DE3541013A1

DE3541013A1 - Verfahren zum dimensionieren von grundwasserbrunnen

Info

Publication number: DE3541013A1
Application number: DE19853541013
Authority: DE
Inventors: Risto Helsinki Reijonen; Veli E. Reijonen
Original assignee: VELI REIJONEN Oy
Current assignee: VELI REIJONEN Oy
Priority date: 1984-11-20
Filing date: 1985-11-19
Publication date: 1986-05-28
Also published as: SE460063B; FI75631B; GB2167471A; GB2167471B; FR2573473A1; SE8505449L; GB8528209D0; HU206758B; FI75631C; CA1269865A; US4761997A; FI844558L; SE8505449D0; FI844558A0; FR2573473B1; HUT53172A

Description

VELI REIJONEN OY, HELSINKI / FINNLAND

Verfahren zum Dimensionieren von Grundwasserbrunnen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dimensionieren von Grundwasserbrunnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der Dimensionierung einer Grundwasserbohrung, wodurch ein genaueres Ergebnis erzielbar ist als bei den bekannten Verfahren.

Die grundsätzliche Aufgabe bei der Planung von Grundwasserbrunnen besteht in der wirksamen Ausnützung der verfügbaren Grundwasservorkommen.

Das Planen der Grundwasserbohrung basiert auf der Untersuchung des Bodens und der Grundwasserzustände

-A-

eines ausgewählten Ortes. Zuverlässige Grundinformationen sind unbedingt erforderlich, um eine falsche Planung zu vermeiden,

Folgende Untersuchungsresultate sind für die Brunnenplanung erforderlich:

Untersuchungen des Bodens des Wasserversorgungsbereiches (Bohrungen, Bodenproben); - Förderkapazitätspumpungen (Fördermenge in den verschiedenen Tiefen, Beobachtungen während der Pumpläufe);

Versuchspumpung (die Fördermenge nimmt ab im Wasserversorgungsbereich);

- Durchführung von Grundwasserqualitätsmessungen im Wasserversorgungsbereich; Laborversuche mit Wasserproben; topografische Überwachungen (Aufzeichnung der Untersuchungspunkte innerhalb des Wasserversorgungsbereiches;

Messungen (Grundplan des Wasserversorgungsbereiches, Stellen der Untersuchungspunkte).

Weiterhin ist eine Information der geplanten Fördermenge des Wasserversorgungsbereiches notwendig, die durchschnittliche Fördermenge in m³/d und die momentane maximale Fördermenge in dm³/s.

Die Ergebnisse der Bohrungsstellenuntersuchung sind der Ausgangspunkt für die Dimensionierung, welche dahingehend ausgerichtet ist, dass zuerst die Bestimmung

des Ausmasses und der Stelle des Strömungsbereiches des Brunnens bestimmt wird. Der Strömungsbereich ist der Teil des Brunnens, durch den das Grundwasser in den Brunnen strömt, d.h. der Flächenbereich des äusseren ümfangs eines Brunnenrohrsieb- oder -filterabschnittes oder eines Schaftes des Brunnenbodens. Gemeint ist die Lokalisierung des Strömungsbereiches in vertikaler Richtung der Bodenschicht gleich Höhe oder Tiefe.
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Eine entscheidende Wirkung wird durch die Wasserleitfähigkeit der Bodenschicht ausserhalb des vorgenannten Strömungsbereiches auf die Dimensionierung des Brunnens ausgeübt. Es ist von Bedeutung, dass die zulässige Strömungsmenge nicht zu gross ist, was auf der Basis der wirksamen Korngrösse (d_in) des Bodens bestimmt wird. Obwohl das eben dargelegte Verfahren häufig ungenau sein kann, kann es für die Grundwasserversorgung verwendet werden. Probleme entstehen in erster Linie aus der Tatsache, dass die Bodenproben nicht

vollständig repräsentativ für den natürlichen Zustand sind und daher die wirksame Korngrösse, wie sie im Labor festgestellt worden ist, sich vom tatsächlichen Wert unterscheidet.
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Bisher erfolgte die Dimensionierung eines Brunnens in Verbindung mit der Ortsbesichtigung und Ortsuntersuchung. Die bestehende Praxis bestand darin, Bohrungen vorzunehmen und Bodenproben zu nehmen, um die Wasserleitfähigkeit des Bodens herauszufinden. Ausserdem wurden Bemühungen unternommen, die Förderkapazität

mit Hilfe von Pumpenläufen festzustellen.

