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Fachartikel
05. Juli 2021

Hardwasser AG

Grundwasserbrunnen: Betrieb über 60 Jahre

Die Brunnen sind die wichtigsten Schätze innerhalb der Wasserversorgung. Dessen ist sich die Hardwasser AG mit ihren über 30 Vertikalfilterbrunnen im Hardwald sehr wohl bewusst. So wurden im Rahmen eines umfangreichen Instandhaltungsprogramms zwischen 1999 und 2006 die Brunnenkopfbauten (Brunnenstuben) saniert. In der zweiten Betriebsphase steht nun die Regenerierung von Vertikalfilterbrunnen mit Schlitzbrücken-Filterrohren aus verzinktem Stahl nach dem Hydropulsverfahren im Vordergrund.
Thomas Gabriel, Thomas Meier, 

Die Hardwasser AG produziert Trinkwasser für Basel und umliegende Gemeinden im Kanton Basel-Landschaft. Dazu wird über Absetzbecken und Schnellfilter klargefiltertes Rheinwasser im westlich von Basel gelegenen Hardwald zur Versickerung gebracht (Fig. 1).
Die etwa 220 Hektar grosse Schutzzone beherbergt im südlichen Teil Sickeranlagen zur künstlichen Grundwasseranreicherung. Diese künstlich angelegten Sickergräben und Weiher fügen sich harmonisch in die Waldlandschaft und stellen die Grundwasseranreicherung sicher (Fig. 2 und 3). Zwischen dem Felsuntergrund und dem Waldboden befinden sich bis zu 40 m mächtige Kiesschichten, die für das eingesickerte Wasser einen idealen Filter darstellen. Da jederzeit mehr als die doppelte Menge versickert, als hochgepumpt wird, kann sich im Untergrund der Hard ein Wasserberg bilden, der zum Rand der Schutzzone abfällt. Damit ist sichergestellt, dass kein allfällig verunreinigtes Grundwasser aus den Industriezonen der Umgebung in die Hard eindringen kann. Die Grundwasserpegel werden wöchentlich über 90 Piezometerrohre abgelesen und zu Gangliniengrafiken oder Isohypsenkarten weiterverarbeitet.
Nördlich der Sickeranlagen ist eine Brunnengalerie mit 32 Grundwasserbrunnen angelegt. Die Brunnengalerie besteht aus einem Horizontalfilterbrunnen und 31 Vertikalfilterbrunnen. 20 davon sind mit verzinkten Schlitzbrückenfilterrohren ausgebaut, elf haben Filter aus Betonringen. Die installierten Grundwasserpumpen in Bohrlochbauweise haben Förderleistungen im Bereich von 45 bis 90 Liter pro Sekunde (l/s). Die Gesamtleistung aller Brunnen beträgt 1400 l/s, wobei heute nur noch eine Spitzenleistung von 900 l/s benötigt wird.
Das angereicherte, in den Vertikalfilterbrunnen hochgepumpte Grundwasser ist bakteriologisch bereits einwandfrei. Zur Beseitigung von Mikroverunreinigungen wird es über Aktivkohle aufbereitet und abschliessend mit einer nachgeschalteten UV-Anlage entkeimt. Ab Reservoir wird das Trinkwasser über grosskalibrige Leitungen an die Hardwasserkunden, also Wasserversorger in der Umgebung, abgegeben.

Datenlage seit dem Neubau

Die meisten der 32 Grundwasserfassungen wurden in mehreren Losen zwischen 1956 und 1965 gebaut. In einem späteren Los kamen zwischen 1970 und 1973 weitere sechs Fassungen in Vertikalbauweise dazu. Somit war der heute noch gültige Endausbau im Jahr 1973 erreicht. Fast alle Grundwasserbrunnen wurden mit Filterrohr-Durchmesser 1000 mm ausgebaut. Als Filterrohre wurden Betonfilter und Schlitzbrückenfilterrohre aus verzinktem Stahl im Verhältnis
12 zu 20 verbaut. Oberhalb des Grundwasserspiegels beträgt der Durchmesser des Vorschachtes 2200 mm. In der vertikalen Achse misst der Flurabstand gerundet 15 bis 20 m und die Grundwassermächtigkeit 13 bis 24 m. Die Brunnenbauer haben seinerzeit umfassende Dokumentationen aller Fassungen erstellt, die neben den Bauplänen ebenfalls Bohrprofile und Aufzeichnungen über Pumpversuche beinhalten (Fig. 4–6). Auch während der Betriebsphase wurden wiederholt Pumpversuche durchgeführt, wodurch der Informationsstand über die Brunnen als sehr gut bezeichnet werden darf. Die historischen Dossiers zu den über 30 Grundwasserfassungen, plus die Anlagekennzeichnung, die mit der Einführung eines Prozessleitsystems einherging, decken fast vollständig und für praktisch alle Grundwasserbrunnen die in der SVGW-Richtlinie W9, Kapitel 11.3.2 definierte «Dokumentation vor Ort» ab.

