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Dokumentenidentifikation DE10149024B4 15.07.2004
Titel Verfahren zur Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V., 01217 Dresden, DE
Erfinder Morgenstern, Alexander, 01189 Dresden, DE;
Börner, Frank, 01156 Dresden, DE;
Schön, Jürgen, Leoben, AT;
Gawlik, Hans, 39245 Gommern, DE
Vertreter Nern, P., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 10178 Berlin
DE-Anmeldedatum 28.09.2001
DE-Aktenzeichen 10149024
Offenlegungstag 24.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse G01N 33/18
IPC-Nebenklasse G01N 27/00   G01N 25/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers durch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, physikalische Größen des Grundwassers, wie Strömungsrichtung und – geschwindigkeit sowie seine Zusammensetzung zu messen und zu bestimmen. Weiterhin sind dazu entsprechende Einrichtungen bekannt, die als Sonden ausgebildet, unter Verwendung daran angeordneter Sensoren, die unterschiedlichen physikalischen Größen des Grundwassers im Bohrloch ermitteln.

Die DE 198 55 048 C1 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der Eigenschaften des Grundwassers in einer Bohrung und/oder eines Gesteins. Gemäß der Schrift gelangt eine Sonde mit einem Packer zur Anwendung, der eine mehrschichtige, dehnbare Wandung aufweist. Die Wandung hat eine flüssigkeitsdurchlässige Schicht und einen Zwischenraum, in dem sich ein flüssigkeitsdurchlässiges Mittel zur Abstandhaltung und eine druckdichte Wandung zur Einbringung in eine Bohrung befindet. Die Wandung schließt ein Druckmittel ein, mit dem die äußere Wandung des Packers gegen die Innenwandung der Bohrung oder einem die Bohrung auskleidenden Filterrohres drückt. Das flüssigkeitsdurchlässige Mittel zur Abstandhaltung ist mit einer Anordnung für die Zuführung einer Tracerflüssigkeit verbunden. Im Packer und/oder auf seiner Wandung sind Mittel zur Messung der Tracerflüssigkeit angeordnet. Mit der Sonde ist eine Bestimmung der hydraulischen sowie der Transporteigenschaften von Grundwasser und damit die Ermittlung der Richtung und der Geschwindigkeit der Grundwasserströmung im Bereich einer unverrohrten oder mit einem Filterrohr ausgekleideten Bohrung möglich. Die dargestellte Lösung weist den signifikanten Nachteil auf, dass die Tracerflüssigkeit durch die Membran in das mit einem nicht definierten Volumen anstehende Grundwasser diffundieren muss und die Messeinrichtung nicht ausreichend punktuell verteilt, das Messfeld überstreichen kann. Die Verwendung einer Membran, welche einerseits Speicher und Ausgabe der Tracerflüssigkeit und Mittel zur Arretierung der Lage der Sonde ist, bringt erhebliche funktionale Nachteile bei der Ermittlung der gewünschten physikalischen Größen. Weiterhin erlaubt die Sonde nur einen Einsatz in ungetrübtem Grundwasser. Die mit der Sonde vorzunehmenden Messungen beschränken sich auf eine Messart, wobei die Messimpulse durch einen Sender einer Empfängereinrichtung übermittelt werden. Die Sende- und Empfangseinrichtung arbeitet in relativ geringen vertikalen und horizontalen Erstreckungsbereichen und ist nur unzureichend geeignet, genaue Messdaten zur Verfügung zu stellen.

