Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

Gewaltige Mengen an Erdgas sind als festes eisähnliches Methanhydrat im Meeresboden gespeichert. Diese natürlichen Vorkommen enthalten mehr Energie und Kohlenstoff (ca. 3000Gt C), als alle konventionellen Lagerstätten wie Kohle, Öl und Gas auf unserem Planeten. Erdgas ist die umweltfreundlichste Quelle für fossile Energien. Unter Leitung des Kieler Leibniz Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) wurden im Rahmen des Projektes SUGAR (Submarine Gashydrat Reservoirs) mit einem Mitteleinsatz von ca. 13 Millionen Euro neue Technologien entwickelt, um Erdgas (Methan) aus Methanhydraten im Meeresboden zu gewinnen und Kohlendioxid (CO2) aus Kraftwerken und anderen industriellen Anlagen sicher im Meeresboden zu speichern. Im Teilprojekt “Vermessung von Hydratvorkommen als CO2 Deponie mittels tief geschleppter hydroakustischer Streamer” werden mit Hilfe einer Streamerkette mit 96 Messknoten in einer Wassertiefe bis zu 4000 m seismische Messungen durchgeführt, um die Hydratvorkommen zu finden, abzubilden und für eine hochgenaue Strukturanalyse zu quantifizieren.

Abbildung 1: Methan Hydrat in 1055m Tiefe
Quelle: NOAA Okeanos Explorer Program/2013 Northeast U.S. Canyons Expedition

Für die Analyse ist eine präzise Tiefenlokalisierung aller einzelnen Messknoten erforderlich, da nicht davon ausgegangen werden kann, dass alle Knoten in einem Tiefenhorizont geschleppt werden.

Abbildung 2: Gashydrat-Funde im Ozean und auf dem Land
Quelle: Jens Greinert, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR)

Die Realisierung der Messkette wurde vom IFM-Geomar an drei Firmen vergeben, die die folgenden Aufgaben übernommen haben:

  • Entwicklung und Fertigung der mechanischen und elektromechanischen Komponenten durch die KUM Umwelt- und Meerestechnik Kiel GmbH
  • Entwicklung und Realisierung der elektronischen Komponenten für die einzelnen Knoten (Systemplatine Signalverarbeitung der hydroakustischen Signale, Telemetrie, Vernetzung der Knoten, Energieversorgung, Softwareentwicklung für die Steuerung der Datenerfassung vom Bordgerät) durch die SEND Off-Shore Electronics GmbH
  • Entwicklung und Fertigung der Messtechnik zur Tiefenbestimmung der Knoten über Druckmessung durch die SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH in Zusammenarbeit mit STS

Abbildung 3: Schleppanordnung eines tief geschleppten, kombinierten Mehrkanalseismik-Seitenschichtsonarsystem
Quelle: Breitzke, Bialas IFM Geomar

Geforderte Spezifikationen

  • Korrosionsfestigkeit in Seewasser
  • Genauigkeit (TEB) besser als 0,1 bar
  • Auflösung besser als 0,01 bar
  • Messbereich 0 bis 400 bar entsprechend 4000 m Wassertiefe
  • Temperaturbereich -2 bis 40°C
  • Isolationsfestigkeit gegen Seewasser von mehr als 600 V
  • Messfrequenz 1,25Hz
  • Energieversorgung: 5V < 2,5mA, 3,3V < 3,0mA
  • Interface I2C, Standard Modbus (max. 100kbit/s)

Als Material für den Sensor kam nur Titan in Frage. Piezoresistive Druckmesszellen komplett aus Titan wurden in der Vergangenheit von STS bezogen. Die Erfahrungen mit diesem Sensorelement liessen erwarten, dass die geforderte Genauigkeit mit dem von SiS entwickelten Linearisierungsverfahren über Druck und Temperatur einzuhalten wären.

Insbesondere wird der Druck relativ zum Luftdruck an der Oberfläche benötigt. Dies ermöglicht einen automatischen Nullpunktabgleich aller 96 Knoten an der Oberfläche vor dem Einsatz in See. Dadurch wird der Nullpunktdrift der Sensoren kompensiert, so dass nur Drifterscheinungen höherer Ordnung in das Langzeitverhalten eingehen.

Realisierung

Das Sensorelement wird in einer Aufnahme im Verschlussstopfen untergebracht und mittels einer Druckschraube fixiert. Der Seewasserzugang wird durch eine frontale Bohrung hergestellt. Eine radiale Bohrung am Verschlussstopfen führt auch durch das Gehäuserohr nach aussen. Diese Konstruktion wurde gewählt, damit der Druckkanal nach dem Seeeinsatz von Seewasser gereinigt werden kann, etwa durch Spülen mit Frischwasser oder Druckluft. Dadurch wir die Salzkristallbildung im Dichtungsbereich des Drucksensors vermieden.