Brunnenalltag: der Betrieb über viele Jahre 

In den Jahren und Jahrzehnten nach dem Bau der Brunnengalerie wurden die höchsten Abgabespitzen verzeichnet: Die maximale Jahresabgabe lag bei 23 Mio. m3 Trinkwasser, die maximale Tagesabgabemenge im Juni 1976 bei 133 500 m3 Trinkwasser. Der Stundenschnitt betrug damals also 5560 m3 oder 1545 l/s. Mit der grosszügig angelegten Anzahl Grundwasserpumpwerke konnten diese Bedarfsspitzen gut bewältigt werden. Derart hohe Abgabemengen sollten sich jedoch nicht mehr wiederholen und ein langsamer und stetiger Abwärtstrend beim Wasserverbrauch, den die meisten Wasserversorgungen gut kennen, stellte sich ein. Dessen Talsohle scheint im Raum Basel in den aktuellen Jahren erreicht worden zu sein.
Über die ganze Zeitspanne wurden unzählige Daten über die einzelnen Grundwasserbrunnen gesammelt. Bis zum Beginn der Neunzigerjahre mussten einzelne Daten frühmorgens durch Mitarbeiter eingesammelt und von Hand aufgearbeitet werden. Ab 1994 erfolgte die Aufzeichnung vollelektronisch durch moderne Prozessleitsysteme. Die Vielfalt der gesammelten Brunnendaten betreffend Zustandsanalyse der Grundwasserfassungen sind sehr wichtig und hilfreich. Neben den ständigen Messungen von Absenkverhalten im Brunnenschacht und Fördermengen gab ein engmaschiges Messprogramm zu den bakteriologischen Eigenschaften Aufschluss über die hygienische Qualität des Brunnenwassers. Daneben ergänzte ein Messprogramm mit chemischen Parametern aus zwei Gruppen von geogenen und anthropogenen Messgrössen die Bakteriologie.
In diesen Jahren kamen auch Spurenverunreinigungen vermehrt in den Fokus, da Analysemethoden für deren Nachweis entwickelt und schnell verbreitet eingesetzt wurden. Entsprechend konnte das Messprogramm mit diesen Analyse­methoden erweitert werden. Auch die Bestimmungen des Grundwasseralters über Radonanalysen ergänzten die Datensammlung zu den Grundwasserbrunnen.

Ab 1999: Instandhaltungsprogramm
Bewertung und Planung

Anfang der Neunzigerjahre wurde augenfällig, dass die Lebensdauer einiger Baugruppen, wie motorisierter Klappen und elektromechanischer Pumpenschutzautomaten, erreicht war. Ein eigens aufgebautes Ersatzteillager ermöglichte vorläufig noch einen sorgenfreien Weiterbetrieb, signalisierte allerdings auch einen zeitnahen Handlungsbedarf.
So wurde in der Folge ein Programm für die Bewertung aller Grundwasserfassungen entworfen. Der langsame Rückgang der Gesamtfördermenge aller Brunnen aus der Hard als Folge der abnehmenden Verbrauchswerte sollte es erlauben, einige Brunnen mit niedriger Bewertung vorerst nicht in das Programm aufzunehmen. Basis für diese Bewertung waren die umfangreiche Datensammlung und eine Videoanalyse (Fig. 7–9). Nach der damals 40-jährigen Betriebszeit einen Blick in die bisher verborgene Welt unter dem Grundwasserspiegel zu werfen, obwohl das Absenkverhalten und damit die Ergiebigkeit der Brunnen bis dato noch nicht gelitten hatte, war eine wichtige Ergänzung zu den gesammelten Daten.
Für die Bewertung aller Brunnen wurden neun Parameter ausgewählt, die neben einer Benotung je nach Tragweite noch gewichtet wurden. Die Gewichtung bei der Auswertung der bakteriologischen Analysen erhielt einen höheren Wert als beispielsweise die Lage einer Fassung innerhalb der gut dimensionierten Grundwasserschutzzone. Nachfolgend sind die im Jahre 1999 festgelegten neun Bewertungsgrössen aufgelistet:

  1. Lage innerhalb der Schutzzone
  2. Absenkverhalten
  3. Ergiebigkeit, Pumpmengen
  4. Schachtzustand gemäss Videoanalyse plus optische Inspektion Vorschacht
  5. Temperaturgang im Grundwasser (Minima/Maxima und Phasenverschiebung, verglichen mit Rheinwassertemperatur)
  6. chemische Analysen, Zeitraum: 14 Jahre (1986-1999)
  7. bakteriologische Analysen, Zeitraum: 19 Jahre (1981-1999)
  8. Abbauleistung, Zeitraum: 14 Jahre, KMnO4-Verbrauch, DOC, SAK-254, Tracer (NTA, EDTA)
  9. Radonanalysen (Aufenthaltszeit des Grundwassers)

Die Videoanalysen enthüllten, was vorher verborgen gewesen war: In den Schlitzbrücken­filterrohren aus verzinktem Stahl bildete sich über die Jahrzehnte dauernde Betriebszeit fast über die ganze Innenfläche eine rostrote Korrosionsschicht. Die Dicke dieser Schicht konnte allerdings nicht ermittelt werden. Augenfällig zeigten sich stellenweise von der Form her organisch anmutende Korrosionsauswüchse. Die Schlitze der Schlitzbrückenfilter waren grösstenteils sichtbar, jedoch gab es auch Bereiche, die zugewachsen schienen. Nur an wenigen Stellen kamen blanke Stellen der Filterrohre aus verzinktem Stahl zum Vorschein. Unter diesem Gesichtspunkt war es erstaunlich, dass Ergiebigkeit und Absenkung der Brunnen noch nicht vermindert waren. Filterfläche und Förderleistung waren demnach so dimensioniert, dass auch nach langem Betrieb bei diesen beiden Parametern noch Reserven bestanden.
Aus diesem Grund wurde beschlossen, die Korrosionsschicht auf den Filterrohren nicht zu entfernen und den Zustand unberührt zu belassen. Es wurde nämlich befürchtet, dass der mechanische Abtrag der Korrosionsschicht den darunterliegenden Stahl freilegen und so den Korrosionsprozess insgesamt beschleunigen würde.
Ganz anders zeigte sich das Bild in den Brunnenschächten, die mit Betonfiltern ausgebaut waren. Die Filterstrecken des letzten Bauloses von 1970 bis 1973 zeigten einen einwandfreien Zustand der Betonringe über die gesamte Schachttiefe.
Alle neun Bewertungsparameter wurden in einer Matrix aufgelistet und die am besten bewerteten Brunnen in das Renovationsprogramm aufgenommen. Dieses Renovationsprogramm deckte durchwegs die Instandhaltung oberhalb des Grundwasserspiegels ab, da die Filterstrecken – wie bereits erwähnt – unberührt bleiben sollten. Die drei Hauptarbeitsgattungen «Bauliche Anpassungen», «Verfahrenstechnische Installation» und «Elektroinstallation» deckten die nachfolgend aufgeführten Verbesserungen gegenüber dem Ursprungszustand ab:

  • luftdichte Abtrennung zwischen Brunnenschacht und Brunnenstube
  • Brunnenschachtentlüftung (Schnaufleitung) über Luftfilter
  • Montage der Axiallagerlaterne der Bohrlochpumpe auf erhöhtem Betonsockel
  • neue Sicherheitsschachtleitern
  • Einbau eines Gitterrostes im Vorschacht unter der Axiallagerlaterne für eine gefahrlose Inspektion der Rohrleitungen plus Lagerlaterne im trockenen Teil des Brunnenschachtes
  • Erneuerung der gesamten verfahrenstechnischen Verrohrung und Armaturen, neu mit einem Düsenrückschlagventil statt einer motorisierten Absperrklappe
  • erneuerte und hygienisch sichere Probenahmestelle mit einem an die Förderpumpe gekoppelten «Stetslauf»
  • vollständiger Ersatz der Steuerungstechnik und Antrieb des Pumpenmotors über einen Softstarter
Umsetzung

