Sanierung von Bohrbrunnen als Bestandteil der planmäßigen Entwicklung der Gewinnungskapazitäten

Tiefbrunnen gehören zu den entscheidenden und auch kompliziertesten Anlagen der Wasserversorgungssysteme. Auch wenn letzterer Aspekt oft verdrängt wird, zeigt sich das spätestens beim Versuch der Problembeseitigung z.B. bei einem Leistungsrückgang oder gar drohendem Ausfall eines Brunnens. Ursachen dafür können Defekte oder Verschleiß an der Förderanlage (Pumpe und Steigleitungen), aber auch chemisch-physikalische, mikrobiologische und/oder mechanische Prozesse sein, die zur Minderung der Durchlässigkeit im Filter und filternahen Bereich führen. Auch die Alterung des eigentlichen Brunnenausbaus, z. B. durch Korrosion, kann zu erheblichen Problemen führen. Bei deutlich nachlassender Leistungsfähigkeit eines Brunnens bzw. erheblicher Verschlechterung der Rohwasserqualität, die nicht auf Veränderungen im Einzugsgebiet zurückzuführen sind, wird eine Regenerierung bzw. Sanierung des Brunnens erforderlich. Zu diesen Begriffen: Unter Reinigung des Brunnens wird nach DVGW-Merkblatt W 130 „Brunnenregenerierung“ die mechanische Entfernung von Ablagerungen in der Brunnenverrohrung verstanden. Die Regenerierung umfasst dagegen Maßnahmen zur Entfernung von Ablagerungen aus dem Brunnenringraum und dem angrenzenden Grundwasserleiter. Unter Sanierung werden dagegen alle baulichen Eingriffe zur Verbesserung oder Wiederherstellung der Funktions- und Leistungsfähigkeit des Brunnens verstanden. Das DVGWArbeitsblatt W 135 „Sanierung und Rückbau von Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen“ schließt teilweise die Regenerierungsmaßnahmen als „Vorbereitung der Sanierung“ mit ein. Reinigung Entfernung von Ablagerungen im Brunnenrohr

Regenerierung Entfernung von Ablagerungen im Ringraum

Sanierung bauliche Änderungen im Brunnen

In der Praxis ist ohnehin häufig keine genaue Trennung zwischen den vorgenannten Maßnahmen möglich. Im Folgenden sollen jedoch vor allem Aspekte der Sanierung im engeren Sinn, d. h. der Änderung, Erneuerung oder des Austauschs von Teilen der Brunnenkonstruktion (Verrohrung, Kiesschüttungen und Abdichtungen), betrachtet werden. Sanierungsmethoden Ist der Ausbau eines Brunnens so stark geschädigt, dass ein weiterer Betrieb in Frage gestellt ist, muss der Brunnen gegebenenfalls komplett saniert werden. Die Komplettsanierung umfasst nach DVGW-Arbeitsblatt W 135 den vollständigen Neuausbau des Brunnens einschließlich der Ringraumverfüllungen. Die Komplettsanierung eines Brunnens ist oft mit dem Überbohren der Brunnenkonstruktion verbunden. Nur in wenigen Fällen ist das Ziehen der alten Verrohrung erfolgversprechend, z. B. bei „verlorenem“ Filtereinbau. Eine Sanierung durch Überbohren kann erforderlich werden, wenn •

die Brunnenverrohrung durch Korrosion bzw. Materialalterung stark geschädigt ist oder Zerstörungen durch Nachfall und Hohlraumbildung zu befürchten sind und/oder

•

die Filterkiesschüttung erneuert werden muss, wenn mechanische und chemische Regenerierungsverfahren nicht (mehr) zum Erfolg geführt haben.

•

Ringraumabdichtungen nachträglich hergestellt oder erneuert werden müssen.

Zur Absperrung unerwünschter Zuflüsse von oberflächennahem Grundwasser kann eine neue Sperrrohrtour bis in die erforderliche Tiefe eingebaut werden. Dazu ist der alte Ausbau teilweise zu überbohren. Naturgemäß einfacher und kostengünstiger ist die Sanierung von Brunnen mittels Einschubverrohrung (nach DVGW-Arbeitsblatt W 135 eine Möglichkeit der Teilsanierung). Diese bietet sich u. a. an •

für die Abdichtung von Zuflüssen/Leckagen im Bereich der Aufsatzrohre.

•

für den nachträglichen Einbau von Filtern, z. B. bei starker Aussandung in Festgesteinsbrunnen.