Es ist allgemeine Praxis, auf der Basis von Bodenproben die durch den Brunnen zur Verfügung zu stellende Wassermenge zu schätzen und zwar in Übereinstimmung mit dem sogenannten deutschen Standard. Wenn dies vorgenommen wird, erfolgt die Siebanalyse der Bodenproben, wodurch die sogenannten Granulationsproben (oder die Siebkurve) erzielt werden. Aus der Granulationsprobe wird die sogenannte effektive Korngrösse (d_in) bestimmt. Danach wird die nachfolgende Formel (1) angewendet:

D ^h χ d_in
Q = -E 1£ (1)

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worin bedeuten:

Q : die aus dem Brunnen abziehbare Wassermenge; D : den Bohrungsdurchmesser;

P
h : die Länge des Siebrohres;

d_1f. : die sogenannte effektive Korngrösse.

Es wurden Bemühungen unternommen, das Siebrohr soweit als möglich unter Berücksichtigung der Granulation des Bodens, der Absenkung des Grundwasserspiegels (saisonbedingte Abweichungen und Niveauabfall aufgrund des Wasserabzugs) und der qualitativen Aspekte festzulegen.

Der Niveauabfall im Brunnenrohr wird darüber hinaus geschätzt durch die Formel (2):

2,3 Q , 2,25 Tt

^srt ⁼ T ^lo9

worin bedeuten:

s . : Niveauabfall im Brunnen;

Q : Wassermenge, die aus dem Brunnen abgezogen

werden kann;
T : Wasserleitfähigkeit des Grundwasservorkoiranens =

0,01157 χ d₁₀2 x b; b ist dabei die Dicke der Wasserleitschicht;
t : Pumpzeit;
r : Radius des Brunnens;
S : Speicherkoeffizient.

Die Wasserleitfähigkeit T des Grundwasservorkommens kann ebenso auf der Basis der durchgeführten Pumpläufe bestimmt werden.

Nachteile:
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Wenn die Dimensionierung des Brunnens unter Verwendung der bekannten Verfahren durchgeführt wurde, waren die Resultate ungenau. Die Ungenauigkeiten ergaben sich unter anderem aus folgenden Gründen: 30

Die Testversuche waren nicht repräsentativ, d.h. der Untergrund war etwas anders als dies

die Bodenproben hergaben. Es ist tatsächlich vorgekommen, dass ein Fels durchbohrt wurde, so dass ein Ergebnis erzielt wurde, gemäss dem eine wasserdurchlässige Bodenschicht anstelle eines Felsens angenommen wurde. Dieser Fehler ergab sich durch ein Bohren, welches mit einer Ausrüstung erfolgte, das mit Druckluft betrieben wurde. Bei diesem Bohren werden Fels und Stein in feine unterteilte Materie zerkleinert.

Ausserdem ist die Kornzusammensetzung des Bodens nicht der einzige Einflussfaktor für die Wasserleitfähigkeit. Sie wird ebenso beeinträchtigt durch die Kompaktheit und die

Kornform des Bodens (Schiefer leitet beispielsweise das Wasser nicht sehr gut). Obwohl die Bodenproben für den Boden am Punkt der Beobachtung repräsentativ sein sollten, kann der Boden schon in einem Abstand von

3 m anders sein, so dass dies einen Einfluss auf die Untersuchung hat.