Die DE 42 30 919 A1 stellt ein Einzelbohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasserströmungsrichtung und -geschwindigkeit vor. Das Verfahren eröffnet Möglichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit durch ein Verfahren abzulösen. Das Herstellen einer radial ausgebildeten Tracerdiffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirkt sich bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten nachteilig auf die Messzeiten aus. Jedoch, sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Grundwassers in Bohrlöchern weitestgehend auf die genaue Messung auch kleinster Strömungsgeschwindigkeiten angewiesen. Das dargestellte Verfahren konzentriert sich deshalb auf die vorhandene Grundwasserströmung mit kleinsten Geschwindigkeiten und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass im Messabschnitt eines Bohrlochs eine horizontale Bildebene videotechnisch virtuell erfasst und mittels einer Optik auf ein Videosensormodul fokussiert und als reale Bildgröße produziert bewertbar gemacht wird. Die Lösung gemäß der Schrift benötigt zur Darstellung der zu ermittelnden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fluoreszierender Partikel, die in der Flüssigkeit suspendiert, die Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen. Die durch den Strömungstransport bedingte Standortabweichung des Tracers wird als Wanderung virtueller Lichtquellen auf einer Matrixsensorfläche fortlaufend registriert und direkt ausgewertet. Die Einrichtung weist allgemein eine zylindrische Form auf. An ihren oberen und unteren Zylinderenden sind Packer angeordnet, die zwischen sich einen ringförmigen, durch die Zylindermantelfläche sowie die Bohrungswand begrenzten Hohlzylinder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuellen und optischen Messung der Eigenschaften des Grundwassers erfolgt. Die Lösung verwendet in ihren technischen Konzeptionen des Verfahrens sowie des apparativen Aufbaus der Vorrichtung genau arbeitende Apparaturen, jedoch ist hier eine Bewertung von rechenbaren Informationen aus schnell verfügbaren Daten nicht zu erhalten.

Die US 5,339,694 A-Looney- offenbart eine Sonde zur Bestimmung der Bewegung der physikalischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zylinderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet, welche die elektrischen Widerstandswerte eines durch eine Tracerflüssigkeit beeinflussten, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindlichen Grundwassers messen. Hier wird als Tracerflüssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Flüssigkeit transportiert, und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Bewegungsgröße des Feldes werden durch die Sensoren gemessen. Es ist mit diesem Gerät auch möglich, vertikale und horizontale Fließbewegungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwindigkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen. Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwendung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, fest installiert werden müssen, weil sie nicht über Halte- bzw. Zentriermittel wie Packer verfügen. Der Messvorgang kann großflächig vorgenommen werden, jedoch ist die Messbarkeit der sich im Grundwasser bewegenden leitfähigen Flüssigkeit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben. Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser, wie Strömungsrichtung und -geschwindigkeit, im Untergrund durch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche die Bestimmung der physikalischen Größen des Grundwassers ohne eine Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes gewährleistet, und den Einsatz unterschiedlichster Messverfahren unter Beibehaltung des verfahrensgemäßen Regimes und der dazu entwickelten Sonde zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, mit dem die Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser im Untergrund vorgenommen werden kann. Dazu wird eine Sonde in das Bohrloch eingeführt und eine wässrige, chemisch und physikalisch markierte Lösung mit vom Grundwasser abweichenden Eigenschaften gegen das den Raum um die Sonde ausfüllenden Grundwassers ohne dessen Verdrängung ausgetauscht. Der Raum ist ringförmig ausgebildet und wird mit der markierten Lösung angereichert, deren Anreicherungsgröße dabei bestimmt wird. Mit der Grundwasserströmung wird die markierte Lösung aus dem Raum in ein richtungsbezogenes Messfeld bewegt, in dem die sich abzeichnenden Veränderungen als Maxima-Minima-Verteilung ihrer elektrischen und thermischen messbaren Größen im Grundwasser zur Feststellung der Grundwasserfließrichtung sowie -geschwindigkeit mittels elektrischer und thermischer Sensoren ermittelt werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung gewährleistet die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der eingeführten chemisch markierten Flüssigkeit mittels elektrischer Sensoren der Sonde, die über die vollständige Länge der Sonde verteilt sind.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Messung der Maxima- und Minima-Verteilung der physikalisch markierten Lösung mittels thermischer Sensoren vorgenommen werden, die in einem eingegrenzten Raum angeordnet sind, in dem die markierte Lösung eingeführt ist und der Größe des Raumes entsprechend im Grundwasser sich ausbildet und gemessen werden kann. Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft ausgeformt, dass die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch und physikalisch markierten Lösungen in ihrer zeitlichen Folge nacheinander eingeleitet und vorgenommen wird, so dass jedes Messverfahren unabhängig voneinander die erforderlichen Daten der physikalischen Größen zur Bestimmung bringt.

