konstruktive optimierung von trinkwasser- quellfassungen

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Bieske und Partner Beratende Ingenieure GmbH TU Darmstadt, Institut IWAR Konstruktive Optimierung von Trinkwasser- Quellfassungen im hydrologisch und ökologisch sensiblen Umfeld mit Hilfe der CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem Az:28797-23 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dr. Till Hagedorn-Rubbert Dr. Alexander Sonnenburg Prof. Dr. Christoph Treskatis Prof. Dr. Wilhelm Urban Kathrin Moshage Alexander Jokisch Marian Brenda Lohmar / Darmstadt, Dezember 2014

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Microsoft Word - 387002E004_AbschlussberichtTU Darmstadt, Insti tut IWAR
Konstruktive Optimierung von Trinkwasser-
sensiblen Umfeld mit Hilfe der CFD-Modellierung
(Computational Fluid Dynamics)
von
Kathrin Moshage Alexander Jokisch
Stichworte Wasser, Verfahren, Technik, CFD
Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n)
Zwischenberichte Nur intern
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Wassergewinnung aus Quellen umfasst in Deutschland einen signifikanten Anteil am Gesamtvolu- men zur öffentlichen Trinkwasserversorgung (2007: ca. 8-9%). Bisher liegen jedoch keine wissenschaft- lich abgesicherten Erkenntnisse über die Wirkzusammenhänge der Bauteile einer Quellfassung vor, so dass in vielen Fällen die Bauwerke zu groß und kostenintensiv sowie mit zu umfassenden ökologischen Eingriffen ausgeführt werden. Ziele des Projektes waren folgerichtig: • Verbesserung der Ausnutzung vorhandener Quellfassungen durch hydraulische Optimierung der
Bauelemente in Größe und Lage und dadurch Minimierung des Eingriffs in das ökologische Umfeld, • Vermeidung einer ökologisch irreversiblen Erschließung bisher ungenutzter Quellaustritte als Ersatz
für "defekte" Fassungen, • Nutzung bereits erschlossener Standorte mit geringen ökol. Auswirkungen durch Sanierungen, • Vermeidung und Minimierung von irreversiblen Eingriffen in der Bauphase (z. B. durch die Optimie-
rung der Fassungsgröße, die Größe der Baugrube und der abzuleitenden Wassermenge). Als wesentliches Ergebnis wurde ein Abschlussbericht mit vollständiger Projektdokumentation erstellt.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Mit Hilfe des Einsatzes der CFD-Technik (Computational Fluid Dynamics) sollte eine positive Rück- kopplung der internen Verfahrenstechnik der Quellfassung, die sich als Baukörper in das Quellumfeld in- tegrieren muss, mit dem ökologisch und hydrologisch sensiblen Quellregime erreicht werden. Es können zwei grundsätzliche Bauwerkstypen unterschieden werden: „aufsteigende“ und „absteigende“ Quellfas- sungen. Für den Bauwerkstyp der absteigenden Quellen (Rechteckbeckenvariante) und der aufsteigen- den Quellen (Rundschachtvariante) wurden jeweils typische Quellen bestimmt und Messungen daran durchgeführt. Zusätzlich wurden CFD-Modelle erstellt und Varianten simuliert. Die CFD-Ergebnisse wur- den mit den Messungen an den Quellen verglichen und Maßnahmen abgeleitet. Die Auswahl der Quel- len erfolgte auf Grundlage einer Literaturrecherche und den Praxiskenntnissen des Ing.-Büros Bieske u. Partner. Als Ergebnis wurden die systembestimmenden Randbedingungen definiert und daraus die op- timale geometrische Auslegung für bestimmte Strömungssituationen bestimmt, um so für Bauwerkssa- nierungen und Neubauten optimale Gestaltungsmöglichkeiten mit ökologischen Positivfolgen abzuleiten.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Ergebnisse und Diskussion
Durch die Untersuchungen konnte u. a. gezeigt werden, dass die Verkleinerung der technischen Einrich- tungen zur Partikelabscheidung in vielen Anwendungsfällen im Vergleich zum Ist-Zustand möglich ist. Der Lamellenabscheider wurde hierfür als geeignetes, hocheffizientes Werkzeug im Rahmen von Pra- xisversuchen bestätigt. Für eine Ausführungsvariante „klassischer“ Absetzbecken wurde eine strö- mungstechnisch optimierte Einheitsbauform modelltechnisch entwickelt. Jedoch zeigte sich durch die bautechnisch-wirtschaftliche Analyse verschiedener Praxisbeispiele, dass der Gesamtumfang des Ein- griffs in das lokale Quellumfeld oftmals nur untergeordnet von der Dimensionierung der strömungstech- nischen Einbauten abhängt. Gleiches gilt analog für die wirtschaftlichen Dimensionen des Eingriffs. Eine effektive Verbesserung der ökologischen und wirtschaftlichen Situation kann durch die strömungstechni- sche Optimierung der relevanten Quellfassungsbauteile hier nur in vernachlässigbarem Umfang erreicht werden. Ein größeres Optimierungspotential ist dagegen in Anwendungsfällen möglich, in denen bei ei- nem verstärkt punktuellen Quellaustritt der Eingriff in das Quellumfeld räumlich stark konzentriert werden kann.
Zur ökologischen und ökonomischen Optimierung der Quellfassungssanierung ist grundsätzlich eine Reduzierung des baulichen Eingriffs z. B. durch Teilsanierung, platzsparende Aufgrabungen oder den Verzicht auf Komfortbauweisen bei Zugang zu den Becken und Fassungselementen von großer Bedeu- tung. Dabei muss bei jeder Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Schutz der Umwelt und der an der Fas- sung arbeitenden Menschen im Vordergrund stehen. Ebenso ist dem Trinkwasserschutz eine besondere Bedeutung bei der Planung und Bemessung der Anlagen einzuräumen.
Sofern der Sammelschacht bzw. das Sammelgebäude einer bestehenden Quellfassung in Abhängigkeit des baulichen Zustands in der Grundsubstanz erhalten werden kann, bietet sich eine Sanierung der Fassung durch Neuausbau innerhalb des bestehenden Bauwerks an. Damit können nicht nur der Ge- ländeeingriff, sondern auch die Baukosten wesentlich minimiert werden. Das Aufgraben des Geländes kann durch aufgelöste Bauformen und Substanzerhaltungen reduziert oder gar verhindert bzw. ein Ein- griff in die Fauna und Flora im Umfeld der Bestandsfassung minimiert werden.
Die ökologische, technische und wirtschaftliche Optimierung einer Quellfassung ist nur durch eingehen- de hydrogeologische und bauwerkstechnische Vorerkundungen und eine darauf aufbauende Sanie- rungsplanung mit Betrachtung verschiedener Varianten und spezifischer Kostenvergleichsrechnungen möglich. Es ist dabei hinsichtlich des Eingriffs entscheidend, ob und in welcher Form gegebenenfalls ei- ne Teilsanierung bzw. eine flächenreduzierte Freilegung der Quelle durchgeführt werden kann. In wel- cher Größenordnung das Einsparpotential einer optimierten Quellfassungssanierung liegt, muss jedoch für jede Quellfassung anhand eines Prüfschemas individuell bestimmt werden.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Rebscher A., Jokisch, A., Sonnenburg, A., Urban, W.: "Eine Bestandsanalyse zur Gestaltung von Trinkwasser-Quellfassungen im ökologisch/hydrologischen Umfeld im Rahmen der konstruktiven Optimierung"
Sonnenburg, A., Urban, W.: „Konstruktive Optimierung des Sandfangs in Trinkwasser-Quellfassungen mit Hilfe von CFD“
Treskatis, C., Hagedorn-Rubbert, T.: „Bewertungsmatrix zur eingriffsarmen Sanierung und Wiederinbetriebnahme von Quellfassungen“
Ergänzende Veröffentlichungen werden derzeit innerhalb der Projektgruppe diskutiert.
Fazit
Eine zukünftig zentrale Aufgabenstellung im Rahmen von Quellfassungsbauten oder –sanierungen be- steht in der Praxiseinführung standardisierter, für den jeweiligen Einzelfall optimierter Bemessungs- und Planungskriterien, um so möglichst geringe ökologisch wirksame Eingriffe und Baukosten zu produzie- ren. Die Ergebnisse des mit dem vorliegenden Projektkennblatt zusammengefassten Forschungsprojek- tes sollen hierbei eine Orientierung und Stütze bieten.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Abschlussbericht zum DBU-Forschungsprojekt – Konstruktive Optimierung von Trinkwasser-Quellfassungen Seite: - 2 -
Gliederung
2.1 Di f ferenzierung unterschiedl icher Quel l typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Hydraul ische Kennzahlen einer Quel le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Bautei le einer Quel l fassungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Ökologisches Umfeld einer Quel l fassungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Bau und Bemessung von Trinkwasserquel l fassungen in der Praxis 21
3.1 Baul iche Grundsätze und Vorerkundungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Baul iche Grundsätze nach ökologischen Gesichtspunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Unterscheidung nach Fassungstyp/Bemessungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.2 Al lgemeine technische Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.3 Fassung von absteigenden Quel len . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3.4 Fassung von aufsteigenden Quel len . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.5 Fassung von Schuttquel len . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.6 Technische Anforderungen an Sammelschächte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Hydraul ische Bemessung des Sandfangbeckens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Berechnung eines rechteckigen Einhei ts-Absetzbeckens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4.2 Berechnung eines Lamel lenabscheiders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Wirtschaft l ichkei tsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 Ablauf einer konstruktiven Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5 Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Abbildungsverzeichnis
2-1 Hjulström-Diagramm zur Ermit t lung von Erosion, Transport und Sedi- mentat ion von Part ikeln in Funkt ion der Korngröße und Fl ießge- schwindigkei t (Abbi ldungsquel le: Internet-Präsenz der FU Ber l in, Fachgebiet Physische Geographie) 14
2-2 Schema der baul ichen Elemente eines Quel l fassungssammelschach- tes. Aus [TT13] 15
3-1 Zusammengefasste Bauform (Fassung und Sammelgebäude in einem Gebäudekomplex) 23
3-2 Getrennte Bauform (Fassung und Sammelgebäude nicht in e inem Ge- bäudekomplex) 24
3-3 Aufgelöste Bauform (Fassungen l iegen in anderen ökologischen Zo- nen als Sammelbauwerk) 25
3-4 Schurf nach [MS11] 29
3-5 Fassung von Überfa l lquel len 29
3-6 Fassung von Stauquel len, Fal l 1 30
3-7 Fassung von Stauquel len, Fal l 2 30
3-8 Schwerkraftdepressionsquel le 31
