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Kruseman/de Ridder Untersuchung und Anwendung von Pumpversuchsdaten Verlagsgesellschaft Rudolf Müller Untersuchung und Anwendung von Pumpversuchsdaten von Gideon P. Kruseman Hydrogeologe, International Institute for Land Reclamation and lmprovement, Wageningen/Niederlande und Nicolaas A. de Ridder Hydrogeologe, Institute for Land and Water Management Research Wageningen/Niederlande übersetzt und bearbeitet von August Wilhelm Uehlendahl Dipl.-Ing. und Oberregierungsbaurat lI!1I VERLAGSGESELLSCHAFT RUDOLF MÜLLER KÖLN-BRAUNSFELD . ISBN 3-481-14811-9 Titel der Originalausgabe: Analysis and evaluation of pumping test data. Übersetzung mit Genehmi gung des International Institute for Land Rec!amation and Improvement in Wageningen/Niederlande. Alle Rechte an der deutschen Ausgabe liegen bei der Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln-Brauns feld 1973 Umschlaggestaltung: Hanswalter Herrbold, Opladen. Gesamtherstellung: Hans Richarz, Sankt Augustin. Printed in Germany Vorwort Dieses Buch soll ein Handbuch für die Untersuchung und Auswertung von Pumpversuchs daten sein. Wir hoffen, daß es denen nützt, die im Kulturbau und in der Wassergewinnung tätig sind oder diese Fächer studieren. Ob der Geologe oder Ingenieur nun regionale oder örtliche Probleme der Grundwasserhy drologie zu lösen hat, immer steht er vor der Aufgabe, repräsentative und zuverlässige Werte der hydraulischen Eigenschaften von Grundwasserleitern und Schichten geringer Durchlässig keit zu finden. Pumpversuche haben sich als das dazu geeignetste Mittel erwiesen. In den letzten Jahrzehnten hat die Anströmung von Brunnen durch das Grundwasser eine gründliche mathematische Behandlung erfahren. Es wurden Lösungen für stationäre und instationäre Strömungsverhältnisse in den verschiedenen Leitertypen entwickelt. Gegenwär tig sind die Probleme instationärer Fließvorgänge in vielschichtigen Leitern Gegenstand zahl reicher Untersuchungen. Es überrascht deshalb nicht, daß die Veröffentlichungen über die Anströmung von Entnahmebrunnen inzwischen sehr zahlreich geworden sind. Obwohl verschiedene Autoren das hier behandelte Sachgebiet im Rahmen von Fachbüchern mehr oder weniger kurz mitbehandelt haben und obgleich bereits einige Versuche unter nommen wurden, die gebräuchlichsten Berechnungsverfahren für die Auswertung von Pump versuchen zusammenzufassen, fehlte bisher ein Handbuch, das auf nichtmathematische Weise die entwickelten Berechnungsverfahren wiedergibt. Daher war es das Hauptanliegen dieses Buches, die in verschiedenen Sprachen geschriebenen und in zahlreichen Fachschriften ver streuten Berechnungsmethoden für die Auswertung von Pumpversuchen gesammelt darzu stellen. Dabei sollte diese Arbyit aber keineswegs als Ersatz für die zahlreichen Handbücher der Grundwasserhydraulik betrachtet werden. Wir haben den Versuch unternommen, das Material übersichtlich zu ordnen in der Absicht, dem Benutzer einen klaren Weg durch das Labyrinth der analytischen Verfahren zu weisen. Auf die Wiedergabe der mathematischen Ableitungen haben wir weitgehend verzichtet, da dem Praktiker mehr daran gelegen ist, zu wissen, wann und wie er eine Formel anzuwenden hat. Der Benutzer dieses Buches benötigt lediglich die elementaren Kenntnisse der Mathematik und Physik. Die meisten der wieder gegebenen Formeln und Verfahren sind bereits früher veröffentlicht worden, und ihre Ab leitungen und Begründungen können dort nachgelesen werden. Dieses Buch zeigt