Eine vorteilhafte, das Verfahren ausgestaltende erfinderische Lösung ist darin zu sehen, dass die Bestimmung der physikalischen Größen durch eine Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch und physikalisch markierten Lösung gleichzeitig räumlich separat in einem Messzeitraum vorgenommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Bestimmung der physikalischen Größen von Grundwasser mit einer Sonde durchgeführt, die eine zylindrische Gestalt aufweist, auf deren Umfang sowie in Richtung ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet sind und in mindestens einem, zwischen Begrenzungen geschaffenen Raum, der in seiner Erstreckung einen von der Bohrungswand umschlossenen, hohlzylinderförmigen Ringraum bildet, in den eine chemisch oder physikalisch markierte Lösung eingeführt und mit dem Grundwasser in eine Wirkverbindung gebracht ist, deren Konzentration, räumliche Verteilung sowie die physikalisch, thermischen Verhaltsweisen des Grundwassers gemessen und über ein Datenverarbeitungsmodul zur Auswertung gebracht sind. Zu den auf der Mantelfläche angeordneten Sensoren für die Bestimmung der zu messenden Größen ist eine Einrichtung zur Infiltration von flüssigen markierten Lösungen und weiterhin ein Orientierungsmodul für eine richtungsbezogene Zuordnung der Messwerte und ein Datenübertragungsmodul vorgesehen. Die Sonde weist mindestens einen zwischen vertikalen Begrenzungen gebildeten Raum auf, der in seiner Erstreckung einen von der inneren Wand des Filters begrenzten, die Sonde umgebenden zylindrischen Ringraum bildet, der die Sondenoberfläche umgibt und durch die innere Wand des Filterrohres begrenzt ist. Die radiale Erstreckung zwischen der Zylinderoberfläche der Sonde und der Wand des Filterrohres ist so bemessen, dass ein geschlossener, hohlzylindrischer Ringraum ausgebildet wird, dessen Volumen vom Grundwasser ausgefüllt ist. In dem die Sonde umgebenden Ringraum ist eine chemisch oder physikalisch markierte Lösung gegen das anstehende Grundwasser austauschbar. Sie wird mit dem Grundwasser in eine Wirkverbindung gebracht und mit diesem bewegt. Die Bewegung des Grundwassers erteilt der im Ringraum eingeführten markierten Lösung eine räumliche Verteilung, deren Erstreckung und Form mit den Sensoren gemessen und einer Bewertung zugeführt wird. Die Sonde weist für ihre äußere vertikale Begrenzung Packer auf, zwischen denen in gleichen Abständen, ringförmig auf der Mantelfläche der Sonde verteilt, elektrische Sensoren vorgesehen sind und einen Tracerraum, der durch weitere Packer ausgebildet ist, und über elektrisch sowie thermisch wirkende Sensoren verfügt, die eine Messung des Verhaltens der physikalisch beeinflussten Lösung in diesem Bereich vornehmen.