3-10 Skizze Lamel lenabscheider 38
3-11 Seitenansicht Lamel lenabscheider 40
4-1 Kr i ter ienkatalog zur Ermit t lung der hydrogeologischen Rand- bedingungen mit Einf luss auf d ie Bauwerksgröße und den Eingr i f f in das Quel lumfeld einer Bestandsfassung 42
4-2 Kr i ter ienkatalog zur Ermit t lung der konstrukt iven Opt imierungspoten- t ia le mit Einf luss auf d ie Bauwerksgröße und den Eingr i f f in das Quel- lumfeld einer Bestandsfassung 43
4-3 Anwendungsbeispie l für eine Quel lsanierung mit Best immung der Prüf- und Zie lkr i ter ien (Quel le mit schwankender Schüttung und Anfal l absetzbarer Part ikel) 44
4-4 Anwendungsbeispie l für eine Quel lsanierung mit Best immung der Prüf- und Zielkr i ter ien (Quel le mit konstanter Schüttung und ohne An- fal l von Part ikeln) 44
Abschlussbericht zum DBU-Forschungsprojekt – Konstruktive Optimierung von Trinkwasser-Quellfassungen Seite: - 4 -
Tabellenverzeichnis
2-1 Bautei le e iner Quel l fassungsanlage (unabhängig von der Richtung des Austr i t ts und der Schüttungscharakter is t ik) 16
2-2 Komponenten in Quel l fassungsanlagen, d ie dem hydraul ischen, hygie- nischen und arbei ts technischen Schutz der Anlage dienen (unabhängig von der Richtung des Austr i t ts und der Schüttungscharakter is t ik) 16
2-3 Eingr i f fszonierung des ökologischen Umfeldes einer Quel l fassungsan- lage 19
2-4 Eingr i f fsumfang und –minderungsmögl ichkeiten in den Bauwerkstei len einer Quel l fassung in Funkt ion des Sanierungsauslösers 20
3-1 Auf Basis von Problemstel lungen in Quel l fassungen empfohlene Vor- erkundungsmaßnahmen 21
3-2 Abmessungen Einheitsbecken 35
3-3 Abscheidetrend im Einhei tsbecken in % für verschiedene Durchf lüsse und Part ikeldurchmesser 36
3-4 Druckhöhenver lust im Einheitsbecken am Einlaufrohr und die Überfa l l - höhe am Auslaufwehr für verschiedene Durchf lüsse 37
3-5 Beispiel Berechnung Lamel lenabscheider für eine zu 100 % abzu- scheidende Korngröße von 60 µm 40
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Verzeichnis von Begriffen und Definitionen
CFD Computat ional Flu id Dynamics 7
DBU Deutsche Bundesst i f tung Umwelt 7
AZ Aktenzeichen 7
BNatSchG Bundesnaturschutzgesetz 8
Qm i n /Qm a x Schüttungsquot ient 11
Qt Wasservolumen pro Zei teinhei t zum Messzei tpunkt t (bel iebiger Zeitpunkt nach Beginn der Trockenperiode im abfal lenden Ast der Trockenwetterkurve [L³ /T] 12
Q0 Anfangswasservolumen pro Zei te inhei t zum Messzeitpunkt t = 0 (z. B. d irekt am Beginn der Trockenperiode) [L³ /T] 12
α Leer laufkoeff iz ient [T- 1 ] 12
t Zeitspanne zwischen zwei auf der Rezessionsl in ie l iegenden, f re i gewählten Messzei tpunkten t1 und t0 [T] 12
v Strömungsgeschwindigkei t [m/s] 13
g Erdbeschleunigung 9,81 [m/s² ] 13
h Standrohrspiegelhöhe über Quel laustr i t t [m] 13
φ Geschwindigkei ts- bzw. Reibungsbeiwert für die reale Strömung (<1) 13
pü Druck im Grundwasser le i ter [N/m²]; p = ρ·g·h 13
ρ Dichte [kg/m³] 13
DVGW-AB Deutscher Verein des Gas- und Wasserfachs - Arbei tsblat t 15
KTW Kontakt mit Tr inkwasser 26
k f Durchlässigkeitsbeiwert 28
L Rohr länge 34
vs Absetzgeschwindigkei t [m/s] 37
ν k i n k inematische Viskosi tät von Wasser [m²/s] 46
ρw Dichte von Wasser [kg/m³] 37
ρs Dichte der Part ikel [kg/m³] 37
d Durchmesser der Part ikel [m] 37
q Oberf lächenbeschickung [m³/(m²s) ] 38
SF Sicherheitsfaktor 0,8 [- ] 38
Ae r f Er forder l iche Absetzf läche [m²] 38
Q Durchf luss [m³/s] 38
B/H Brei te-zu-Höhen-Verhältnis 38
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L ‘ proj iz ier te Länge [m] 39
B Brei te der Plat te [m] 39
n Anzahl der Lamel len [- ] 39
L Länge der Plat te [m] 39
H Höhe des Lamel lenabscheiders [m] 39
Lg e s Länge des Lamel lenabscheiders [m] 39
D Plat tenstärke [m] 39
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Zusammenfassung Die DIN 4049 (1992) def inier t e ine Quel le a ls ör t l ich begrenzten Grundwasseraus- tr i t t . Die geologischen Bedingungen, die zur Ausbi ldung von Quel len führen können, und die resul t ierenden Quel l typen sind viel fä l t ig. Bei der Fassung von Quel len wer- den in v ie len Fäl len die Bauwerke zu groß und kostenintensiv sowie mit häufig um- fassenden ökologischen Eingr i f fen ausgeführt . Die Zielstel lungen des mit dem vor- l iegenden Ber icht dokumentier ten Projektes lassen sich daher wie folgt def in ieren:
- Verbesserung der Ausnutzung vorhandener Quel l fassungen durch hydraul ische Optimierung der Bauelemente in Größe und Lage und dadurch Minimierung des Eingr i f fs in das ökologische Umfeld,
- Vermeidung einer ökologisch i rrevers ib len Erschl ießung bisher ungenutzter Quel laustr i t te als Ersatz für „defekte“ Fassungen,
- Nutzung berei ts erschlossener Standorte mit ger ingen ökologischen Auswirkun- gen durch Neubauten (Sanierungen),
- Vermeidung und Minimierung von i rreversib len Eingr i f fen in der Bauphase (z. B. durch die Opt imierung der Fassungsgröße, d ie Größe der Baugrube und der ab- zule i tenden Wassermenge).
Hier für er fo lgten u. a. e ine Bemessung und das Design der wicht igsten hydraul i - schen Quel l fassungsbautei le mit te ls CFD-Model l ierungen (Computat ional Fluid Dy- namics) , die ökologische Bestandsaufnahme und Bewertung beispie lhaft ausge- wählter Quel l fassungen, d ie Durchführung von Praxisuntersuchungen zu Sedimen- tabscheideprozessen innerhalb von Quel l fassungen im Ist-Zustand sowie unter Ein- satz versuchstechnisch instal l ier ter Zusatzmodule (Lamel lenabscheider) und eine praxisor ient ier te Betrachtung bautechnischer und wir tschaft l icher Real is ierungs- konzepte von Quel l fassungsbauten bzw. deren Sanierung. Durch die Untersuchungen konnte u. a. gezeigt werden, dass die Verkleinerung der technischen Einr ichtungen zur Part ikelabscheidung in vielen Anwendungsfäl len mögl ich wäre. Der Lamellenabscheider wurde hier für a ls hocheff iz ientes Werkzeug bestät igt . Für eine Ausführungsvariante „k lassischer“ Absetzbecken wurde eine strömungstechnisch opt imier te Einheitsbauform model l technisch entwickel t . Jedoch zeigte s ich durch die bautechnisch-wir tschaft l iche Analyse von Praxisbeispielen, dass der räumliche und wir tschaft l iche Gesamtumfang des Eingr i f fs of tmals nur un- tergeordnet von der Dimensionierung der strömungstechnischen Einbauten ab- hängt. Eine effekt ive Verbesserung der ökologischen und wir tschaft l ichen Si tuat ion kann durch die strömungstechnische Opt imierung der re levanten Quel l fassungsbau- te i le hier nur in vernachlässigbarem Umfang erreicht werden. Ein größeres Opt imie- rungspotent ia l is t dagegen in Anwendungsfäl len mögl ich, in denen bei e inem ver- stärkt punktuel len Quel laustr i t t der Eingr i f f in das Quel lumfeld räumlich konzentr ier t werden kann. Ein Opt imierungspotent ia l ist mit der generel len Konzept ion des Ein- gr i f fs zur Quel l fassung verknüpft . Dabei sol l te grundsätz l ich der Versuch unter- nommen werden, im Rahmen von Tei lsanierungen berei ts vorhandene Bauwerk- selemente weiter zu nutzen und zudem eine räumliche Trennung von Quel l fassung und Sammelgebäude vorzusehen. Letzteres sol l te zur Steigerung der Verträgl ich- kei t der Maßnahme in ökologisch unsensiblen Bereichen platzier t werden. Das vor l iegende Projekt wurde durch die Deutsche Bundesst i f tung Umwelt (DBU) gefördert (AZ 28797). Zudem erfo lgte eine zum Tei l umfassende Unterstützung durch verschiedene Quel l fassungsbetreiber, denen neben der DBU unser Dank gi l t .
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Abschlussbericht zur konstrukt iven Opt imierung von Tr inkwasser-Quel l fassungen im hydrologisch und ökologisch sensiblen Umfeld mit Hi l fe der CFD-Model l ierung (Computat ional Flu id Dynamics)
1 Einleitung
Die bautechnische Fassung von Quel lwasser zu Tr inkwasserzwecken und dessen Ablei tung führt zu Veränderungen der Gestal t von Flächen oder des mit der beleb- ten Bodenschicht in Verbindung stehenden Grundwassers. Die Baumaßnahme an einer Bestandsquel l fassung bedingt e inen mehr oder minder ökologisch und hydro- logisch wirksamen Eingr i f f im Sinne des § 14 Abs. 1 BNatSchG („Eingr i f fe in Natur und Landschaft“) . Dieser kann die Leistungs- und Funkt ionsfähigkei t des Natur- haushaltes in unterschiedl ichem Ausmaß beeinträcht igen. Ob eine baul iche Verän- derung einer Bestandsfassung, wie z. B. durch einen sanierungsbedingten komplet- ten Neubau oder d ie Tei lsanierung einer Quel l fassung, einen Eingr i f f darste l l t , is t e in unbest immter Rechtsbegri f f und daher von der Naturschutzbehörde zu ent- scheiden. Der Einf luss der Bauwerksgröße und - form einer Tr inkwasserquel l fas- sungsanlage auf Qual i tät und Quanti tät des Quel lwassers is t aufgrund der v ie l fä l t i - gen Einf lüsse und standört l ichen Unterschiede nicht al lgemeingült ig abgrenzbar. Die Natur unter l iegt Veränderungen und is t n icht s tat isch. Daher is t beim sanie- rungsbedingten Neubau oder bei Tei lsanierungsarbeiten an bestehenden Quel l fas- sungen mit Eingr i f fen in das Quel lumfeld nicht nur d ie Is t-Si tuat ion vor dem Eingr i f f zu betrachten; es müssen auch künft ige naturräumliche Entwick lungen ohne diesen Eingr i f f im Vorfeld berücksicht igt und geschützt werden, soweit ihr Eintr i t t tatsäch- l ich zu erwarten is t . Geziel te, auf d ie spezi f ische Quel lcharakter is t ik und das öko- logische Quel lumfeld abgest immte, bautechnische Vorgaben und Bemessungsre- geln können unvermeidbare Eingr i f fe in das natür l iche Umfeld einer Bestandsfas- sung mindern hel fen. Die Zie ls tel lungen des mit dem vor l iegenden Ber icht dokument ierten Projektes wur- den daher wie fo lgt def in ier t : - Verbesserung der Ausnutzung vorhandener Quel l fassungen durch hydraul ische
Optimierung der Bauelemente in Größe und Lage und dadurch Minimierung des Eingr i f fs in das ökologische Umfeld,
- Vermeidung einer ökologisch i rrevers ib len Erschl ießung bisher ungenutzter Quel laustr i t te als Ersatz für „defekte“ Fassungen,
- Nutzung berei ts erschlossener Standorte mit ger ingen ökologischen Auswirkun- gen durch Neubauten (Sanierungen),
- Vermeidung und Minimierung von i rreversib len Eingr i f fen in der Bauphase (z. B. durch die Optimierung der Fassungsgröße, d ie Größe der Baugrube und der ab- zule i tenden Wassermenge).