die Ver fahren und die einzelnen Schritte zu ihrer erfolgreichen Anwendung auf. Ein Buch dieses Umfanges kann natürlich nicht sämtliche überhaupt bekannten Verfahren enthalten. Die getroffene Auswahl der Methoden ist jedoch so weit gesteckt, daß sie den meisten praktisch vorkommenden Feldbedingungen gerecht wird. Im allgemeinen wurden die Formeln in ihrer Endform wiedergegeben. Ihr wiederholter Abdruck war dort unver meidlich, wo die gleiche Formel unter verschiedenen Leiterbedingungen anwendbar ist. Trotz unserer Absicht, dieses Material in kurzer Zeit zusammenzustellen, hat es wegen an derer Arbeiten doch große Verzögerungen gegeben, und das Buch hätte ohne den Zuspruch von Herrn J.M. van Staveren, Direktor des International Institute for Land Reclamation and Improvement (lnterna1ionales Institut für Landgewinnung und Kulturtechnik), seinen jetzigen Stand nicht erreicht. Wir möchten auch Herrn Dr. C. van den Berg, Direktor des Institute for Land and Water Management Research (Internationales Institut für Kultur technik und Wasserwirtschaft) Dank sagen, der uns großzügig die Zeit zur Vervollständi gung des Manuskriptes zur Verfügung stellte und uns gestattete, für die Berechnungsbeispiele Pumpversuchsdaten aus den Unterlagen seines Institutes zu verwenden. Besonderen Dank schulden wir dem Direktor der Städtischen Wasserwerke Amsterdam für die Überlassung der Typkurve für das Verfahren von Huisman-Kemperman. Den Herren G.A. Bruggeman und Dr. L.F. Ernst sind wir für ihre Erlaubnis zur Verwendung unveröffent lichter Forschungsberichte sehr verbunden. Verschiedene Persönlichkeiten haben der Vor bereitung des Manuskriptes großzügig Zeit und Kraft geopfert, unter ihnen unsere Kollegen vom Institute for Land and Water Management Research und vom International Institute for Land Reclamation and Improvement. Das Manuskript wurde von den Herren Dr. J. Wesseling vom Institute for Land and Water Management Research, Wageningen, R. G. Thomas von der Food and Agriculture Organi zation der Vereinten Nationen, Rom, Dr. P.R. Smoor vom Groundwater Service T.N.O., Delft, und von Herrn F. Rutgers vom Department of Water Management and Hydraulic Re search der „Rijkswaterstraat", Den Haag, durchgesehen. Diese Herren haben dem Werk viel Zeit gewidmet und mit zahlreichen wertvollen Anregungen zu seiner Vervollkommnung bei getragen. Wir sind ihnen für diese Unterstützung außerordentlich dankbar. Weitere Anre gungen erhielten wir von den Herren Prof. L. Huisman, Delft, G. Santing, Den Haag, Prof. C. Voute, Delft, Prof. A. Volker, Delft, Dr. J.H. Edelman, Grenoble und Dr. R.O. van Ever dingen, Ottawa. Wenn dieses Buch hilft, allen mit der einschlägigen Materie Befaßten die Arbeit zu erleich tern, war der Aufwand an Zeit und Mühe für das Manuskript nicht vergeblich. G.P. Kruseman N. A. De R idder Inhalt Einleitung . . . 11 1. Definitionen. 13 1.1. Das Gesetz von Darcy 13 1.2. Typen der Grundwasserleiter 14 1.2.1. Ungespannte Grundwasserleiter 14 1.2.2. Gespannte Grundwasserleiter. .. 14 1.2.3. Halbgespannte Grundwasserleiter 15 1.2.4. Halb-ungespannte Grundwasserleiter 15 1.2.5. Zusammenfassung . . . . 15 1.3. Hydraulische Eigenschaften . . 16 1.3.1. Transmissivity ( oder Transmissibility) 16 1.3.2. Speicherkoeffizient und spezifische Ergiebigkeit 16 1.3.3. Hydraulischer Widerstand 17 1.3.4. Sickerfaktor. 17 1.3.5. Dränfaktor . . . 17 1.4. Arten der Strömungsgleichungen 17 1.4.1. Stationärer Fließzustand 17 1.4.2. Instationärer Fließzustand 18 2. Pumpversuche . . . . . 