Mit diesen Massnahmen war damals sichergestellt, dass die Brunnenbauwerke wieder über viele Jahre ausfallsicher betrieben werden können. Das Konzept war auch so gewählt, dass die Bauwerke wiederum den Stand der Technik repräsentierten und normative Aspekte erfüllten. Damit zweifelsfrei festgestellt werden konnte, ob die angedachten Massnahmen praktikabel sind und sich im täglichen Einsatz bewähren, hatte man entschieden, zuerst einen Musterbrunnen umzubauen und für ein Jahr zu testen. Danach wurden fünf Lose zu je fünf Brunnen ins Auge gefasst, welche über die Jahre 2000 bis 2006 umgebaut werden sollten. Ein Ausfall der Pumpkapazität von fünf Grundwasserbrunnen hatte die Versorgungssicherheit über den gesamten Renovationszeitraum zu keinem Zeitpunkt gefährdet. In diesem Zusammenhang war der über die Jahre andauernde Rückgang bei der Trinkwasserabgabe für einmal ein positiver Umstand.
Der Musterbrunnen wurde planmässig mit all den vorab beschriebenen Arbeiten renoviert und instand gestellt, auch der Testbetrieb verlief durchwegs positiv. Damit konnten die Fünferlose geplant werden. Die Arbeiten waren damals grösstenteils im Einladungsverfahren ausgeschrieben worden, einige grössere Aufträge im offenen Verfahren. Alle Submissionen haben aber den gesamten Renovationszeitraum über sieben Jahre abgedeckt und mit Werkverträgen abgesichert. Mit zunehmender Auftragsdauer hatten sich die verschiedenen Anbieter mehr und mehr zu eingearbeiteten Teams entwickelt. Die schrittweise Inbetriebsetzung der renovierten Brunnen verlief ohne nennenswerte Schwierigkeiten und auch der nachfolgende Betrieb bestätigte die bereits gemachten positiven Erfahrungen mit dem Musterbrunnen: Die zweite Betriebsphase nach dem Neubau war also erfolgreich angebrochen (Fig. 10–12).

2006 bis heute: weiterführende Betriebsperiode 

Während der zweiten Betriebsphase der Grundwasserbrunnen in der Hard wurde auf die Weiterführung und Pflege der bis anhin bewährten Datenhaltung geachtet. Gute Unterstützung in dieser Sache boten weiterhin die Prozessleitsysteme, die sich im selben Zeitraum bezüglich Leistungsfähigkeit sehr positiv entwickelt haben, zuverlässig Daten sammeln und über Grafiken illustrativ sichtbar machen.
Ungefähr ab Mitte der 2010er-Jahre stellte sich erneut die Frage, wie sich die Filterstrecken korrosionstechnisch entwickelt hatten, da sich beim Absenkverhalten nach wie vor nichts negativ verändert hatte. Eine zweite Videokampagne sollte hier Aufschluss geben. Das Hardwasser-Team beschloss, diese Untersuchungen durch eine erfahrene Unternehmung im Bereich Unterhalt und Regeneration von Grundwasserbrunnen durchführen zu lassen: die Pigadi GmbH in Berlin. Die Berichterstattung sollte zusätzlich durch einen Spezialisten für Brunnenbau begutachtet werden: R. Conrad (Dipl. Ing. ETH/SIA), Regensberg. 2016 wurden die Untersuchungen ausgeführt.
Betreffend Korrosionsangriff fiel die Auswertung doch eher ernüchternd, wenn auch nicht ganz unerwartet aus. So stellte R. Conrad in seinem Bericht von 2016 fest: «Die Stahlfilterrohre sind wohl verzinkt gewesen, dies ist aber optisch nicht mehr einwandfrei feststellbar. Die TV-Aufnahmen zeigen fast durchwegs einen recht bedenklichen Zustand, sind doch die Filterschlitze fast überall mit Ocker oder Sinter zugesetzt. Rein optisch scheint es verwunderlich, dass die erforderlichen Wassermengen überhaupt noch zu den Pumpen gelangen können. Nur anhand der Dokumentation kann entnommen werden, dass es sich um Schlitzbrückenfilter handelt. Dies mit Durchtrittsöffnungen von 4–5 mm. Die Wandstärke der Filter dürfte 5–6 mm betragen. Ob sie durch Korrosion vermindert worden sind, kann nicht mit Sicherheit festgestellt werden.»
Weiter wird zu den hydraulischen Eigenschaften der Brunnen verblüfft festgestellt: «Wider jegliche Erwartung zeigen die Vertikalbrunnen der Hardwasser AG, soweit sie mit Stahlfiltern ausgebaut sind, bei der Erfassung der spezifischen Brunnenleistung Ende 2016 gegenüber dem Erstellungszeitraum, bzw. gegenüber der ebenfalls geprüften Messreihe aus dem Jahr 2000 keine Verschlechterung, sondern in der Regel fast durchwegs eine signifikante Verbesserung bis zum Faktor 2 und mehr. Dieses Ergebnis überrascht doch sehr angesichts der meistens sehr stark mit Ablagerungen belegten Filterstrecken, die dazu wohl auch noch erheblich korrodiert sind. Von 16 für derartige Vergleiche herangezogenen, mit Stahl ausgebauten Fassungen weisen nach Abzug von zwei Ausreissern nach unten und oben 12 Brunnen eine deutlich bessere Leistung auf. Zwei Brunnen haben ungefähr die gleiche Leistung wie in der Erstellungszeit, bzw. im Jahr 2000.»
Zusammenfassend wird festgestellt, dass sich die mittlere Brunnenleistung des erwähnten Brunnentyps im Fassungsgebiet Hardwald auf rund 390 m3/h pro Meter Absenkung beläuft, was für stark gealterte Fassungen ein sehr guter Wert ist. Trotz sehr starker Beläge müssen immer noch genügend Wegsamkeiten für den Wasserzutritt übriggeblieben sein, was wohl nicht zuletzt mit der überaus grossen Bruttofilterfläche von 3,14 m2 pro Meter Filterstrecke zusammenhängen dürfte. Eine einigermassen plausible Erklärung für die deutliche Leistungsverbesserung der Vertikalfilterbrunnen bieten folgende drei Faktoren:

  • Vertikalfilterbrunnen wurden seinerzeit nur durch Überpumpen oder Kolben und nicht mit Manschettenkammern entsandet. Dies ist heute bei qualifizierten Brunnenbaufirmen zusammen mit dem Einsatz von Pulsverfahren Standard.
  • Die grossen Ausbaudurchmesser (DN 1000) bei den Stahlfiltern weisen trotz starker Belegung durch Ablagerungen immer noch genügend Wegsamkeit für den Zutritt der erforderlichen Pumpmengen auf.
  • Die Hardwasser-Fassungen haben sich im jahrzehntelangen Betrieb mit gelegentlichen Spülungen quasi selbst entsandet bzw. entwickelt.


Abschliessend kommt der Verfasser des Berichtes zur Empfehlung, die Brunnen durch eine erfahrene Unternehmung regenerieren zu lassen. Nach mechanischer Vorreinigung und Prüfung des Korro­sionsstandes sollte eine Regenerierung unter Einsatz von Impulsverfahren und Intensiventnahme mit gekammerter Pumpe durchgeführt werden.
Mitte 2014 wurde ein Grundwasserbrunnen am nördlichen Rand der Schutzzone aufgegeben. Dieser Umstand wurde genutzt, um den Brunnenschacht mit einem Taucher zu inspizieren. Bei dieser Inspektion sollte zudem eine Materialprobe aus dem Schlitzbrückenfilter geborgen werden (Fig. 13). Der Taucher verschloss die Probenahmestellen sofort nach dem Heraustrennen der etwa 12 × 12 cm grossen Proben mit Spriessen, um einen Austritt der Kies-Stützschicht auf ein Minimum zu reduzieren. Die Proben wurden je zur Hälfte gereinigt und gebürstet, respektive unbehandelt belassen. Die blanke Stahloberfläche zeigte eine eher milde Variante von flächigem Korrosionsangriff mit Grübchen von einer Tiefe im Bereich weniger Zehntelmillimeter. Die Wandstärke betrug bei beiden Proben um 4,5 mm und zeigte somit ein Untermass von ungefähr einem halben Millimeter. Beide Proben machten aber einen robusten Eindruck und zeigten keine Stellen mit lokaler Struktur schwächender Korrosion. Die wichtige Erkenntnis aus der Probenahme bestand darin, dass die Filterrohrstrecken robust sind und gefahrlos einer Regenerierung mit dem Impulsverfahren und Intensiventnahme ausgesetzt werden können, ohne einen Materialschaden befürchten zu müssen. Eine derartige Regenerierung bedeutet für die verbauten Materialien immer eine gewisse Beanspruchung.
Da bei einer Regenerierung die Bohrlochpumpen vollständig aus dem Brunnenschacht entfernt werden müssen, ist der Zeitpunkt für eine Revision aller Pumpenteile vor dem Wiedereinbau ideal. In der eigenen Werkstatt hat sich im Verlauf der Jahrzehnte ein ausgeprägtes Wissen um die Bohrlochpumpen entwickelt, wodurch die Instandsetzung dieser komplexen Pumpenbauart im eigenen Hause ausgeführt werden kann (Fig. 14 und 15). Nur die Pumpenräder müssen extern aufgefrischt werden. Pumpversuche vor und nach der Instandsetzung der Bohrlochpumpen haben einen Leistungszuwachs um 15% bei der Förderleistung ergeben.