Der vor l iegende Abschlussber icht sol l d ie entsprechenden Grundlagen und Anlei- tungen für d ie Praxis bei der Bemessung und Gestal tung wesent l icher, außenwirk- samer Bauwerkstei le von Tr inkwasserquel l fassungen in Form eines Leit fadens l ie-
Abschlussbericht zum DBU-Forschungsprojekt – Konstruktive Optimierung von Trinkwasser-Quellfassungen Seite: - 9 -
fern. Unter den außenwirksamen Bautei len einer Quel l fassung werden al le Kompo- nenten und Bauwerkstei le verstanden, deren Größe und Herstel lung einen Eingr i f f in d ie an das Bauwerk grenzenden Oberf lächen und die Grundwasserlei terschichten erforder l ich machen. Der Ber icht bezieht s ich daher insbesondere auf die Komplett- und Tei lsanierung von Bestandsfassungen sowie für Instandhal tungsarbeiten und Wartungsarbeiten an Quel len, die von baul ichen Eingr i f fen und Veränderungen be- glei tet werden. In Kapi te l 2 wird auf d ie Typis ierung von Tr inkwasserquel l fassungen, typische Kennzahlen, Bautei le sowie das ökologische Umfeld eingegangen. In Kapitel 3.1 wird die Bemessung von Tr inkwasserquel l fassungen auf Grundlage von Li teraturda- ten, Regelwerken sowie Erfahrungen aus der Praxis beschr ieben. Kapi te l 3.2 ste l l t grundsätz l iche Aspekte von Baumaßnahmen an Tr inkwasserquel l fassungen unter ökologischen Gesichtspunkten dar. Kapi tel 3.3 befasst s ich mit der baul ichen Um- setzung von Tr inkwasserquel l fassungen, insbesondere mit den Anforderungen bei der Sanierung. In Kapi te l 3.4 wird die hydrodynamisch hergelei tete Bemessung von Sandfangbecken und Lamel lenabscheidern zur Part ikelentfernung in Quel l fassun- gen dargestel l t . Kapite l 3.5 enthäl t e ine Wir tschaft l ichkeitsbetrachtung, während Kapi tel 4 den Ablauf e iner konstrukt iven Quel l fassungsopt imierung schematisch wiedergibt . Der Ber icht schl ießt mit e inem Fazit in Kapi te l 5.
2 Charakteristiken von Trinkwasserquellfassungen
2.1 Differenzierung unterschiedlicher Quelltypen
Quel lwasser is t Grundwasser und somit atmosphär ischen Ursprungs. Es wird dort gebi ldet, wo speicherfähige, wasserdurchlässige und wasserundurchlässige Schich- ten im Wechsel vorkommen. Eine Quel le kann zum Austr i t t kommen, wenn die Ge- ländekontur die Grenzzone zwischen einem wasserführenden Gestein und einem ger ing wasserdurchlässigen bzw. wasserundurchlässigen Gestein durchschneidet. Im Bereich der Quel lb i ldungszone steht die grundwasserhemmende Schicht in der Regel in ger inger Tiefe unter der Geländeoberf läche an. Eine hydrogeologisch begründete, systemat ische Typis ierung von Quel len unter- scheidet s ich von der lebensraumbezogenen Quel l typeintei lung [TT13]. Die Fül le d ieser Mögl ichkei ten erschwert e ine k lassische Typisierung und Systematis ierung von Quel len [RL75]. Aus wasserwir tschaft l icher Sicht erscheint s innvol l , Quel len nach ihren standört l ichen hydrogeologischen und natür l ichen Gegebenheiten zu erfassen und zu beschreiben. Folgende Kri ter ien und Abgrenzungsmögl ichkei ten für e ine standört l iche, indiv iduel le und hydrologisch motiv ier te Systemat is ierung und Klassi f iz ierung von Quel len werden empfohlen: Schüttung der Quel le, Temperatur des Quel lwassers, chemische Beschaffenheit des Quel lwassers, Beschaffenheit des Grundwasser le i ters, Umgebung des Quel laustr i t ts nach Oberf lächenform und Gesteinsbeschaffenhei t , Richtung der Grundwasserbewegung (auf- oder absteigend).
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Quel len für d ie Wassergewinnung können vereinfacht in zwei Hauptgruppen, näm- l ich nach der Richtung der Grundwasserströmung zur Austr i t tsstel le und nach der Schüttungsmenge unterschieden und eingetei l t werden. Die Austr i t tsr ichtung und die Schüttung beeinf lussen die baul ichen und bemessungstechnischen Anforderun- gen an die Quel l fassung. Absteigende Quel len (Gravi tat ionsquel len) werden von einem Grundwasserspeicher oberhalb des Austr i t ts durch Schwerkraf tentwässerung des Grundwasser le i ters, aufste igende Quel len (Über laufquel len oder ar tes ische Quel len) von einem Grundwasserlei ter unterhalb des Quel laustr i t ts entgegen der Schwerkraft gespeist . Bei absteigenden Quellen schneidet die Erdoberf läche die Grundwasseroberf läche und das Wasser tr i t t aus einem ungespannten Grundwasser le i ter aus. Zu den ab- steigenden Quel len zählen Schichtquel len, Überfa l lquel len, Überlaufquel len sowie Stauquel len. Schuttquel len s ind Sonderformen absteigender Quel len, da durch die Überdeckung der eigentl iche Austr i t t e iner Quel le verdeckt is t . Die Austr i t tspunkte dieser Quel l typen l iegen entweder in morphologischen Depressionen oder im Grenzbereich einer wasserundurchlässigen zu einer wasserführenden Schicht. Bei aufsteigenden oder artesischen Quellen t r i t t Wasser aus einem gespannten Grundwasservorkommen an die Erdoberf läche. Aszendente Quel len sind natür l iche Grundwasseraustr i t te gespannter Grundwasservorkommen, d ie über Verwerfungen oder geologische Störungszonen mit der Geländeoberf läche in hydraul ischer Ver- bindung stehen. Die Schüttung dieses Quel l typs ist im Vergleich zu absteigenden Quel len mehr oder weniger konstant und das Vorkommen ist durch die Über lage- rung des Grundwasser le i ters durch ger ing wasserdurchlässige Schichten meist gut vor Verunrein igungen geschützt [TT13]. Zu den aszendenten Quel len zählen z. B. artes ische Verwerfungsquel len und ar tesische Depressionsquel len, deren stauende Deckschichten durch Erosion entfernt wurden [BBHHHM00]. Perennierende Quellen s ind beständig schüttende Quel len, wobei die Schüttungs- höhe innerhalb eines Jahres auch erhebl ich schwanken kann. Typisches Merkmal perennierender Quel len s ind saisonale Var iat ionen in der Quel lschüttung. Die Gründe für d iese Schüttungsschwankungen s ind: Var iat ionen durch den Niederschlag, unterschiedl iches Speichervermögen des Grundwasserlei ters, Morphologie und Grundwasserüberdeckung im Einzugsgebiet, anthropogene Einf lüsse. Quel len, d ie zei tweise trocken fa l len können, werden als intermitt ierende, perio- dische, temporäre oder episodische Quellen bezeichnet. Letztgenannter Quel l typ wird im Volksmund oft auch als „Hungerbrunnen“ bezeichnet. Ephemerische Quel- len werden Grundwasseraustr i t te genannt, d ie nur nach stärkeren Niederschlägen akt iv ier t werden. Beide Quel l typen führen nur in Zei ten hoher Grundwasserstände bzw. hoher Neubi ldungsmengen Grundwasser [TT13].
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2.2 Hydraulische Kennzahlen einer Quelle
Die Schüttung einer Quel le ist abhängig sowohl von der Grundwasserneubi ldungs- fähigkei t der Gesteine, der Abfolge der geologischen Schichten und deren Wasser- wegsamkeiten als auch von fo lgenden hydrogeologischen Faktoren [TT13]: Größe und räumliche Erstreckung des Einzugsgebietes, Bodenbeschaffenhei t , Wasseraufnahme- und –speichervermögen des Untergrun-
des im Einzugsgebiet bzw. Neubi ldungsgebiet der Quel le, Bewuchs und Morphologie des Einzugsgebietes, Höhe der Grundwasserneubi ldung im Einzugsgebiet (Grundwasserneubi ldungs-
rate) , Mächt igkei t und Durchlässigkeit des Grundwasser le i ters, Geometr ie und Vernetzung der wasserwegsamen Hohlräume in Relat ion zum
Neubi ldungs- und Quel laustr i t tsgebiet , Grundwassergefäl le zwischen dem Neubi ldungs- und Austr i t tsgebiet , Standrohrspiegelhöhen in Relat ion zum Austr i t tsniveau. Die Höhe der Schüttungsmenge pro Zeiteinheit hängt in erster L in ie ab vom hydrostat ischen Druckunterschied im Grundwasserlei ter zwischen Neubi ldungs-
und Quel laustr i t tszone [HC09]; Speichervermögen und Volumen des Grundwasser le i ters [Sob78]; von der Fläche des unter ird ischen Einzugsgebietes, das über die Quel le entwäs-
sert wird [MU83]; von der Fl ießweglänge der Wasserte i lchen vom Neubi ldungs- zum Austr i t tsgebiet
[Kre13]. Die Schüttungszahl is t e ine der spezi f ischen Größen, d ie eine Quel le wasserwir t - schaft l ich charakter is ieren. Sie drückt das Verhäl tn is zwischen der größten und k le insten Quel lschüttung in e inem längeren Zeitraum (z. B. Jahr) aus [RL75, SSS94]. Große Schüttungszahlen, d. h. große Unterschiede zwischen Qm a x und Qm i n der Schüttung, werden bei Quel len mit s tark schwankenden, z. B. saisonal und wi t- terungsabhängig reagierenden Schüttungsmengen, k le ine Schüttungszahlen bei Quel len mit e inem saisonal und langfr is t ig ausgegl ichen Schüttungsmengenver lauf und daher ger ingen Unterschieden in der maximalen und minimalen Schüttung an- getrof fen. Schüttungsquot ient = 1 : Schüttungszahl Schüttungsquot ient = 1 : (Qm a x/Qm i n) [ - ] oder Schüttungsquot ient = (Qm i n /Qm a x) [ - ] Das Verhältn is aus maximaler und minimaler Schüttung sol l te bei wasserwir tschaft- l ich genutzten Quel len immer k le iner 10, der Schüttungsquotient größer 1:10 sein [HC05]. Ein Schüttungsquot ient von 1:1 bedeutet, dass die Quel le keine saisonalen Schüttungsvar iat ionen erfährt ; Schüttungsquotienten von 1:100 weisen auf starke saisonale Einf lüsse auf das Schüttungsverhal ten der Quel le hin. Schüttungsquoti - enten um 0,1 (1:10) und k le iner s ind charakter ist isch für Karst- und Kluf tquel len,