19 2.1. Allgemeines . . . . 19 2.1.1. Zweck der Versuche 19 2.1.2. Vorbereitende Untersuchungen 19 2.1.3. Abschätzung der Transmissivity aus den Bohrprofilen 21 2.1.4. Wahl des Versuchsortes 22 2.1.5. Entnahmebrunnen . . . 22 2.1.5.1. Art und Ausbau . 22 2.1.5.2. Wahl der Pumpe 24 2.1.5.3. Ableitung des geförderten Wassers 24 2.1.6. Grundwasserbeobachtungsbrunnen (Pegelrohre) 25 2.1.6.1. Anzahl der Pegelrohre . 25 2.1.6.2. Abstand der Pegelrohre 25 2 .1.6.3. Tiefe der Pegelrohre 26 2.1.6.4. Bauweise der Pegelrohre 27 2 .2. Durchführung eines Pumpversuchs 29 2.2.1. Messungen 29 2.2.1.1. Wasserspiegelmessungen 30 2.2.1.2. Messung der Entnahmemengen. 32 2.2.2. Dauer des Pumpversuchs . 34 2.3. Datenanalyse 35 2.3.1. AufbereitungderDaten. 35 2.3.2. Anwendung der Berechnungsmethoden 37 2.3.3. Erläuterungsbericht . 38 2.3.4. Aufbewahrung der Daten . 38 3. Untersuchungsmethoden I für Pumpversuche 39 3.1. Stationäre Strömung in gespannten Leitern 40 3.1.1. Verfahren von Thiem . 41 3.2. Instationäre Strömung in gespannten Leitern 44 3.2.1. Theissches Verfahren 47 3.2.2. Verfahren von Chow 50 3.2.3. Verfahren von Jacob 53 3.2.4. Das Wiederanstiegsverfahren von Theis 58 3.2.5. Ergebnis 61 3.3. Stationäre Strömung in halbgespannten Leitern 62 3.3.1. Verfahren von De Glee 65 3.3.2. Verfahren von Hantush-Jacob . 67 3.3.3. Ernstsche Modifikation des Thiemschen Verfahren 69 3.4. Instationäre Strömung in halbgespannten Leitern 71 3.4.1. Verfahren von Walton . 73 3.4.2. Verfahren I von Hantush . 76 3.4.3. Verfahren II von Hantush . 79 3.4.4. Verfahren III von Hantush 82 3.4.5. Ergebnis 85 3.5. Instationäre Strömung in ungespannten Leitern mit verzögerter Schüttung und in halb-ungespannten Leitern 86 3.5.1. Verfahren vonBoulton 88 3.6. Stationäre Strömung in ungespannten Leitern 96 3.6.1. Verfahren von Thiem-Dupuit 96 3 .7. Instationäre Strömung in ungespannten Leitern 99 4. Untersuchungsmethoden II für Pumpversuche unter besonderen Leiterbedingungen 101 4.1. Leiter mit einer oder mehreren seitlichen Begrenzungen 101 4.1.1. Stationäre Strömung in gespannten oder ungespannten Leitern mit einer oder mehreren geraden Anreicherungsgrenzen 102 4.1.1.1. Verfahren vonDietz 102 4.1.2. Instationäre Strömung in gespannten und ungespannten Leitern mit einer oder mehreren geraden Stau-oder Anreicherungsgrenzen 105 4.1.2.1. Verfahren von Stallman . 105 4.1.2.2. Bildverfahren von Hantush (nur für eine Anreicherungsgrenze) 109 4.2. Anisotrope Leiter . 114 4.2.1. Instationäre Strömung in anisotropen gespannten oder ungespannten Leitern 114 4.2.1.1. Verfahren vonHantush 114 4.2.1.2. Verfahren von Hantush-Thomas 117 4.2.2. Instationäre Strömung in halbgespannten anisotropen Leitern 120 4.2.2.1. VerfahrenvonHantush 120 4.3. Keilförmige Leiter 121 4.3.1. Instationäre Strömung in gespannten Leitern mit exponentieller Dicken- änderung in Fließrichtung 121 4.3.1.1. Verfahren von Hantush 121 4.4. Leiter mit Gefälle (geneigte Leiter) 123 4.4.1. Stationäre Strömung in geneigten ungespannten Leitern von gleichblei- bender Dicke . . 123 4.4.1.1. Kulminationspunkt-Methode 123 4.4.2. Instationäre Strömung in geneigten ungespannten Leitern mit konstanter Dicke 125 4.4.2.1. Verfahren von Hantush 125 4.5. Pumpbetrieb mit wechselnder Fördermenge 126 4.5.1. Stufenweises Pumpen 126 4.5.1.1. Verfahren von Cooper-Jacob 126 4.5.2. Kontinuierliche Steigerung der Entnahmemenge 128 4.5.2.1. Verfahren von Aron-Scott 128 4.5.2.2. Verfahren von Sternberg . 