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Konzeptionelle Untersuchung des Brunnenbetriebs von Vertikalfilterbrunnen zur Ermittlung der Brunnenalterung

Nau, Christian Klaus :
Konzeptionelle Untersuchung des Brunnenbetriebs von Vertikalfilterbrunnen zur Ermittlung der Brunnenalterung.
TU Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2017)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Gewinnung von Trinkwasser aus Grundwasserspeichern stellt in Deutschland die wohl wichtigste Nutzung von Brunnen dar. Aber auch in anderen Bereichen kommen Brunnen zum Einsatz: Mineralwasserbrunnen, Lebensmittelindustrie, sonstige industrielle Nutzung von Brauchwasser sowie landwirtschaftliche Nutzung und Geothermie. Brunnen stellen also in vielen – meist lebenswichtigen – Bereichen für den Menschen ein unverzichtbares Gut dar. Umso wichtiger ist es, diese Wasserförderungsanlagen mit geeigneten Maßnahmen zu schützen. Wie eigentlich alle technischen Anlagen unterliegen auch Brunnen einem Verschleiß. Man spricht in diesem Fall von einer Brunnenalterung. Die Überwachung dieser Wertschöpfungsanlagen obliegt den Brunnenbetreibern. Aufgrund des Unikatcharakters von Brunnen ist der Betrieb selbiger, ein sehr komplexes Thema. Standortabhängige, hydrogeologische, chemische und betriebsweisenabhängige Randbedingungen beeinflussen das Alterungsverhalten eines jeden Brunnens. Die hiesige Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen Untersuchung des Brunnenbetriebs zur Ermittlung von Brunnenalterung. Der Fokus wird dabei auf Vertikalfilterbrunnen gelegt. Um einen möglichst detaillierten Einblick in die Thematik Brunnenalterung zu erhalten wurde eine Literaturrecherche und umfangreiche Experteninterviews durchgeführt. Fragestellungen welche die Einflüsse, Ursachen und Auswirkungen von Alterung der Brunnen betreffen werden erörtert und zusätzlich mögliche Methodiken zur Erkennung und Vorhersage von Alterungsprozessen diskutiert. Eine bekannte Methode um den Alterungsfortschritt eines Brunnens zu beurteilen ist die Betrachtung der spezifischen Ergiebigkeit, welche sich mit Hilfe der Durchführung eines Pumpversuchs berechnen lässt. Da ein solcher Versuch zwangsläufig mit der Unterbrechung des Brunnenbetriebs verbunden ist, werden diese je nach Betreiber nur selten durchgeführt, sodass Brunnenalterungen zu spät erkannt werden, was sich negativ auf die Regenerierfähigkeit auswirkt und schließlich auch unnötige Kosten verursacht. Es besteht daher das dringende Interesse den Fortschritt einer Alterung im Brunnen auch während des regulären Brunnenbetriebs erkennen zu können, ohne gesonderte Untersuchungen veranlassen zu müssen. Hierfür wurde zunächst analysiert, welche Betriebsdaten für ein möglichst weitreichendes Brunnen- Monitoring benötigt werden. In diesem Zusammenhang wurde sich auch mit den Fragen beschäftigt inwiefern diese Daten mittels fest im Brunnen verbauter Sensoren kontinuierlich erfasst werden können und inwieweit diese Technik bei den unterschiedlichen Brunnenbetreibern bereits zum Einsatz kommt. Die langjährigen Erfahrungen der Interviewpartner ermöglichten hierzu einen tiefen Einblick in die Welt des Brunnenbetriebs, Brunnenmonitorings und des Brunnenservices. Die Ergebnisse der Interviews werden in der Arbeit aufgegriffen und erörtert. Des Weiteren werden Methodiken für die Vorhersage von Alterungsprozessen diskutiert. Zunächst erfolgt eine Gegenüberstellung der technischen Möglichkeiten zur Umsetzung eines Softwaresystems unter dem Einsatz von