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d ie ein ger inges Retent ionsvermögen für d ie eingespeicherte Wassermasse haben können, während höhere Quot ienten um 0,7 (1:1,4) für Quel len aus den besser speicherfähigen und retardierenden Schotter- oder Kies-Sand-Grundwasserlei tern typisch s ind [HC05]. Die Leerlaufgerade spiegelt mit ihrer Steigung die hydraul ischen Speichereigen- schaften des Untergrundes und das Retent ionsvermögens der unter ird ischen Was- serwegsamkeiten für das Quel lwasser und die zei t l ich var iable Ergiebigkei t des Grundwasserspeichers wider. Eine große Steigung der Leer laufgeraden (ste i ler Ver lauf) weist auf eine ger inge Speicherfähigkei t und ein rasches Abkl ingen der Quel lschüttungen hin, während ein f lacher Ver lauf ein höheres Rückhalte- und Speicherpotent ial sowie eine stabi lere Ergiebigkei t des Grundwasserlei ters andeu- tet . In der Praxis werden die Leer laufgeraden einer Quel le für verschiedene Zei tab- schnit te im Wit terungsverlauf ermit te l t , um den Einf luss saisonaler oder hydrogeo- logischer Ef fekte auf den Grundwasserspeicher zu best immen. Der abfal lende Ast e iner Schüttungsgangl inie entspr icht nach Durchgang einer Abf lussspitze einer Pe- r iode ohne den Einf luss eines Neubi ldungsereignisses. Die Analyse dieses Tei ls der Schüttungskurve einer Quel le wird daher auch „Rezessionsanalyse“ genannt. Mathematisch beschreibt d ie Formel von [Mai1905] analog zur Trockenwetterab- f lusskurve eines Oberf lächenf l ießgewässers die Form der abfal lenden Schüttungs- kurve einer Quel le nach dem letzten vers ickerungswirksamen Niederschlagsereig- nis:
t 0t eQQ
mi t : Qt : Wasservolumen pro Zei teinhei t zum Messzei tpunkt t (bel iebiger Zei tpunkt nach
Beginn der Trockenper iode im abfal lenden Ast der Trockenwetterkurve [L³ /T] Q0: Anfangswasservolumen pro Zei teinhei t zum Messzei tpunkt t = 0 (z. B. direkt
am Beginn der Trockenper iode) [L³ /T] α : Leer laufkoeff iz ient [T- 1 ] t : Zei tspanne zwischen zwei auf der Rezessionsl in ie l iegenden, f re i gewähl ten
Messzei tpunkten t1 und t0 [T] Der Leer laufkoeff iz ient α wird meist in der Einheit 1/d angegeben und ste l l t e ine direkte Beziehung zwischen der Schüttungsmenge und der Zeit her. Die Austrittsgeschwindigkeiten des Quellwassers im Fassungsbereich und der l i thologische Aufbau des Grundwasser le i ters best immen den Transport von Trüb- stof fen und Sandpart ikeln. Die Austr i t tsgeschwindigkei t des Quel lwassers kann vereinfacht mit dem Abf luss aus einem Behälter (= hydrologischer Speicher) über einen def in ier ten Austr i t tsquerschni t t beschr ieben werden [TT13]. Nach dem Tor i- cel l i -Pr inzip is t in diesem Fal l d ie Austr i t tsgeschwindigkei t des Wasserstrahls aus einer Kluf t oder einem Porenkanal mit der Fläche A so hoch wie beim freien Fal l des Wassers aus der Höhe h. Die Austr i t tsgeschwindigkei t des Wassers is t somit nur von der Druckhöhe des Quel lwassers am Austr i t tspunkt abhängig. Da der Druck im Grundwasser le i ter wie in e inem Behälter in a l len Richtungen gleich stark wirkt , is t es für die Höhe der Austr i t tsgeschwindigkei t des Wasserstrahls unerhebl ich, wo s ich der Austr i t t des Wassers im Raum bef indet. Für den ungespannten Grundwas- ser lei ter und Gravi tat ionsquel len kann exemplar isch der Ansatz nach Tor icel l i für e inen offenen Behälter gewählt werden; für einen gespannten Grundwasserlei ter
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oder artes ische Quel len kann der Ansatz für den Druckbehälter zur Abschätzung der Austr i t tsgeschwindigkei t des Wasserstrahls verwendet werden:
v = h g 2 [2.1]
v =
p hg2
ü [2.2]
mit : v: Strömungsgeschwindigkei t [m/s] g: Erdbeschleunigung 9,81 [m/s² ] h: Standrohrspiegelhöhe über Quel laustr i t t [m] φ : Geschwindigkei ts- bzw. Reibungsbeiwert für d ie reale Strömung (<1) pü: Druck im Grundwasser le i ter [N/m²] ; p = ρ ·g·h ρ : Dichte [kg/m³] Berechnungsbeispiel für einen gravitat iven Quellaustritt aus einer Kluf tzone im Dolomit mit e iner Wassersäule von 10 cm über dem Grundwassernicht le i ter im Quel lmund [TT13]: gegeben:
h = 0,1 m g = 9,81 m/s² φ = 0,5 Aus Gleichung [2.1] ergibt s ich eine auf den austretenden Wasserstrahl bezogene Fl ießgeschwindigkeit am Quel lmund von ca. 0,7 m/s oder 2,5 km/h. Nimmt man ei- nen zyl indr ischen Wasserstrahl an, so könnte man durch die Mult ip l ikat ion der Ge- schwindigkei t mit der Austr i t ts f läche (Kluf t f läche) das dort theoret isch z. B. aus einer Kluf t austretende Volumen pro Zeiteinhei t ausrechnen. Da der „Wasserstrahl“ am Austr i t tspunkt der Quel le in der Natur n ie zyl indr isch is t und berei ts nach kurzer Entfernung vom Austr i t tspunkt aus dem Gestein sich verändert hat (z . B. durch Kontrakt ion), müsste ein Korrekturfaktor von ca. 0,6 für die Austr i t tsmenge einge- führt werden [TT13]. Nimmt man für das oben aufgeführte, s tark vereinfachte Be- rechnungsbeispiel e inen rechteckig geformten Austr i t tskluf tkanal von 0,01 m Brei te und 0,1 m Höhe an, so ergäbe sich eine rechner ische Austr i t tsmenge von 1,5 m³/h. Bei e iner beispie lhaft angenommenen Erhöhung der Druckhöhe an der Austr i t tsste l- le auf 0,2 m erhöhen s ich die Austr i t tsgeschwindigkei t rechner isch auf ca. 1 m/s und der Austr i t tsvolumenstrom auf ca. 2,2 m³/h [TT13]. Die Einströmungsgeschwindigkeiten des Quel lwassers in d ie Fassungs- und Sam- melbecken kann so groß werden, dass Feinpart ikel b is zur Sandfrakt ion aus dem Grundwasserraum mitger issen werden (s. Hjulström-Diagramm in Abbi ldung 2-1). Diese Part ikel lagern s ich entweder im Sandfang ab, oder werden in Funkt ion der Fl ießgeschwindigkeiten des Quel lwassers in d ie Sammel le i tung mitger issen.
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Abbi ldung 2-1: Hjulström-Diagramm zur Ermit t lung von Erosion, Transport und Se- dimentat ion von Part ikeln in Funkt ion der Korngröße und Fl ießge- schwindigkei t (Abbi ldungsquel le: Internet-Präsenz der FU Berl in, Fachgebiet Physische Geographie)
2.3 Bautei le einer Quellfassungsanlage
Eine Quel l fassungsanlage besteht aus zwei Bauwerkskomponenten: der e igentl ichen Fassung (Sickerrohrstränge, Sicker le i tungen, Kiesdränagen
etc.) , dem Sammelschacht oder Sammelgebäude mit Absetz- und Sammelbecken. Die beiden Bauwerkskomponenten können als getrennte Bauwerksgruppen oder in e iner Bauwerksgruppe err ichtet worden sein (s. auch Kapite l 3.4) . Bei getrennten Bauwerksgruppen l iegen die Fassungselemente meist oberhalb des Sammelschach- tes bzw. –gebäudes und sind mit d iesem über eine Sammel le i tung verbunden. In e in igen Fäl len werden aber auch Fassungstei le und Sammelschächte in e iner Bau- werksgruppe zusammengefasst. Dies bedeutet für die Eingr i f fsbetrachtung, dass bei e iner aufgelösten Bauform nach Fassung und Sammelbauwerk getrennte Eingr i f fe geplant werden können. So können Tei lsanierungen in einer Bauwerksgruppe ausgeführt werden, ohne die an- dere zu beeinträcht igen. Bei e iner gemeinsamen Fassung und Sammlung des Quel lwassers in e iner Bauwerksgruppe werden Eingr i f fe meist beide Komponenten betref fen. Die Größe des Eingr i f fs is t bei beiden Konstel lat ionen jedoch sehr stark von den hydrogeologischen und naturräuml ichen Randbedingungen abhängig.
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Abbi ldung 2-2: Schema der baul ichen Elemente eines Quel l fassungssammel- schachtes. Aus [TT13].
Zum Fassen des Wassers werden Rohre in Gräben ver legt. Damit das Wasser nicht am Rohranfang vorbeif l ießt , werden auf beiden Sei ten der Verrohrung Lehmschläge in den Graben verbaut. Zwischen der Quel le und dem Rohranfang wird eine Kiespa- ckung eingeschüttet und der Graben mit Lehm (Lehmschläge) abgedeckt. Der Rohr- graben der Quel l le i tung sowie die Baugruben der Quel l fassungsbauwerke und Frei- legungszonen werden zusätz l ich durch sogenannte Lehmwände oder Fassungs- mauern abgedichtet , um das Ver laufen der Quel le über den Rohrgraben zu vermei- den. Das Quel lwasser f l ießt im Freispiegel durch die Quel lwasserlei tung zu einem t iefer gelegenen Quel lsammelschacht und von dort in d ie Wasserspeicher oder -ver te i lsysteme. Abbi ldung 2-2 zeigt vereinfacht d ie wesent l ichen Bauelemente ei- nes Quel lsammelschachtes. In der Tabel le 2-1 s ind die wicht igsten Bautei le und ihre Bemessungskr i ter ien zu- sammengestel l t worden. Die Bemessung der hydraul ischen Funkt ionstei le or ient iert s ich an den technischen Regelwerksdokumenten DVGW-AB W 113, W 118 und W 127. Neben den bemessungstechnisch zu charakter is ierenden Bautei len s ind an einer Quel l fassungsanlage auch zahlre iche Komponenten zu verbauen, d ie dem hydraul ischen, hygienischen und arbei ts technischen Schutz der Anlage dienen. Da- zu gehören die in der Tabel le 2-2 aufgeführten Bauwerkstei le, d ie d ie Größe und Ausdehnung des Fassungssystems und der Sammelbauwerke nicht unerhebl ich be- einf lussen.
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Tabel le 2-1: Bautei le e iner Quel l fassungsanlage (unabhängig von der Richtung des Austr i t ts und der Schüttungscharakter is t ik)
Bauteil Zuordnung zur Bauteilgruppe
Durchmesser nach der maximalen Schüttung (Strömungsgeschwindig- kei t 0,1 bis 0,4 m/s)
Mater ia l der Sicker le i tung
Wasserbeschaffenhei t
Kiespackung Abst immung auf das anstehende Gebirge (gemäß DVGW W 113)
Schl i tzung der Sicker le i tung
Abst immung auf das anstehende Gebirge ( in Anlehnung an DVGW W 118)
Fassungsmauer Brei te und Höhe in Funkt ion der Zuf lussverhältnisse vor Ort zu be- messen; Gründung im Stauhor izont (Durchstoßen des Stauers ist zu vermeiden!)
Sammelle i tung Übergang zum Sammelschacht
Mindestens DN 100; Durchmesser nach der maximalen Schüttung; Ge- fä l le beachten
Absetzbecken (s . Kapi tel 3.4)
Sammelschacht/ -gebäude
Maximale Schüttung und Abschei- deerfordernis (Sandführung, Trü- bung des Quel lwassers)
Sammelbecken Maximale Schüttung
Einlaufseiher zur abgehenden Leitung
Anordnung 20 cm über dem Becken- boden; Durchmesser nach der maxi- malen Schüttung
Korpus des Sammelgebäudes
Maximale Schüttung und Abscheide- erfordernis
Tabel le 2-2: Komponenten in Quel l fassungsanlagen, die dem hydraul ischen, hygie- nischen und arbei tstechnischen Schutz der Anlage dienen (unabhän- gig von der Richtung des Austr i t ts und der Schüttungscharakter ist ik)
Bauteil Zuordnung zur Bauteilgruppe
Fassung
Lehmabdichtung Schutz vor Fremdwasserzutr i t ten; Gewährleistung einer hygienisch und chemisch einwandfreien Was- serbeschaffenheit
Hangdrainage Schutz vor Fremdwasserzutr i t ten
Hangsicherung mit Graseinsaat
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Bauteil Zuordnung zur Bauteilgruppe
Übergang zum Sammelschacht
Armaturen und Mess- einr ichtungen (Wehre, MID, Sonden etc.)
