BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein videotechnisches Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur gleic zeitigen Feststellung der Grundwasser-Strömungsrichtung und -geschwindigkeit einem Bohrloch. Die Ermittlung erfolgt mittels videotechnischer Registrierung v strömungsbedingten Standortänderungen optisch erkennbarer Tracer auf einer parall zur freien Strömung verlaufenden Bildebene innerhalb eines grundwassererfüllten Mess raumes im Bohrloch. Zur Unterbindung störender Vertikalströmungen, aber auch z Arretierung der Sonde im Bohrloch, sind oberhalb und unterhalb des Messbereich Packervorrichtungen vorgesehen. Abpackerungs- und Registriervorrichtung könne zusammen als Sonde ausgeführt sein , welche in die entsprechende Solltiefe d Bohrung abgeteuft werden kann. Je nach Ausführung der Packervorrichtung ist d Einsatz des Verfahrens für alle Bohrlochdurchmesser größer als 2" geeignet. D videotechnisch betrachtete Ausschnitt der fokussierten Bildebene ist stationär bezügli der Bohrwandung und liegt im Bereich der freien horizontalen Grundwasse durchströmung innerhalb des Messraumes. Als Tracer dienen vorzugsweise fluores zierende Partikel, die auf der fokussierten Bildebene freigesetzt, und mit ein geeigneten Lichtquelle zur Eigenlichtemission angeregt werden. Diese Tracerpartik werden entsprechend der herrschenden Strömung (Filtergeschwindigkeit v suspendierend horizontal auf der Bildebene transportiert. Zum Zweck der Erfassun sehr kleiner Bewegungsabläufe entspricht die optische Auflösung der betrachtete Bildebenenfläche idealerweise der videotechnischen Auflösung des verwendeten zweidimensional erfassenden CCD-Matrixsensormoduls. Somit entspricht die mitte einer optischen Vorrichtung auf die Videosensorfläche projezierte virtuelle Bild- bz Gegenstandsgröße idealerweise der realen Bild- bzw. Gegenstandsgröße auf d betrachteten Bildebene. Zur Eleminierung von anderen Lichtquellen als das von de Tracerpartikeln reemittierte Fluoreszenzlicht sind Emissionsfilter vorgesehen, wodurc aufgrund der resultierenden hell/dunkel Kontrastierung eine gute videotechnisch Erfassung gewährleistet wird. Die während der Messung registrierten Signale werde an der Erfassungs Vorrichtung zu digitalen Rohdaten aufgearbeitet, die direkt gespeiche oder weiter zur Erdoberfläche geleitet und sofort per PC zur Ermittlung der End daten verarbeitet werden können.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Untergrund- un Grundwasserströmungen nach dem Einzel-Bohrloch-Verfahren bekannt. Einige Verfahre wie beispielsweise in der DT-AS 1271412 beschrieben, basieren auf der Erkenntni daß die Verdünnung als Funktion der Zeit eines im Bohrloch radioaktiv markierte Grundwasser- Messvoiumens proportional der zugeströmten Menge von nic markiertem Grundwasser ist. Die Ermittlung der in das Messvolumen zugeströmte unmarkierten Wassermenge ermöglicht einen Rückschluß auf die Grundwasser durchströmung des Bohrlochs. Bei diesen Methoden wird das Grundwasser im Mess abschnitt des Bohrlochs homogen mit kurzlebigen, radioaktiven Isotopen markier Anschließend wird mit einer geeigneten Sonde Richtung und Geschwindigkeit der i Bohrloch abnehmenden Strahlungsintensität ermittelt, die durch die horizontale Durch strömung des Bohrlochs von Grundwasser verursacht wird. Die Registrierung de Isotopenstrahlung erfolgt mit Szintillationszählern oder Geiger-Müller-Zählrohren, di zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasser-Strömungsrichtung einerseits al kollimierte Detektoren ausgeführt sind. Diese Ausführung in Form einer drehbare zylindrischen Bleiabschirmung weist einen Spalt zum Passieren der Strahlung auf un kann somit eine 360° Verteilung der Strahlungskonzentration im Bohrloch erfasse Andererseits können mehrere Detektoren in einer richtungsabhängigen Anordnung a einer horizontalen Ebene mit speziell gestalteten Bleiabschirmungen eingesetzt werde Eine andere Methode, wie beispielsweise aus der DT 2157848 C3 bekannt, ermittel die Strömungskennwerte aus der Verlagerung einer in die zu vermessende Strömun injizierten Tracerwolke, deren Bewegungskennwerte mittels einer Anordnung vo speziell abgeschirmten Detektoren um die Injektionsstelle herum erfasst werden.

