Experimentelle Untersuchung der Anströmung von Vertikalfilterbrunnen

Klauder, Wiebke Solveigh; Schüttrumpf, Holger

doi:30503

Experimentelle Untersuchung der Anströmung von Vertikalfilterbrunnen = Experimental study of flow to vertical groundwater wells

Klauder, Wiebke Solveigh (Author)

2010 & 2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wiebeke Solveigh Klauder

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXX, 218 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Prüfungsjahr: 2010. - Publikationsjahr: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35707
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63946/files/3570.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brunnen (Genormte SW) ; Grundwasser (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Strömungsregime (frei) ; poröse Medien (frei) ; groundwater (frei) ; well (frei) ; flow regime (frei) ; porous media (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Brunnen sind unterirdische Bauwerke zur Fassung und Förderung von Grundwasser und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur globalen Versorgung mit Trinkwasser und zur landwirtschaftlichen und industriellen Produktion. Die Berechnung der in den Brunnen strömenden Wassermenge und des sich daraus einstellenden Absenkungstrichters beruht auf vereinfachenden Annahmen im Modellsystem, die jedoch im direkten Brunnennahbereich aufgrund des steilen Gradienten häufig nicht zutreffen. Unterschiede zwischen theoretischer Berechnung und gemessenen Absenkungen werden bisher durch empirische Verlustbeiwerte berücksichtigt. Aufbauend auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen der Brunnenanströmung im Nahbereich wird daher im Rahmen dieser Arbeit ein analytisches Gesamtmodell zur Beschreibung der Strömungsprozesse unter Berücksichtigung aller Verlustkomponenten bei gespannten Verhältnissen abgeleitet. Die Besonderheit besteht dabei in der Berücksichtigung verschiedener Fließregime, verschiedener durchströmter Materialien sowie möglicher Prozesse an den Trennflächen zwischen den Materialien. Daher werden zunächst die regimeabhängigen Widerstandsgesetze zur Durchströmung poröser Medien vorgestellt, diskutiert und auf die Verhältnisse eines radialen Strömungssystems in Form der Brunnenanströmung übertragen. Die Vorstellung und Auswertung der systematischen Brunnenmodellversuche mit einer Variation der durchströmten Materialien in einer eigens hierfür konzipierten zylindrischen Versuchsanlage liefert anschließend die Grundlage zur Bestimmung der Widerstands-Koeffizienten der Einzelmaterialien. Ein Vergleich mit Koeffizienten aus anderen Untersuchungen zeigt die Variabilität dieser Koeffizienten, die bei der eigenen Untersuchung durch eine probabilistische Betrachtungsweise berücksichtigt wird. Die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit bestehen in der prozessbasierten Gesamtbeschreibung der Brunnenanströmung als analytisches Modell auf der Grundlage der ermittelten Widerstands-Koeffizienten. Das Modell wird abschließend für ein Anwendungsbeispiel an einem Brunnen in der Tagebauentwässerung verwendet, um die Auswirkung einzelner Parameter auf den Gesamtdruckverlust bewerten zu können. In Praxisversuchen im Tagebau werden erste Erkenntnisse aus den Brunnenmodellversuchen bereits umgesetzt und zeigen ein positives Ergebnis bei Förderleistungsvergleichen.

Wells are underground structures for the extraction and pumping of ground water and thus make an important contribution to the global supply of drinking water, agricultural and industrial production. Calculations of the inflowing water amount in the well and the resulting cone of depression are based on simplified assumptions of the model system. Due to steep gradients in the direct vicinity of the well those assumptions often don’t apply. So far differences between theoretical calculations and measured drawdowns are taken into account by applying empirical loss coefficients. Based on extensive experimental studies of groundwater flow in the direct vicinity of the well, this work derives an analytical model of the overall flow processes, taking into account all loss components for confined aquifers. The particularity here amounts to taking into consideration different flow regimes, different porous media, and describing feasible processes at the interface between materials. Initially this work presents and discusses the resistance laws for flow through porous media, which depend on the flow regime. Those laws are then applied to a radial flow system, in this case the groundwater well flow. Subsequently the presentation and systematic evaluation of physical tube well model tests using various samples of porous media in a specially designed cylindrical test facility provide the basis for determining the resistance coefficient of the different sample media. Comparing the resistance coefficients with other studies shows the variability of these coefficients. This variability is taken into account using a probability approach. The fundamental result of this thesis consists of the process-based description of the complete groundwater flow to the well in an analytical model based on the determined resistance coefficient. Finally, the resulting model is applied to an example well used in the dewatering of an open pit mine to assess the impact of individual parameters to the total pressure loss. The results of the physical well model in initial field tests in an open pit mine show a positive result when comparing the pumping rates.

Fulltext:
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