2018: Regeneration eines Grundwasserbrunnens 

Die im letzten Kapitel erwähnte Zustandsanalyse kam zum Ergebnis, dass in den stark gealterten Brunnen mit Stahl-Schlitzbrückenfiltern aufgrund der starken Ablagerungen am Ausbaumaterial und der vermuteten Korrosion unter der Ablagerungsschicht eine Regenerierung sehr empfehlenswert wäre, obwohl die Entnahmemengen den Vorgaben durchaus noch entsprachen. Das Entfernen dieser Feststoffanteile soll einer weiteren Ver­ockerung vorbeugen und den Alterungsprozess der Brunnen und den damit verbundenen Leistungsabfall verlangsamen.
Die Firma Stump BTE AG wurde beauftragt, in Kooperation mit der Pigadi GmbH den Vertikalfilterbrunnen B19 im Hardwald mittels einer Verfahrenskombination aus hydropuls® und Intensiventnahme mechanisch zu regenerieren. Zur Kontrolle des Regenerierergebnisses wurden zudem vor und nach der Behandlung Kamerabefahrungen und Pumpversuche durchgeführt, die eine Analyse des optischen und hydraulischen Zustands des Brunnens ermöglichen sollten. Die Zielsetzung bestand in der Erhöhung bzw. mindestens der Erhaltung der Brunnenergiebigkeit (Fig. 16–26).
Im Zuge der Intensiventnahme wurden aus dem Filterrohr vom Brunnen B19 knapp 230 Liter Feststoffablagerungen in Form von Sand und Schlamm entfernt. Es stellte sich die Frage, ob die resultierende Auflandung im Schlammsack des Schachtes nicht in einem separaten Arbeitsgang ebenfalls entfernt werden müsste. Die mechanische Regenerierung mit Energieeintrag erfordert tatsächlich einen nachfolgenden Arbeitsgang zur Entfernung des aus dem Filterrohr und der angrenzenden Bohraureole ausgetragenen und im Schlammsack abgelagerten Feinmaterials. Diese Ausräumung kann in Vertikalfilterbrunnen mit den vorgefundenen Schachttiefen nur mittels einer Ventilbüchse vorgenommen werden. Diese Methode hat zwar keine restlose Entfernung zur Folge, ergibt aber in aller Regel eine zufriedenstellende Räumung.
Im Rahmen einer Brunnenregenerierung wird in der Regel vor und nach der Regenerierung zur Prüfung des Ergebnisses ein Kurzpumpversuch durchgeführt, wobei auch Brunnen mit recht grosser Betriebsleistung mit relativ geringer Entnahmemenge geprüft werden. Vor der Regenerierung wies der Brunnen 19 rechnerisch eine spezifische Ergiebigkeit von lspez= Q/Dh = 400 m³/h pro Meter Absenkung auf, die sich durch die Regenerierung auf 554 m³/h pro Meter Absenkung steigern liess. Somit konnte rechnerisch eine Verbesserung der Schluckfähigkeit um etwa 39% gegenüber dem Ausgangswert dokumentiert werden.