Ontologien, maschinellen Lernverfahren oder regelbasierten Expertensystemen. Im Anschluss werden die Vorhersagemodelle, welche aus der Literaturrecherche und den Experteninterviews zusammengetragen worden sind, aufgezeigt. Darauf aufbauend wird ein Konzept für ein Softwaresystem, zur automatisierten Auswertung von Brunnenbetriebsdaten, mit dem Ziel der Erkennung von Brunnenalterung, entwickelt und vorgestellt. Das erstelle Konzept für ein Brunnen-Monitoring-System zeigt die Möglichkeiten einer Softwareimplementierung zur automatisierten Erkennung von Brunnenalterung auf. Das Konzept beinhaltet eine Auswahl der geeignetsten Methodiken der Alterungserkennung für die Umsetzung in einem regelbasierten Expertensystem: Virtuelle Pumpversuche, Pumpen-Anlaufphasen, Spezifische Stromaufnahmen und Widerstände in der Kiesschüttung. Außerdem wird der Entwurf eines Warnsystems vorgestellt. Nicht zuletzt beinhaltet das Konzept einen Empfehlungskatalog für die praktische Umsetzung der Brunnenausrüstung bei der Planung von Neubaubrunnen oder Nachrüstung von Bestandsbauwerken, welche ein weitreichendes Monitoring erst möglich machen. Das ausgearbeitete Konzept zeigt das große Potential, welches in der automatisierten Überwachung des Brunnenbetriebs zur Erkennung von Brunnenalterung liegt. Gerade weil viele Arbeitskräfte, die mit der Betreuung von Brunnen beauftragt sind, fachfremd sind, könnte ein für die Überwachung eingesetztes Software-Werkzeug eine enorme Verbesserung des Brunnenbetriebs hinsichtlich einer rechtzeitigen Erkennung von Regenerierbedürfnissen bedeuten. Wichtig ist hierbei zu erwähnen, dass ein solches regelbasiertes Expertensystem durch die komplizierten Randbedingungen des Brunnenbetriebs, stets durch einen Fachmann konfiguriert werden sollte, da allgemeingültige Regeln nur sehr begrenzt eingesetzt werden können.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2017
Autor(en): Nau, Christian Klaus
Titel: Konzeptionelle Untersuchung des Brunnenbetriebs von Vertikalfilterbrunnen zur Ermittlung der Brunnenalterung
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die Gewinnung von Trinkwasser aus Grundwasserspeichern stellt in Deutschland die wohl wichtigste Nutzung von Brunnen dar. Aber auch in anderen Bereichen kommen Brunnen zum Einsatz: Mineralwasserbrunnen, Lebensmittelindustrie, sonstige industrielle Nutzung von Brauchwasser sowie landwirtschaftliche Nutzung und Geothermie. Brunnen stellen also in vielen – meist lebenswichtigen – Bereichen für den Menschen ein unverzichtbares Gut dar. Umso wichtiger ist es, diese Wasserförderungsanlagen mit geeigneten Maßnahmen zu schützen. Wie eigentlich alle technischen Anlagen unterliegen auch Brunnen einem Verschleiß. Man spricht in diesem Fall von einer Brunnenalterung. Die Überwachung dieser Wertschöpfungsanlagen obliegt den Brunnenbetreibern. Aufgrund des Unikatcharakters von Brunnen ist der Betrieb selbiger, ein sehr komplexes Thema. Standortabhängige, hydrogeologische, chemische und betriebsweisenabhängige Randbedingungen beeinflussen das Alterungsverhalten eines jeden Brunnens. Die hiesige Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen Untersuchung des Brunnenbetriebs zur Ermittlung von Brunnenalterung. Der Fokus wird dabei auf Vertikalfilterbrunnen gelegt. Um einen möglichst detaillierten Einblick in die Thematik Brunnenalterung zu erhalten wurde eine Literaturrecherche und umfangreiche Experteninterviews durchgeführt. Fragestellungen welche die Einflüsse, Ursachen und Auswirkungen von Alterung der Brunnen