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Professionelle Brunnenbauer befragen

von , am
03.04.2013

Aufgrund der erwarteten Veränderungen in der saisonalen Niederschlagsverteilung wird der Bewässerungsbedarf weiter steigen. Beim Brunnenbau ist einiges zu beachten.

Pumpversuch nach Abschluss des Brunnenbaus. © Panteleit

Für die vergangenen Jahrzehnte sind die klimatischen Veränderungen bereits teilweise dokumentiert. Ausgedehnte Trockenphasen im Frühjahr treten häufiger auf. Bei den Jahresgesamtniederschlägen werden keine wesentlichen Veränderungen erwartet, jedoch werden diese sich zeitlich anders verteilen. Die Sommer werden trockener mit weniger und stärkeren Niederschlägen, die Winter werden feuchter prognostiziert. Wenn die Niederschläge in der Vegetations- und Wachstumsphase abnehmen, wird der Bedarf einer künstlichen Bewässerung steigen.

Auch auf das Grundwasser und dessen Verfügbarkeit werden sich die veränderten Randbedingungen auswirken. So sind vieler Orten sinkende Brunnenwasserstände zu beob-
achten. Auch wird immer wieder von ganz trocken gefallenen Brunnen berichtet. Die Auswirkungen auf das Grundwasser bestehen dabei gleich in zweifacher Hinsicht: Erstens wird die Grundwasserneubildung beeinträchtigt. Seltenere und dafür stärkere Niederschläge führen zu einem größeren Anteil des Oberflächenabflusses, da der Boden nur eine begrenze Menge an Wasser pro Zeiteinheit aufnehmen kann.

Zweitens besteht mit dem gesteigerten Bewässerungsbedarf ein höherer Bedarf an Grundwasser zu Bewässerungszwecken. Gerade in Grundwasserleitern mit geringen Speicherkapazitäten (z.B. Festgestein) kann dies zu sinkenden Grundwasserständen führen. Wo dies möglich ist, sollte also auch auf Oberflächenwasser aus natürlichen Gewässern oder angelegten Regenwasserspeicherseen zur Bewässerung zurückgegriffen werden. Hierfür gibt es in Norddeutschland bereits vorbildliche Projekte.

Wenn eine Nutzung von Oberflächenwasser nicht möglich ist, sind beim Bau von Grundwasserbrunnen einige Punkte von besonderer Bedeutung, um auch mittelfristig eine ausreichende Ergiebigkeit zu erzielen. Nicht jeder Standort ist gleich gut geeignet für den Bau eines Brunnens, dies erfordert eine standortangepasste Planung. Der NIBIS Kartenserver des Niedersächsischen Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) bietet hier eine gute Planungshilfe.

Grundwasserchemie

Wichtig sind Informationen über die Grundwasserchemie und mögliche Verunreinigungen des Grundwassers. Hohe Eisen- und Mangangehalte bergen das Risiko der Verockerung des Brunnens. Gefährlicher sind jedoch die in weiten Teilen Norddeutschlands hohen natürlichen Salzgehalte. Diese treten auch bereits in den tieferen Zonen des oberen Grundwasserstockwerks auf.

Ursache sind küstennah die Intrusionen des dichteren Meerwassers (Eindringen von Salzwasser in küstennahe Süßwassergebiete). Im Landesinneren sind die zahlreichen, bis dicht unter die Oberfläche aufgestiegenen Salzstrukturen Ursache für teilweise hohe Salzgehalte. Die Lage der Salzwassergrenze ist hierbei dichteabhängig durch die Auflast des Süßwassers gesteuert.

Wird diese Süßwasserauflast durch Trockenperioden und eine zusätzliche Grundwasserentnahme verringert, kann ein verstärkter Aufstieg von Salzwasser die Folge sein. Dieser kann schnell ein Vielfaches der verringerten Auflast betragen und führt bereits in einigen Teilen Norddeutschlands zu sommerlichen Versalzungen von Bewässerungsbrunnen, die eine Nutzung in Trockenperioden ausschließen.