Verschlechterte Brunnenleistung nach Regenerierung

Im Rahmen von angestellten Vergleichsversuchen ist allerdings ein Problem aufgetaucht, dessen Klärung einigen Aufwand verursacht hat. Es wurden nämlich deutlich unterschiedliche Ergebnisse zum Erfolg der durchgeführten Regenerierung aufgrund der von der Servicefirma durchgeführten Kurzpumpversuche vor und nach der Behandlung einerseits und einschlägigen Leistungsmessungen der Hardwasser AG aus dem laufenden Betrieb andererseits festgestellt. Anhand der vorgelegten Daten zeichnet sich für Brunnen B19 sogar eine leichte Verschlechterung der spezifischen Brunnenleistung ab.
Hydrodynamisch besteht in einem ungespannten Grundwasserleiter bei stark unterschiedlichen Förderraten kein linearer Zusammenhang zwischen Förderrate und Absenkverhalten. Die Förderraten von 20 l/s bei der Regenerierung und 71 l/s im Betrieb liegen um ein Mehrfaches auseinander. Der Grundwasserandrang am Brunnen gestaltet sich bei hohen Förderraten anders als bei geringen, was sich in der grafischen Darstellung der Absenkung versus Pumpmenge in der ungefähren Parabelform der Kurve zeigt.
Um die Differenz der Entnahme vor und nach der Regenerierung (als Folge der Pumpenrevision) auszublenden, hat die Hardwasser AG für einen erneuten Pumpversuch die Pumpleistung im Brunnen B19 auf den vor der Regenerierung ermittelten Wert von Q = 62 l/s gedrosselt und erneut die zugehörige Absenkung dokumentiert.
Aus diesem Versuch resultiert eine Verschlechterung der spezifischen Leistung (wieder nach rund 60 min Betrieb) auf lspez = Q/Dh = 186 m3/h pro Meter Absenkung. Gegenüber der gut ein Jahr alten Betriebsmessung beträgt die Verschlechterung der spezifischen Leistung nun rund 38%. Eine Nachrechnung für die unmittelbar vorher am gleichen Tag durchgeführte Betriebsmessung unter Voll-Last mit Q = 69,5 l/s ergab dagegen einen besseren Wert von lspez = Q/Dh = 200 m3/h pro Meter Absenkung, was einer hier nicht ohne Weiteres zu erwartenden Minderung der Verschlechterung auf rund 33% gleichkommt.
Aus den vorstehenden Ausführungen ist unabhängig von weiteren Überlegungen zu folgern, dass ohne eingehende Nachprüfung aller Umstände und ohne Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen ein direkter Vergleich mit den zur Prüfung des Regenerierungsergebnisses ausgeführten Kurzpumpversuchen und den Betriebsdaten keine Aussagekraft hat. Anhand eines Fachgesprächs mit allen beteiligten Institutionen wurde versucht, das Phänomen der eindeutig festgestellten Vergrösserung der Absenkung des Betriebsspiegels bei einigermassen identischen Entnahmebedingungen zu erklären.
Dabei wurde festgestellt, dass die vorgenommene Regenerierung ganz offenbar die Erfordernisse dieses Fassungstyps nicht zu erfüllen vermag. Die Verbesserung der Absenkverhältnisse bei einer Entnahme von nur 20 l/s ist zwar durchaus dokumentiert, sagt aber mit Bezug auf die Betriebsmenge von 60–70 l/s kaum etwas zur Verbesserung der Brunnenleistung aus. Dies führt zum Schluss, dass keine feststellbare Regenerierwirkung erreicht wurde, möglicherweise sogar infolge Umlagerung von Ablagerungen in der Kiesschüttung bzw. Anlagerung solcher Partikel an der Aussenwand des Filterrohrs eine leicht vergrösserte Absenkung des Betriebsspiegels eingetreten sein kann. Dass dies während der Regenerierarbeiten nicht bemerkt wurde, hängt wohl damit zusammen, dass das übliche Vorgehen für die hydromechanische Regenerierung angewendet wurde, ohne zu berücksichtigen, dass deutlich gealterte Brunnen mit einer immer noch sehr guten Betriebsleistung bei einem ausgesprochen grossen Bohr- und Filterdurchmesser in einem gut durchlässigen Aquifer einer höheren Regenerierwirkung unterzogen werden müssen.
Entsprechend sind die Kontrollpumpversuche vor und nach der Regenerierung mit einer Entnahmemenge von mindestens 50 l/s auszulegen und sollten wenigstens vier Stunden dauern. Die Brunnen im näheren Umkreis (bis 150 m Abstand) müssen während den Pumpversuchen und je zwei Stunden vor- und nachher ausser Betrieb genommen werden.
Nach Beurteilung von Conrad Consulting kann ein ausreichender Stoffaustrag nur durch Einsatz einer Funktionsstrecke mit flexibel festsetzbaren Doppelpackern in ähnlicher Länge wie die Entnahmestrecke (jeweils 0,5–1,0 m) sichergestellt werden. Dieses zum sogenannten «flexiblen Packerkammersystem» weiterentwickelte Verfahren zur Erzeugung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit mit entsprechend hohem Materialaustrag in die Entnahmekammer wird seit einiger Zeit für die Hochleistungsentwicklung von Neufassungen und für die Regenerierung von Horizontal- und Vertikalbrunnen verwendet. Allerdings wurde dieses Verfahren wegen des hohen Aufwands nur selten für Dimensionen über DN 600 angewendet. Die Methode ist aber in Theorie und Praxis erprobt und hat nach Überzeugung des Consultingunternehmens bei richtiger Auslegung auch bei Grosskaliberbrunnen wie jene der Hardwasser AG die erwünschte Wirkung.