Mit Hilfe der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Verfahren eliminiert und Verfahren zum Dimensionieren eines Grundwasserbrunnens geschaffen, bei dem die Untersuchungsphase bereits mit höherer Genauigkeit erfolgt als dies bisher der Fall war.

Mit Hilfe der Erfindung können die Länge und die Stelle des Siebrohres bestimmt werden, und zwar bereits

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im voraus mit höherer Genauigkeit als bisher. Daher wird in den meisten Fällen eine geringere Quantität des Siebrohres erforderlich, so dass die Tiefe des Brunnens reduziert werden kann. Dies stellt die Brunnenherstellungskosten .

Das Verfahren der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

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Fig.

unter Anwendung des Bohrverfahrens das Auspumpen des Beobachtung srohres;

Fig. 2, 3 und

grafische Darstellungen der auf drei verschiedenen Höhen festfestellten Werte, die die Wasserausbeute als Funktion des Niveauabfalls repräsentieren;

Fig.

eine grafische Darstellung der Wasserausbeute über die gesamte Grundwasserhöhe auf der Basis der in Fig.2,3 und 4 angegebenen Daten; und

Fig.

das Pumpen in Richtung auf das Grundwasser bei der Untersuchung

eines Grundwasserbereiches in der grössten Tiefe.

Ein einstweiliger Wasserversorgungsbereich wird in Verbindung mit den normalen Grundwasseruntersuchungen bestimmt. Dann werden als nächstes brunnenseitige Untersuchungen durchgeführt. Dabei wird ein Beobachtungsrohr mit einem Durchmesser von ungefähr 20 bis 100 mm, meist 32 bis 50 mm, in den Erdboden eingebracht. In Abhängigkeit von Einbringungsort beträgt die Länge des Beobachtungsrohres zwischen 2 und 60 m.

In das Beobachtungsrohr werden Messinstrumente eingesetzt, um den Grundwasserspiegel festzustellen. Aus dem Beobachtungsrohr wird in verschiedenen Ausbeutemengen Wasser abgepumpt, indem das Verfahren des sogenannten schrittweisen Pumpens angewendet wird. Gegenüber dem üblichen schrittweisen Pumpen werden kürzere Pumpperioden verwendet, und zwar von ungefähr 15 Sekunden bis 20 Minuten, in Abhängigkeit von Anbringungsort und den sich stellenden Bedingungen. Natürlich sind auch Perioden von mehr als 20 Minuten anwendbar, jedoch wurde herausgefunden, dass die angegebenen Zeitintervalle zweckmässig sind.

Gleichzeitig mit den zuvor erwähnten Massnahmen werden sowohl die hydrostatische Höhe des Wassers im Beobachtungsrohr bei verschiedenen Förderleistungen sowie die gepumpte Wassermenge gemessen. Bei den bekannten Verfahren wurde das erfindungsgemässe Messen der Druckhöhe nicht vorgenommen, während zum Bestimmen der

Förderkapazität der Bohrung Pumpläufe durchgeführt worden sind.

Fig. 1 zeigt als Beispiel einer schrittweisen Pumpmessung einen Aufzeichnungs-Outputstreifen. Der Schreiber auf der rechten Seite hat die Fördernenge Q, im Beobachtungsrohr aufgezeichnet und der linke Schreiber den Niveauabfall s bei den jeweiligen Fördermengen.

Es ist möglich, aus den gemessenen Mengen, d.h. aus der hydrostatischen Höhe und der aufgepumpten Wassermenge die hydraulischen Eigenschaften der Umgebung des Beobachtungsrohres zu entnehmen. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe des Korrelationsfaktors als Funktion des Niveauabfalls mit wesentlicher Genauigkeit die wahre Ausbeute des Brunnens zu bestimmen.

Das Basispumpen wird so durchgeführt, dass die Abgabe der Pumpe geregelt wird, beispielsweise mit einem Ventil, so, dass die Abgabe 15 Liter/Minute beträgt.

