Grundwassermessstellen

Grundwassermessstellen (GWM) sind technische Einrichtungen zur systematischen Beobachtung, Untersuchung und Bewertung des Grundwassers. Sie ermöglichen insbesondere die Erfassung des Grundwasserstands und seiner zeitlichen Entwicklung sowie die Untersuchung der chemischen und physikalischen Beschaffenheit des Grundwassers. Aus Messungen an mehreren Grundwassermessstellen können darüber hinaus Grundwasserfließrichtungen und hydraulische Gradienten abgeleitet werden. Grundwassermessstellen können außerdem für hydraulische Untersuchungen, beispielsweise Pump- oder Auffüllversuche, genutzt werden, um die hydraulische Durchlässigkeit des Untergrundes zu bestimmen.

Der Grundwasserstand ist eine zeitlich veränderliche Größe und wird unter anderem durch Niederschlag, Grundwasserneubildung, Oberflächengewässer, Wasserentnahmen sowie wasserbauliche oder bauliche Eingriffe beeinflusst. Langjährige Messreihen ermöglichen es, diese Schwankungen zu erfassen, Entwicklungen und Veränderungen zu erkennen und charakteristische Grundwasserstände aus den vorhandenen Daten abzuleiten. Damit bilden Grundwassermessstellen eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung der Grundwasserverhältnisse und ihrer langfristigen Entwicklung.

Die gewonnenen Daten dienen unter anderem dazu, den Einfluss des Grundwassers auf Bauwerke und Baumaßnahmen sowie umgekehrt mögliche Auswirkungen von Baumaßnahmen auf das Grundwasser zu beurteilen. Je nach Aufgabenstellung können Grundwassermessstellen dabei der langfristigen Grundwasserbeobachtung, der Beweissicherung oder der projektbezogenen Überwachung dienen.

Die Errichtung und der Betrieb von Grundwassermessstellen unterliegen technischen Anforderungen, die unter anderem in DIN-Normen und DVGW-Arbeitsblättern beschrieben sind. Eine fachgerechte Planung und Herstellung ist Voraussetzung dafür, dass die Messstelle dauerhaft funktionsfähig bleibt, repräsentative und belastbare Messdaten liefert und gleichzeitig eine Beeinträchtigung des Grundwassers vermieden wird. Die Herstellung ist daher durch entsprechend qualifizierte Fachunternehmen mit geeignetem Personal, technischen Geräten und Ausrüstungen unter Beachtung der anerkannten Regeln der Technik durchzuführen.

Ausbau von Grundwassermessstellen

Der fachgerechte Ausbau einer Grundwassermessstelle erfolgt in der Regel in einem zuvor hergestellten Bohrloch. Aufbau und Dimensionierung der Messstelle richten sich nach der jeweiligen Aufgabenstellung sowie den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen am Standort. Die einzelnen Bauteile müssen dabei so aufeinander abgestimmt werden, dass der relevante Grundwasserleiter gezielt erfasst, hydraulische Verbindungen zwischen unterschiedlichen Grundwasserleitern vermieden und gleichzeitig ein sicherer Betrieb der Messstelle gewährleistet werden. Hierzu gehören insbesondere die Ausbauverrohrung mit Vollwand- und Filterrohren, die Ringraumverfüllung mit Filtermaterial und Abdichtungen sowie das Abschlussbauwerk. Ergänzende Bauteile wie Bodenkappe und Abstandshalter unterstützen den fachgerechten Einbau und die dauerhafte Funktionsfähigkeit der Messstelle.

Die wesentlichen Bauteile einer Grundwassermessstelle sind nachfolgend dargestellt und beschrieben.

Bauteilbeschreibung / Begriffsdefinition

Abschlussbauwerk

Das Abschlussbauwerk bildet den oberen Abschluss der Grundwassermessstelle und schützt die Ausbauverrohrung vor Verunreinigungen, Witterungseinflüssen und mechanischen Beschädigungen. Gleichzeitig muss ein sicherer und ungehinderter Zugang für Messungen, Wartungsarbeiten und den Einbau technischer Geräte gewährleistet bleiben. Der Abschluss kann als Überflur- oder Unterflurausbau ausgeführt werden.

