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Investigations on groundwater dewatering by using vertical circulation wells: Numerical simulation method development and field validation

dc.contributor.advisorSauter, Martin Prof. Dr.
dc.contributor.authorSchaffer-Jin, Yulan
dc.date.accessioned2015-03-06T09:20:39Z
dc.date.available2015-03-06T09:20:39Z
dc.date.issued2015-03-06
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5DE5-4
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4964
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4964
dc.description.abstractDie künstliche Grundwasserabsenkung stellt eine wichtige Maßnahme für die Entwässerung von Baugruben und bergbaulich genutzten Flächen dar. Eine erfolgreiche und zielgerichtete Absenkung des Grundwasserspiegels setzt ein zweckmäßiges Design und die richtige Auswahl der genutzten Absenkungstechniken voraus. Dabei sind insbesondere die Dimension des abzusenkenden Bereichs, die Untergrundbeschaffenheit sowie zu erfüllende umweltschutzrechtliche Regelungen zu berücksichtigen. Zur Grundwasserabsenkung kommen üblicherweise verschiedene Ausführungen und Anordnungen von Pumpbrunnen zum Einsatz. Konventionelle Pumpbrunnen, welche für Absenkungsmaßnahmen eingesetzt werden, entnehmen Grundwasser aus dem Aquifer. Durch das fortwährende Abpumpen von in der Regel erheblichen Wassermengen können jedoch Umweltprobleme entstehen, und es ist mit zusätzlichen Entsorgungskosten für die Ableitung des geförderten Wassers zu rechnen. Im Gegensatz hierzu stellen vertikale Zirkulationsbrunnen (VCW) einen innovativen Ansatz dar, der eine lokale Grundwasserabsenkung ohne Nettowasserentnahme aus dem Aquifer erlaubt. Ein VCW kann als ein Einbohrlochsystem aufgefasst werden, bei dem im oberen Bereich eines Brunnens Wasser entnommen und dieses in einem separaten, weiter unten installierten Brunnenbereich wieder injiziert wird. Die erfolgreiche Anwendung dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik erfordert die genaue Kenntnis der Faktoren, welche für die Grundwasserströmungsverhältnisse relevant sind und somit die Absenkung bestimmen. Traditionelle Berechnungsansätze vernachlässigen oft vertikale Grundwasserbewegungen und sind deshalb für die Beschreibung der komplexen Strömungsverhältnisse in unmittelbarer Nähe eines VCW nicht geeignet. Aus diesem Grund steht die systematische Untersuchung der Grundwasserströmung unter Berücksichtigung vertikaler Strömungskomponenten im Hauptfokus dieser Arbeit. Die Untersuchungen beschäftigen sich in erster Linie mit der Entwicklung einer geeigneten Simulationsmethode, mit der Evaluierung des Einflusses relevanter hydrogeologischer Parameter sowie mit der Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen an einem Feldstandort. Die hier vorgestellte neue Simulationsmethode koppelt den sogenannten Arbitrary‐Lagrangian‐Eulerian‐(ALE)‐Algorithmus mit der Grundwasserströmungsgleichung. Die Simulationsergebnisse werden mit mehreren analytischen Lösungen verglichen und verifiziert. Das entwickelte numerische Modell berücksichtigt auch Vertikalströmungen und eignet sich somit zur Simulation der Grundwasserströmung in der Nähe von VCW. Folglich kann nun die Lage des Grundwasserspiegels, vor allem für ungespannte Grundwasserleiter, präzise berechnet werden. Nach erfolgter Kalibrierung des numerischen Modells anhand von Felddaten wurde eine Sensitivitätsanalyse relevanter Parameter im Hinblick auf die erzielte Absenkung und deren Auswirkungen auf die Grundwasserströmungssituation durchgeführt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Grundwasserabsenkung proportional zur Pumprate, indirekt proportional zur hydraulischen Leitfähigkeit und fast unabhängig von der Anisotropie des Grundwasserleiters um den VCW ist. Des Weiteren zeigte sich, dass die Lage des oberen Entnahmepunktes einen größeren Einfluss auf die Absenkung als die Lage des darunter liegenden Injektionspunktes hat. Die Größe des von der Grundwasserzirkulation beeinflussten Bereiches hängt dagegen neben dem Abstand dieser beiden Punkte hauptsächlich auch von der Anisotropie des Aquifermaterials ab. Um den Einfluss der Hydrostratigraphie auf die Grundwasserströmung zu untersuchen, wurden die Eigenschaften der einzelnen Schichten genau charakterisiert. Hierfür wurden Direct‐Push‐, Pump‐, Injektions‐ sowie Zirkulationsversuche an einem Feldstandort durchgeführt. Zudem wurden Bohrkerne entnommen und mithilfe von Siebanalysen vertikale Korngrößenverteilungsprofile im Labor bestimmt. Die eingesetzten experimentellen Methoden stellen in Kombination mit numerischen Simulationsrechnungen eine gute Basis dar, um die Rolle der Schichtstruktur im Aquifer besser beurteilen zu können. Die Untersuchungen leisten somit einen wichtigen Beitrag für das zukünftige Design und den Betrieb von VCW für Grundwasserabsenkungszwecke in ungespannten Grundwasserleitern. Zudem zeigt die hier vorliegende Arbeit das große Potential dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik als vielversprechende Alternative zu konventionellen Absenkungsverfahren auf.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc910de
dc.subject.ddc550de
dc.titleInvestigations on groundwater dewatering by using vertical circulation wells: Numerical simulation method development and field validationde
dc.typecumulativeThesisde
dc.contributor.refereeSauter, Martin Prof. Dr.
