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Hydrologische Vorarbeiten

[378] Hydrologische Vorarbeiten nennt man auf dem Gebiet des Wasserversorgungswesens die Untersuchungen, welche sich mit Feststellung der Menge, Qualität und Gewinnungsart des zu verwendenden Trinkwassers beschäftigen.

Bei der starken und raschen Veränderlichkeit der Ergebnisse darf man sich nie mit Einzeluntersuchungen begnügen, sondern muß stets Versuchsreihen, die sich allermindestens über ein Jahr erstrecken, anstreben. Die Untersuchungen sind von vornherein planmäßig und auf breiter Basis anzustellen; versäumte Beobachtungen lassen sich meist nicht mehr nachholen.

1. Zysternenwasser. Bei richtiger Anlage und Unterhaltung ist gegen die Güte des Wassers nichts einzuwenden. Das Wasser der Hofflächen ist oft sehr unrein, besser ist das Wasser der Dächer, am besten dasjenige freier Teile der Erdoberfläche (kahler Felsen).

2. Flußwasser. Natürlich bedingte starke Schwankungen in der Wassertemperatur kommen allen Flüssen mit Ausnahme der eigentlichen Gletscherabflüsse zu, lassen sich also nicht durch geeignete Wahl eines bestimmten Flusses ausschalten. Am günstigsten verhalten sich Bäche und Flüsse, deren Wasser größtenteils durch Grundwasserströme oder Quellen geliefert wird. Mit zunehmender Wassergeschwindigkeit wächst der Transport von Schwimm-, Schwebe- und Sinkstoffen und Geschieben. Man sucht ihren Eintritt in die Fassung durch geeignete örtliche und Höhenlage des Fassungsrohrs auf ein Minimum zu reduzieren. Mit besonderer Peinlichkeit ist zu untersuchen, wo sich oberhalb der Fassungsstelle Abwassereinläufe in den Fluß befinden, wieviel Abwasser sie führen (Mengenschwankungen!) und welcher Art dieses ist. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf den Gehalt eines Flußwassers an Plankton, an Kalk-Magnesia-(Härte), Stickstoff-, Mangan-, Chlorverbindungen, sowie an Gasen, ferner auf seine Farbe, seinen Geruch und seinen Geschmack.

3. See- und Talsperrenwasser. Die Vorarbeiten umfassen zunächst die Untersuchung des Einzugsgebiets bezüglich etwaiger Ansiedlungen und deren Abwasserverhältnisse, bezüglich der Bewaldung, der Höhenlage (Regenmenge und -verteilung), des Untergrunds und etwaiger stehender Gewässer (Moore), sowie der Zuflüsse. Diese sind um so geeigneter, je weniger[378] Schwimm- und Schwebestoffe sowie Geschiebe sie führen. Hierher gehört auch die Beobachtung der Niederschlags- und Abflußverhältnisse nach Menge und zeitlicher Verteilung. Bei Talsperren ist ferner von Bedeutung die Form und Breite sowie das Sohlengefälle des Tals und die geologische Beschaffenheit des Untergrunds. Bei natürlichen Seen sind zu ermitteln: die Strömungen und der Wellenschlag, die Temperatur das Wassers in verschiedenen Tiefen und Jahreszeiten, die Selbstreinigung des Wassers. Die chemische Untersuchung des Wassers umfaßt vor allem den Gehalt an Chlor, Ammoniak und an organischen Stoffen, sowie die Härtebestimmung. Dazu kommt der Keimgehalt des Wassers. Aus gliedern ergibt sich Ort und Tiefenlage der Entnahmestelle sowie die Art der etwa notwendigen Wasserreinigungsanlage.

4. Quellwasser. Gärtner sagt: »Jede Quelle ist ein Individuum für sich, und als solches zu betrachten und zu behandeln«. Und Heim: »Schön sind die Quellen, aber trügerisch.« Daher muß die Untersuchung selbst der scheinbar besten Quellen sehr sorgfältig sein. Sie erstreckt sich zunächst auf die Liefermenge der Quelle und deren Schwankungen, die oft, namentlich in kavernösen Gebirgen (Kalkgebirge), unerwartet groß sind. Dazu kommt die geologische Untersuchung des Einzugsgebiets, welche über die für die Wasserbeschaffenheit wichtige Entstehungsweise der Quelle, bisweilen auch schon über Verunreinigungsmöglichkeiten derselben Aufschluß gibt. Letztere können herrühren von Ortschaften, Friedhöfen, gedüngten Wiesen und Feldern, von versunkenem Bach- und Flußwasser. Besonders wichtig ist die Beobachtung rascher Veränderungen des Quellwassers in chemischer Hinsicht, sowie bezüglich seiner Temperatur und etwaiger Trübungen. Solche Veränderungen weisen auf ungereinigte Zuflüsse hin, jedoch ohne daß das Fehlen solcher Veränderungen auf das Gegenteil schließen ließe. In [1], S. 455, sind 27 Regeln für das Aufsuchen von Quellen und Grundwässern zusammengestellt.