Zweiter Versuch

So wurde beschlossen, Brunnen B19 mit dem eben beschriebenen Verfahren und einer Leistungssteigerung der Pumpen nochmals zu regenerieren. Bautechnische Gegebenheiten haben bei Prüfung der engen Platzverhältnisse jedoch gezeigt, dass das geschilderte Packersystem ohne Zerstörung der Tragkonstruktion für die Bohrlochpumpe nicht in den Brunnenschacht eingeführt werden kann. So musste die Regenerierung mit dem Doppelpackersystem leider abgesagt werden. Die Analyse weiterer möglicher Regenerierungsverfahren steht in Arbeit, wurde jedoch coronabedingt verzögert und temporär gar ausgesetzt.

Fazit

Die Grundwasserbrunnen gehören zu den wichtigsten Einrichtungen einer Wasserversorgung. Die Sammlung von Betriebsdaten und die Überwachung ab Datum der Errichtung sind für deren Zustandsanalyse viele Jahre nach dem Neubau von unschätzbarem Wert. Dazu macht die SVGW W9 in Kapitel 12.3 hilfreiche Empfehlungen. Die Beurteilung des Zustandes, insbesondere des Brunnenschachtes und der Filterstrecke unter dem Grundwasserspiegel, bedeutet eine besondere Herausforderung. Dank dem heutigen Stand der Videotechnologie mit kompakten und wasserdichten Kameras kann jedoch eine aussagekräftige, optische Inspektion des verborgenen Unterwasserteils von Brunnenschacht und Filterstrecke erfolgen. Brunnen, die heute bereits Jahrzehnte in Betrieb stehen, sollten unbedingt videografiert werden. Damit wird ein erster Schritt in Richtung allenfalls notwendiger Instandhaltung oder Regenerierung des Brunnenschachtes angestossen und hilft die wertvolle Bausubstanz nachhaltig zu sichern. Zeigt die Datensammlung eine Verschlechterung der Ergiebigkeit eines Brunnens, sollte eine Regenerierung des Brunnenschachtes ins Auge gefasst werden. Es ist empfehlenswert, für diese Arbeiten, die nicht alltäglich sind, einen Fachingenieur beizuziehen und die Regenerierung nur durch erfahrene Unternehmungen ausführen zu lassen. Ein derartiges Trio aus Fachingenieur, Servicefirma und Betreiber des Brunnens sichert gute Erfolgsaussichten für die Ertüchtigung eines Brunnenschachtes.
Da die Zeit rasch vergeht und unsere Brunnen weiter und weiter altern, werden Regenerierungsmassnahmen bei den Wasserversorgungen mehr und mehr in den Fokus des Interesses rücken. Der aus eigener Erfahrung gemachte Rückschlag beim Regenerieren eines Brunnenschachtes zeigt, dass man auch unter Berücksichtigung der obigen Empfehlungen nicht vor Überraschungen gefeit ist. Für die Hardwasser AG, mit ihren 32 Grundwasserbrunnen, hat das Kapitel Regeneration von Brunnenschächten erst begonnen. Diese Geschichte geht also in eine nächste Runde, die mit Interesse und Spannung erwartet wird.
Unsere Brunnen sind die wichtigsten Schätze innerhalb der Wasserversorgung, die es in Zukunft vermehrt zu beobachten und zu pflegen gilt.

Bibliographie

[1] SVGW (2020): W9 d Richtlinie für Grundwasserbrunnen; Planung, Projektierung, Bau und Betrieb sowie Instandhaltung und Rückbau von Grundwasserbrunnen
[2] ARPE AG (1999): Videoaufzeichnung der einzelnen Brunnen in der Hard vom Oktober 1999
[3] Conrad, R. M. (2017): Sammelbericht zu den Zustandserhebungen 2016 an 33 Grundwasserfassungen vom August 2017
[4] Wicklein, A.; Dräger, E.; Düll, S. (2016): Videoaufzeichnung und Zustandsanalyse der einzelnen Brunnen in der Hard vom November 2016, Pigadi GmbH, Berlin
[5] Conrad, R. M. (2018): Vertikalbrunnen B19, Bericht zu den Werterhaltungsmassnahmen 2018 an der Fassung

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