Radiometrische Einzel-Bohrloch-Verfahren sind von der Gesellschaft für Strahlen- un Umweltforschung mbH, München/Neuherberg ¹ weiterentwickelt worden.

Aufgrund der aufwendigen Arbeitsweise mit radioaktiven Isotopen wurde ein weiteres auch auf der Verdünnunngsmethode basierendes Einzel-Bohrloch-Verfahren entwickelt ² Hierbei wird ein fluoreszierender Farbstoff, vorzugsweise Uranin, in einem abgepackerte Messabschnitt des Bohrloches homogen im Wasser verteilt. Mittels eines dünne Lichtleiter-Fasers wird monochromatisches bzw. kohärentes Licht in das markiert Wasser geleitet. Der Lichtstrahl tritt aus einem kleinen Zwei-Lichtfaser-Sondenkopf in dem Sende- und Empfänger-Lichtleiter parallel nebeneinander enden, in den Mess raum. Das in den Messraum eingeleitete Licht wird von dem Farbstoff absorbier wodurch dieser zur Reemittierung von Licht bestimmter Wellenlänge angeregt wir

ATT

Dieses Licht wird mittels des zweiten Glasfaser- Lichtleiters im Sondenkopf ü einen Emissionsfilter zu einem Fotodetektor außerhalb des Bohrlochs geleitet, der Intensität des reemittierten Lichts ermittelt. Die gemessene Intensität ist proporti der am Sondenkopf herrschenden Farbstoffkonzentration. Die Farbstoff-Konzentratio abnähme bzw. -Verdünnung als Funktion der Zeit gibt Aufschluß über die ins Me volumen zuströmende Wassermenge und somit auch der Strömungsgeschwindigk Zur Ermittlung der Richtung der Konzentrationsabnahme des Farbstoffes bzw. Grundwasser-Strömungsrichtung, wird eine Anordnung von mindestens drei beschriebenen Sondenköpfe auf einer horizontalen Ebene ins Bohrloch eingebra die mittels eines kontinuierlichen Vergleichs der an den jeweiligen Sondenk herrschenden Farbstoffkonzentration Aussagen über die Strömungsrichtung ermöglich

Ein weiteres Verfahren ist aus der JP 63106589 A 880511 bekannt, wo im Bohrl eine künstliche Grundwasseroberfläche unterhalb eines nach oben konkav gewölb Hohlraumes mittels einer subaquatischen Gaszelle erzeugt wird. Auf der künstlic Grundwasseroberfläche wird ein schwimmender Tracer freigesetzt, der sich mit an der Wasseroberfäche wirkenden Strömung bewegt. Die Tracerbewegungen dieser Wasseroberfläche können mittels einer Kamera von oben verfolgt werden.

Beim letzteren Verfahren können Miniskuseffekte an den Grenzflächen, elektrostatis Aufladungen und Strömungsanomalien an der Phasengrenze die Messergebnisse st beeinflussen.

