundeliegenden Modellvorstellungen (Randbedingungen) und der Ergebnisse im Hinblick auf die hydrogeologische Gegebenheit.