Nachteilig ist dabei die Verminderung des Bohrlochquerschnitts. Bei Einschubverrohrungen für Abdichtungszwecke ist vor allem auf eine sichere Abdichtung des Ringraums zur alten Verrohrung zu achten, die meist nur mittels Ringraumzementation erreicht wird. Weiterhin muss die Umläufigkeit der alten Verrohrung dauerhaft verhindert werden, d. h. der Rohrschuh der Einschubverrohrung muss möglichst unterhalb des alten Sperrohrs abgesetzt werden. Der Einbau von Filtern in zuvor offene Bohrungen führt zu einer Erhöhung des hydraulischen Widerstands und damit zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit des Brunnens. Der Einsatz neuer Filter in bereits verfilterte Strecken ist i. d. R. nur sinnvoll, wenn die alten Filter ausgebohrt und ggf. das Bohrloch aufgeweitet werden können.

2

Eine Sonderform des Einschubfilters ist die Saugstromsteuerung. Dabei handelt es sich um ein Filterrohr mit einer abgestuften Schlitzung, das in die eigentliche Filterstrecke eingebaut wird. Die Durchlässigkeit der einzelnen Abschnitte dieser Saugstromsteuerung wird so gewählt, dass der Zufluss über die Tiefe vergleichmäßigt wird. Zuflussspitzen, die zum Aussanden führen, werden ausgeglichen. Die Eindämmung unerwünschter Zuflüsse aus dem Brunnentiefsten kann durch eine Teilverfüllung des Bohrlochs mit einer Ton-Zement-Mischung erfolgen. Dieser Fall tritt u. a. bei Versalzung des Grundwasserleiters auf. Zu beachten ist, dass eine solche Teilverfüllung nur im Zusammenhang mit einer (vorhandenen) Ringraumabdichtung wirkungsvoll ist. Nachträgliche Ringraumabdichtungen, z. B. zur Trennung von zwei Grundwasserleitern, können durch Perforation der Rohrtour und nachträgliches Verpressen von Dichtungsmitteln hergestellt werden. Mechanische und hydraulische Perforationsverfahren können bei Stahlrohren uneingeschränkt und bei Kunststoffrohren mit Einschränkungen eingesetzt werden. Bei flachen Brunnen können Ringraumabdichtungen auch über Lanzen von der Oberfläche in den Ringraum eingebracht werden. Zu den Teilsanierungen von Brunnen gehören auch Innenabdichtungen von Rohrtouren mittels Innenmanschetten sowie Veränderungen an der fördertechnischen Ausrüstung und am Brunnenabschluss. Ein Überblick über Schäden oder Veränderungen am Brunnen, die eine Sanierung erforderlich machen können, sowie über die einzuleitenden Maßnahmen ist in der Tabelle auf der folgenden Seite dargestellt. Nach jeder Sanierungsmaßnahme sollte eine Erfolgskontrolle erfolgen, bei der im Rahmen eines Pumpversuchs die Leistungsfähigkeit des Brunnens bestimmt und die Rohwasserparameter geprüft werden. Sanierung oder Neubau ? Sanierungsmaßnahmen an Brunnen sind meist relativ kostenintensiv. Die Kosten für eine Sanierung mit komplettem Überbohren des alten Ausbaus und Einbringen einer neuen Verrohrung können im Einzelfall die eines Neubrunnens sogar übersteigen. Aus diesen Gründen ist bei größeren Vorhaben eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Berücksichtigung der Alternativen – i. a. Neubau eines Brunnens oder Bezug aus anderen Grundwasserfassungen – erforderlich. Neben den Investitions- und Betriebskosten des Brunnens selbst müssen dabei auch die Kosten für (z. B. bei einem Neubau erforderliche) Einhausungen, Rohrleitungen und Aufbereitungskapazitäten berücksichtigt werden, aber auch nichtmonetäre Aspekte. Bei der Sanierung eines Brunnens bleibt i. d. R. die bestehende wasserrechtliche Bewilligung oder Erlaubnis zur Grundwasserentnahme unberührt (unbeschadet dessen ist die Sanierung selbst nach Landeswasserrecht anzuzeigen bzw. genehmigen zu lassen). Da sich der Ort der Entnahme nicht ändert, ergeben sich auch keine Konsequenzen hinsichtlich ausgewiesener Wasserschutzgebiete.