5. Grundwasser. Wir können hier zunächst auf das bezüglich des Quellwassers Gesagte verweisen. Es handelt sich also um die Erwerbung möglichst eingehender Kenntnisse über den Untergrund und die in ihm herrschenden Zustände bezüglich Herkunft, Menge, Nachhaltigkeit und Qualität des verborgen fließenden Wassers, und zwar des sogenannten Geschiebegrundwassers (s. Art. Grundwasser, S. 337). Von weiteren in Betracht kommenden Punkten seien die folgenden erwähnt. Die Tiefenlage der Fassung hängt ab von der Mächtigkeit des Grundwasserträgers und der Durchlässigkeit der obersten Bodenschichten. Diese können für Bakterien undurchlässig sein, lassen dabei aber die im Wasser (Ueberschwemmung des Fassungsgeländes) gelösten Stoffe ohne weiteres in den Untergrund absinken. In manchen Fällen wird Grundwasser unter moorigen Schichten entnommen. Ob dies von Nachteil sein kann, entscheidet örtliche Untersuchung, [1], Bd. 1, S. 105. Entnimmt man Grundwasser in der Nähe von Flüssen, so gewinnt man oft natürlich filtriertes Flußwasser (Uferfiltration). Ob dessen Menge und Qualität genügt, ist im einzelnen Fall besonders zu untersuchen. Dasselbe gilt von der neuerdings viel geübten Methode, durch Berieselung oder unterirdische Infiltration künstlich Grundwasser zu erzeugen und von der Frage, ob im Lauf des Dauerbetriebs Veränderungen der Grundwasserqualität möglich sind [1].

Der Umfang und die Methoden der Grundwasservorarbeiten haben sich in neuerer Zeit wesentlich erweitert. Wir lassen deshalb im folgenden eine gedrängte Darstellung dieses Gebiets folgen. Weiteres findet sich in sämtlichen unten angeführten Schriften.

a) Die erstmalige Untersuchung eines Geländes geschieht auf Grund vorhergehenden Kartenstudiums. Sie erstreckt sich auf die hydrographischen Verhältnisse, d.h. die offenen Gewässer mit ihren Altwässern, Flußterrassen und Alluvionen, die vorhandenen Brunnen, etwaige Sumpfgebiete sowie auf etwaige sonstige Merkmale für das Vorhandensein von Grundwasser [1], S. 453 ff., ferner auf die vorhandenen menschlichen Ansiedlungen und Fabriken und schließlich auf die Besitz- und sonstigen rechtlichen Verhältnisse. Diese Untersuchungen gestatten, unter den zur Verfügung stehenden Gebieten (»Feldern«) eine engere Auswahl zutreffen.

b) Die Bohrungen. Das zu untersuchende Feld wird mit Bohrlöchern (»Beobachtungsrohren«, s. Art. Brunnensysteme, S. 106) besetzt, mittels deren man unter Berücksichtigung aller etwa vorkommenden Unregelmäßigkeiten Profile des Untergrundaufbaus der Grundwasserstände und der wassertragenden Sohle konstruiert. Die Beobachtungsrohre sind um so enger zu stellen, je unregelmäßiger sich die Untergrundverhältnisse ergeben. Materialproben geben Aufschluß über den Grundwasserträger, aus Wasserstandsmessungen an geeignet niedergebrachten Bohrungen folgt das örtliche Grundwassergefälle. Pegel an offenen benachbarten Gewässern lehren deren Einfluß auf das Grundwasser kennen. Besondere Bedeutung ist hierbei etwaigen Wehranlagen beizumessen. Die Beobachtungen führen zu graphischen Spiegelaufzeichnungen, Untergrundprofilen sowie Höhenschichtenplanen der Grundwasserspiegel, der Grundwassermächtigkeiten und der wassertragenden Sohlen. Besondere Aufmerksamkeit ist dem etwaigen Vorkommen gespannten (artesischen) Grundwassers und von sogenannten Wasserstockwerken (s. Art. Grundwasser, S. 337) zu widmen. Alle Arbeiten sind längere Zeit hindurch laufend fortzuführen.