dc.date.examination2014-10-27
dc.description.abstractengConstruction dewatering is a common engineering problem encountered at construction and mining sites. Successful site dewatering requires proper design and implementation of groundwater lowering techniques depending on excavation dimensions, soil types, and local environmental regulations. Among the dewatering techniques, different types of pumping wells are usually the applied methods of choice. The conventional pumping wells require groundwater abstraction from aquifers and, consequently, the discharge. Environmental problems as a result of massive groundwater abstraction and foreseeable disposal costs are the known consequences. In contrast, the implementation of vertical circulation wells (VCWs) is an innovative approach, which enables dewatering without any net discharge. A VCW consists of an abstraction and an injection screen in the upper and lower part of a single borehole, respectively. The successful application of this new dewatering technique requires a sufficient knowledge of the influencing factors on the induced groundwater flow patterns and the water table drawdown. Since the groundwater flow near a VCW is very complex, traditional methods neglecting the vertical flow are not sufficient anymore. Therefore, the systematic investigation of the groundwater flow near a VCW and consequently the achieved drawdown is the main focus of the thesis. The investigation includes the development of a comprehensive simulation method, the identification and evaluation of relevant hydrogeological parameters, and eventually the performance of dewatering tests at a field test site. A novel simulation approach, coupling the arbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) algorithm and the groundwater flow equation, is presented. The obtained results are compared and verified with several analytical solutions. The developed numerical model is suitable for simulating groundwater flow near VCWs, since it is not restricted in considering the vertical flow component. As a result, especially in unconfined aquifers, the position of the groundwater table can be precisely estimated. After calibrating the model with observations from several field tests, it is applied to assess the sensitivity of relevant parameters on the groundwater flow and the drawdown. The obtained results show that the drawdown is proportional to the flow rate, inversely proportional to the hydraulic conductivity, and almost independent from the aquifer anisotropy in the direct vicinity of a VCW. Further, the position of the abstraction screen has a stronger effect on drawdown than the position of the injection screen. The circulation field and thus the extension of the influenced area depend on the screen separation length, but mainly on the anisotropy. To investigate the effects of aquifer layering properties on groundwater flow, the layer structures were characterized in detail with various field methods including several direct‐push tests, pumping‐, injection‐, and circulation flow tests as well as grain‐size analysis in the lab. The employed field methods in combination with numerical simulations provide an appropriate base, to further investigate the role of the aquifer layer structure on the drawdown. The gained insight from this study provides an important contribution and gives practical implications for the future design and operation of VCW for groundwater lowering in unconfined aquifers. Eventually, the thesis highlights the potential of this new dewatering technique as an alternative to conventional dewatering methods.de
dc.contributor.coRefereeHolzbecher, Ekkehard PD Dr.
dc.subject.gerVertical circulation well (VCW)de
dc.subject.gerArbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) Methodde
dc.subject.gerfree-surface simulationde
dc.subject.gerfree-surface simulationde
dc.subject.gerSubsurface flow simulationde
dc.subject.gerHigh resolution aquifer characterizationde
dc.subject.gerGroundwater loweringde
dc.subject.engVertical circulation well (VCW)de
dc.subject.engArbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) Methodde
dc.subject.engfree-surface simulationde
dc.subject.engSubsurface flow simulationde
dc.subject.engHigh resolution aquifer characterizationde
dc.subject.engGroundwater loweringde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5DE5-4-8
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullHydrologie (PPN613605179)de
dc.identifier.ppn819684104


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