3

Schadensfälle und Maßnahmen Anlass

Leistungsminderung, stetig Leistungsmind erung, kurzzeitig festgestellt durch Auswertung Anstieg der Leistungskurve Absenkung bei gleicher Entnahme mögliche Ursachen

Verockerung, Inkrustation, Verrohrung/ Versandung etc. Filter defekt

weitere TV, ggf. Geophysik Untersuchungen Regenerierung

mechanisch oder chemisch

Sanierung*

Komplettsanierung, Ausbohren und Wechsel Filter

Lotung, TV

Sandführung

Veränderung der Rohwasserqualität

Veränderung der Rohwasserqualität

Schäden an Verrohrung

Trübung, Sandgehalt, Auflandung

Anstieg anthropogener Parameter, Trübung, Verkeimungen

Anstieg der Mineralisation

TV-Befahrung, Pumpenwechsel, Eisengehalt im Rohwasser

zu hohe Entnahme, Zufluss von defekte/falsch oberflächennahem bemessene Filter Wasser über undichte/umläufige Aufsatzrohre

Zufluss von mineralisiertem Tiefenwasser, Verbindung mehrerer Grundwasserleiter

Nachfall, Hohlraumbildungen, Korrosion, Materialalterung

TV, Lotung

tiefenorientierte Beprobung, Geophysik

TV, u. U. Geophysik

tiefenorientierte Beprobung, Geophysik, TV

Intensiventsandung Komplettsanierung

Nachrüstung mit Filter oder Ausbohren und Wechsel von Filtern

* wenn Regenerierung nicht erfolgreich

4

Einschubverrohrung, Teilverfüllung, ggf. ggf. Ringraumabdichtung Ringraumabdichtung, Manschettendichtung

Komplettsanierung (Überbohren), ggf. Einschubverrohrung

Brunnenmonitoring Die Notwendigkeit von Sanierungen wird häufig durch falsche Bemessung, falsche Materialauswahl, Material-, Bau- oder Betriebsfehler (mit) verursacht. Aber auch nach den Regeln der Technik errichtete und betriebene Brunnen haben eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere bei sich verändernden oder schwankenden natürlichen Bedingungen (Grundwasserstände und/oder –chemismus). Durch eine planmäßige Überwachung des Zustandes von Förderbrunnen (Brunnenmonitoring) können Sanierungen vorausschauend geplant werden. Durch die Auswertung von Betriebsdaten und von ergänzenden Untersuchungen kann überdies erreicht werden, •

dass durch rechtzeitig eingeleitete, kostengünstigere Regenerierungs- und Instandhaltungsmaßnahmen die Leistung des Brunnens länger erhalten wird,

•

dass durch geänderte Fahrweise und andere Maßnahmen größeren Schäden vorgebeugt werden kann,

•

dass Schäden und Leistungsminderungen rechtzeitig diagnostiziert werden können und das optimale Sanierungsverfahren ausgewählt werden kann,

•

dass die Sanierungsmaßnahme auch finanziell mit größerer Sicherheit geplant werden kann.

Voraussetzung ist zunächst die Dokumentation und fachtechnische Auswertung des Brunnenbetriebs. Die Auswertung sollte die langfristige Entwicklung folgender Daten umfassen: •

Betriebs- und Ruhewasserstände

•

Fördermengen, mit Bezug auf die Betriebswasserstände/Absenkungen

•

Stromaufnahme der Pumpe, mit Bezug auf die Fördermenge

•

Angaben zum regulären Pumpenbetrieb (Stillstandszeiten pro Tag, Förderintervalle)

•

Rohwasserchemismus, vor allem plötzliche Parameteränderungen,

•

ggf. Trübungsmessungen, Sandführung etc..

Dazu kommt die Auswertung bisheriger Kamera- und Geophysikbefahrungen sowie von Pumpversuchen, aber auch von Protokollen zu Pumpenwechseln und anderen Arbeiten am Brunnen. Liegen keine aktuellen Pumpversuchswerte (und keine ausreichenden Angaben zur Spiegelabsenkung im Förderbetrieb) vor, wird die Durchführung von entsprechenden Messungen im laufenden Betrieb empfohlen. Voraussetzung ist die möglichst kontinuierliche Messung des Betriebswasserstandes bei möglichst konstanter Entnahmerate. Der Beharrungszustand sollte erreicht werden. Diese Voraussetzungen sind bei vielen Festgesteinsbrunnen zu erfüllen, ohne dass diese vom Netz genommen werden müssen. In die Wasserstandsmessungen sollten auch eventuell vorhandene Peilrohre im Brunnenringraum und Messstellen in der unmittelbaren Umgebung des Brunnens einbezogen werden.