betreffen werden erörtert und zusätzlich mögliche Methodiken zur Erkennung und Vorhersage von Alterungsprozessen diskutiert. Eine bekannte Methode um den Alterungsfortschritt eines Brunnens zu beurteilen ist die Betrachtung der spezifischen Ergiebigkeit, welche sich mit Hilfe der Durchführung eines Pumpversuchs berechnen lässt. Da ein solcher Versuch zwangsläufig mit der Unterbrechung des Brunnenbetriebs verbunden ist, werden diese je nach Betreiber nur selten durchgeführt, sodass Brunnenalterungen zu spät erkannt werden, was sich negativ auf die Regenerierfähigkeit auswirkt und schließlich auch unnötige Kosten verursacht. Es besteht daher das dringende Interesse den Fortschritt einer Alterung im Brunnen auch während des regulären Brunnenbetriebs erkennen zu können, ohne gesonderte Untersuchungen veranlassen zu müssen. Hierfür wurde zunächst analysiert, welche Betriebsdaten für ein möglichst weitreichendes Brunnen- Monitoring benötigt werden. In diesem Zusammenhang wurde sich auch mit den Fragen beschäftigt inwiefern diese Daten mittels fest im Brunnen verbauter Sensoren kontinuierlich erfasst werden können und inwieweit diese Technik bei den unterschiedlichen Brunnenbetreibern bereits zum Einsatz kommt. Die langjährigen Erfahrungen der Interviewpartner ermöglichten hierzu einen tiefen Einblick in die Welt des Brunnenbetriebs, Brunnenmonitorings und des Brunnenservices. Die Ergebnisse der Interviews werden in der Arbeit aufgegriffen und erörtert. Des Weiteren werden Methodiken für die Vorhersage von Alterungsprozessen diskutiert. Zunächst erfolgt eine Gegenüberstellung der technischen Möglichkeiten zur Umsetzung eines Softwaresystems unter dem Einsatz von Ontologien, maschinellen Lernverfahren oder regelbasierten Expertensystemen. Im Anschluss werden die Vorhersagemodelle, welche aus der Literaturrecherche und den Experteninterviews zusammengetragen worden sind, aufgezeigt. Darauf aufbauend wird ein Konzept für ein Softwaresystem, zur automatisierten Auswertung von Brunnenbetriebsdaten, mit dem Ziel der Erkennung von Brunnenalterung, entwickelt und vorgestellt. Das erstelle Konzept für ein Brunnen-Monitoring-System zeigt die Möglichkeiten einer Softwareimplementierung zur automatisierten Erkennung von Brunnenalterung auf. Das Konzept beinhaltet eine Auswahl der geeignetsten Methodiken der Alterungserkennung für die Umsetzung in einem regelbasierten Expertensystem: Virtuelle Pumpversuche, Pumpen-Anlaufphasen, Spezifische Stromaufnahmen und Widerstände in der Kiesschüttung. Außerdem wird der Entwurf eines Warnsystems vorgestellt. Nicht zuletzt beinhaltet das Konzept einen Empfehlungskatalog für die praktische Umsetzung der Brunnenausrüstung bei der Planung von Neubaubrunnen oder Nachrüstung von Bestandsbauwerken, welche ein weitreichendes Monitoring erst möglich machen. Das ausgearbeitete Konzept zeigt das große Potential, welches in der automatisierten Überwachung des Brunnenbetriebs zur Erkennung von Brunnenalterung liegt. Gerade weil viele Arbeitskräfte, die mit der Betreuung von Brunnen beauftragt sind, fachfremd sind, könnte ein für die Überwachung eingesetztes Software-Werkzeug eine enorme Verbesserung des Brunnenbetriebs hinsichtlich einer rechtzeitigen Erkennung von Regenerierbedürfnissen bedeuten. Wichtig ist hierbei zu erwähnen, dass ein solches regelbasiertes Expertensystem durch die komplizierten Randbedingungen des Brunnenbetriebs, stets durch einen Fachmann konfiguriert werden sollte, da allgemeingültige Regeln nur sehr begrenzt eingesetzt werden können.

