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Lexikon der Geowissenschaften: Pumpversuch

Pumpversuch, nach DIN 4049-3 eine zeitlich begrenzte Entnahme von Grundwasser aus einem oder mehreren Brunnen zur Bestimmung geohydraulischer Kenngrößen und entnahmebedingter Veränderungen der Grundwasserbeschaffenheit. Je nach ihrer Zielsetzung unterscheidet man zwischen Versuchen zur Bestimmung der hydraulischen Kennwerte eines Grundwasserleiters, z.B. kf-Wert, Transmissivität und Speicherkoeffizient. Die Kenntnis dieser Parameter ist wichtig für lokale und regionale Grundwasserbelange, wie z.B. Grundwasserabfluß, -neubildung, Ergiebigkeit, Grundwassererschließung, Grundwasserschutz etc. Diese Versuche verlangen neben der eigentlichen Grundwasserentnahme die Beobachtung der Grundwasserhöhe in weiteren Grundwassermeßstellen. Aus Entnahmemenge, Absenkungsbetrag des Grundwassers und Abstand der beobachteten Grundwassermeßstellen zum Entnahmebrunnen können die hydraulischen Parameter berechnet werden. Des weiteren werden Pumpversuche zur Ermittlung der Brunnenleistung, der maximalen Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen, der maximalen Entnahmerate usw. eingesetzt. Die Beobachtung erfolgt in der Regel nur im Brunnen selbst, wobei die Absenkung, Entnahmemenge und Beharrungszeiten zur Festlegung bzw. Berechnung der Brunnencharakteristik herangezogen werden.

Hinsichtlich der Durchführung unterscheidet man zwischen stationären und instationären Pumpversuchen. Bei stationären Pumpversuchen wird solange gepumpt, bis sich ein stationärer Strömungszustand eingestellt, d.h. die Absenkung nicht mehr weiter zunimmt. Dies wird erreicht, wenn die Entnahmerate im Gleichgewicht mit positiven Randbedingungen (Grenzbedingungen; Wasserzutritt aus einem Vorfluter), Leakage (Wasserzutritt aus einer semipermeablen Schicht bei halbgespannten Grundwasserleitern) oder Neubildung (vertikaler Zufluß, der im Unterschied zur Leakage unabhängig von der Absenkung ist) steht. Die instationären Pumpversuche sind dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Versuchsdurchführung noch keine stationären Strömungsverhältnisse eingestellt haben. Für diese Versuche ist es deshalb notwendig, die Grundwasserabsenkung in Abhängigkeit von der Zeit regelmäßig zu messen. Ein weiteres Merkmal zur Unterteilung von Pumpversuchen ist die Versuchsdauer. Kurzzeitpumpversuche dauern i.d.R. nur Minuten, Stunden, Tage bis maximal einige Wochen. Langzeitpumpversuche dauern z.T. über Jahre hinweg und erlauben so alle saisonalen Schwankungen im hydrologischen Jahr abzudecken. Nach ihrer Zielsetzung unterscheidet man außerdem Vor- oder Zwischenpumpversuche zur groben Bestimmung von hydraulischen Parametern oder der Brunnenleistung oder der Entnahmerate für den eigentlichen Pumpversuch. Diese Versuche werden mit weniger zeitlichem und materiellem Aufwand (kürzere Dauer, weniger Meßstellen usw.) durchgeführt. Pumpversuche werden ebenfalls zur Ermittlung von Wasserführung und -beschaffenheit z.B. im Hinblick auf die Eignung als Mineralwasserbrunnen eingesetzt. In der Abbildung ist eine Gliederung der Pumpversuche in Abhängigkeit von der hydrogeologischen Fragestellung, der Durchführung, der Art des untersuchten Grundwasserleiters und der hydraulischen Randbedingungen dargestellt.