Die Erfindung ist dadurch ausgebildet, dass die Packer, als Mikropacker ausgebildet sind, mit deren radialer Erstreckung zur Innenseite des Filterrohres sowie in vertikaler, der Richtung des Verlaufs der Längsmittenachse der Sonde folgend ein ringartiger, dünnwandiger als Hohlzylinder ausgeformter, mit Grundwasser ausgefüllter Raum gebildet ist, der symmetrisch zur Längsmittenachse, eingegrenzt durch zusätzliche Packer einen Tracerraum bildet, in welchen das anstehende Grundwasser durch die markierte wässrige Lösung ausgetauscht wird. Die Erfindung fortführend erhält die Sonde mit zwischen zusätzlich eingeführten Packern angeordneten Sensoren eine weitere Unterteilung, die Möglichkeiten eröffnet, alternierende Messverfahren einzuführen, die als elektromagnetische, akustische oder optische Verfahren ausgebildet sein können, mit der Sonde zur Anwendung geführt werden, ohne den Grundsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verlassen.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Sonde zur Verfügung, die es ermöglicht, durch die vorteilhafte Einordnung von Sensoren mit voneinander abweichenden Eigenschaften eine Bestimmung ausgewählter physikalischer Größen des Grundwassers, wie seine Fließrichtung und -geschwindigkeit vorzunehmen, wobei eine besondere Eigenschaft der Sonde darin besteht, dass sie die Möglichkeit eröffnet, sowohl physikalisch als auch chemisch markierte wässrige Lösungen in die Tracerräume einzuführen, die durch Unterteilungen herausgebildet sind. Die verschiedenartig ansprechenden Sensoren gewährleisten die Durchführung mehrerer Messverfahren mittels einer Sonde während einer Messfahrt. Die für die Sonde ausgewählten Packer als Mikropacker gewährleisten die Ausbildung eines mit geringer radialer Erstreckung vom Grundwasser ausgefüllten Ringraumes zwischen der Zylinderoberfläche der Sonde und der Innenwand eines Filterrohres. Die darin eingeführte markierte Lösung lässt sich in ihrer Ausgangszusammensetzung genau bestimmen und gewährleistet eine äußerst fein abgestufte Messung der sich in dem umgebenden Grundwasser ausbildenden Tracerfahne, die mittels unterschiedlicher Messverfahren, hier gemäß der Erfindung, konkret durch eine ausgewählte thermische oder wahlweise elektrische Feldmessung in ihrer Form und Ausdehnung bestimmt wird.

Die Sonde erlaubt die Durchführung des Verfahrens, das mit einer Messung der in den Ringraum eingeführten markierten Lösung, als Ausgangsdaten beginnend, Veränderungen des thermischen und elektrischen Feldes über den Zustrom des Grundwassers mit der sich bewegenden Tracerfahne bestimmt. Die im Tracerraum für die thermische Messung physikalisch beeinflusste Lösung kann in diesem Raum selbst in seiner radialen, richtungsbezogenen, zeitlichen Veränderung ihres thermischen Feldes im Tracerraum gemessen werden. Bei beiden Messverfahren gelangt eine Maxima- und Minima-Feststellung der elektrischen Leitfähigkeit oder des thermischen Feldes zur Anwendung.

Wie bereits ausgeführt, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, unterschiedliche Messverfahren, hier ein elektrisches Messverfahren, mit Erzeugung eines richtungsbezogenen elektrischen Feldes, dessen radiale zeitliche Veränderung festgestellt wird sowie die Messung eines in einem separat ausgebildeten Tracerraum befindlichen, erwärmten Wasservolumens über eine Veränderung seines induzierten thermischen Feldes durch den Zustrom kühleren Grundwassers direkt im Tracerraum vorzunehmen. Der mitlesende Fachmann versteht, dass der Grundsatz der Erfindung, ein oder mehrere Messverfahren mit einer einzelnen Sonde durchzuführen, weitestgehend dadurch realisiert werden kann, dass die Sonde von einer in ihrer radialen Erstreckung wenig mächtigen Wasserhülle geringen Volumens umgeben ist. Beim Einführen der markierten wässrigen Lösung in den hohlzylinderförmigen Ringraum ist ein vollständiger Austausch der markierten Lösung gegen das Grundwasser ohne dessen Verdrängung gewährleistet und damit eine genaue, fein abgestufte Messung der sich ausbildenden Form und Richtung des Tracers in den Messfeldern gesichert. Der bereits erwähnte Vorteil gewährleistet auch die Kombination mehrerer, anders gearteter Messverfahren.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

1: Die Anordnung einer Sonde in einem Filterrohr;

2: Den Abschnitt X aus 1 in einer vergrößerten Darstellung;

3: Die Sonde mit einer Darstellung des elektrischen Feldes.