• Überflurausbau: Beim Überflurausbau wird die Ausbauverrohrung durch ein darüber angeordnetes Schutzrohr, in der Regel aus Stahl, geschützt. Das Schutzrohr ist nicht fest mit der Ausbauverrohrung verbunden und wird frostsicher in einem Betonfundament verankert. Es wird in der Regel bis etwa 1,0 m über Gelände geführt. Zwischen Schutzrohr und Vollwandrohr soll eine möglichst zentrische Anordnung gewährleistet werden. Den oberen Abschluss bildet eine verschließbare Sicherheitsverschlusskappe. Bei Standorten mit erhöhter Beschädigungs- oder Anfahrgefahr kann zusätzlich ein Anfahrschutz vorgesehen werden. Dieser sollte so ausgeführt sein, dass mechanische Belastungen nicht unmittelbar auf die Grundwassermessstelle übertragen werden.

• Unterflurausbau: Beim Unterflurausbau liegt der Messstellenabschluss unterhalb bzw. auf Höhe der Geländeoberfläche. Die Messstelle wird durch eine befahrbare Straßenkappe oder eine geeignete Schachtabdeckung geschützt. Unter der Abdeckung befinden sich das Schutzrohr und die Sicherheitsverschlusskappe der Ausbauverrohrung. Der Unterflurabschluss ist so auszubilden, dass Oberflächenwasser nicht in die Messstelle eindringen kann. Gleichzeitig muss eine sichere Entwässerung gewährleistet sein. Hierzu ist eine geeignete Ablauf- bzw. Entwässerungsmöglichkeit vorzusehen. Insbesondere aus Gründen des Frostschutzes ist die Straßenkappe selbstständig entwässerbar auszuführen.

Pegeloberkante und Rohroberkante

• Pegeloberkante: Die Pegeloberkante (POK) ist der festgelegte und höhenmäßig eingemessene Bezugspunkt für die Messung des Grundwasserstands. Sie liegt üblicherweise am oberen Rand der Abschlusskappe, die auf das Schutzrohr aufgeschraubt ist. Maßgebend ist der feste Kappenrand bei geöffnetem Deckel. Eine Markierung oder kleine Vertiefung in der Abschlusskappe kann die genaue Lage des Messpunkts kennzeichnen. Eine solche Kennzeichnung ist jedoch nicht bei allen Abschlusskappen vorhanden. Entscheidend ist, dass Vermessung und Grundwasserstandsmessung stets auf denselben Punkt bezogen werden. Die Anforderungen an die Einmessung werden projektspezifisch festgelegt. Üblicherweise werden Messunsicherheiten von ±5 cm in der Lage und ±5 mm in der Höhe toleriert. Die Höheneinmessung erfolgt im Deutschen Haupthöhennetz 2016 (DHHN 2016). Die Höhen werden in Metern über Normalhöhennull (m ü. NHN) angegeben.

• Rohroberkante: Die Rohroberkante (ROK) bezeichnet das obere Ende der innerhalb des Schutzrohrs geführten Ausbauverrohrung. Sie liegt üblicherweise etwas unterhalb der Pegeloberkante und ist in der Regel nicht der höhenmäßig eingemessene Bezugspunkt für die Grundwasserstandsmessung. Beide Kanten dürfen daher bei der Messung nicht verwechselt werden. Wird eine Messung auf die Rohroberkante bezogen, muss deren Höhenunterschied zur Pegeloberkante bekannt sein und bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Ausbauverrohrung

Die Ausbauverrohrung einer Grundwassermessstelle besteht von oben nach unten aus Vollwandrohren, Filterrohren und einer Bodenkappe als unterem Abschluss. Zur Sicherstellung eines möglichst zentrischen Einbaus im Bohrloch werden gegebenenfalls Abstandshalter entlang der Ausbauverrohrung angeordnet. Als Rohrmaterial wird in der Regel PVC-U verwendet. Die Ausbauverrohrung muss hinsichtlich Durchmesser, Festigkeit und Materialeigenschaften auf die jeweilige Aufgabenstellung sowie die hydrogeologischen Verhältnisse abgestimmt werden.

Für Grundwassermessstellen mit Filterstrecken im Festgestein empfehlen wir in der Regel eine Ausbauverrohrung mit einem Durchmesser von DN 50 (2 Zoll). Bei Filterstrecken im Lockergestein oder in Auffüllungen empfehlen wir in der Regel DN 125 (5 Zoll). Die größeren Durchmesser ermöglichen insbesondere einen ausreichend dimensionierten Filter- und Ringraumbereich sowie den Einsatz geeigneter Mess-, Pump- und Probenahmetechnik.

