Projekt 28299/02

Innovative Düsensauginfiltration zur energieeffizienten sowie umwelt- und ressourcenschonenden Grundwasserabsenkung (Phase 2)

Projektträger

Hölscher Wasserbau GmbH
Hinterm Busch 23
49733 Haren
Telefon: 0 59 34/70 70

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die DSI-Technik ist eine Technologie zur Infiltration in Grundwasserleiter und zur Grundwasserabsenkung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken wird das Wasser dabei in eine DSI-Schicht infiltriert und wird nicht zutage gefördert und abgeleitet. Aus der Sicht des Umweltschutzes ergeben sich dadurch in verschiedenen Anwendungsgebieten erhebliche Vorteile. Die DSI-Schicht wird in einem DSI-Versuch bestimmt. Bis heute sind die Bedingungen, die bei Versuchsdurchführung zu dem DSI-Phänomen führen, nicht bekannt und erforscht. Die Zustände in unmittelbarer Nähe des DSI-Punkts sollen messtechnisch erfasst und in einem mathematischen Modell abgebildet werden. Die Bedingungen des Phänomens DSI sollen in Parameterstudien untersucht und mit Simulationsmodellen verifiziert werden. Grundwasserabsenkungen sind dort erforderlich, wo Baukörper in den Grundwasserbereich eingebaut werden oder vorhandene Baukörper geschützt werden müssen. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Ta-gebaue, bei denen zur Trockenlegung und -haltung mit konventioneller Technologie in der Regel erhebliche Wassermengen gefördert und reinfiltriert werden müssen. Auch in Zehrungsgebieten ist Infiltration eine sinnvolle Maßnahme zur Verbesserung des Grundwasserdargebots. In allen diesen Anwendungsbereichen ist der den Wasserhaushalt schonende Einsatz der DSI-Technik im Dienst des Umweltschutzes sinnvoll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden• Entwicklung einer Bohrtechnik und Bohrdatenerfassung zur Erkennung und Nutzung des DSI Phä-nomens
• Erstellung eines konzeptionellen Modells und Umsetzung in ein numerisches Modell
• Standortunabhängige numerische Parameterstudien zum Betrieb von DSI-Anlagen
• Aufbau einer Pilotanlage zur Untersuchung des Praxiseinsatzes
• Durchführung von Versuchen am Test-Standort und an der Pilotanlage zur Datengewinnung
• Auswertung der Versuchsdaten von Test-Standort und Pilotanlage und Modellierung
• Durchführung von DSI-Punkt Versuchen an verschiedenen Standorten
• Untersuchungen zur grundlegenden Physik des DSI-Phänomens
• Aufbau eines numerischen Modells zum DSI-Punkt
• Ergänzende Messungen zum DSI-Punkt
• Erstellung einer vergleichenden LCA-Analyse
• Vergleichende Ökobilanz mit Einbeziehung des Wasserhaushalts und ‚water footprint’