Für die Durchführung eines aussagekräftigen Pumpversuchs ist eine detaillierte Versuchsplanung notwendig, die neben der Erhebung allgemeiner Informationen (z.B. Feststellung und Erfassung bereits vorhandener Grundwasseraufschlüsse wie Brunnen, Grundwassermeßstellen, Quellen, technische Infrastruktur etc.), aber auch hydrologische und hydrogeologische Untersuchungen umfaßt. Hierzu zählt die Sammlung und Auswertung bereits vorhandener hydrologischer Daten wie Grundwasserhöhe, Flurabstand, hydraulische Gradienten, Grundwasserfließrichtung, Art des Grundwasserleiters und vieles mehr. Sinnvoll ist dabei auch eine langfristige Aufzeichnung von Grundwasserständen, um lang- und kurzfristige Schwankungen zu erkennen. Ein Pumpversuch sollte grundsätzlich bei eher niedrigem Wasserstand und geringen Schwankungen durchgeführt werden. Die Suche nach bereits vorhandenen Daten erbringt meist große Zeit- und Geldersparnis, da sie z.B. Vorpumpversuche überflüssig macht und die Auswahl an Geräten, Entnahmeraten und -zeiten erleichtert. Je nach Fragestellung sind die Erhebungen der Wasserbeschaffenheit, z.B. die Ermittlung physikalischer Kennwerte (Temperatur, Leitfähigkeit), die Ermittlung chemischer Kennwerte (pH, Eh, Kationen, Anionen, org. Verbindungen) oder die Ermittlung biologischer Kennwerte (Bakterien, Keime etc.) zwingend. In der Regel werden an die Wasserbeschaffenheit nur höhere Anforderungen gestellt, wenn es sich um einen Brunnen zur Trinkwassergewinnung handelt. Liegen allerdings schwere Verunreinigungen, z.B. altlastenbedingt durch CKW, PAK oder MKW, vor, so muß das entnommene Wasser i.d.R. speziell entsorgt werden. Eine geologische Erhebung ist wichtig, um erste Eindrücke über die Art des Grundwasserleiters zu erlangen, um Lage, Tiefe und Verfilterung von Brunnen und Meßstellen festzulegen und um die späteren Auswertungsverfahren auszuwählen. Sie erfolgen anhand von vorhandenen Karten, Bohrungen und/oder geophysikalischen Methoden.

Bei der Einrichtung des Pumpversuchs ist zuerst der Entnahmebrunnen (Versuchsbrunnen) festzulegen. Der Standort des Versuchsbrunnens sollte folgende Anforderungen erfüllen: a) homogene, für den gesamten Grundwasserleiter repräsentative hydraulische Verhältnisse, b) sollte nicht im Einflußbereich von anderen Brunnen (Überlagerung), Infiltration (positive Randbedingungen) oder undurchlässigen Rändern (negative Randbedingungen) liegen, es sei denn, genau diese Einflüsse sollen untersucht werden, c) sollte kein oder nur geringes Grundwasser- bzw. Druckgefälle aufweisen, d) gute Erreichbarkeit für Personal und Material, Anbindung an Strom und evtl. Kanalisation.

Durchmesser und Tiefe des Entnahmebrunnens sind abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten. Allgemein sollte beim Durchmesser beachtet werden, daß in die Bohrung noch eine Schicht Filterkies und ein Rohr eingebracht werden muß und daß im fertigen Brunnen die Pumpe sowie die Vorrichtung zum Messen der Grundwasserhöhe (Drucksonde, Lichtlot) sowie evtl. andere Meßgeräte Platz finden. Meistens läßt sich vor einem Pumpversuch aber noch nicht genau festlegen, welche Pumpe später tatsächlich verwendet wird, so daß im Zweifelsfalle der Durchmesser lieber zu groß als zu klein gewählt werden sollte. Von der Tiefe her sollte der Brunnen im Idealfall vollkommen sein, d.h. sich über die gesamte wassererfüllte Mächtigkeit des Grundwasserleiters erstrecken. Deshalb wird die Bohrung bis zur Sohle des Grundwasserleiters abgeteuft. Die Verfilterung muß sich von der Sohle bis mindestens 75% der Mächtigkeit des Grundwasserleiters erstrecken, damit die Gültigkeit verschiedener Auswerteverfahren hinreichend gewährleistet ist. Andererseits sollte sie aber bei freien Grundwasserleitern nicht über die Grundwasseroberfläche hinausgehen, da sonst ein Zutritt von Luft erfolgt, wobei der Sauerstoff zur Verockerung und Versinterung im Brunnenbereich sowie zur Korrosion von Metallteilen führt. Das Filtermaterial sollte so gewählt werden, daß eine ideale Grundwasseranströmung zum Brunnen erfolgen kann (d.h. möglichst grob) und daß Feinmaterial, das die Pumpe verstopfen kann, abgehalten wird (d.h. möglichst fein). In der Praxis muß man für die jeweiligen Bedingungen einen Mittelweg finden.