Der erforderliche Bohrlochdurchmesser ist auf den gewählten Durchmesser der Ausbauverrohrung, die vorgesehenen Rohrverbindungen und die Art der Ringraumverfüllung abzustimmen. Dabei sind die jeweiligen technischen und hydrogeologischen Anforderungen zu berücksichtigen. Das DVGW W 121 fordert grundsätzlich einen ausreichend großen Ringraum für den zentrischen Einbau und die fachgerechte Verfüllung. Im Bereich von Ringraumabdichtungen werden darüber hinaus Mindestbohrdurchmesser in Abhängigkeit vom Ausbaudurchmesser vorgegeben.

Vollwandrohr

Vollwandrohre bilden die hydraulisch dichten Abschnitte der Ausbauverrohrung außerhalb der Filterstrecke. Sie werden bei Grundwassermessstellen in der Regel aus PVC-U in glatter Ausführung hergestellt. Im Gegensatz zum Filterrohr besitzen sie keine Öffnungen und verhindern damit einen Wasseraustausch zwischen dem Messstelleninneren und den außerhalb der Filterstrecke durchteuften Boden- bzw. Gesteinsschichten.

Besondere Bedeutung kommt der Dichtheit der Rohrverbindungen zu. Die Verbindungen der Vollwandrohre sind dauerhaft hydraulisch dicht auszuführen, damit kein Fremdwasser in die Grundwassermessstelle eintreten und die Messwerte beeinflussen kann. Bei 5-Zoll-Ausbauverrohrungen werden hierzu in der Regel dichtende Muffen- bzw. Trapezgewindeverbindungen mit Gummi-Dichtringen bzw. O-Ringen verwendet. Auch bei 2-Zoll-Ausbauverrohrungen sind geeignete dichtende Rohrverbindungen mit entsprechenden Dichtelementen vorzusehen. Die Dichtungen sind beim Zusammenbau sorgfältig und entsprechend den Herstellervorgaben einzusetzen.

Abstandshalter

Für eine gleichmäßige und allseitige Ringraumverfüllung ist ein möglichst zentrischer Einbau der Ausbauverrohrung im Bohrloch erforderlich. Hierzu werden Abstandshalter bzw. Zentrierungen eingesetzt, die den erforderlichen Abstand zwischen Ausbauverrohrung und Bohrlochwand sicherstellen. Sie müssen ausreichend stabil ausgeführt sein und eine geeignete Anlagefläche zur Bohrlochwand aufweisen. Es wird empfohlen, Abstandshalter entlang der Ausbauverrohrung in vertikalen Abständen von höchstens 4 m anzuordnen. Je nach Bauart können die Abstandshalter vor Ort an unterschiedliche Bohrlochdurchmesser angepasst werden, sodass eine möglichst zentrische Lage der Ausbauverrohrung erreicht wird.

Filterstrecke

Die Filterstrecke besteht aus dem Filterrohr und der dieses umgebenden Filterkiesschüttung. Über die Filterstrecke steht die Grundwassermessstelle hydraulisch mit dem umgebenden Grundwasserleiter in Verbindung. Lage und Länge der Filterstrecke richten sich nach der jeweiligen Aufgabenstellung sowie nach den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen. Dabei soll grundsätzlich nur ein hydraulisch und hydrochemisch eindeutig definierter Grundwasserleiter bzw. Abschnitt eines Grundwasserleiters erfasst werden. Unterschiedliche hydrogeologische Einheiten dürfen nicht durch eine gemeinsame Filterstrecke miteinander verbunden werden.

Die Filterstrecke kann sowohl im Locker- als auch im Festgestein angeordnet werden. Ihre Höhenlage ist so festzulegen, dass der für die jeweilige Fragestellung maßgebende Grundwasserbereich erfasst wird. Für den Standardausbau wird in der Regel eine Filterstrecke von 3,0 m empfohlen. Diese setzt sich aus einem 2,0 m langen Filterrohr sowie einer Über- und Unterschüttung mit Filterkies von jeweils 0,5 m zusammen. Ein gegebenenfalls oberhalb angeordneter Gegenfilter ist nicht Bestandteil der Filterstrecke.