Die Anwendung radiometrischer Methoden ist aufgrund der Verwendung radioakti Isotope sehr aufwendig und setzt entsprechende Sicherheitsvorkehrungen so Genehmigungsverfahren voraus. Fast alle radiometrischen und Fluoreszenztrac methoden zur Ermittlung der Grundwasserströmung nach dem Einzel-Bohrloch-Verfah basieren auf der Vedünnungsmethode. Bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkei wirkt sich die radiale Diffusion des Tracers und das resultierende geringe Konzentratio gefälle als Funktion der Zeit sehr nachteilig auf die Messzeit aus, die bei Strömun von 10~ ⁵ m/s pro Messung bis zu einer Stunde betragen kann ¹ . Auch bei Verfolgung kleiner Tracermengen, die in die Strömung ohne eine anschließe ' Durchmischung des gesamten Messvolumens injiziert werden, kann die radiale Diffus der Tracerwolke sehr kleine Strömungen überdecken. Auch die Weg/Zeit Dist zwischen Freisetzung der Tracerwolke und Detektor macht bei sehr kleinen Strömun geschwindigkeiten lange Messzeiten erforderlich. Aufgrund langer Messzeiten und damit verbundenen Kosten muß die Verläßlichkeit einer jeden Messung gegeben s

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:

1.: Es sollen Grundwasser-Strömungen in Brunnen innerhalb eines wesentlich kürzere Zeitraumes als mit bisherigen Methoden ermittelt werden.

2.: Standortveränderungen des Tracers sollten auch in leicht getrübten Grundwasse für den Zeitraum der Messung videotechnisch gut registrierbar sein.

3.: Eine Kontamination des Grundwassers durch Tracersubstanzen soll so gering wi möglich gehalten werden.

4.: Fehlmessungen sollten so gering wie möglich auftreten bzw. rasch aufgedeck werden können. Die Messungen sollen verläßliche Daten liefern. 5.: Die ermittelten Daten sollen unmittelbar nach der Messung zur Verfügung stehen.

Die Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt gelöst:

Zu 1.: Die optische Auflösung des CCD-Matrixsensormoduls wird auf die betrachtet fokkusierte Bildebene idealerweise im Maßstab 1 :1 übertragen , d.h. die mittels eine optischen Vorrichtung auf die CCD-Matrixsensorfläche erzeugten virtuellen Bildgröß entspricht idealerweise der realen Bildgröße des fokkusierten Bildebenenausschnitts Derzeit gebräuchliche CCD-Matrixsensoren besitzen ein optisches Auflösungs vermögen von mehreren μm pro Pixel. Daher ist es möglich, in laminar strömenden optisch transparenten Fluiden Standortveränderungen von mittransportierten mikros kopischen ^• Tracermedien bei einer Biidübertragung im Maßstab 1 :1 rasch zu erfassen Beispielsweise können somit Strömungen von 10 ^_7 m/s , ( = 0,1μm/s. , innerhalb eine Minute in Richtung und Geschwindigkeit erfasst werden. Die Registrierung vo Bewegungsabläufen bei gößeren Strömungs- Geschwindigkeiten beispielsweise 10 ^"2 m/ wird durch die hohe Abtastfrequenz des CCD-Matrixsensormoduls ermöglicht.

Zu 2.: Die Beobachtbarkeit des Tracers ist dadurch gewährleistet, daß idealerweis ein fluoreszierendes Medium eingesetzt wird, welches mit monochromatischen bzw kohärentem Licht bestrahlt wird. Das vom Tracer reemitierte Licht, das vorzugsweis im Spektralbereich der maximalen Empfindlichkeit des CCD-Zeilensensormoduls liegt wird über einen Emissionsfilter, der nur Licht von der Wellenlänge des von de Tracerpartikeln reemitierten Lichts passieren läßt, auf die Sensorfläche geleitet. S werden durch Trübstoffe oder Streulicht verursachte viodeotechnische Registrierungs fehler vermieden und eine optimale Lichtausbeute und Kontrastierung gewährleistet Durch eine entsprechend gewählte Tracerpartikelgröße wird eine Beeinflussung durc Brownsche Molekularbewegung und somit eine Diffusion weitgehend vermieden. Di Dichte der Tracerpartikel entspricht weitestgehend der des umgebenden Mediums

ERSATZBLATT

wodurch im Zusammenwirken mit der Partikelgröße eine sehr lange Suspensionsdau mehr oder weniger unabhängig von Druck, Temperatur, Dichte und Chemismus d Suspensionsmediums , gewährleistet ist. Da Grundwasser fast immer laminar strö ist auch die Gefahr der Verwirbelung der Tracer im betrachteten Bildebenenausschn sehr gering. Somit verbleiben die Tracermedien für die Dauer der Messung lan genug auf der beobachteten, horizontalen Bildebene in Suspension und videotechnis gut verfolgbar. Bei der Freisetzung des Tracers treten keine Turbolenzen auf. Zu 3.: Aufgrund der sehr hohen videotechnischen Auflösung des beobachtet Bildebenenausschnitts ist ein Einsatz von weniger 0,1 mg Tracersubstanz pro Messung z Kenntlichmachung der Strömung ausreichend, so daß keine Belastung des Grundwasse auftritt. Auch kann die Tracersubstanz nach der Messung abgesaugt werden.