c) Grundwasser und offene Gewässer. Nur die allerwenigsten Flußbetten und Seefohlen können in ihren obersten Lagen als undurchlässig angesehen werden. Grundwässer und offene Gewässer werden sich also in der Regel gegenseitig nach Menge, Temperatur und Qualität beeinflussen, insbesondere wo der Spiegel des offenen Wasserlaufs relativ hoch liegt. Die Beeinflussung kann fehlen, wo der Wasserlauf sehr tief ins Gelände eingeschnitten ist. Die Stärke der Beeinflussung ist bedingt durch die zu ihrem Eintritt erforderliche Zeitdauer. Am schnellsten erfolgt sie bei gespanntem Grundwasser. Ganz eigenartige Verhältnisse treten an gestauten Flußstrecken auf. Auch bei nachträglicher Kanalisierung eines Flusses können sich die Grundwasserverhältnisse total verändern. Von besonderer, auch hygienischer Bedeutung ist die Frage, wie sich Grundwasserspiegel verändern, wenn das über ihnen liegende Gelände überschwemmt wird.[379]

Die hierher gehörigen Untersuchungen umfassen namentlich folgende Punkte: die Verteilung der Niederschläge sowie der Fluß- und Grundwasserstände, die Beschaffenheit des Untergrunds, die Lage der undurchlässigen Sohle, namentlich gegenüber der Flußsohle, deren Durchlässigkeit, die Mächtigkeit des Grundwassers und die Spiegellagen von Fluß- und Grundwasser (s. auch unter d).

d) Chemische und bakteriologische Beobachtungen. Sie müssen, um einwandfreie Resultate zu liefern, stets als Beobachtungsreihen, nicht als Einzelbeobachtungen ausgeführt werden. Sie dienen in Verbindung mit den Temperaturbeobachtungen (s. unter e) und der Methode der Leitfähigkeitsbestimmung zunächst an sich der Ermittlung der Grundwasserqualität, sodann aber zum Nachweis von Grundwasserströmen verschiedener Herkunft oder des Einflusses offener Gewässer. In Betracht kommen wesentlich die Bestimmungen des Chlors, Eisens, Mangans, der Nitrate und Nitrite, des Ammoniaks, der Härte (Karbonathärte, Sulfathärte), des Sauerstoffgehalts sowie des Abdampfrückstands und der organischen Substanz. Die Beobachtungen zur Unterscheidung verschiedener Wässer sind öfters und zu solchen Zeiten anzustellen, wo die Wässer voraussichtlich möglichst verschiedene Eigenschaften haben. Läßt sich dies nicht ermöglichen, oder sind die Eigenschaften der zu unterscheidenden Wässer gleich oder nahezu gleich, so kann man das eine Wasser künstlich verändern. So wurde bei Aschaffenburg festgestellt, daß Mainwasser nicht in eine Grundwasserfassung hereingezogen wurde, indem man das Grundwasser mit Kochsalz anreicherte: die Zunahme des Chlorgehalts im Mainwasser bewies, daß trotz des Fassungsbetriebs noch Grundwasser in den Fluß austrat.

Bezüglich des Bakteriengehalts eines Grundwassers wird oft behauptet, ein der Fassung benachbarter Flußlauf wirke infizierend. Dann sind folgende Fragen zu erörtern: 1. Wie lange braucht das Wasser, um vom offenen Wasserlauf in die Fassung zu gelangen? 2. Können pathogene Bakterien (auch Bacillus coli) so lange virulent bleiben, bis sie in die Fassung gelangt sind? 3. Ist Sicherheit vorhanden, daß Keime in der filtrierenden Bodenschicht zurückgehalten werden?