Die Sonde 1 nach 1 besteht aus einem zylindrischen Sondenkörper. Zur Zentrierung und Fixierung seiner Lage in der Bohrung bzw. im Filterrohr 3 ist die Sonde 1 mit Mikropackern 2; 2'; 2'', 2''' ausgerüstet, die in vertikalen Abständen voneinander angeordnet sind. Gemäß 1 sind die Packer 2; 2'; 2'', 2''' in einer Funktionsanordnung und halten die Sonde 1 in einer konzentrischen Lage mit gleichen horizontalen Abständen von der Innenwand des Filterrohres 3. In vertikaler Erstreckung befinden sich je ein Packer 2; 2''' im Bereich einer jeweiligen Stirnfläche der Sonde 1. Gleichgerichtet von der Quermittenachse der Sonde 1 beabstandet sind die Packer 2; 2''. Sie bilden zwischen sich einen Tracerraum 4, der hohlzylinderförmig die Sonde 1 umgebend, ein Wasservolumen einschließt. Auf dem Umfang der Sonde 1 verteilt, vertikal mehrfach gestuft, sind elektrische Sensoren 8 ringförmig angeordnet. In der Mitte ihrer vertikalen Erstreckung, auf der Quermittenachse im Tracerraum 4, sind radial angeordnete, thermische Sensoren 9 vorgesehen. Ein Bohrlochmesskabel 14 dient zum Vertikaltransport der Sonde 1 im Bohrloch und gleichzeitig als Träger der Verbindungsleitungen der Sonde 1 mit der Auswertungsstation auf der Geländeoberfläche. Der Größenunterschied der Außendurchmesser des Zylinders der Sonde 1 sowie des der Packer 2; 2'; 2'', 2''', die an der Filterwand des Innenrohres anliegen und zwischen sich erstreckte Räume abgrenzen, lässt erkennen, dass die angestrebte Differenz der Außendurchmesser sehr klein ist und der durch das Grundwasser aufzufüllende hohlzylinderartige Ringraum eine geringe Mächtigkeit seiner radialen Erstreckung hat. Dadurch ist es gewährleistet, dass im Tracerraum 4 sowie in den anliegenden Räumen eine geringe Menge an anstehendem Grundwasser zu verdrängen ist, wenn physikalisch oder chemisch markierte Lösungen durch die Traceröffnungen 15 in diesen Raum eingeführt und volumengleich gegen das anstehende Grundwasser ausgetauscht werden, um entweder die Ausbildung eines richtungsbezogenen elektrischen Feldes zu ermöglichen oder ein differenziertes thermisches Feld auszubilden und damit die Messung der physikalischen Größen des Grundwassers zu gewährleisten, das bei der Einzelheit X in seiner Strömungsrichtung dargestellt ist und die Lage sowie Form einer Tracerfahne 5 im Bereich des Tracerraums 4 zeigt. Die Möglichkeit, nur geringe Mengen markierter Lösung in diese Räume einzuführen und gegen das Grundwasser austauschen zu müssen, garantiert das Erzielen genauer, unverfälschter Messergebnisse.

Aus 1 ist zu entnehmen, und in der vergrößerten Darstellung gemäß 2 detaillierter dargestellt, dass die Packer 2; 2'', welche den Tracerraum 4 begrenzend ausbilden, unmittelbar, ohne eine Membran an der Innenwand des Filterrohres 3 anliegen und der Tracerraum 4 auch seine äußere radiale Begrenzung, durch diese Wand erhält. Das Grundwasser kann damit in den Tracerraum 4 strömen und die darin eingeführte physikalisch, also thermisch markierte Lösung für eine unverfälschte Darstellung der Messung beeinflussen.