Hinsichtlich der Lage sollten die Beobachtungsbrunnen (Grundwassermeßstellen) allgemein die gleichen Anforderungen erfüllen wie die Entnahmebrunnen. Mindestens ein Beobachtungsbrunnen sollte außerhalb des Einflußbereichs, d.h. des Radius des Absenktrichters liegen, um natürliche Grundwasserschwankungen während des Pumpversuchs zu erfassen und evtl. eine Korrektur durchführen zu können. Im Absenkbereich müssen mindestens ein bis zwei Meßstellen (je nach Auswertungsverfahren) eingerichtet werden. Da die Qualität der Daten jedoch nicht bei jeder Meßstelle gleich ist (verursacht durch Untergrundinhomogenitäten, wie z.B. Sand- oder Schlufflinsen, unsauberen Ausbau etc.), ist es sinnvoll mindestens vier oder mehr (je nach finanziellen Mitteln) zur Auswertung zur Verfügung zu haben. Sinnvollerweise setzt man die Meßstellen in gestaffeltem Abstand so, daß der gesamte Absenktrichter gleichmäßig erfaßt wird, wobei für die Auswertung logarithmisch äquidistante Entfernungen (z. B. 1 m, 10 m, 100 m) zum Entnahmebrunnen ideal sind. Hierfür sind die hydrologischen Vorerhebungen besonders wichtig, da sie eine Abschätzung der Reichweite des Absenktrichters erlauben. Liegen vor dem Pumpversuch keine Daten vor, ist eine richtige Plazierung der Meßstellen schwierig. Bei geringem oder fehlendem Grundwassergefälle ist der Winkel zum Versuchsbrunnen beliebig, bei stärkerer Grundwasserströmung sollten die Meßstellen in der An- und Abstromachse sowie im 90º-Winkel dazu liegen. Meßstellen müssen hinsichtlich Durchmesser, Tiefe und Verfilterungen geringere Anforderungen erfüllen. Der Durchmesser muß möglichst klein sein, da die Meßstelle dann schneller auf Grundwasserspiegeländerungen reagiert, aber so groß, daß die Meßgeräte für die Erfassung der Grundwasserhöhe hineinpassen. Sie müssen nicht unbedingt bis zur Sohle des Grundwasserleiters reichen und ebenfalls nicht über die gesamte Mächtigkeit verfiltert sein. Im brunnennahen Bereich und bei geringen Durchlässigkeiten sind dann aber Korrekturen nötig. Ihre Tiefe muß außerdem auch die Erfassung der maximalen Absenkung noch gewährleisten.

Zur reibungslosen Durchführung eines Pumpversuchs werden folgende technische Einrichtungen und Geräte benötigt: a) Stromversorgung (Netzanschluß oder Generator), b) Kanalisation, Vorfluter, Schlauch zur Ableitung des geförderten Wassers, da dies v.a. bei freien Grundwasserleitern dem System vollständig entzogen werden muß, c) geeignete Pumpe, d) Vorrichtung zur Messung der Entnahmemenge (Wasseruhr, Venturi-Rohr etc.), e) Geräte zur Grundwasserstandsmessung (Drucksonde, Lichtlot), f) evtl. Meßgeräte für Temperatur, Leitfähigkeit, Luftdruck etc., Gefäße für Wasserproben, g) evtl. Licht für Messungen bei Nacht.