Zu 4.: Aufgrund der kurzen Messzeiten ist es möglich, mehrere aufeinanderfolgen Referenzmessungen durchzuführen oder den Messtiefenabstand im Bohrloch verkleinern, um so eine statistische Sicherheit der Messgenauigkeit zu gewährleiste Messfehler können somit schnell entdeckt und ausgeschaltet werden.

Zu 5.: Die Bewegungsabläufe der Tracer werden unmittelbar nach deren Freisetzu videotechnisch registriert und die Signale in digitale Rohdaten umgewandelt. Die können direkt gespeichert, oder nach Weiterleitung zu einem PC außerhalb des Boh loches unter Einbeziehung zusätzlicher Bohrlochkenndaten sofort zu Enddaten weite verarbeitet werden, welche vor Ort angezeigt und gespeichert werden können.

Abbildung 1 und 2 stellen schematisch ein Ausführungsbeispiel dar: Die Vorrichtung zur videotechnischen Erfassung , bestehend aus CCD-Videosensormod (1). Emissionsfilter (10) und Optik (10). bildet zusammen mit der Tracergebereinheit ( und Vorrichtung zur Freisetzung der Tracersubstanz (3a) sowie der Beleuchtung Vorrichtung (13a, 8) eine Einheit, die in einem den Messraum bildenden Bohrlochabschn zwischen zwei Packern (4a,b) angeordnet ist. Die gesamte Vorrichtung ist als Sond ausgeführt, mit der ein unverrohrtes oder mit Filterrohren ausgekleidetes Bohrlo beschickt werden kann. Je nach Ausführung der Packervorrichtungen (4a,b) ist d Einsatz der Methode für alle Bohrlochdurchmesser größer als 2" geeignet. Ober und unterer Packerabschnitt (4a,b) ist durch mindestens drei dünne Rohre (5a,b,c die randlich am Messraum vorbeigeführt werden, starr verbunden. Sie dienen zusätzli zur Aufnahme von elektrischen Leitungen für den Kompass (12) und Druckleitung (16) zum Aufpumpen der Packer (4a,b) , sowie als Bypass (5a) für Vertikalströmung im Bohrloch. Vertikale Strömungen im Messraum der Sonde werden durch die Pack

(4a.b) unterbunden. Im Messabschnitt, insbesonders auf Höhe der Bildebene (2), ka das Grundwasser das Bohrloch frei durchströmen. Der Messraum kann während d Abteufung der Sonde durch eine umlaufend abdichtende Abschirmung geschü werden. Im Messraum ist das Videosensormodul (1) mit Optik (7) und Emissionsfilt (10) sowie Lichtquelienaustritt (8) und Tracergebervorrichtung (3,3a) in bestimmt Abständen untereinander angeordnet und starr mittels drei dünnen Streben (5d,e, miteinander verbunden. Diese Einheit ist freikardanisch aufgehangen (9), so daß betrachtete Bildebene (2) grundsätzlich horizontal ausgerichtet ist. Dies ist wichti da Bohrlöcher in größeren Teufen meist Abweichungen von der Lotrechten aufweis daß Grundwasser das Bohrloch im Messabschnitt aber horizontal durchströmt. D Tracer wird mittig auf Höhe des betrachteten Bildebenenausschnitts (2) mittels ein aus der Tracergebereinheit (3) in die Bildebene hineinragenden dünnen Vorrichtu (3a) freigesetzt. Diese Ausführungsform verhindert weitgehend eine Störung d freien Strömung auf der Bildebene (2). Das unterste Ende der Sonde weist ei Vorrichtung (11) zur Aufnahme eines an der Sonde ausgerichteten Kompanden (1 auf, mittels dem die registrierte Strömungsrichtung bezüglich magnetisch Nord bestim werden kann. Innerhalb des Packerabschnitts oberhalb des Messraumes (4a) ist ei Lichtquelle (13), eine elektronische Zentralsteuerung (18), sowie elektronische Modu des Videosensors (17) und Tracergebereinheit (19) untergebracht. Das von d Lichtquelle (13) emmitierte monochromatische Licht wird mittels einer Lichtleite faser (13a) in den Messraum zum Lichtquellenaustritt (8) geleitet, von wo der vo Videosensormodul (1) betrachtete Bildebenenauschnitt (2) während der Messu beleuchet wird. Das nach oben abschließende Ende der Sonde wird von ein Halterungsvorrichtung (14) zur Führung der Sonde im Bohrloch, sowie Durchführung (15) für Versorgungs- und Datenleitungen gebildet.