Wenn sich der Grundwasserspiegel, d.h. der Druck, stabilisiert hat (beispielsweise nach 30 Sekunden), wird die Pumpe auf 12,5 Liter/Sekunde gedrosselt. Der Druck kann sich einregeln, es wird eine Messung gemacht und der Betrieb wird auf diese Weise durchgeführt, bis angemessene Resultate erzielt werden.

Auf der Basis der beim schrittenweisen Pumpen herausgefundenen Werte wird die Wasserfördermnge über den Niveauabfall aufgezeichnet. Dies liefert eine Linie, welche bis zu einer bestimmten Grenze gerade verläuft:

Q Q,
- = k —
s s

,. Q : aus der Bohrung abnehmbare Wassermenge (in Litern) ; Q, : aus dem Beobachtungsrohr abziehbare Wassermenge (in Litern);

s : Niveauabfall (in Metern);
k : Korrelationsfaktor.

Der Korrelationsfaktor ergibt sich wie folgt:

Wenn das Sieb- oder Filterrohr eine Länge von beispielsweise 1 m hat und die Tiefe des Grundwasserbereiches mehrere Meter beträgt, so muss das schrittweise Pumpen

so vollzogen werden, dass der Sieb- oder Filterabschnitt des Rohres beispielsweise zunächst am höchsten Punkt positioniert wird, wie Versuchspumpungen durchgeführt werden. Das Sieb- oder Filterrohr wird dann 1 m weiter nach unten gestossen und es werden wieder.Testpumpungen durchgeführt. Das Verfahren setzt sich fort, bis Resultate über die gesamte Tiefe des Grundwasserbereiches erzielt worden sind. Die so erzielten Resultate werden kombiniert und die Förderkapazität des Brunne nens wird dann als Summe der Fördermengen in den verschiedenen Abschnitten berechnet.

Wenn das Beobachtungsrohr einen Durchmesser von 50 mm hat und der Durchmesser des Brunnenrohres 4 00 mm be- 2Q trägt, so ist das Verhältnis der Siebflächen hinsichtlich der Länge gleich mit dem Verhältnis der Durchmesser.

So wird die Siebfläche des Brunnenrohres dem 8-fachen der Siebfläche des Beobachtungsrohres sein. Dementsprechend wird der Siebwiderstand bzw. Filterwiderstand des Brunnens durch einen Faktor 1/8 geringer. 5

Die Gleichung (2) kann für das Verhältnis des Förderleistungsabfalls des Brunnens und des Beobachtungsrohres (Q/s (k) bzw. Q/x (hp)) gelöst werden, wenn die Durchmesser bekannt sind:

Q/s (k)

Q/s (hp)

log —-—-— ^rhp

² s

Wenn der Brunnen ein r von 0,2m und das Beobachtungs rohr ein r von 0,025 m hat, dann gilt:

Q/s(k) .. _{1 42}

_{1 42}

Q/s(hp). ^]'^q*

Die vorgenannte Gleichung zieht nicht den Filter- bzw. Siebwiderstand in Betracht.

Um dies zu erklären, wird in den Diagrammen der Fig. 2, 3 und 4 ein Beispiel für die Untersuchung einer Grundwasserschicht von 3 m Höhe wiedergegeben, und zwar entsprechend der Erfindung.

Die Förderleistungskapazität des Vorkommens wurde vorstehend definiert. Die Aufgabe besteht darin, mit höchstmöglicher Genauigkeit einen Brunnenort und die Förderkapazität des Brunnens herauszufinden.

Hierfür werden Testrohre an günstigen Stellen angebracht, welche Stellen aufgrund von früheren Untersuchungen ausgewählt wurden. Es ist gleichermassen Möglich, Beobachtungsrohre zu verwenden, die früher bereits in einem besonderen Bereich angebracht worden sind.

Die Fumpläufe werden schrittweise durchgeführt, um die spezifische Förderleistung des Rohres zu bestimmen.