5

Zusätzliche Informationsquellen über den Zustand des Brunnens sind Kamerabefahrungen und geophysikalische Untersuchungen. Optische Inspektionen sind nicht nur bei Brunnen mit Neigung zur Verockerung oder Inkrustationen zu empfehlen. Mit ihrer Hilfe können auch Schäden in der Verrohrung zeitig erkannt werden. Bei filterlosen oder stark aussandenden Brunnen sollte vor einer Kamerabefahrung die Sohltiefe gelotet werden. Geophysikalische Untersuchungen sollten bei Verdacht auf Zufluss von Oberflächenwasser, auf Querströmung, Hinterströmung von Aufsatzrohren u. ä. und grundsätzlich vor jeder Sanierungsmaßnahme durchgeführt werden. Auf die verschiedenen Verfahren und ihre Anwendungsmöglichkeiten soll hier nicht näher eingegangen werden. Es wird auf das DVGWArbeitsblatt W 110 verwiesen. Zu erwähnen ist, dass durch bohrlochgeophysikalische Untersuchungen auch Aussagen zur Wandstärke und Hinterfüllung von Rohrtouren möglich sind. Art und Häufigkeit der erforderlichen geophysikalischen, optischen und hydraulischen Brunnenuntersuchungen hängen von den örtlichen geologischen, geohydraulischen und hydrochemischen Bedingungen sowie den technischen Betriebsbedingungen ab. Nicht zuletzt sind auch die bisherigen Betriebserfahrungen zu berücksichtigen. Bei Festgesteinsbrunnen mit gering mineralisiertem und nicht oder gering aggressivem Rohwasser, z. B. im Buntsandstein Nord- und Osthessens, ist z. B. die Gefahr von Verockerungen und Inkrustationen sehr gering. Der Leistungsrückgang dieser Brunnen, der oft schon in den ersten Betriebsjahren zu erkennen ist, ist meist mit dem Versanden natürlicher Klüfte zu erklären. Herkömmliche Regenerierungsverfahren sind meist unwirksam. Durch das Brunnenmonitoring können Aussagen zur Entwicklung der Leistungsfähigkeit und zu den Erfolgsaussichten einer Sanierung ermöglicht werden. Kamerabefahrungen sollten wenigstens alle 10 bis 15 Jahre durchgeführt werden, um Schäden an der Verrohrung durch Korrosion oder Erosion rechtzeitig zu erkennen. Anders ist die Situation von Lockergesteinsbrunnen, z. B. in Flussauen Südniedersachsens und Ostwestfalens, die bei hohen natürlichen Eisengehalten und schwankenden Grundwasserständen mit starken Verockerungserscheinungen zu kämpfen haben. Hier müssen regelmäßige Regenerierungsmaßnahmen einschließlich der erforderlichen Voruntersuchungen und Erfolgskontrollen alle 2 – 5 Jahre, im Einzelfall sogar häufiger, durchgeführt werden. Das Brunnenmonitoring hilft hier bei der Bewertung der Brunnenalterung und der Effektivität der Regenerierungsmaßnahmen. Die Sanierung dieser meist flachen Brunnen ist insbesondere dann gegenüber dem Neubau im Nachteil, wenn sich die Verringerung der Durchlässigkeit durch Verockerung bis in den Grundwasserleiter fortgesetzt hat. Diese Beispiele zeigen, dass für die nachhaltige Entwicklung des Bestandes an Gewinnungsanlagen individuelle Lösungen erforderlich sind. Ein diesbezügliches Konzept kann – angepasst an die jeweiligen betrieblichen Bedingungen und den Stand der Datenerfassung – folgende Schritte umfassen (siehe nachfolgendes Schema): 1. Bestandsaufnahme und Erstbewertung der Gewinnungsanlagen 2. Auf- bzw. Ausbau eines Monitoring-Programms zur Brunnenüberwachung nach dem Stand der Technik, einschließlich einheitlicher Datenerfassung und Dokumentation 3. Bei Bedarf Planung und Auswertung zusätzlicher Untersuchungen (Pumpversuche, Kamera-Befahrungen) 4. Entwicklung einer langfristigen Instandhaltungs- und Sanierungsstrategie für die Gewinnungsanlagen unter Berücksichtigung der Bedarfsentwicklung und notwendiger Ersatzmaßnahmen, Ableitung des Finanzierungsbedarfs

6

Wir würden uns freuen, wenn unsere zusammenfassende Darstellung für Sie von Interesse war. Für weitere Informationen und Beratungen stehen wir Ihnen selbstverständlich gern zur Verfügung.

Bearbeiter: GUV GmbH, Dr.-Ing. H. Münch

Schema der Zustandsbewertung und der Ermittlung des Handlungsbedarfs Auswertung von Betriebsdaten, Analysen etc.

Auswertung von Pumpversuchen, Befahrungen etc.

Zustandsbewertung des Brunnens

Zusätzliche Untersuchungen: TV-Befahrung Geophysik Pumpversuch

Ermittlung des Handlungsbedarfs

nicht vorhanden

vorhanden

Technische Machbarkeit Wirtschaftlichkeit

Festlegung des nächsten Bewertungstermins

Konzept der Regenerierung bzw. Sanierung

7

Planung einer Ersatzlösung