Entnahmebedingungen

Ist der Standort nicht versalzungsgefährdet, kann mit der weiteren Planung des Förderbrunnens begonnen werden. Hier sind wichtige geologische Parameter die hydraulische Durchlässigkeit und die Entnahmebedingungen des Gesteins.  Eine zu geringe Durchlässigkeit führt zu höheren Absenkungen im Rahmen der Förderung. Diese förderungsbedingte Absenkung ist von einem minimalen Wasserstand nach einer Trockenperiode abzuziehen, um die Oberkante des Brunnenfilters festzulegen. Dieser sollte weit genug im Grundwasser liegen, um einen Luftzutritt und turbulente Strömungen im Filterbereich auszuschließen. Beides würde zu vorzeitiger Brunnenalterung durch Verockerung und Kolmation (Verringerung der Durchlässigkeit des Bodengerüsts infolge von Wechselwirkungen zwischen dem Boden und der darüberstehenden Wassersäule) führen und hat kostspielige Brunnensanierungsmaßnahmen zur Folge.

Findet eine Tauchpumpe Verwendung, ist auch deren Lage zu berücksichtigen. Diese sollte sich ebenfalls aus strömungstechnischen Gründen nicht im Filterbereich, jedoch immer mehrere Meter unter dem abgesenkten Grundwasserspiegel befinden. Der Brunnenfilter sollte bei gespannten Grundwasserverhältnissen (d.h. der Grundwasserleiter ist nicht nur unten, sondern auch am Top durch einen Geringleiter begrenzt und das Wasser steht unter diesem unter Druck) möglichst die gesamte Mächtigkeit des Grundwasserleiters erfassen.

Aufschlussbohrung

Bei ausreichendem Druck kann die Pumpe im Bereich des überlagernden Geringleiters in einem Vollrohr eingebaut werden. Auch die mittlere Lage des Grundwasserspiegels, so wie die Basis und Mächtigkeit des oberen Grundwasserstockwerks, sind als Planungsgrundlage dem NIBIS Kartenserver zu entnehmen. Diese sollten jedoch mit hydrogeologischen Informationen vor Ort ergänzt werden. Informationen können zunächst aus Aufschlüssen (Bohrungen, Brunnen, Kies,- Lehm-, oder Tongruben) aus der Umgebung ermittelt werden. Bei komplexen hydrogeologischen Verhältnissen und größeren Brunnenbauwerken ist jedoch in jedem Fall eine Aufschlussbohrung mit geophysikalischer Vermessung zu empfehlen, um den Brunnendurchmesser und die Lage der Filterbereiche und deren Schlitzweiten und Filterkiesschüttung auf den Standort anzupassen.

Aus technischen Gründen sollte der Bohrdurchmesser dabei mindestens 400 mm betragen, um einen saubere Einbringung der Kiesschüttung rund um das Brunnenrohr zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte eine Anpassung auf den jeweiligen Wasserbedarf und den wirksamen Korndurchmesser erfolgen. Auch die Schlitzweite und der Korndurchmesser der Filterkiesschüttung sind auf den Grundwasserleiter anzupassen. Ziel sollte ein möglichst ungehinderter turbulenzarmer Wasserzutritt in den Brunnen sein. Zugleich müssen auch die feinen Gesteinskomponenten davon abhalten werden, in den Brunnen einzudringen. Hierzu müssen Kiesschüttung und Filterrohre aufeinander und auf das Korngemisch der wasserführenden Schicht abgestimmt sein.

Das Filterkieskorn sollte näherungsweise maximal vier bis fünf Mal so groß sein, wie das abzuhaltende Korn. Gegebenenfalls sind mehrere abgestufte Kiesschüttungen einzubauen. Auch wenn ein möglichst gleichmäßiges Anströmen des Filters über dessen gesamte Länge wünschenswert ist, werden sich erhöhte Einströmgeschwindigkeiten an den Enden des Filterrohres nicht vermeiden lassen. Damit auch hier der Transport von Feinmaterial in den Brunnen (mit möglicher Schädigung der Pumpe als Folge) vermieden wird, sollte die Filterkiesschüttung erst ein bis zwei Meter unter- bzw. oberhalb des Filterrohres enden und den Ringraum selbstverständlich möglichst gleichmäßig ausfüllen.

Leistungstest

Oberhalb des Filterbereichs und von der Geländeoberfläche her sollte der Ringraum zum Schutz vor Verunreinigungen, die entlang des Bohrpfads von der Oberfläche her eindringen können, mit quellenden Tonkugeln abgedichtet werden. Ebenso ist mit tonigen Bereichen zu verfahren, die bei der Bohrung durchteuft wurden. Die Funktion trennender Schichten ist wiederherzustellen! Dies ist insbesondere im Hinblick auf die angesprochene Problematik der Grundwasserversalzung von besonderer Bedeutung. Perforierte Trennschichten können hier schnell Wegsamkeiten bieten und ursprünglich geschützte Grundwasservorkommen gefährden.