Vor dem eigentlichen Pumpversuch müssen sowohl die Beobachtungsbrunnen als auch der Versuchsbrunnen an ihrer Oberkante auf absolute Höhe über NN oder auf einen Fixpunkt eingemessen werden, da die mit einem Lichtlot bestimmten Abstände von der Brunnenoberkante zum Grundwasserspiegel sonst nicht auf absolute, miteinander vergleichbare Werte der Grundwasserhöhe umgerechnet werden können. Die Messung erfolgt auf ca. 1-5 mm genau. Weiterhin müssen die Abstände zwischen Entnahmebrunnen und Meßstellen auf ca. 0,5% genau gemessen werden. Werden bereits vorhandene Brunnen und Meßstellen genutzt und sind deren Durchmesser, Tiefe und Filterstrecken nicht bekannt, so müssen diese ebenfalls bestimmt werden. Vor Versuchsbeginn werden die Wasserstände in allen Brunnen gemessen. Während des Versuchs erfolgt die Messung der Wasserstände bei stationären Pumpversuchen mehrmals, so lange bis die Absenkung konstant bleibt. Bei instationären Pumpversuchen erfolgen die Messungen kontinuierlich mit abnehmender Häufigkeit, da die Absenkung als Funktion der Zeit gemessen wird. Für das Meßprogramm gibt es verschiedene Empfehlungen ( Tab.). Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, erfordern v.a. die Anfangsmessungen einen hohen zeitlichen und personellen Aufwand, da theoretisch alle Meßstellen gleichzeitig gemessen werden sollten. Hilfreich ist in jedem Fall die Aufstellung eines genauen Zeit- und Einsatzplans vor Pumpbeginn, da man i.d.R. weniger Personen und Meßgeräte als zu messende Brunnen zur Verfügung hat.

Neben den im Absenkungsbereich liegenden Meßstellen wird regelmäßig eine sog. Referenzmeßstelle außerhalb des Absenktrichters gemessen, um natürliche Wasserschwankungen (z.B. durch Niederschlagsereignisse während des Pumpversuchs) zu erfassen und die gemessenen Wasserstände entsprechend zu korrigieren. Gespannte Grundwasserleiter können außerdem auf Luftdruckschwankungen reagieren, weshalb diese ebenfalls erfaßt werden sollten. Neben den Wasserständen muß ständig die Entnahmerate mit Hilfe einer Wasseruhr, eines Venturi-Rohrs, eines Meßwehrs oder von Meßbehältern kontrolliert werden. Idealerweise sollte die Entnahmemenge während des ganzen Versuch konstant sein, da dies die Auswertung wesentlich erleichtert. Die Entnahmemenge wird aufgrund der aus Vorerhebungen bekannten oder geschätzten hydraulischen Parameter festgelegt. Der eigentliche Pumpversuch wird oft in mehreren Stufen durchgeführt (Stufenpumpversuch). Dabei wird die Pumpe mehrmals an und wieder abgestellt. Die Dauer des Pumpens heißt Absenkungsphase, die Dauer, während die Pumpe abgestellt ist, die Wiederanstiegsphase bzw. Erholungsphase, wenn anschließend eine weitere Absenkungsphase folgt. Die Absenkungsphasen werden meist mit unterschiedlichen Entnahmeraten durchgeführt, wobei oft mit 50% der Idealentnahmerate begonnen wird, dann mit 100% und schließlich mit 150%. Die Dauer des Pumpversuchs kann je nach Fragestellung und hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters sehr unterschiedlich sein. In der Regel pumpt man, bis ein stationärer Zustand erreicht ist, d.h. die Absenkung nicht mehr größer wird und dann nochmals 12-24 Stunden (Beharrungszeit). Dann wird die Pumpe abgestellt und der Wiederanstieg beobachtet. Dies kann evtl. mehrfach wiederholt werden. Typische Zeitspannen von Pumpversuchen liegen zwischen 24 und 72 Stunden, manchmal bis zu einer Woche. Ausnahmen bilden nur die Langzeitpumpversuche (bis mehrere Jahre) und Kurzpumpversuche (ca. 1-3 Stunden).