2 zeigt dabei korrekt, dass die elektrischen Sensoren 8 auch im Tracerraum 4 gleichartig angeordnet sind wie auf dem Zylindermantel der Sonde 1 zwischen den Packern 2; 2'''. Die zu wählenden Messverfahren, im Ausführungsbeispiel ein elektrisches und weiterhin ausgewählt ein thermisches Messverfahren, erlauben, da die Sensoren 8; 9 in gleichen Räumen angeordnet, unabhängig voneinander in Funktion gesetzt werden können, auch eine Kombination beider Verfahren in zwei zeitgleich ablaufenden Messvorgängen.

Das ausgewählte Beispiel lässt aber erkennen und gibt dem mitlesenden Fachmann eine ausreichende Information an die Hand, dass mittels der Sonde 1 auch andere Messverfahren, wie elektromagnetische, akustische und optische Messungen einzeln sowie in Kombination Verwendung finden können, ohne das erfindungsgemäße Verfahren zu verlassen. Die weitere Information gibt Anlass zu der Feststellung, dass die Bestimmung der physikalischen Größen ohne eine Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes des Grundwassers erfolgreich durchgeführt werden kann und unverfälschte Messwerte der zu ermittelnden Größen erhalten werden können.

3 zeigt schematisch die Messung des induzierten elektrischen Feldes, unabhängig von der Anwesenheit einer chemisch markierten Lösung. Die idealisierten Bögen stellen im Schnittpunkt mit dem horizontalen Richtungspfeil die Eindringtiefe 12 und damit die messbare Begrenzung des elektrischen Feldes 11 dar, welches sich in der Bohrlochumgebung 10 ausbreitet. Wie zu erkennen, ist das elektrische Feld 11 in seiner vertikalen Erstreckung symmetrisch um die Richtungsachse der Eindringtiefe 12 dargestellt und überspannt in Abhängigkeit von der Messanordnung die gesamte Längserstreckung der Sonde 1.

Die Messung der radial zeitlichen Veränderung des thermischen Feldes innerhalb des Tracerraumes 4 zeigt dabei die 2. Die Auswirkung auf das induzierte thermische Feld innerhalb des Tracerraumes durch die Ausbildung der Traccerfahne, bedingt durch den Zustrom kühleren Grundwassers, macht eine sehr empfindliche Messung notwendig.

1 Sonde 2; 2'; Packer 2;''; 2'' Packer 3 Filterrohr 4 Tracerraum 5 Tracerfahne 6 Grundwasserspiegel 7 Grundwasserströmung 8 elektrische Sensoren 9 thermische Sensoren 10 Bohrlochumgebung 11 elektrisches Feld 12 Eindringtiefe 13 Geländeoberkante 14 Bohrlochmesskabel 15 Traceröffnung X Einzelheit