Das Vorkommen kann durch individuelle Schichten getestet werden und zwar mit einem Filter- oder Siebrohr von beispielsweise 1 m Länge, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 2, 3 und 4 erfolgt ist. Der Versuch kann ebenso mit einem langen Sieb oder Filter erfolgen, welches eine Länge hat, das dem der gesamten Wasser enthaltenden Schicht entspricht, wodurch ein Gesamtbild der Eigenschaften des Vorkommens erhalten wird. In diesem Fall werden die Eigenschaften der indiciduellen Schichten nicht offenbar.

Beim genannten Beispiel repräsentiert das Vorkommen eine Grundwasserschicht von 3 m Höhe in einer Tiefe von 7 bis 10 m.

Aus einer Tiefe von 7 bis 10m wurde durch schrittweises Pumpen eine gerade Linie erzeugt, die in Fig. dargestellt ist. Fig. 2 zeigt die Fördermenge Q, (in Litern pro Minute) als Funktion des Niveauabfalls s. So beträgt in Fig. 3 die Rohrtiefe 8 bis 9 m und in Fig. 4 9 bis 10 m.

Aus den vorgenannten Teilresultaten findet man durch Summierung die Fördermenge als Funktion des Leistungsabfalls für den gesamten Grundwasserbereich heraus. Bei einem Niveauabfall von 1 m betragen die Fördermengen 50, 67 und 100, total 217 l/min. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.

Wenn der Durchmesser des Filters oder Siebes im Brunnen 4 00 mm beträgt, so wird das Verhältnis zwischen dem Brunnensieb und dem Sieb des Beobachtungsrohres 400/50 = 8.

Q (Brunnen) = 217 χ 8 = abt. 1700 (l/min/m) .

Wenn die Siebe im Beobachtungsrohr und im Brunnen unterschiedlich sind, so muss der hierdurch eingeführte Fehler berücksichtigt werden. Er kann durch Anwendung eines empirischen Koeffizienten in Betracht gezogen werden. Bei dem genannten Beispiel sind die Siebe im wesentlichen gleich, so dass die Brunnenfördermenge 1700 l/min beträgt, wenn der Niveauabfall 1 m betrug.

Entsprechend der Formel auf Seite 12 ist Q/s / Q_h/s Ok'

Wenn der Niveauabfall s im Beobachtungsrohr dasselbe ist wie in dem Brunnenrohr, dann ist Q = k'Q, . Im Falle des vorliegenden Beispiels ist 0/Qr₁ ⁼ 1,42. Die Formel steht für den Strömungswiderstand im Boden. Versuche haben gezeigt, dass der richtige k-Wert

zwischen k und k¹ liegt, d.h. beim genannten Beispiel zwischen 1,42 und 8 und zwar in Abhängigkeit von dem Strömungswiderstand. Es wurde herausgefunden, dass unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens konsistentere Werte erzielt werden als bei den bisher eingesetzten Verfahren, obwohl der Wert von k weiterhin empirisch korrigiert werden muss.

Derzeit werden Grundwasser, die dicht unterhalb der Erdoberfläche liegen, in erheblichem Masse ausgenutzt. Daher konzentrieren sich die Wasserversorgungsaktivitäten in zentralen Teilen der Esker auf Grundwasserspiegel, die eine grössere Tiefe als 8 m haben. Dies wird auch in der Zukunft der Fall sein.

Die sogenannte Tief-üntersuchungstechnik ist sehr mühselig und oft undurchführbar zur Hilfe der Dimensionierung der Brunnen, die aus den zentralen Schichten Wasser hervorholen.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann bei Grundwasservorkommen in grosser Tiefe eingesetzt werden und zwar durch "Inversion". Hierbei wird über das Beobachtungsrohr, in das die vorgenannten Messinstrumente einge- führt werden, Wasser in den Grund gepumpt, in dem das Verfahren des schrittweisen Pumpens der vorgenannten Art verwendet wird und dabei die vorgenannten Intervalle eingesetzt werden, sowie verschiedene Wassermengen. In diesem Fall werden die hydrostatische Wasserhöhe im Beobachtungsrohr und die Wassermenge pro Zeiteinheit gemessen.