Sammelschacht/ -gebäude
Betr iebl iche Steuerung der Quel l - fassung; Messwerter fassung
Überlauf/Leer lauf/ Froschklappen
Betr iebl iche Steuerung der Quel l - fassung; Überf lutungsschutz; Rück- stauschutz; Schutz vor Tieren und Fremdkörpern
Einst iegslei ter / Treppen
Zugang zu den Becken und Bedien- armaturen sowie Messeinr ichtungen
Zugangsöffnungen oder Türen
Geschützter Zugang zu den Becken und Bedienarmaturen sowie Mess- einr ichtungen
2.4 Ökologisches Umfeld einer Quellfassungsanlage
Die Fassung von Quel lwasser über ein eigens dafür err ichtetes Fassungsbauwerk bedingt zwangsläuf ig e ine Unterbrechung der natür l ichen Grundwasseraustr i t te und eine Verhinderung des Eintr i t ts d ieses Quel lwassers in das quel lspezi f ische Umfeld und dessen Ökosystem. Bei der Eingr i f fsbeurte i lung für Baumaßnahmen an Quel len werden unterschieden: 1. vermeidbare Auswirkungen 2. unvermeidbare Auswirkungen Vermeidbare Auswirkungen e iner Baumaßnahme müssen grundsätzl ich unterbun- den werden. Bei Baumaßnahmen an Quel l fassungen können z. B. e ine f lächenredu- z ier te Aufgrabung des Quel lmundes und eine Schonung benachbarter Quel laustr i t te sowie des unterstromigen Quel lbaches zur Minderung und Vermeidung bei t ragen. Bei Dränmaßnahmen, d ie im Verlauf von Sanierungsarbeiten oder für die Sicherung der Quel l fassung gegenüber unerwünschten Sickerwässern er forder l ich werden können, is t der Eingr i f f auf das Notwendigste zu minimieren. Dränagen verändern den Wasserf luss im Boden und können im Umfeld von Quel len zu Veränderungen in der Bodenstruktur (Setzungen) oder im Bodenwasserhaushal t (Austrocknen) führen. Daher s ind die Auswirkungen einer Dränung und Niederschlagswasserablei tung auf den Ober- und Unterstrom der Quel le zu untersuchen. Eine klar def in ier te Vorf lut is t für das Dränwasser zu schaffen. Dabei is t zu berücksicht igen, dass Dränagen nur fre i bewegl iches Grund- oder Bodensickerwasser aufnehmen können. Dazu müssen die Dränagerohre und deren Funkt ion überwacht und gewartet werden. Hinweise zur Bemessung und hydraul ischen Wirkung von Dränagen auf den Boden und den Bodenwasserhaushalt s ind z. B. in der Dränanlei tung von [Egg81] zu f in- den.
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Unvermeidbare Auswirkungen, wie z. B. d ie Abf lussminderung in den Quel lbach und Bodenverletzungen im Zuge der Bauarbei ten können dagegen nur minimier t und z. B. durch Ersatzpf lanzungen oder durch eine best immte Übereichablei tung in den Quel lbach ausgegl ichen werden. Kompensat ionsmaßnahmen regelt der § 15 BNatSchG. Zur Eingr i f fs f läche gehören bei der Sanierung oder beim Rückbau von Quel l fas- sungsanlagen: Fassungsbereich (z. B. Sammelstränge, Sickerrohr lei tungen oder Stol len), Sammelbauwerke, Rohr le i tungstrassen, Zuwegung, über die al le Maßnahmen zur Sanierung, Instandhaltung und Wartung
der Fassung im Quel lbereich abgewickel t werden müssen. Durch einen landschaftspflegerischen Begleitplan werden die Maßnahmen dar- gestel l t und beschrieben, d ie bei e inem Bauvorhaben mit Eingr i f fen in Natur und Landschaft im unmit te lbaren Baufeld oder seinem Wirkbereich zur Kompensation und Minimierung des Eingr i f fs geplant s ind. Unter lagen zur Beurte i lung eines Ein- gr i f fs in Natur und Landschaft können als Bestandtei l der wasserrecht l ichen oder baurecht l ichen Genehmigungsunter lagen bei e inem Neubau oder einer Sanierung einer Quel l fassung im Einzel fal l er forder l ich werden. Im Vorfeld sol l ten die Notwen- digkeit einer Erarbeitung und der Umfang solcher Unter lagen und der dazu er for- der l ichen Untersuchungen mit der zuständigen Behörde abgest immt werden [TT13]. Das ökologische Umfeld einer Quellfassungsanlage kann in Bezug auf die Ein- gr i f fswirkungen in drei Zonen unterschiedl icher Eingr i f fsrelevanz und Eingr i f fssensi- t iv i tät untergl iedert werden (Tabel le 2-3, vgl . h ierzu auch Kapi te l 3.2) : Eingr i f fszone A: Ökologisch sensible Zone im Umfeld der Fassung (ehemaliger
Quel lmund) Eingr i f fszone B: Transi tzone (Trasse der Sammellei tung bei der aufgelösten
Bauform) Eingr i f fszone C: Ökologisch weniger sensible Zone im Umfeld der Sammelge-
bäude oder Sammelschächte Bei der aufgelösten Bauform (räumlich getrennte Fassungsbereiche und Standorte für Sammelbauwerke) s ind die drei Zonen durch entsprechende Kart ierung fest- ste l lbar und die Eingr i f fsgestal tung auf d ie jewei l ige Ausprägung der Zone abzu- st immen. Bei der e inhei t l ichen Zusammenfassung von Fassung und Sammelgebäu- de in e inem Bauwerk können je nach ör t l ichen Randbedingungen al le drei oder nur e inzelne Zonen ausgebi ldet sein.
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Tabel le 2-3: Eingr i f fszonierung des ökologischen Umfeldes einer Quel l fassungsanlage
Eingriffszone Betroffener Bereich einer
Eingriffsbeurtei lung
A Fassungsstränge im ehemaligen Quel lmund oder im ehemal igen Aus- tr i t ts- oder Aufst iegsbe- reich des Quel lwassers
Eingr i f fe s ind auf das vertretbare Maß zu minimieren; Überprüfung er forder- l ich, ob die Fassung nicht erhal ten werden kann oder grabenlose Vortr ie- be angewendet werden können.
B Trasse der Sammelle i- tung, d ie das Quel lwas- ser zum Sammelgebäude oder Schacht le i tet
Je nach Länge und Lage der Lei tung s ind Eingr i f fe bei e iner Sanierung öko- logisch weniger sensit iv e inzuschät- zen, da die Lei tung meist außerhalb der ehemaligen Quel lzone ver legt wurde. Jedoch können heute Sekun- därbiotope und –lebensräume ent- standen sein, d ie bei e iner Sanierung der Lei tung beeinträcht igt werden können; d ie Lage der Trasse und das Ver legeverfahren wären zu überprü- fen, um den Eingr i f f zu minimieren.
C Sammelgebäude außer- halb der e igent l ichen Quel lzone
Je nach Lage und Größe des Gebäu- des sind sanierungsbedingte Eingr i f fe ökologisch ger ing sensi t iv einzuschät- zen, da die Gebäude oder Schächte außerhalb der ehemaligen Quel lzone gebaut wurden. Jedoch können heute Sekundärbiotope und –lebensräume entstanden sein, die bei e iner Sanie- rung des Sammelgebäudes/-schachtes beeinträcht igt werden können; e ine Minimierung kann z. B. durch Tei lsan- ierungen innerhalb des Gebäudes oh- ne Außenwirkung erreicht werden.
Der Eingr i f fsumfang an einer Quel l fassung is t während einer Sanierungsmaßnahme vor a l lem abhängig von: Qual i tät des Quel lwassers (z. B. mikrobiologische Beeinträcht igungen werden
meist durch das Quel lumfeld und dessen Wegsamkeiten und Nutzungen indu- z ier t) ;
Quel lschüttung (Rohrdimensionen und Bemessung der Sammelschächte) ; Sandführung (ausgelöst durch die L i thologie des Quel lwasserlei ters und dessen
Überdeckung); , Trübung (ausgelöst durch Oberf lächenwasserzutr i t te und die l i thologische Aus-
bi ldung des Grundwasser lei ters) ; Bausubstanz der Fassungsstränge (z. B. können Einbrüche von Fremdmater ial
und Wurzeleinwüchse die Schüttung und Quel lwasserbeschaffenheit massiv be- einträcht igen);
Bausubstanz des Sammelgebäudes (Undicht igkei ten und Fremdwasserzutr i t te sowie Eindr ingen von Tieren beeinträcht igen die Quel lwasserbeschaffenheit) ;
Zuwegung zur Fassung und zum Sammelschacht (beeinf lusst die Sanierungsfä- higkeit und die technischen Sanierungsmögl ichkei ten) .