Freie Schlagworte: Brunnenalterung, Brunnenmonitoring, Vertikalfilterbrunnen
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen
Hinterlegungsdatum: 03 Nov 2017 16:25
Zusätzliche Informationen:

Betreuer: Marcus Dombois

Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 4 September 2017
Schlagworte in weiteren Sprachen:
Einzelne SchlagworteSprache
Vertical filter wells, well ageing, well monitoringEnglisch
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
The extraction of drinking water from groundwater storages is probably the most important function of wells in Germany. Wells are also used in other areas: mineral water fountains, food industry, other industrial use of industrial water as well as agricultural usage and geothermal energy. They therefore represent an indispensable good for many people in a large number of areas which are mostly vital. It is thus all the more important to protect these water supply buildings with appropriate measures. Like all technical systems, wells are subject to wear or in this case well aging. The monitoring of these value adding well plants is carried out by the well operators. Due to the uniqueness of wells, the operation of the same is a very complex subject. Location-dependent, hydrogeological, chemical and operating-dependent boundary conditions influence the aging behavior of each well. This thesis is concerned with the conceptual study of the well operation to determine well aging. The focus is placed on vertical filter wells. In order to obtain a detailed insight into the topic of well aging, a literature review and extensive expert interviews were conducted. Questions concerning the influences, causes and effects of the aging of wells were compared, and possible methodologies for the identification and prediction of aging processes were discussed. A known method for evaluating the aging progress of a well is the consideration of the well’s specific capacity, which can be calculated by performing a pumping test. Since such an experiment is inevitably connected with the interruption of the well operation, theses are – depending on the operator – only rarely performed, so that well aging ist recognized too late, which has a negative effect on the ability to regenerate it and eventually causes unnecessary costs. There is, therefore, an urgent need to be able to recognize the progress of aging in the well even during regular well operation without the need for separate investigations. For this purpose, an analysis was first carried out, identifying which operating data is required to obtain a well monitoring that is as extensive as possible. In this context, the question has also been addressed as to how these data can be continuously detected by means of sensors permanently installed in the well and furthermore to which this technology is already used by the different well operators. The long-term experience of the interview partners provided a deep insight into the world of well operation, well monitoring and well services. The results of the interviews are taken up and discussed. Furthermore, methodologies for the prediction of aging processes are discussed. Firstly, a comparison of the technical possibilities for the implementation of a software system with the use of ontologies, machine learning methods or a rule-based expert system is presented. Subsequently, the prediction models, which have been collected from the literature research and the expert interviews, are shown. Finally, a concept for a software system for the automated evaluation of well operating data, with the goal of the detection of well aging, is developed and presented. The concept for a well monitoring system shows the possibilities of a software implementation for the automated detection of well aging. The concept includes a selection of the most suitable methods of aging detection for implementation in a rule-based expert system: Virtual pumping tests, pump startup phases, specific current consumption and resistances in the gravel filling. In addition, the draft of a warning system is presented. Last but not least, the concept includes a recommendation catalog for the practical implementation of the well equipment in the planning of new wells or retrofitting existing buildings, which make a comprehensive monitoring possible. The elaborated concept shows the great potential that lies in the automated monitoring of the well operation for the detection of well aging. Precisely because many workers, who are assigned with the care of wells, are from different departments, a software tool used for the monitoring could mean an enormous improvement of the well operation with regard to a timely detection of regeneration requirements. It is important to note that such a rule-based expert system should always be configured by a specialist because of the complicated boundary conditions of the well operation, as general rules can only be used very limitedly.Englisch
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