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Untersuchung der Verockerungsneigung von Vertikalfilterbrunnen im Modellversuch

Ein Beitrag zum Prozessverständnis der chemischen Verockerung in der Tagebauentwässerung

Investigation of the clogging affinity of vertical wells using an experimental model

A contribution to understanding chemical clogging processes in open-pit dewatering

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Zusammenfassung

Der Betrieb von Brunnen unterliegt häufig zeitabhängigen Alterungsprozessen, die in signifikanten Leistungsrückgängen resultieren. Hauptursache ist die Verockerung infolge der Oxidation und Ausfällung im Grundwasser gelöster Fe(II)- und Mn(II)-Ionen zu Fe(III)- bzw. Mn(IV)-Hydroxiden.

Zur Untersuchung der hydraulischen Wirksamkeit der Brunnenverockerung – insbesondere in Hinblick auf die Veränderung des hydraulischen Druckabbaus – wurde ein interdisziplinäres Versuchskonzept zur Erkennung der maßgeblichen hydraulischen und hydrochemischen Prozesse erstellt. Das kombinierte strömungsphysikalische und hydrogeochemische Modell bildet einen Ausschnitt eines Vertikalfilterbrunnens ab. Die Verockerung wird unter kontrollierten hydrochemischen Bedingungen des Systemwassers beschleunigt nachgebildet. In einem Versuchszeitraum von 295 h können im Filterkies Gehalte von bis zu 15 g Fe kg−1 erzeugt werden. Diese Mineralablagerungen verursachen nach ersten Erkenntnissen einen Anstieg des Druckabbaus im Filterkies von beinahe 30 %.

Nach Definition eines Versuchsabbruchskriteriums soll das Modell zur Durchführung von Parameterstudien, zur Ermittlung der zeitabhängigen Widerstandsbeiwerte sowie für Tests unterschiedlicher Ausbaumaterialien und Maßnahmen zur Reduzierung der Verockerung (Betriebsweise, Regenerierung) eingesetzt werden.

Abstract

Operating wells are often influenced by performance losses which increase over time. These losses can be caused by clogging of system elements due to oxidation and precipitation of diluted Fe(II)- and Mn(II)-ions to Fe(III)- and Mn(IV)-hydroxides. The influence of iron clogging on the conductivity of the gravel pack—in particular on the hydraulic gradient in the gravel pack—is analyzed with a combined hydraulic and hydrogeochemical model of a vertical well in which the clogging process is accelerated by hydrochemical modifications. Over 295 h, the iron concentration in the filter gravel increased up to 15 g Fe per kg gravel. According to the preliminary findings, these incrustations induce an increase of the pressure loss in the filter gravel pack of nearly 30 %. After defining a test termination criterion, the model will be used for tests concerning different well material (screen and gravel pack) and methods for reduction of the incrustation (operation and regeneration) as well as for parametric studies.

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Danksagung

Die Autoren danken der RWE Power AG, namentlich Herrn Prof. Dr. Christian Forkel und Herrn Wilhelm Schlegel für die äußerst konstruktive Kooperation und die Zugangserlaubnis zu einer Fülle an Informations- und Datenmaterial sowie für die beratende, organisatorische und finanzielle Unterstützung.

Weiterer Dank gilt den technischen Mitarbeitern des Lehrstuhls und Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft, namentlich Herrn Manfred Kriegel, Frau Irene Ohligschläger, Herrn Norbert Quast, Herrn Mario Czogallik und Herrn Christian Vogelgesang für ihre ständige Verfügbarkeit in technischen und konstruktiven Fragen aller Art.

Ebenso gedankt wird Herrn Andre Banning für seine beratende Tätigkeit in Fragestellungen zur Organisation und speziell zur geochemischen Analytik.

Den studentischen Hilfskräften danken die Autoren für Ihre Flexibilität und häufige Einsatzbereitschaft zur Unterstützung bei Labortätigkeiten.

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Authors and Affiliations

  1. Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW), RWTH Aachen University, Mies-van-der-Rohe-Str. 1, 52056, Aachen, Deutschland

    Sebastian Henkel &  Holger Schüttrumpf

  2. Hydro Power & New Technologies, RWE Innogy GmbH, Gildehofstraße 1, 45127, Essen, Deutschland

    Sebastian Roger

  3. Lehr- und Forschungsgebiet Hydrogeologie, RWTH Aachen University, Lochnerstr. 4–20, 52064, Aachen, Deutschland

    Christoph Weidner &  Thomas R. Rüde

  4. RWE Power AG, Zum Gut Bohlendorf, 50126, Bergheim, Deutschland

    Wiebke Klauder &  Gero Vinzelberg

Authors
  1. Sebastian Henkel
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  2. Christoph Weidner
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  3. Sebastian Roger
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  4. Holger Schüttrumpf
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  5. Thomas R. Rüde
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  6. Wiebke Klauder
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  7. Gero Vinzelberg
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Henkel, S., Weidner, C., Roger, S. et al. Untersuchung der Verockerungsneigung von Vertikalfilterbrunnen im Modellversuch. Grundwasser 17, 157–169 (2012). https://doi.org/10.1007/s00767-012-0198-9

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