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Die nachfolgende Tabel le 2-4 beurtei l t qual i tat iv den Eingr i f fsumfang und deren Minderungsmögl ichkeiten in den Bauwerkstei len einer Quel l fassung im Zuge von Sanierungsmaßnahmen. Dabei wurden die o. g. Sanierungsauslöser berücksicht igt . Tabel le 2-4: Eingr i f fsumfang und –minderungsmögl ichkeiten in den Bauwerkstei len
einer Quel l fassung in Funkt ion des Sanierungsauslösers
Ursache des Sanierungs- erfordernisses
Flächige Abdichtung der Fassungsstränge; Ro- dung von Bäumen und Strauchwerk
Mögl ichst exakte Best immung der Undicht igkei ten, z. B. mit Tracergastests [TZ13] oder Tra- cerversuchen
Rückgang der Quel lschüttung
Rodung von Bäumen und Strauchwerk; Frei- spülen der Stränge oder Neuver legung mit Er- r ichtung von Lehm- r iegeln oder Fassungs- mauern
Erkundung der Zuf lüsse zur Quel l fassung mit te ls minimal in- vasiver Bohrungen; Eingrenzung der er forder l ichen Fassungsbe- reiche; Wahl e ines grabenlosen Herstel lverfahrens (z. B. Press- bohren) zur Einbr ingung neuer Stränge
Sandführung Reduzierung turbulenter Fl ießverhältn isse durch geeignete Absetzbe- cken oder Lamel len- abscheider
Anpassung der Absetzbeckenge- ometr ie an die Sandführung, den geforderten Abscheidegrad und die maximale Schüttung
Trübung Kein Absetzen mögl ich; Fi l t rat ion er forder l ich
Bau der Fi l t rat ion außerhalb der Zonen A und B in einem ökolo- gisch wenig sensiblen Gebiet
Marode Bausubstanz der Fassungssträn- ge
Neuver legung der Stränge
Erkundung der Zuf lüsse zur Quel l fassung mit te ls minimal in- vasiver Bohrungen; Eingrenzung der er forder l ichen Fassungsbe- reiche; Wahl e ines grabenlosen Herstel lverfahrens (z. B. Press- bohren) zur Einbr ingung neuer Stränge
Marode Bausubstanz des Sammelgebäu- des
Abr iss des Gebäudes und Neubau
Überprüfung, ob nur die Außen- haut oder das komplet te Bauwerk sanier t werden müssen
Art und Lage der Zuwegung zur Fassung und zum Sammelschacht
Trassierung und Be- fest igung für Schwer- lastverkehr (zumindest für d ie Sanierungsmaß- nahme)
Trassierung in ökologisch wenig sensiblen Bereichen; Verwen- dung von kle ineren Fahrzeugen mit ger ingeren Lastklassen
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3 Bau und Bemessung von Trinkwasserquellfassungen in der Praxis
3.1 Bauliche Grundsätze und Vorerkundungsmaßnahmen
Um irrevers ib le Schäden an der Quel le zu vermeiden, muss bei Err ichtung der Quel l fassungen mit äußerster Sorgfal t vorgegangen werden. Bei den Schurfarbei ten zum Austr i t tspunkt der Quel le darf auf keinen Fal l e ine undurchlässige Sohl- oder Deckschicht des Aquifers zerstört werden. Ebenso wie beim Hochstauen des Grundwasserspiegels kann dies zu einem Wasserausbruch an anderen Stel len füh- ren. Zur Versiegelung der Anlage gegenüber Oberf lächenwasser sol l ten eine ange- messene Überdeckung (sofern mögl ich mindestens 3,0 m) der Quel l fassung sowie Drainagen zur Ablei tung des im Oberstrom anfal lenden Oberf lächenwassers ange- legt werden. Für d ie (Sanierungs-)Planung einer Quel l fassung is t zunächst der hydrogeologische Quel l typ festzustel len, da hiervon die grundsätzl iche Bauart und die Gestal tung der Quel l fassung abhängig s ind (DVGW-AB W 127). Die endgül t ige Fest legung des Fassungsbaus kann im Al lgemeinen erst nach Frei legung der Quel lwasserzutr i t te und Best immung der Zuf lussrandbedingungen er folgen. Demnach is t beim Bau von Quel l fassungen in der Regel e ine baubeglei tende Ausführungsplanung er forder l ich. Das Zie l e iner Quel l fassungssanierung is t die Opt imierung der Quel lwasserbeschaf- fenheit bzw. der Quel lschüttung oder auch die Modernis ierung des bestehenden Bauwerks unter Berücksicht igung des Standes der Technik zur Einhaltung heut iger technisch-hygienischer sowie quant i tat iver Anforderungen. Dabei s ind neben den technischen Anforderungen an die Fassung auch die hydraul ischen Randbedingun- gen im Sammelbauwerk zu bewerten und an die aktuel le Si tuat ion anzupassen. Welche (Tei l - )Sanierungsmaßnahme im Einzel fa l l zur Zie lerreichung bei trägt , muss mithi l fe von geeigneten hydrogeologischen und bautechnischen Voruntersuchungen überprüft werden. Bei den nachfolgend aufgeführten Problemstel lungen empfiehlt es s ich, d ie zuge- ordneten Voruntersuchungen im Vorfeld der Sanierung einer Bestandsfassung durchzuführen (Tabel le 3-1) . Tabel le 3-1: Auf Basis von Problemstel lungen in Quel l fassungen empfohlene Vor-
erkundungsmaßnahmen
Baggerschürfe, Sondierungsbohrungen, Auswertung Quel lschüttungsmessung
Zurückgehende Quel lschüttung Baggerschürfe, Sondierungsbohrungen und Pumpversuche, Auswertung von Quel l - schüttungsmessung, ggf . Kamerabefahrung
Veränderung der Wasserqual i tät , z . B. mikrobiologische Belastung, Trübung
Geländebegehung, Wasseranalysen, Mar- k ierungsversuche, Tracergastests, Auswer- tung Temperatur- , Lei t fähigkei ts- und Trü- bungsmessungen, ggf. Kamerabefahrung.
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Problemstellung/ vermutete Probleme
Störung der schützenden Deck- schicht im Fassungsbereich eventuel l e inhergehend mit Veränderung der Wasserqual i tät (s . o.)
Geländebegehung, Wasseranalysen, Mar- k ierungsversuche, Tracergastests, Auswer- tung Temperatur- , Lei t fähigkei ts- und Trü- bungsmessungen, ggf. Kamerabefahrung.
Wurzeleinwachsungen in den Sicker le i tungen
Kamerabefahrung
Die Mögl ichkeiten und Kosten der Vorerkundungsmaßnahmen hängen insbesondere von der Lage und f lächigen Verte i lung der Quel laustr i t te, der Morphologie des Ein- zugsgebietes und der Erreichbarkei t des Quel lgebietes mit Baufahrzeugen (z. B. Bohrgeräten und Baggern) ab. Die Untersuchungen s ind unter fachl icher Beglei tung auszuführen und im Hinbl ick auf d ie mögl ichen und erforder l ichen Sanierungsmaß- nahmen auszuwerten. Nur info lge umfassender Vorerkundungen kann eine opt imale und ziel führende Sa- nierungsmaßnahme durchgeführt und ggf. über die Mögl ichkei ten einer eingr i f fsär- meren Tei lsanierung entschieden werden. Welcher Aufwand der Vorerkundung im Hinbl ick auf d ie Gesamtmaßnahme und den technischen und wir tschaft l ichen Vortei l der Sanierungsmaßnahme gerechtfer t igt is t , muss im Einzel fal l im Rahmen der Grundlagenermit t lung zur Baumaßnahme abgeschätzt werden. Bei der Vorerkun- dung s ind minimal invasive Verfahren anzuwenden, um weder den Quel lmechanis- mus noch das ökologische Umfeld der Bestandsfassung zu beeinträcht igen [TT13]. 3.2 Bauliche Grundsätze nach ökologischen Gesichtspunkten
Wie in Kapite l 2.4 dargelegt, s ind im Rahmen einer Quel lwassernutzung durch bau- l iche Fassungsanlagen die hieraus potent ie l l fo lgenden vermeidbaren Auswirkun- gen zu unterbinden und unvermeidbare Auswirkungen zu minimieren . Bei Bedarf s ind die unvermeidbaren Folgen einer Quel lwassernutzung im Rahmen eines Land- schaftspf leger ischen Beglei tp lans zu dokumentieren und entsprechende Aus- gleichsmaßnahmen vorzusehen. Die beiden zur Quel lwassernutzung i . d. R. er forder l ichen Bauwerkskomponenten Fassung und Sammelschacht können als getrennte Bauwerksgruppen oder in e i- ner zusammengehörigen Bauwerksgruppe err ichtet werden. Dies hat auch unmit- te lbare Konsequenzen für das ökologische Beeinf lussungspotent ia l der Quel l fas- sung in ihrem ökologischen Umfeld. Unterschieden werden können: Zusammengefasste Bauform Aufgelöste Bauform Getrennte Bauform
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Die fo lgenden Schemabi lder in den Abbi ldungen 3-1, 3-2 und 3-3 zeigen die Typo- logie der in der Praxis am häufigsten anzutreffenden Quel l fassungskonstel lat ionen und das di f ferenzier t zu erwartende Eingr i f fsr is iko.
Abbi ldung 3-1: Zusammengefasste Bauform (Fassung und Sammelgebäude in e inem Gebäudekomplex)
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Abbi ldung 3-2: Getrennte Bauform (Fassung und Sammelgebäude nicht in einem Gebäudekomplex)
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Abbi ldung 3-3: Aufgelöste Bauform (Fassungen l iegen in anderen ökologischen Zonen als Sammelbauwerk)
Wie aus den Abbi ldungen 3-1 bis 3-3 hervorgeht, bietet d ie Trennung von Quel l fas- sung und Sammelgebäude (getrennte oder aufgelöste Bauform) im Vergle ich zur zusammengefassten Bauform eine ef fekt ive Mögl ichkeit , das ökologische Ein- gr i f fsr is iko der Maßnahme durch eine geeignete Anordnung des Sammelgebäudes in e inem Bereich mit vergle ichsweise ger inger Ökosensi t iv i tät zu reduzieren. Hier- durch kann dem Grundsatz der Eingr i f fsminimierung (Unterbinden vermeidbarer Eingr i f fe, Minimierung unvermeidbarer Eingr i f fe) Rechnung getragen werden. Eine getrennte oder aufgelöste Bauform zur Quel lwassernutzung is t e iner zusammenge- fassten Bauform somit aus ökologischer Sicht im Regelfa l l vorzuziehen. Die Sensi- t iv i tät der von dem unvermeidbaren Eingr i f f betrof fenen Bereiche kann im Vorfeld durch Voruntersuchungen charakter is ier t werden.
Eine ökologische und ökonomische Opt imierung der Quel l fassung is t grundsätzl ich durch eine Reduzierung des baul ichen Eingr i f fs z . B. durch Tei lsanierung, p latzspa- rende Aufgrabungen oder den Verz icht auf Komfortbauweisen bei Zugang zu den Becken und Fassungselementen mögl ich. Dies schl ießt auch die Vermeidung zu groß dimensionier ter hydraul ischer Bautei le innerhalb des Fassungs- und Sammel- gebäudes durch die Anwendung geeigneter Bemessungs- und Dimensionierungsver- fahren mit e in. Im günst igsten Fal l können durch technische Opt imierungsansätze einzelne Quel len infolge qual i tat iver und quant i tat iver Verbesserungen intensiver genutzt werden. Durch diese verbesserte Nutzung kann s ich die Mögl ichkei t erge-
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ben, weniger ergiebige Quel len in Zukunft s t i l l legen und diese wieder einem natür- l ichen oder naturnahen Zustand zuführen zu können. Eine stärker standardis ier te und opt imierte Fassungstechnik ermögl icht es zudem, bestehende Fassungsbau- werke bei e iner Sanierung zusammenzufassen. Dadurch kann ggf. auf e inzelne Bauwerke verzichtet und die benötigte beglei tende Infrastruktur (z . B. Zufahrtswege und Parkplätze) reduzier t werden. Info lge dessen wird der Eingr i f f in das ökologi- sche Umfeld minimier t . 3.3 Unterscheidung nach Fassungstyp/Bemessungsparameter
3.3.1 Vorbemerkung
Die Fassungstypen und Bautei le e iner Quel l fassung sowie deren Bemessungspara- meter werden in den Kapi teln 2.1 und 2.3 vorgestel l t . Nachfolgend werden die al l - gemeinen technischen Anforderungen zur Fassung von Quel len für d ie Tr inkwas- serversorgung sowie spezi f ische Anforderungen bezogen auf d ie e inzelnen Quel l ty- pen und für den Ausbau von Sammelschächten zusammengestel l t . Die Angaben basieren zum einen auf den in der Li teratur und in technischen Regelwerken doku- ment ier ten Grundlagen als auch auf den Erfahrungen aus der Praxis. 3.3.2 Allgemeine technische Anforderungen
Die technischen Anforderungen an Quel l fassungen nach den al lgemein anerkannten Regeln der Technik werden im DVGW-AB W 127 beschr ieben. Nachfolgend werden die wesent l ichen Punkte zusammenfassend aufgeführt . Für eine genauere Be- schreibung der Anforderungen wird auf das genannte Arbeitsblat t verwiesen. Folgende allgemeine Grundsätze s ind zur Planung und baul ichen Gestal tung von Tr inkwasserquel l fassungen zu nennen: Ein Ver letzen oder Durchstoßen der Grundwassersohlschicht im Zuge der Frei le-
gung des Quel lbereiches is t zwingend zu vermeiden. Um die Gefahr des Wasseraufbruchs an anderen Stel len zu verhindern, darf der
Wasserspiegel n icht hochgestaut werden. Das Quel lwasser is t während des Bau- betr iebs vol ls tändig und ohne Aufstau abzulei ten.
Der Quel lschacht kann getrennt zum Sammelschacht oder auch in einem Bau- werk mit dem Sammelschacht err ichtet werden (vgl . Kapitel 2.3 und 3.2).