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß selbst eine für Bakterien undurchlässige Bodenoberfläche die im Wasser gelösten Bestandteile mit dem versickernden Wasser in die Tiefe gelangen läßt.

e) Temperaturbeobachtungen. Sie sind eine willkommene Kontrolle chemisch-bakteriologischer Beobachtungen. Alle Grund- und Quellwässer mit rasch wechselnder Temperatur sind verdächtig, auf schnellem Lauf ohne wesentliche Filtration von der Erdoberfläche, z.B. von offenen Gewässern, in die Tiefe gesunken zu sein. Anderseits gestattet aber Gleichmäßigkeit der Temperatur noch nicht die umgekehrte Folgerung, daß man es mit einwandfreiem Wasser zu tun habe. – Temperaturbeobachtungen finden Anwendung zur Bestimmung der Herkunft eines Wassers, z.B. wenn ein Grundwasserstrom ein Flußbett unterströmt, von dem man nicht weiß, ob es dicht oder durchlässig ist, ferner zur Bestimmung des Mengenanteils, den Fluß- und Grundwasser in einer nahe dem Fluß liegenden Fassungsanlage haben. Man verwendet hierzu die Richmannsche Regel. Mit derselben Methode kann man auch berechnen, in welchem Mengenverhältnis Wässer von verschiedener Temperatur gemischt werden müssen, um ein Wasser von gewünschter Temperatur zu erzielen.

f) Grundwassermessungsverfahren. Die Messung der Grundwasserstände geschieht durch in die Beobachtungsrohre eingelaufene Senkel. In neuerer Zeit hat man auf Grund belgischer (d'Andrimont) und holländischer Versuche erkannt, [1], S. 484, daß die Grundwasserstände eines nur am unteren Ende offenen Brunnens sich von denen in einem allenthalben geschlitzten unterscheiden können. Die ersteren liefern nur den Wasserspiegel, welcher der am unteren Ende herrschenden Wasserdruckhöhe entspricht.

Als Beobachtungsrohre genügen 1¹/₄- bis 2 zöllige Gasrohre. Zum Messen verwendet man an einem Kapselbandmaß beteiligte Eisenstäbe, die vor jeder Messung mit Kreide bestrichen werden. Eine rohere Vorrichtung ist »Rangs Brunnenmesser«.

Die Bestimmung des örtlichen Grundwassergefälls erfolgt auf Grund der Spiegelmessung in drei auf den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks von 10–50 m Seitenlänge niedergebrachten Bohrungen.

Die Messung der Grundwassergeschwindigkeiten wurde früher mittels der Salzungsmethode von A. Thiem, der Färbungsmethode, der Grundwasserwellenmethode, der elektrolytischen Methode von Richter und des Ulfertschen Verfahrens zu erreichen versucht [1], Bd. 1, S. 486. Alle diese Methoden sind heute der unvermeidlichen, in der Ungleichheit des Untergrunds begründeten Fehlerquellen wegen verlassen.

g) Grundwassermengenbestimmung. Sie läßt sich zunächst allgemein und roh durchführen mit den Größen des Infiltrationsgebiets, der Regenhöhe und des Abflußkoeffizienten. – Aus einer Fassungsanlage, die einen ganzen Grundwasserstrom überquert, geschieht die Bestimmung in folgender Weise. Der Fassung werde die Menge q entnommen, das Grundwassergefälle sei oberhalb der Fassung J₁ genügend weit unterhalb derselben J₂. Beträgt nun die Gesamtmenge des Grundwasserstroms Q, so muß sein:

Q/Q – q = J₁/J₂, woraus sich Q = J₁ (Q – q)/J₂

ergibt. Das Anwendungsgebiet dieser Methode ist naturgemäß beschränkt.

Ist F der wasserdurchlassende Querschnitt eines Grundwasserträgers, J das Grundwassergefälle, so besteht die Fundamentalgleichung:

Q = k · F · J,

wo k ein sogenannter Durchlässigkeitskoeffizient (die Durchflußmenge pro Querschnitts- und Zeiteinheit) ist. Man wird nun den Wert von k an einzelnen Brunnen feststellen und damit auf die Größe Q schließen können.[380]

In neuerer Zeit wurde von A. Thiem erstmals bei den Vorarbeiten für Prag und Leipzig eine neue Methode der Grundwassermengenbestimmung angewandt. Ist q die sekundliche Entnahmemenge aus einem Brunnen (Br, Fig. 1 und 2), über welchem (in der Strömungsrichtung des Grundwassers gesehen) die Beobachtungsröhren B₁ und B₂ stehen, so gelten mit den Buchstaben der Figuren für die durch einen gleichartigen Grundwasserquerschnitt von der Länge L fließende Wassermenge Q folgende Gleichungen:

bei freien Spiegeln (Fig. 1)

bei gespannten Spiegeln (Fig. 2)

Die Gleichung für den Wert k lautet:

bei freien Spiegeln:

bei gespannten Spiegeln:

Der Wert k schwankt nach bisherigen Untersuchungen etwa zwischen 0,0008 und 0,02. A. Thiem bezeichnet k = 0,002 schon als nicht ungünstig.