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung physikalischer Größen von Grundwasser im Untergrund durch das Einführen einer wässrigen, chemisch oder physikalisch markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit, in das in einem Raum die Sonde umgebende Grundwasser, zur Ausbildung eines damit angereicherten Grundwasserbereiches, der mit der Grundwasserströmung in ein richtungsbezogenes Messfeld bewegt, Veränderungen erhält, deren Maxima-Minima-Verteilung im Grundwasser zur Feststellung der Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit sowie Temperaturverteilung und -veränderung mittels auf der Sonde angeordneter Sensoren, ohne Beeinflussung des natürlichen Strömungsfeldes gemessen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die markierte Lösung in den Raum um die Sonde eingeführt und gleichzeitig das anstehende Grundwasser ausgetauscht wird, wobei der eingegrenzte Raum die Sonde ringförmig umgibt, mit den markierten Lösungen ausgefüllt wird, deren Ausgangseigenschaften bestimmt sind und mit der Grundwasserströmung in ein richtungsbezogenes Messfeld bewegt, Veränderungen erhält, deren Maxima-Minima-Verteilung elektrischer und thermischer Einwirkungen im Grundwasser zur Feststellung der Grundwasserfließrichtung sowie -geschwindigkeit mittels elektrischer und thermischer Sensoren ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch markierten Lösung mittels elektrischer Sensoren erfolgt, die über die Länge der Sonde verteilt sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der physikalisch markierten Lösung mittels thermischer Sensoren in einem um die Sonde eingegrenzten Raum eingeleitet und dem Raum entsprechend angepasst vorgenommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Maxima-Minima-Verteilung der markierten Lösung in der zeitlichen Folge nacheinander eingeleitet und vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der physikalischen Größen zur Messung der Maxima-Minima-Verteilung der chemisch und physikalisch markierten Lösungen gleichzeitig in einer Messfahrt vorgenommen wird.
  7. Sonde zur Bestimmung physikalischer Größen im Untergrund, mit an ihrem Umfang sowie in der Richtung ihrer Längsmittenachse angeordneten Sensoren und mindestens einem zwischen Begrenzungen geschaffenen Raum (4), der in seiner Erstreckung einen von der Bohrungswand (3) umschlossenen hohlzylinderförmigen Ringraum bildet, in den eine chemisch oder physikalisch markierte wässrige Lösung eingeführt und mit dem Grundwasser (7) in eine Wirkverbindung gebracht ist, wobei deren Konzentration, räumliche Verteilung sowie die physikalisch thermischen Verhaltensweisen des Grundwassers gemessen und über ein Datenverarbeitungsmodul zur Auswertung gebracht sind.
  8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihrer zylindrischen Mantelfläche verteilte Sensoren (8; 9) für die Bestimmung der zu messenden Größen eine Anordnung zur Infiltration des Grundwassers mit markierter Lösung, ein Orientierungsmodul für eine richtungsbezogene Zuordnung der Messwerte, und ein Datenübertragungsmodul vorgesehen sind, wobei mindestens ein zwischen vertikalen Begrenzungen gebildeter Raum, der in seiner radialen Erstreckung als ein von der inneren Wand des Filters bestimmter, die Sonde (1) umgebender zylindrischer Ringraum ausgebildet ist, in den eine chemisch oder physikalisch markierte Lösung gegen das darin anstehende Grundwasser ausgetauscht und mit dem umgebenden Grundwasser in eine Wirkverbindung gebracht, mit diesem bewegt, eine räumliche Verteilung erhält, deren Erstreckung und Form mit Sensoren (8; 9) einer Bewertung zugeführt wird, und die Sonde (1) an ihren äußeren Begrenzungen Packer (2; 2''') aufweist, zwischen denen im gleichen Abstand, als Sensorringebene in der Mantelfläche der Sonde (1) verteilt, elektrische Sensoren (8) vorgesehen sind, wobei ein weiterer Raum als Tracerraum (4) zwischen Packern (2'; 2'') ausgebildet ist, der über elektrisch sowie thermisch wirkende Sensoren (8; 9) verfügt und eine thermische Messung des Verhaltens der physikalisch beeinflussten wässrigen Flüssigkeit zulassen, die zwischen über die im Bereich der Packer (2'; 2'') sich markant ausbildende Tracerfahne (5) vorzunehmen ist.
  9. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (1) über als Mikropacker ausgebildete Packer (2; 2'; 2'', 2''') verfügt, mit deren radialer Erstreckung zur Innenseite der Filterohre (3) sowie in vertikaler Richtung des Verlaufs der Längsmittenachse der Sonde (1) folgend ein ringförmiger, hohlzylinderartiger, mit Grundwasser ausgefüllter Raum mit geringer radialer Erstreckung ausgebildet ist.
  10. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylinderförmige Raum durch die Eingrenzung in einen Tracerraum (4) mit den Packern (2'; 2'') weiterhin unterteilt ist, in dem das darin anstehende Grundwasser durch die markierte, wässrige Lösung ausgetauscht wird
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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