Den Brunnenneubau abschließen sollte ein Leistungstest, der verbunden werden kann, um die abschließende Entsandung durchzuführen. Hierbei werden zum einen feine Partikel, die sich nach dem Bau des Brunnens noch im Ringraum befinden, entfernt und die Kiesschüttung stabilisiert. Zudem wird die Leistungsfähigkeit des Brunnens festgehalten. Diese wird sich im ersten Förderjahr noch etwas weiter verbessern und sollte in regelmäßigen Abständen kontrolliert werden.

Nicht immer sind veränderte Klimaverhältnisse Grund für trocken gefallene Brunnen. Oft sind es Verstopfungen des Kiesfilters oder der Filterrohre durch Verockerung (Eisen- und Manganoxide, Karbonate) oder Kolmation (Feinpartikel aus dem umgebenden Gestein setzen die Poren dicht), die eine verstärkte Absenkung im Brunnen bei der Förderung zur Folge haben und so eine erhöhte Pumpenleistung erfordern.

Dies sind auch natürliche Prozesse im Rahmen der Brunnenalterung und lassen sich durch eine rechtzeitige und regelmäßige Regenerierung weitgehend rückgängig machen. Hinweise auf eine abnehmende Durchlässigkeit des Filterbereichs sind eine zunehmende Absenkung im Brunnen bei gleichbleibender Brunnenleistung. Entsprechend ist eine größere Pumpenleistung nötig, um die benötigte Wassermenge zu fördern. Bei genügend Überstand kann so allerdings auch noch aus einem Bruchteil der ursprünglichen Filterfläche die benötigte Wassermenge gefördert werden.

Trockene Brunnen

Die Strömungsgeschwindigkeiten im verbliebenen wirksamen Filterbereich steigen dabei natürlich stetig und verstärken die verstopfenden Prozesse, bis auch die letzten Filterbereiche verstopft sind und der Brunnen dann scheinbar plötzlich trocken gefallen ist. Gerade bei den in der Landwirtschaft saisonal betriebenen Brunnen kann dies dann über die Ruhephase im Winter erfolgen und so zu der Vermutung führen, der Grundwasserspiegel sei gesunken und der Brunnen trocken. Bevor ein Brunnen kostspielig vertieft oder ersetzt wird, ist daher zusammen mit einem Fachunternehmen die Ursache für das „Trockenfallen“ des Brunnens zu suchen. Deutliche Hinweise für den Grund trockener Brunnen gibt zum einen ein Vergleich von Grundwasserständen aus der Umgebung mit der Tiefe des bestehenden Brunnens. Zum anderen gibt eine Videobefahrung des Brunnens immer ein deutliches Bild über den Zustand des Brunnens und der Filterbereiche und die mögliche Art der Verstopfung.

Werden Verockerungen oder Suffusionen rechtzeitig erkannt, sind sie auch zu beheben. Das Brunnenrohr selbst lässt sich auch mechanisch über Bürsten reinigen. In dem Bereich des Filterkies im Umfeld des eigentlichen Brunnens dringen pulsierende Spülungen ein, die durch Abdichtungen auch auf engen Tiefenbereichen starke Wirkung entfalten können. Hierbei wird der Kornverband im Ringraum aufgebrochen, eventuell in die Poren verstopfende festsitzende Feinpartikel befreit und abgepumpt.

Bei hartnäckigen Niederschlägen können unter Umständen zusätzlich chemische Mittel zum Einsatz kommen. Diese lösen Niederschläge und werden nach erfolgter Regeneration wieder aus dem Grundwasserleiter durch Abpumpen entfernt. Eine solche Regeneration ist in der Regel deutlich günstiger als der Neubau eines Brunnens und ermöglicht im Erfolgsfall auch kurzfristig wieder die Förderung von Grundwasser.

Fazit

Der Neubau von Brunnen zur Entnahme größerer Mengen Grundwasser sollte möglichst genau auf die Untergrundparameter abgestimmt werden. Nur so ist eine optimale Auslegung mit entsprechend optimalen Investitions- und Betriebskosten zu realisieren. Die Planung und der Bau einer größeren Förderanlage erfordern eine gewisse Zeit und einen nicht unerheblichen finanziellen Aufwand. Es empfiehlt sich daher für den Landwirt, die Planung und den Bau einer solchen Anlage zusammen mit einem professionellen Brunnenbauer durchzuführen.
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