131 4.5.2.3. Wiederanstiegsverfahren von Sternberg 132 4.6. Leiter mit unvollkommenen Brunnen 134 4.6.1. Stationäre Strömung in gespannten Leitern mit unvollkommenen Brunnen 134 4.6.1.1. Korrektionsverfahren I von Huisman für unvollkommene Brunnen. 134 4.6.1.2. Korrektionsverfahren II von Huisman für unvollkommene Brunnen . . 136 4.6.1.3. Korrektionsverfahren von Jacob für unvollkommene Brunnen 137 4.6.2. Stationäre Strömung bei unvollkommenen Brunnen in halbgespannten Leitern . 139 4.6.2.1. Korrektionsverfahren I und II von Huisman . . 139 4.6.3. Stationäre Strömung bei unvollkommenen Brunnen in gespannten Leitern 139 4.6.3.1. Korrektionsverfahren von Hantush 139 4.6.4. Instationäre Strömung bei unvollkommenen Brunnen in gespannten Leitern 140 4.6.4.1. Abwandlung des Theisschen Verfahrens durch Hantush für unvollkommene Brunnen 140 4.6.4.2. Abwandlung des Jacobschen Verfahrens durch Hantush für unvollkommene Brunnen 141 4.7. Förderung aus Brunnen mit großen Durchmessern. 143 4.7.1. Instationäre Strömung in gespannten Leitern 143 4.7 .1.1. Verfahren von Papadopulos-Cooper 143 4.8. Zweischichtige halbgespannte Leiter 146 4.8.1. Stationäre Strömung 146 4.8.1.1. Verfahren von Huisman-Kemperman. 147 4.8.1.2. Verfahren vonBruggeman. 150 4.8.1.3. Andere Verfahren. 153 4.9. Näherungsverfahren 154 4.9.l. Stationäre Strömung in gespannten Leitern. 154 4.9.1.1. Verfahren vonLogan. . 154 4.9.1.2. Verfahren von Gosse/in 155 4.9.2. Stationäre Strömung in ungespannten Leitern 157 4.9.2.1. Verfahren vonLogan. . 157 4.9.3. Stationäre Strömung bei unvollkommenen Brunnen in gespannten Leitern. 157 4.9.3.1. Verfahren von Zangar . . 157 4.9.4. Instationäre Strömung in gespannten Leitern. 158 4.9.4.1. Verfahren vonHurr 158 4.9.5. Instationäre Strömung in ungespannten Leitern. 160 4.9.5.1. Verfahren vonHurr 160 4.10. Brunnen mit freiem Ausfluß 160 4.10.1. Instationäre Strömung in gespannten Leitern. 160 5.Berichtigungen und Umrechnungen 163 5.1. Berichtigungen wegen äußerer Einflüsse. 163 5.1.1. Wasserspiegeländerungen in einer Richtung. 163 5.1.2. Rhythmische Wasserspiegelschwankungen. 164 5.1.3. Nichtrhythmische normale Schwankungen. 164 5.1.4. Einmalige Schwankungen .. 165 5.2. Umrechnung von Einheiten. 165 Literaturverzeichnis 169 Anhang 171 Gebräuchliche Symbole und Einheiten k Durchlässigkeit einer wasserführenden Schicht m/fag k' Durchlässigkeit einer halbdurchlässigen Schicht m/Tag D Dicke des wassergefüllten Teils einer wasserführenden Schicht m D' Dicke des wassergefüllten Teils einer halbdurchlässigen Deckschicht m kD Transmissivity eines Grundwasserleiters m2/Tag S Speicherkoeffizient S Spezifische Ergiebigkeit s' Spezifische Ergiebigkeit einer halbdurchlässigen Schicht c = D'/k' hydraulischer Widerstand einer halbdurchlässigen Schicht Tage L = --/ici5c Sickerfaktor einer wasserführenden Schicht m s· = ·,!kD,tc8 Dränfaktor eines ungespannten Grundwasserleiters mit verzögerter Schüttung m 1/ ex Boultonscher Verzögerungsindex ß hydraulischer Parameter von verschiedener Bedeutung (wird in jedem Einzelfall definiert) hydraulisches Gefälle h Druckhöhe des Grundwassers m Länge, über die der Druckhöhenverlust gemessen wird m s Absenkung der Druckhöhe des Grundwassers ( des Wasserspiegels) m Q Entnahmemenge, Fördermenge m3/Tag t Zeit Tage r Entfernung zwischen Entnahmebrunnen und Pegelrohr m 'w Brunnenhalbmesser m Index i bezieht sich auf einen imaginären (gedachten) Brunnen Index m bezieht sich auf stationäre Strömung (Gleichgewichtszustand) Index p bezieht sich auf einen Wendepunkt (,,inflection point")