Abhängig von der jeweiligen Fragestellung kann eine kürzere oder längere Filterstrecke erforderlich sein. Soll beispielsweise das Grundwasserpotenzial in einem eng begrenzten Horizont, etwa unterhalb einer Bauwerkssohle oder im Bereich einer Bauwerkswand, möglichst tiefengenau erfasst werden, kann eine kürzere Filterstrecke zweckmäßig sein. Längere Filterstrecken können dagegen bei speziellen Fragestellungen sinnvoll sein, wenn beispielsweise die Grundwasserbeschaffenheit über einen größeren Tiefenbereich erfasst oder eine höhere Ergiebigkeit der Messstelle erreicht werden soll.

Für die Grundwasserstandsbeobachtung sollte die Filterstrecke möglichst dauerhaft im gesättigten Bereich liegen. Dadurch wird eine zuverlässige hydraulische Anbindung an den Grundwasserleiter gewährleistet und ein wiederholtes Trockenfallen des Filterbereichs vermieden. Dies vermindert zugleich den regelmäßigen Kontakt mit Luftsauerstoff und kann damit der Bildung von Eisen- und Manganablagerungen beziehungsweise einer Verockerung des Filterbereichs entgegenwirken.

Im Festgestein sind Lage und Länge der Filterstrecke insbesondere an vorhandene Zuflussbereiche und die örtlichen hydraulischen Verhältnisse anzupassen. Auch hier gilt, dass unterschiedliche hydrogeologische Einheiten nicht durch eine gemeinsame Filterstrecke verbunden werden dürfen.

Filterrohr

Filterrohre (auch Schlitzrohre) bilden den wasserdurchlässigen Teil der Ausbauverrohrung und werden in der Regel aus PVC-U hergestellt. Über die Schlitze des Filterrohres kann das Grundwasser aus dem umgebenden Grundwasserleiter in die Grundwassermessstelle eintreten. Zusammen mit dem umgebenden Filterkies soll gleichzeitig der Eintrag von Boden- und Feststoffpartikeln in die Messstelle begrenzt werden.

Die Schlitzweite des Filterrohres ist auf die Körnung des Filterkieses abzustimmen. Insbesondere im Lockergestein richtet sich die Wahl von Filterkies und Schlitzweite nach der Korngrößenverteilung des anstehenden Untergrundes. In der Praxis kommen bei unseren Grundwassermessstellen in der Regel Schlitzweiten zwischen 0,3 und 1,0 mm zum Einsatz. Im Festgestein bzw. bei sehr grobkörnigen Sedimenten werden häufig größere Schlitzweiten im Bereich von 1,0 mm verwendet. Die endgültige Festlegung erfolgt auf Grundlage der tatsächlich angetroffenen geologischen Verhältnisse.

Filterkies

Der Filterkies bildet im Bereich der Filterstrecke die Schüttung im Ringraum zwischen Bohrlochwand und Filterrohr. Er stellt die hydraulische Verbindung zwischen Grundwasserleiter und Filterrohr sicher und soll gleichzeitig den Eintrag von Boden- und Feststoffpartikeln aus dem umgebenden Gestein in die Grundwassermessstelle begrenzen. Für die Herstellung sind geeignete Filtersande bzw. Filterkiese nach DIN 4924 zu verwenden.

Die Körnung des Filterkieses ist an die Korngrößenverteilung des umgebenden Locker- oder Festgesteins anzupassen und mit der Schlitzweite des Filterrohres abzustimmen. Je nach anstehendem Untergrund kommen in der Regel Körnungen von 0,4/0,8 mm, 0,71/1,25 mm, 1,0/2,0 mm oder 2,0/3,15 mm zum Einsatz. Gröbere Körnungen werden insbesondere bei grobkörnigen Sedimenten und im Festgestein verwendet. Die endgültige Festlegung erfolgt anhand der tatsächlich angetroffenen geologischen Verhältnisse.

Gegenfilter

Der Gegenfilter bildet eine feinkörnigere Übergangsschicht zwischen Filterkies und Ringraumabdichtung. Er verhindert, dass Abdichtungsmaterial in den gröberen Filterkies eindringt und dadurch die Filterstrecke beeinträchtigt. Besonders beim Einsatz von Bentonit-Zement-Suspensionen zur Ringraumabdichtung (siehe unten) ist eine ausreichend feine und wirksame Trennschicht erforderlich.

Bei unseren Grundwassermessstellen wird für den Gegenfilter in der Regel eine Körnung von 0,4/0,8 mm verwendet. Die Körnung ist auf den angrenzenden Filterkies und das eingesetzte Abdichtungsmaterial abzustimmen. Der Gegenfilter wird dort angeordnet, wo Filterkies und Ringraumabdichtung unmittelbar aneinandergrenzen.