Der Pumpversuch sollte folgendermaßen dokumentiert werden: a) Lagepläne, in denen die Lage aller Brunnen maßstabsgetreu, deren Höhe über NN sowie weitere wichtige Informationen (Vorfluter, Quellen, Straßen usw.) enthalten sind; b) Bohrprofile aller Entnahme- und Beobachtungsbrunnen, z.B. in einem DIN-Formblatt (DIN 4023), mit Angaben über Bodenart, Durchmesser, Tiefe, Verfilterung usw. der Bohrungen sowie Ruhewasserstand und im Entnahmebrunnen Lage der Pumpe; c) Tabellen der Wasserstände mit Wasserstand über NN und Uhrzeit bzw. Zeit nach Pumpbeginn für den Entnahmebrunnen und alle Meßstellen; d) Angaben von Wasserständen gegen die Entfernung zum Entnahmebrunnen, je nach Auswertungsverfahren; e) Förderleistungsdiagramm der Pumpe; f) hydrologische Schnitte, in denen Grundwasserleiter, hangende und liegende Schichten sowie der Absenktrichter eingezeichnet werden; g) Grundwassergleichenpläne zu verschiedenen Zeiten (vor Pumpbeginn, bei stationärem Zustand usw.); h) Differenzenpläne der Grundwassergleichen von höchsten zu niedrigsten Wasserständen und i) Spezialpläne; z.B. Veränderung von Temperatur oder Chemismus während des Pumpversuchs.

Die Auswertung von Pumpversuchen richtet sich nach der Art der Durchführung und dem Typ des Grundwasserleiters. Man unterscheidet die Auswertung nach stationären und instationären Strömungsbedingungen, nach gespannten, halbgespannten, halbfreien und freien Grundwasserleitern sowie Grundwasserleitern ohne und mit Randbedingungen. Die Ausgangsgleichungen für die Auswertung sind die sog. Brunnenformel von Dupuit-Thiem für stationäre und nach Theis (Brunnenformel von Theis) für instationäre Bedingungen. Bei Pumpversuchen mit stationären Bedingungen können die Transmissivitäten direkt aus den ermittelten Absenkungsbeträgen berechnet werden. Dies ist bei instationären Pumpversuchen aus mathematischen Gründen nicht direkt möglich. Aus diesem Grund wurden sogenannte Typkurvenverfahren (z.B. Theissches Typkurvenverfahren, Boulton-Verfahren) und vereinfachende Geradlinienverfahren entwickelt, die eine Bestimmung der gesuchten hydraulischen Parameter mit relativ einfachen Hilfsmitteln ermöglichen. Alle bisher angeführten Auswerteverfahren erfordern Voraussetzungen, die strenggenommen nur in Porengrundwasserleitern mehr oder weniger gut erfüllt sind, jedoch in der Regel nicht in Kluftgrundwasserleitern oder Karstgrundwasserleitern. Zunehmend werden jedoch auch Auswerteverfahren für Kluftgrundwasserleiter entwickelt, die die meist stark anisotropen Durchlässigkeitsverhältnisse dieses Grundwasserleitertyps berücksichtigen. [WB]

Literatur: [1] Dawson, K.J. & Istok, J.D. (1991): Aquifer Testing. Design and Analysis of Pumping and Slug Tests. – Chelsea. [2] Krusemann, G.P., De Ridder, N.A. (1990): Analysis and evaluation of pumping test data. – Int. Inst. F. Land Reclamation and Improvement Wageningen, Publication 47. – Wageningen. [3] Langguth, H.-R. & Voigt, R. (1980): Hydrogeologische Methoden. – Berlin, Heidelberg, New York.


Pumpversuch: Gliederung der Pumpversuche. Pumpversuch:

Pumpversuch (Tab.): Empfehlungen für Meßintervalle bei instationären Pumpversuchen (DVGW=Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V., BWWV=Baden-Württembergische Wasserwirtschaftsverwaltung). Pumpversuch (Tab.):

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