Über eine Steckverbindung wird der Sensor mit der Druckplatine verbunden. Diese enthält die analoge Vorverarbeitung, den 16 bit AD Wandler sowie den Digitalteil mit Microcontroller, dem EEPROM und der I2C-Schnittstelle.

Abbildung 4: Baugruppen des Systems

Die Druckplatine sitzt über einem Inline Pfostenstecker huckepack auf der Systemplatine. Dieser Aufbau wurde gewählt, um die Einheit Drucksensor-Druckplatine unabhängig von der Systemplatine kalibrieren zu können. Das ist insbesondere bei der alle zwei Jahre erforderlichen Rekalibrierung vorteilhaft.

Kalibrierung

Zur Druckkalibrierung wurde eine Fassung des Drucksensors konstruiert, die von dem vorhandenen Kalibrieradapter aufgenommen werden kann. In dem karussellartigen Kalibrieradapter können zwölf Sensoren parallel kalibriert werden. Der Kalibrieradapter wird in ein thermostatisiertes Bad eingetaucht, so dass die Sensorelemente eng an die Badtemperatur angekoppelt sind. Der Kalibrieradapter wird mittels Hochdruckleitung an die Budenberg Druckwaage angeschlossen.

Abbildung 5: Kalibrieradapter

Die I2C Ausgänge der Sensoren werden an ein Kalibrierinterface angeschlossen, welches mit einem Rechner im Intranet verbunden ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kalibrierdaten an allen Arbeitsplätzen  der Firma zur Verfügung stehen – für die Archivierung, die Berechnung der Kalibrierkoeffizienten, den Download der Koeffizienten in die EEPROMs der Sensoren, den Ausdruck von Kalibrierscheinen, etc.. Der Kalibriervorgang ist menügeführt und wird durch eine Profildatei gesteuert, welche die Kalibrierstützstellen enthält. Für den SUGAR-Drucksensor wurden folgende Stützstellen gewählt:

  • 0, 800, 1600, 2400, 3200, 4000 dbar bei jeweils den Temperaturen -2, 7, 16, 24, 32, und 40°C

Diskussion der Ergebnisse

Zur Ermittlung der Kalibrierkoeffizienten werden 36 Datenpunkte verwendet (sechs Drücke bei jeweils sechs Temperaturen). Für die Temperaturkompensation wird vom Datenerfassungsystem des Sensors der Brückenwiderstand des Sensorelements verwendet. Wegen der spiegelasymetrischen Verstimmung der Dehnungsmessbrücke des Sensorelementes ist der Diagonalwert in erster Ordnung nur vom Druck und der Brückenwiderstand in erster Ordnung nur von der Temperatur abhängig. Daher eignet sich der Brückwiderstand sehr gut zur Temperaturkorrektur. Der Brückwiderstand wird benutzt, um die Fehler höherer Ordnung der Druckmessung zu kompensieren. Der Vorteil der Methode besteht darin, dass das Temperatursignal direkt am Ort der Störung ermittelt wird, nämlich direkt am Element der Druckmessung. Daher sind keine Zeitkonstanten zu berücksichtigen, wie etwa bei der Messung der Temperatur ausserhalb des Sensorelementes durch ein separates Thermometer. Es treten also keine dynamischen Fehler der Korrektur auf.

Weitere Informationen zum Projekt.

Quellen:
IFM-GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung
KUM Umwelt- und Meerestechnik
SEND Off-Shore Electronics GmbH
SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH

Erneuerbare Ressourcen: Energiespeicherung bei Offshore-Anwendungen

Erneuerbare Ressourcen: Energiespeicherung bei Offshore-Anwendungen

Erneuerbare Ressourcen gewinnen beständig an Beliebtheit, sowohl zu Land als auch in grossen Offshore-Systemen. Es gibt jedoch ein beträchtliches Problem, das aktuell den Wachstum des Marktes sehr einschränkt: Sämtliche Energie, die produziert wird – sei es durch Nutzung von Wasser, Sonne oder Wind – muss sofort angewendet werden. Jeglicher Überschuss, welcher nicht sofort verwendet werden kann, geht unwiederbringlich verloren. Darüber hinaus können erneuerbare Ressourcen instabil sein, da sie von plötzlichen Änderungen der natürlichen Gegebenheiten abhängig sind. Das beeinflusst wiederum umgehend die Ausgangsleistung. Die Lösung für dieses Problem ist naheliegend: Es muss ein Weg gefunden werden, die Energie für den Verbrauch zu einem späteren Zeitpunkt zu speichern.