Al le Mater ia l ien, d ie mit dem Quel lwasser in Kontakt t reten, s ind gemäß den bau- technischen und hygienischen Anforderungen auszuwählen. Es sind die Anforde- rungen nach KTW-Leit l in ie [UBA08] und DVGW-AB W 270 und W 347 zu beach- ten. Die Kiesschüttung im Fassungsbereich muss die Anforderungen nach DIN 4924 oder DIN EN 12904 er fü l len und is t unmit te lbar vor dem Einbau zu desinf i - z ieren.
Die Quel lablei tung (vom Quel lschacht zum Sammelschacht) ist für den Abfluss der maximalen Quel lschüttung bei halbvol lem Rohr zu bemessen. Die Fl ießge- schwindigkei t sol l te mindestens 0,5 m/s betragen. Um eine spätere Kamerabe- fahrung zu ermögl ichen, s ind Nennweiten von ≥ DN 100 zu wählen.
Der Überlauf is t auf d ie höchste bekannte Quel lschüttung (zuzügl ich eines Si- cherhei tszuschlages auszulegen. Der Sicherhei tszuschlag or ient ier t s ich am
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Quel l typ, an der Quel lcharakter is t ik und der zur Verfügung stehenden Schüt- tungsgangl in ie. Bei e iner nur kurzzei t ig gemessenen Schüttungsgangl in ie sol l ten nach Praxiserfahrungen bis zu 50 %, bei langfr is t igen Beobachtungen (mindes- tens ein komplet ter hydrologischer Jahreszyklus) bis zu 20 % als Sicherhei tszu- schlag berücksicht igt werden. Ein Rückstau in die Quel le is t zwingend zu ver- meiden. Der Auslauf muss hochwasserfre i angeordnet und mit e inem selbsttät ig schl ießenden Verschlussorgan (Froschklappe) mit Dicht le iste versehen werden. Notüberläufe und Ent leerungen s ind so zu bemessen, dass die maximal anzu- nehmende Quel lschüttung jewei ls e inzeln über d ie Notüberläufe bzw. Ent lee- rungslei tungen abgelei tet werden kann (Mindestnennweite: je DN 100).
Zur Vermeidung des Eindr ingens von Fremd- und Oberf lächenwasser in den Fas- sungsbereich is t e ine Oberf lächenabdichtung bestehend aus einer wasserun- durchlässigen Betondecke mit darüber l iegender Ton-Schluf f- oder Lehm- Abdichtung und einer Drainage vorzusehen. Um einen wirksamen Frostschutz zu erreichen, wird empfohlen, d ie Abdichtung mit e iner Wärmedämmung zu kombi- nieren.
Zum Schutz vor Wurzeleinwachsungen is t der Bereich mit einem Abstand von mindestens 20 m um die Fassung herum von Bäumen und Sträuchern fre izuhal- ten. Der Fassungsbereich (Wasserschutzzone I – in Zustromrichtung mind. 20 m) is t gemäß DVGW-AB W 101 einzuzäunen und zu schützen.
Zum Objektschutz s ind einbruchhemmende Deckel und Türen an al len Einst iegen und Zugängen vorzusehen.
Zur kont inuier l ichen bzw. per iodischen Überwachung der Quel lwasserqual i tät (Trübung, pH-Wert, Lei t fähigkei t , Temperatur) und der Quel lwasserquant i tät (Quel lschüttung, Überlauf, abgelei tete Wassermenge) s ind entsprechende Mess- einr ichtungen sowie die Mögl ichkei t der Entnahme von Rohwasserproben einzu- r ichten.
Bei Fassung von verschiedenen Quel len in e inem Sammelbecken is t d ie chemi- sche Verträgl ichkeit der Quel lwässer zu prüfen.
3.3.3 Fassung von absteigenden Quellen
Bei absteigenden Quel len schneidet d ie Erdoberf läche die fre ie Grundwasserober- f läche und das Wasser t r i t t aus einem ungespannten Grundwasser lei ter aus. An- tr iebskraf t für den Grundwasseraustr i t t is t der hydrostat ische Druck info lge des Grundwassergefäl les [HC05]. Der Quel laustr i t t kann punktuel l oder ent lang einer Quel l l in ie erfo lgen. Punktaustr i t te können in e ine Fassung zusammengefasst oder getrennt verf i l ter t werden. Der laterale Abstand zwischen den Austr i t tspunkten be- st immt dabei d ie Fassungslänge und die Größe des Eingr i f fsbereiches. Nachfolgend aufgeführte Anforderungen an Fassungen von absteigenden Quel len beruhen auf den Vorgaben des DVGW-AB W 127 und auf Erfahrungen aus der Praxis: Um mögl ichst das gesamte austretende Grundwasser zu fassen, sol l te die Rich-
tung der Quel l fassung im Al lgemeinen quer zum Grundwasserstrom ver laufen. Die Überdeckung der Sickerstränge sol l te mindestens 3 m betragen, gegebenen-
fal ls is t die Quel l fassung, sofern mögl ich, in den Hang zu ver legen. Zur Bemessung der Sicker le i tungen is t zu berücksicht igen, dass die maximale
Quel lschüt tung ohne Aufstau bei v = 0,2 m/s bis 0,4 m/s abgeführt werden kann. Ablöseturbulenzen sowie Sedimentat ion von Feststof fen s ind in den Sicker le i tun- gen zu vermeiden. (Mindestdurchmesser der Sickerstränge: DN 150).
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Die Sickerstränge s ind mit einer Fi l terk iesschüttung zu umgeben. Die Fi l terk ies- schüttung is t nach der Fi l terregel (ggf. abgestuft) in Anlehnung an das DVGW-AB W 113 auszuwählen. Bei Festgesteinen, die n icht zum Absanden neigen, is t eine Kieskornfrakt ion von 8 bis 16 mm als Stützgerüst vorzusehen.
Die Wahl der Eintr i t tsöffnungen is t entsprechend den Vorgaben des DVGW- AB 118 in Abhängigkei t der Untergrundverhäl tn isse ( je nach Neigung des Ge- steins zum Absanden) und der gewählten Kornfrakt ion der Kiesschüttung festzu- legen.
Ent lang der Fassungsbereiche sind ta lsei t ig und sei t l ich je nach ör t l ichen Ver- häl tnissen Fassungsmauern aus wasserundurchlässigem Beton bzw. Stahlspund- wänden zu err ichten. Die Fassungsmauern sind in den Grundwasserstauer bzw. das anstehende Gebirge einzubinden, um sei t l iche Quel laustr i t te im unmitte lba- ren Quel lumfeld zu verhindern. Hierzu s ind in der Bauphase beglei tende (hydro-) geologische Aufnahmen er forder l ich. Die Auslegung der Fassungsmauer r ichtet s ich nach den hydrogeologischen Verhäl tnissen und den stat ischen Erfordernis- sen.
Zur Abdichtung des Fassungsbereichs is t oberhalb der Kiesschüttung eine was- serundurchlässige Betondecke aufzubr ingen. Diese ist zur Ablei tung von Sicker- wasser mit e inem talsei t igen Gefäl le (> 1 %) zu versehen.
Um das Eindr ingen von Betonschlämmen in d ie Kiesschüttung zu verhindern, is t e ine Abdeckung der Kiesschüttung mit e iner PE-Fol ie vorzusehen.
Über der Betondecke und ta lsei t ig der Fassungsmauern ist e ine mindestens Ton- Schluf f-Abdichtung (mindestens 60 cm stark, k f < 10- 8 m/s) einzubauen, die eine wei tere Schutzeinr ichtung vor dem Zutr i t t von Sickerwasser darstel l t .
Oberhalb der Ton-Schluf f-Abdichtung is t e ine Drainage mit Fi l terkiespackung zur Ablei tung des Sickerwassers anzuordnen.
Die Baugrube is t aufzufül len und mit e iner Oberbodenschicht (mind. 30 cm stark) mit Graseinsaat abzudecken.
Im Einzel fal l muss jede Quel le an die hydrogeologischen, morphologischen, techni- schen und hygienischen Verhäl tn isse individuel l angepasst werden. Quel l typenspe- z i f ische Anforderungen werden in den nachfolgenden Kapiteln zusammengestel l t . Eine al lgemeingült ige Größe des baul ich und ökologisch zu beanspruchenden Fas- sungsbereiches kann für e ine Quel le n icht angegeben werden, da diese vor a l lem vom individuel len Quel l typ und der geologischen Situat ion am Quel lor t abhängig is t . Die konstrukt ive Opt imierung der Quel l fassungs- und Sammelbauwerke or ient ier t s ich an den ör t l ichen Gegebenheiten. Bei der Fassung von Schichtquellen muss vermieden werden, dass im unmit te lba- ren Nahbereich die undurchlässige Grundwasser-Sohlschicht ver letzt oder gar durchstoßen wird. Dies würde, ebenso wie bei e inem Aufstauen des Wassers, zu sei t l ichen Quel laustr i t ten führen. Der Schurf (oder "Schürfung" nach [MS11], vgl . Abbi ldung 3-4) wird auf der Sohlschicht des Grundwasser le i ters so weit in den Hang geführt , b is e ine ausreichende Überdeckung erreicht is t (ca. 3 m). Etwaige sei t l iche Zutr i t te bleiben zunächst ungefasst. Im Anschluss wird der Schurfgraben sei t l ich geführt , b is die im Stichgraben vorhandenen sei t l ichen Wasserauftr i t te im Quergraben er fasst s ind. Die Fassungen bestehen entweder aus dem natür l ichen Wasseraustr i t t mit Schutzeinr ichtungen gegen Verunrein igungen, e inem Fi l tersto l- len oder aus geeigneten Fi l terrohrmater ia l ien mit Kiespackung.
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Abbi ldung 3-4: Schurf nach [MS11]. Bei Überfal lquellen is t die Fassung immer oberhalb des ursprüngl ichen Quel laus- tr i t ts gelegen (vgl . Abbi ldung 3-5) . Um eine Absenkung der Grundwasseroberf läche und eine damit e inhergehende Steigerung der Schüttung zu erreichen, kann der Fi l terstol len (Fi l terrohre in Kiespackung) in den Grundwasserger inglei ter eingebaut werden [BBHHHM00].
Abbi ldung 3-5: Fassung von Überfa l lquel len Bei der Fassung von Stauquellen muss auf d ie Neigung der abfal lenden Schicht geachtet werden. Fäl l t der Grundwasserger inglei ter ste i l ab, sol l te d ie Fassung oberhalb des ursprüngl ichen Quel laustr i t ts angelegt werden [BBHHHM00]; vgl . Ab- bi ldung 3-6) . Bei e inem ger ingen Einfal len des Grundwassergeringlei ters kann die- ser a ls zusätz l iche Oberf lächenabdichtung dienen. In d iesem Fal l is t es günst ig, d ie Quel l fassung unterhalb des ursprüngl ichen Quel laustr i t ts zu err ichten (vgl . Abbi l - dung 3-7) .
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Abbi ldung 3-6: Fassung von Stauquel len, Fal l 1
Abbi ldung 3-7: Fassung von Stauquel len, Fal l 2 Bei der Fassung einer Schwerkraftdepressionsquelle (vgl . Abbi ldung 3-8) wird diese unmit te lbar am Quel laustr i t t err ichtet. Dazu wird eine angemessene Grube (mindestens 2,0 bis 2,5 m im Durchmesser) am ursprüngl ichen Quel laustr i t tspunkt n iedergebracht und zur Fassung ausgebaut [BBHHHM00].