Ergebnisse und Diskussion

In Plötzin (Brandenburg) wurde ein Feldstandort für Versuche eingerichtet. Es wurden umfangreiche Tests mit DSI-Einheiten durchgeführt. Alle durchgeführten Feldversuche wurden durch Modellierungsar-beiten begleitet und ausgewertet.
Zum Test des praktischen Einsatzes von DSI wurde in Korschenbroich (Niederrhein) mit Unterstützung des regionalen Umweltamts Rhein-Kreis Neuss sowie des Erftverbands eine Pilotanlage errichtet. Die Entwässerungsanlage mit mehreren DSI-Einheiten kann als Musteranlage für andere von Grundwasser-anstieg gefährdete Objekte angesehen werden kann.
In Phase 1 wurde mit einem modifizierten FE-Verfahren ein geeigneter Modellansatz zur Beschreibung von installierten DSI-Einheiten gefunden. Damit wurden in Phase 2 umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Die Modellrechungen zum Vergleich der DSI-Technik mit dem konventionellen Abpumpen ergaben, dass für die gleiche Absenkung im direkten Brunnenumfeld eine erhöhte Pumpleistung erfor-derlich ist. Die Höhe hängt von den hydrogeologischen Bedingungen am Standort und der Dimensionie-rung der DSI-Einheit ab. Bei identischer Entnahmetiefe und Förderrate ist an Standorten mit geringer Durchlässigkeit die Absenkung des klassischen Entnahmebrunnens tiefer und weitreichender. Die Aqui-fer-Anisotropie hat keinen Einfluss auf die maximale Tiefe der Absenkung. Wohl aber verbreitert sich mit erhöhter Anisotropie der Absenktrichter. Eine Erhöhung der Pumprate bewirkt eine größere Absenkung, was durch Modellrechnungen quantifiziert werden kann. Die Absenkung des Grundwasserspiegels fällt bei Tieferlegung des Infiltrationshorizonts höher aus, wodurch es möglich ist, die Leistungsfähigkeit der DSI-Einheit im Vergleich zur konventionellen Technologie zu erhöhen, sofern die geologischen Bedin-gungen gegeben sind.
Die Modellrechnungen zeigen darüber hinaus, dass bei der DSI Technik der Absenktrichter steiler ist als bei konventioneller Technik. Da die Absenkung im Umfeld der Maßnahme bei DSI-Einsatz geringer ab-fällt, ist DSI bzgl. der Umweltverträglichkeit als positiv zu beurteilen. Eine Modellstudie zeigt, dass bei geeigneter Auslegung der Anlage sich die größere Steilheit der Absenktrichter im Nahfeld kaum negativ auswirkt.
Die bisherigen Auswertungen der spezifischen Daten während des Bohrvorgangs zeigen, dass schon re-lativ gering-mächtige Schichten mit moderat erhöhter Durchlässigkeit für das Auftreten des DSI-Effekts ausreichen, was auch die Ergebnisse der Modellierungsarbeiten betätigen.
In Phase 2 wurden erste Modellierungen zu den hydraulischen Verhältnissen im Bohrloch erprobt, mit dem turbulente Strömungen im unmittelbaren Umfeld der Düse nachgebildet werden können. Auf der Grundlage einer vergleichenden Studie zu Düsenform und -geometrie wurde ein CFD Modell erstellt.
Eine quantitative LCA-Analyse kommt, basierend auf der Auslegung der Pilotanlage, zu dem Ergebnis, dass DSI bzgl. der Ökobilanz Vorteile gegenüber den konventionellen Techniken hat. Es ist zu erwarten, dass diese Vorteile noch weit größer wären, wenn Wasserhaushaltsaspekte als Umwelt-Kriterium be-rücksichtigt werden.
Nicht abschließend beantwortet ist bisher die Frage nach den relevanten Prozessen am DSI-Punkt. Da-her sollen diesbezügliche Feldmessungen, vor allem am Test-Standort, intensiviert werden, um mittels erweiterter Modellierung Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Physik ziehen zu können.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Holzbecher E., Jin Y., Ebneth S., Borehole pump & inject: an environmentally sound new method for groundwater lowering, International Journal of Environmental Protection (IJEP), Vol. 1, No. 4, 2011.
Jin Y., Holzbecher E., Sauter M., Ebneth S., Groundwater sustainability through a novel dewatering tech-nology, AGU Fall Meeting, San Francisco (USA), 2012.
Jin Y., Holzbecher E., Ebneth S., Investigating the impacts of hydrogeological parameters on DSI effi-ciency through numerical simulation, COMSOL Conference, Rotterdam (Niederlande), 2013.
Jin Y., Holzbecher E., Sauter M., A novel modeling approach using arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) method for the flow simulation in unconfined aquifer, Computer & Geosciences, Vol. 62, 88-94p, 2014.



Fazit

DSI ist ein innovatives Verfahren, für das auch internationale Fachkreise aufgrund der Umwelt-Relevanz ein großes zukünftiges Potential sehen. Feldversuche, die Begleitung einer Pilotanlage, und Modellie-rungsarbeiten haben Bedingungen des DSI-Betriebs aufgezeigt. Weiterhin ungeklärt sind die relevanten Prozesse in der Bohrphase zur Identifikation des optimalen Infiltrationshorizonts.