In Fig. 6 ist eine Grafik dargestellt, gemäss der Wasser in den Brunnen gepumpt wurde und zwar unter Anwendung des erfindungsgemässen Prinzips des schrittweisen Pumpens. Dies zeigt das Diagramm auf der linken Seite der Fig. 6, wo -Q, bedeutet, dass Wasser vom Erdboden absorbiert wird, und -s den Niveauanstieg bedeutet und zwar im Gegensatz zum Niveauabfall. Wenn die gerade Linie in der Figur durch den Ursprung verläuft, wird eine gerade Linie erhalten, die hier der Fördermenge bzw. der Förderleistung des Beobachtungsrohres entspricht, welches dasselbe ist, als wenn Wasser aus dem Beobachtungsrohr herausgepumpt würde.

Das Prinzip ist bei beiden Untersuchungsverfahren das selbe. Nur die Strömungsrichtung des Wassers wird umgekehrt.

Es ist bei der Erfindung wesentlich, dass beim Dimensionieren der Bohrung ein schrittweises Pumpen im Beobachtungsrohr erfolgt, bei dem die Intervalle kurz sind (zwischen 15 Sekunden und 20 Minuten). Die hydrostatische Höhe der Wassersäule wird dabei gemessen. Auf diese Weise wird der Wert CL/s = k für das Beobachtungsrohr erzielt. Das entsprechende Q/s für den Brunnen wird dabei mit Hilfe des Korrelationsfaktors k herausgefunden.

Bei Durchführung dieses Verfahrens werden bessere Resultate für das Dimensionieren der Grundwasserbrunnen erzielt als mit den bekannten Verfahren.

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Claims

HOFFMANN · EITLE <& PAR'i NER "5 ^ A 1 Π 1 PATENT- UND RECHTSANWÄLTE O ij 1T IU I \J PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H -A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GDRG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 4 2 906 p/wa VELI REIJONEN OY, HELSINKI / FINNLAND Verfahren zum Dimensionieren von Grundwasserbrunnen PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Dimensionieren von Grundwasserbrunnen mit Hilfe eines Pumpvorganges in einem Beobachtüngsrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpen schrittweise durchgeführt wird, dass in den Boden Strömungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten induziert werden und dass die dadurch verursachte hydrostatische Höhe gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das schrittweise Pumpen dahingehend durchgeführt wird, dass die Pumpperioden

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kurz sind, vorzugsweise im Bereich von 15 Sekunden bis 20 Minuten, dass die hydrostatische Wasserhöhe bei verschiedenen Fördermengen gemessen wird, wodurch die Förderleistung bzw. die Fördermenge des Beobachtungsrohres als Funktion des Niveauabfalls herausgefunden wird, woraus die Förderkapazität des Brunnens dadurch bestimmt wird, dass die Fördermenge des Beobachtungsrohres mit einem empirischen Faktor multipliziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass, wenn der Sieboder Filterteil des Beobachtungsrohres kürzer ist als die Höhe des Grundwassers in dem Bereich, die Pumpenläufe über den gesamten Grundwasserhöhenbereich durchgeführt werden, indem das Sieboder Filterteil des Beobachtungsrohres über einen Abstand gleich seiner Länge bewegt wird, so dass die Pumpresultate über die gesamte Höhe erzielt werden, wodurch die Gesamtmenge die Summe der Teilmengen ist, die im Zusammenhang mit demselben Niveauabfall (derselbe Wassersäulendruck) herausgefunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e ■ kennzeichnet , dass Diagramme der spezifischen Förderkapazität, die durch das schrittweise Pumpen bestimmt wird, dadurch erzielt werden,dass die Pumpenläufe in Richtung auf das Grundwasser durchgeführt werden, insbesondere wenn das Grundwasservorkommen sich in grosser Tiefe befindet.