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Abbi ldung 3-8: Schwerkraftdepressionsquel le 3.3.4 Fassung von aufsteigenden Quellen
Bei aufsteigenden oder ar tes ischen Quel len tr i t t Wasser aus einem gespannten Grundwasservorkommen an die Erdoberf läche und wird meist in Quel lschächten gefasst. Es muss zwischen Porengrundwasserlei tern und Festgesteinen, bzw. Klüf- ten di f ferenzier t werden. Bei Fassung einer Quel le in Porengrundwasserlei tern (Sande/Kies) t r i t t Wasser von mehreren Sei ten in die Quel l fassung. Im Festgestein treten aufste igende Quel len im Al lgemeinen aus def in ier ten, einzelnen Felsklüf ten aus. Eine Pr inzipskizze zur Quel l fassung für aufsteigende Quel len is t im DVGW-AB W 127 dargestel l t . Zur Fassung aufste igender Quel len sind fo lgende technische Grundsätze zu beach- ten: Fassung an der Quel laufbruchstel le, Ablei tung über hor izontales Entnahmerohr,
Entnahmelei tung nicht t iefer a ls 50 cm unter der Über lauf lei tung, Absperrarmatur außerhalb der Schachtr inge.
In besonderen Fäl len kann eine Entnahme durch Pumpen er forder l ich werden. Hierbei s ind die maximal zulässige Absenkung und Fördermenge durch einen Pumpversuch oder Heberversuch am Quel laustr i t t zu ermit teln.
Bei Fassung von aufsteigenden Quellen in Poren-Grundwasserleitern : Frei legen des Quel lbereiches (mind. 2 x 2 m). Aufsetzen eines perfor ier ten Schachtes mit of fener Schachtsohle mit t ig über der
Austr i t tsste l le. Fül lung des Schachtes mit mind. 30 cm hoher Kiesschicht. Die Perforat ion der sei t l ichen Bautei le is t den hydraul ischen Umständen anzupassen.
Verfül lung der Baugrube außerhalb des Ringschachtes mit Fi l terk ies bis über Wasserspiegel (ggf . nach außen abnehmende Korngröße).
Ggf. Anordnung einer Fassungsmauer aus wasserundurchlässigem Beton oder in Form einer Stahlspundwand.
Abdichtung des Fassungsbereiches mit Betondecke und Ton-Schluff-Abdichtung wie bei absteigender Quel le.
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Bei Fassung von aufsteigenden Quellen im Festgestein : Kluf t f re i legen und säubern. Ein wasserdichter Schacht wird unmit telbar auf den Quel laustr i t t gesetzt und
wasserdicht in den anstehenden Felsuntergrund eingebunden. Eine außenl iegende Abdichtung is t nicht er forder l ich. Die Baugrube kann mit
Aushubmater ial ver fü l l t werden. Zur Fassung von artesischen Verwerfungsquellen können Vorratsbecken direkt auf den wasserführenden Klüf ten err ichtet werden. Da Schüttung und hydraul ischer Druck mit s te igender Höhe der Wasseraustr i t tsposi t ion abnehmen, b ietet s ich hier e ine einfache Methode zur Regul ierung der Wassermenge. Hier für werden mehrere Abf lussle i tungen vom Vorratsbecken in unterschiedl icher Höhe benöt igt . Je nach Wasserbedarf kann so die anfal lende Wassermenge gesteuert werden. Eine Kapazi- tätssteigerung kann in manchen Fäl len durch eine Vergrößerung der Klüf te bzw. eine Reinigung der Quel laustr i t te erz iel t werden [BBHHHM00].
Die Fassung von artesischen Depressionsquellen er fo lgt wie bei Schwerkraf tde- pressionsquel len. Die Tiefe des Fassungselementes hängt von der Mächt igkei t des Grundwasserger ingle i ters und der schadlos gewinnbaren Wassermenge ab [BBHHHM00]. 3.3.5 Fassung von Schuttquellen
Bei Schuttquel len ist zu entscheiden, ob die pr imäre oder die sekundäre Quel le ge- fasst werden sol l . Is t d ie pr imäre Quel le eindeut ig zu orten und ist ihre Erschl ie- ßung ohne technische Schwier igkei ten und ökologische Beeinträcht igungen des Umfeldes der Quel le mögl ich, so sol l te diese gefasst werden. Die Fassung des pr i - mären Quel laustr i t tes bietet gegenüber der Fassung des sekundären Quel laustr i t tes den Vortei l , dass der Zustrom aus dem Grundwasser le i ter opt imal genutzt werden kann. Bei sekundären Quel len kann es zu sei t l ichen Wasseraustr i t ten, Evapotrans- pirat ionsver lusten sowie anthropogener Verschmutzung kommen. Die Fassung be- rei tet of t Schwier igkeiten [BBHHHM00]. 3.3.6 Technische Anforderungen an Sammelschächte
Sammelschächte dienen der Zusammenführung mehrerer Ablauf le i tungen zu einer gemeinsamen Rohwasserlei tung. Sie ermögl ichen einen s icheren Zugang zur Über- wachung und beinhalten die er forder l ichen Armaturen und Bedienungseinr ichtun- gen. Hier für s ind nach DVGW-AB W 127 fo lgende Vorgaben zu befolgen, deren Be- messungsgrößen vor Ort an die lokalen geologischen und ökologischen Gegeben- hei ten anzupassen sind: Innerhalb des Sammelschachtes bzw. des Sammelgebäudes is t e ine baul iche
Trennung von Einst iegs- und Kontrol lbereich (Trockenbereich) zu den fre ien Wasserf lächen (Nassbereich) vorzusehen.
Zur getrennten Messung sind die Zuf lüsse der einzelnen Quel lschächte separat zu führen und sol l ten mindestens 20 cm über dem höchsten Wasserspiegel in den Sammelschacht münden.
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Al le Becken und der Schacht müssen über e inen Grundablass rest los in den Vor- f luter ent leert werden können.
Zur Vermeidung eines Rückstaus muss die Schachtentwässerung über dem höchsten bekannten Hochwasserstand des Vorf luters l iegen.
Durch Rückf lussverhinderer und Siebe sol l e in Eindr ingen von Klein lebewesen verhindert werden.
Die Rohwasserentnahmelei tung sol l te mindestens 20 cm über der Schachtsohle l iegen und mit e inem Seiher versehen werden.
Die Bedienungseinr ichtungen und Armaturen sind außerhalb der Wasserbecken anzuordnen.
Einst iegsöffnung sowie Lüftungsöffnungen dürfen s ich nicht direkt über der Was- seroberf läche bef inden.
Quel lsammelschächte sind nach DVGW-AB W 127 mit e inem Sandfang auszustat- ten. Nach dem aktuel len Regelwerk (DVGW-AB W 127) werden bisher keine Anga- ben zur hydraul ischen Bemessung der Sandfangbecken gegeben. Grundlagen der Bemessung von Sandfangbecken und Lamellenabscheidern s ind in Kapi tel 3.4 zu- sammengestel l t . Im Kapitel 3.4.1 wird die Berechnung eines Einheitsbeckens dar- gestel l t . Kapi tel 3.4.2 er läuter t d ie Berechnung eines Lamel lenabscheiders. Beide Typen s ind mechanisch arbeitende Abscheidehi l fen, d ie in Funkt ion der Schüttung und der abzuscheidenden Part ikel bemessen werden müssen. 3.4 Hydraulische Bemessung des Sandfangbeckens
3.4.1 Berechnung eines rechteckigen Einheits-Absetzbeckens
Die Berechnungen des nachfolgend beschriebenen Einhei ts-Absetzbeckens basie- ren auf verschiedenen CFD-Model len und CFD-Simulat ionen (CFD: Computat ional Fluid Dynamics) , mit deren Hi l fe Strömungs- und Part ikel t ransportsimulat ionen durchgeführt wurden (vgl . Anlage zum Abschlussber icht : Projektdokumentat ion). An dieser Stel le wird auf d ie a l lgemeine Beschreibung des Werkzeugs „CFD“ und die Durchführung einer CFD-Model l ierung nicht wei ter e ingegangen. Nachfolgend werden die Geometr ie und die Einbauten des Sandfangbeckens, das im Folgenden als „Einheitsbecken“ bezeichnet wird, beschr ieben. Dieses „Einheits- becken“ kann bei der konstrukt iven Opt imierung des Quel lsammelschachtes in Funkt ion der Schüttungsmenge und des Anfal ls abscheidefähiger Part ikel a ls Be- messungsgrundlage genutzt werden. Die grundsätz l iche Berechnung der Sandfangbeckenlänge könnte auf der Grundlage eines Flachsandfangs er folgen, der darauf basier t , dass die Beckenquerschnit ts f lä- che vol ls tändig und gle ichmäßig durchströmt wird. Da aber im Übergang von Ein- und Auslaufbereich eines Quel lsammelschachtes die vol ls tändig durchströmte Be- ckenquerschnit ts f läche nicht sofor t erre icht werden kann, is t jewei ls ein Über- gangsbereich einzuplanen. Es is t außerdem zu berücksicht igen, dass für d ie Ver- gle ichmäßigung des Zuflussstroms ein Einlauf impuls notwendig is t , der im Becken abzubauen is t . Auch hier für wird ein Übergangsbereich benötigt . Der Wasserzustrom im Sandfangbecken sol l te mögl ichst über d ie gesamte Becken- brei te gleichmäßig er fo lgen. Hierfür würde s ich ein vol lkommener Überfa l l , d. h. e in
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durch das Unterwasser ungestör ter Überfal l , e ignen, der entweder am Zu- oder am Ablauf des Sandfangbeckens angeordnet werden kann. Für dieses Wehr kann ein Zackenwehr verwendet werden, womit e ine sehr g le ichmäßige Strömungsverte i lung über die Beckenbrei te erre icht wird. Würde dieses Wehr am Beckenzulauf angeordnet, wären al lerdings verschiedene, unerwünschte Beckenströmungen mögl ich: Das Anhaften des Einlaufstrahls an der Ein laufwand und eine Wandströmung
(Kurzschlussströmung) von der Einlaufwand über die Beckensohle bis zur Aus- laufwand.
Die Entwick lung einer Kurzschlussströmung am Wasserspiegel durch den Ein- lauf impuls.
Die Entwick lung einer Kurzschlussströmung am Wasserspiegel durch Dich- teströmungen (Wasserzulauftemperatur mindestens 2 Kelvin höher a ls Wasser- temperatur im Becken).
Die Entwick lung einer Kurzschlussströmung an der Beckensohle durch Dich- teströmungen (Wasserzulauftemperatur mindestens 2 Kelvin n iedr iger a ls Was- sertemperatur im Becken).
Die Entwicklung einer oder mehrerer komplexer Walzenströmungen im Becken durch den Impuls des Einlaufstrahls.
Um diese unerwünschten Strömungen zu vermeiden ist es wesentl ich s innvol ler , e inen vol lkommenen Überfa l l auf d ie Ablaufsei te des Sandfangbeckens zu legen und an der Zulaufwand eine oder mehrere Öffnungen unterhalb des Wasserspiegels vorzusehen, durch die das Wasser in das Sandfangbecken strömen kann. Um dann auf der Zulaufsei te ohne Wehranlage eine näherungsweise Strömungs- gle ichvertei lung zu erreichen, g ibt es verschiedene Mögl ichkei ten. Wesentl iche Grundlage bei a l len Methoden is t die Erzeugung von Druckver lusten (Energieum- wandlung in Wärme und Schal l) durch nachfolgend beschr iebene Einbauten, d ie wesent l ich größer s ind als d ie Druckver luste, die bei Strömungsumlenkungen im Zulaufbereich vor dem Sandfangbecken entstehen. Es ste l l t s ich sozusagen eine Strömung mit dem „Weg des ger ingsten Widerstands“ ein. Zu den typischen Einbau- ten zählen eine oder mehrere in Reihe geschaltete Lochblechwände mit einem ge- nügend k leinen Lochantei