Nach Absenkung der Sonde in die gewünschte Solltiefe wird diese durch Aufpump der Packervorrichtung (I6,4a,b) im Bohrloch fixiert. Nach einer Zeit zur Ausdämpfu der verursachten Turbolenzen wird der Messvorgang durch Beleuchtung u videotechnische Erfassung des Bildebene nauschnitts (2) eingeleitet. Unmittelb darauffolgend wird der Tracer mittig in Höhe des betrachteten Bildebene ausschnitts (2) aus der Tracergebervorrichtung (3,3a) freigesetzt. D vom Tracer absorbierte, monochromatische Anregungslicht bedingt die Reemittieru von monochromatischem Licht abweichender Wellenlänge. Der Stand des so leuchtenden Tracerpartikels wird mittels einer Optik (7) und eines Emission

filters (10), der lediglich den Wellenlängenbereich des vom Tracer reemitierten Licht passieren läßt, auf die CCD-Videosensorfläche (1) fokussiert. Durch Strömungstransp bedingte Standortabweichungen des Tracerpartikels auf dem erfassten Bildebene ausschnitt (2) werden als Wanderung der virtuellen Lichtquelle oder Lichtquellenwol auf der CCD-Videosensorfläche (1) fortlaufend registriert. Die virtuelle Bildgröße ste dabei zur realen Bildgröße idealerweise im Verhältnis 1:1 . Die Verwendung ein Emissionsfilters (10) bewirkt die Eiiminierung von Streulichteffekten und eine hell/dunk Kontrastierung, was eine gute optisch-videotechnische Erfassung der Tracerparti gewährleistet . Bei vertikalem Drift der Tracer aus der Bildebene heraus kann Bildebenenhöhe optisch nachgeführt bzw. neu fokussiert werden. Mittels d registrierten Bewegungskennwerte wird sofort Strömungsgeschwindigkeit und -richtu ermittelt. Bei Konstanz der Datenwerte ist die Messung beendet. Die Lichtquelle (1 wird abgestellt. Bei vertikaler Bewegung der Sonde im Bohrloch wird die Tracersubsta durch Wasseraustausch und Verwirbelung aus der betrachteten Bildebene (2) entfer Sie kann aber auch mittels einer geeigneten Vorrichtung abgesaugt werde Anschließend kann ein neuer Messvorgang eingeleitet werden. Abbildung 2 zei einen horizontalen Schnitt (A-A') durch die Sonde in Höhe der fokussierten Bildeben

Außer den angeführten Patentschriften in Betracht gezogene Druckschriften:

1. Drost, W. (1984):" Einbohrlochmethoden zur Bestimmung der Filtergeschwindigk und der Fließrichtung des Grundwassers" Institut für Radiohydrometrie, GSF-Beric R 369, München .

2. Barczewski, B. (1988): "Entwicklung eines Lichtleiterfluorometers zur Untersuchu von Transport- und Vermischungsvorgängen in Strömungen" , Seminarband des A Seminars "Faser- und Integriert-optische Sensoren", Heidelberg 1988.