Weiteres über diese Methode findet sich in [1], S. 499, ferner in [3].

h) Versuchsbrunnenanlagen. Den bisher geschilderten Methoden haftet trotz aller Sorgfalt in der Anwendung wegen der Ungleichartigkeit der Untergrundverhältnisse mit Naturnotwendigkeit eine gewisse Unsicherheit an, die der erfahrene Fachmann durch vorsichtige Anwendung der Resultate auszugleichen sucht. Trotzdem wünschen die Stadtverwaltungen oft, das rechnerisch nachgewiesene Wasser tatsächlich zu sehen und seine Nachhaltigkeit durch einen Dauerpumpversuch mit einer Versuchsbrunnenanlage bewiesen zu bekommen. Man sollte sich einem solchen Verlangen nur unter zwingenden Gründen widersetzen.

Die Versuchsbrunnenanlagen sind provisorische Bauten, welche bestehen können aus Einzelbrunnen, Brunnenreihen oder Schlitzfassungen, meist in Verbindung mit einer Pumpanlage. Dazu kommt eine Wassermeßvorrichtung. Die Ausdehnung der Fassung (die sich leicht in die definitive umbauen lallen muß) hängt ab von der geforderten Wassermenge und den Untergrundverhältnissen. Für den Platz der Anlage gelten dieselben Gesichtspunkte wie für die endgültige Fassung: sie kommt also an dieselbe Stelle. Einfachste Aufstellungsart und möglichste Betriebssicherheit sind Grundsatz. Während des Betriebes erfolgen dauernd Wassermessungen, Spiegelbeobachtungen (auch in der weiteren Umgebung der Anlage), Temperaturmessungen, chemische Untersuchungen, Wetterbeobachtungen sowie die Austragung aller Ergebnisse.

Die Dauer der Versuche erstreckt sich von etwa drei Wochen bis zu mehreren Monaten, je nach der entnommenen Wassermenge und der Beschaffenheit des Untergrunds. Häufig werden mehrere Versuchsreihen, je bis zum Eintritt beharrender Spiegellagen, durchgeführt. Die Bau- und Betriebskosten sind recht hohe, unter 7000 ℳ. gehen sie bei Ortschaften selten herunter, haben aber beim Magdeburger Versuchsbrunnen im Fiener Bruch 500000 ℳ. erreicht.

Durch einen Versuchsbrunnenbetrieb wird man über folgende Punkte Aufklärung erhalten können: 1. Verhältnis von geförderter Menge und Absenkung; 2. Einwirkungsgrenze der Fassung; 3. Einfluß offener Wasserlaufe; 4. notwendige Länge der definitiven Fassung (unter sehr sorgfältiger Verwendung der Versuchsergebnisse); 5. Qualität des geförderten Wassers.

Literatur: [1] Weyrauch, Wasserversorgung der Städte, Leipzig 1914. – [2] Keilhack, Grundwasser- und Quellenkunde, Berlin 1912. – [3] G. Thiem, Hydrologische Methoden (Diss.), Leipzig 1906. – [4] Steuer und Sonne, Hydrologische Untersuchungen von Trink- und Grundwasser, Leipzig 1908, s.a. Gesundheitsingenieur 1906, S. 546. – [5] Thiem, Versuchsbrunnen für München, Journ. für Gasbel. und Wasservers. 1880, S. 156. – [6] Prinz, Versuchsbrunnenanlagen, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1901, S. 1821. – [7] Smecker, Hydrol. Untersuchungen, Journ. s. Gasbel. u.s.w. 1905, S. 905. – [8] Lindley, desgleichen, ebend. 1908, S. 717. – [9] A. Thiem, desgleichen, ebend. 1908, S. 790. – [10] G. Thiem, Grundwasserströme bei Leipzig und deren Ausnutzung, ebend. 1911, S. 769. – Weitere Literatur in [1], Bd. 2.

R. Weyrauch.

Fig. 1., Fig. 2.