Unabhängige Energiespeicherung dank Doppelkammer-Technologie

Mit ihrem Projekt FLASC haben Ingenieure der Fakultät für Ingenieurwissenschaften an der Universität Malta einen Weg gefunden, genau das zu ermöglichen. Sie haben einen Prozess entwickelt, der es Offshore-Systemen erlaubt, überschüssige Energie effektiv zu speichern. Zur Energiespeicherung wird hierbei Druckluft eingesetzt. Ähnliche Anwendungen, die bereits in Gebrauch sind, sind vom hydrostatischen Druck abhängig. Dieser wird wiederum von der Wassertiefe beeinflusst. Im Gegensatz dazu bietet die FLASC Doppelkammer-Technologie die Möglichkeit eines unbegrenzten Druckmessbereichs, ganz gleich bei welcher Wassertiefe. So kann überschüssige Energie sicher gespeichert und in bestimmten Abständen, die sich individuell bestimmen lassen, freigegeben werden. Schlussendlich garantiert dies auch die Unabhängigkeit von natürlichen Bedingungen.

Exakte Messung mit STS ATM/N/T Sensoren

Die gesamte Technologie ist natürlich von einer stabilen Druckluft abhängig, der zu jeder Zeit gegeben sein muss. FLASC verlässt sich hier auf die effizienten ATM/N/T Sensoren von STS. Die empfindlichen Sensoren messen Druck und Temperatur an drei verschiedenen Stellen im System. Dank Gehäusematerial aus robustem Titan sind die Sensoren perfekt an den dauerhaften Einsatz in Salzwasser angepasst. Mit Hilfe des integrierten Temperaturmesselements PT100 können Temperaturen von 5 – 80°C aufgezeichnet werden. Die gesammelten Daten werden direkt an das SCADA System übertragen, wo sie in Echtzeit überwacht werden können.

Altlasten: Grundwasserdekontamination braucht robuste Pegelsonden

Altlasten: Grundwasserdekontamination braucht robuste Pegelsonden

Ob alte Mülldeponien, Kohlehalden, ehemalige Militärplätze oder Raffinerien: Übrig bleibt kontaminierter Boden, der eine Gefahr für Mensch und Umwelt ist. Bei der Sanierung dieser Orte braucht es ob der oft aggressiven Gefahrenstoffe widerstandsfähige Pegelsonden.

Altlasten sind nicht nur durch gesundheits- oder umweltschädliche Veränderungen des Bodens gekennzeichnet. Bei fehlenden Sicherungsmassnahmen (wie bei alten Mülldeponien) und je nach Bodenbeschaffenheit werden die gefährlichen Stoffe durch Regen bis ins Grundwasser gespült. Je nach Nutzungsart können eine Reihe unterschiedlicher Gefahrenstoffe angetroffen werden, darunter u.a.:

  • Schwermetallverbindungen: Kupfer, Blei, Chrom, Nickel, Zink und Arsen (Halbmetall)
  • Organische Stoffe: Phenole, Mineralöl, Benzole, chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW), aromatische Kohlenwasserstoffen (PAK)
  • Salze: Chloride, Sulfate, Karbonate

Dekontamination der Grundwasserversorgung

Bei der Sanierung von Altlasten ist neben der Säuberung des Bodens auch die Kontrolle und Reinigung des Grundwassers von grosser Bedeutung. Ohne zuverlässige Pegelsonden, die den widrigen Bedingungen standhalten können, ist dies nicht möglich.

Üblicherweise läuft das Dekontaminationsverfahren wie folgt ab: Das kontaminierte Grundwasser wird an die Oberfläche gepumpt und aufbereitet. Als gefiltertes Spülwasser wird es dann wieder in den Kontaminationsherd gebracht. Damit das Spülwasser nicht zu einer dem Kontiminationsherd abgewandten Seite fliesst, werden aktive hydraulische Verfahren zur Schutzinfiltration eingesetzt. Wasser wird über mehrere Brunnen um das eigentliche Dekontaminationsverfahren herum in den Boden gegeben. Die dadurch hergestellten Druckverhältnisse bilden gewissermassen eine Sperrwand und bewirken, dass das Spülwasser zum Kontaminationsherd fliesst. Um diesen Prozess zu steuern und zu überwachen, braucht es Pegelsonden.

Abbildung 1: Ablauf eines Dekontaminationsverfahrens

Pegelsonden werden natürlich auch im Nachgang der Sanierungsarbeiten eingesetzt. So werden die betreffenden Stellen noch lange Zeit nach Abschluss der Arbeiten überwacht, um zu prüfen, ob es auffällige Änderungen des Wasserspiegels oder der Fliessrichtung gibt.

Natürlich werden Pegelsonden auch bei aktivem Betrieb potenziell umweltschädigender Anwendungen eingesetzt. Neuere Mülldeponien sind wie ein undurchlässiges Becken aufgebaut. Der Grundwasserspiegel unter der Deponie wird abgesenkt, so dass im Falle einer Leckage kein Wasser in angrenzende Gebiete fliessen kann. Auch hier sind die jeweiligen Wasserstände durch Pegelsonden zu überwachen.


Pegelsonden in kontaminierten Gewässern: Hohe Anforderungen

Anwender im Bereich Dekontamination von Altlasten sollten bei der Wahl geeigneter Pegelsonden sehr sorgfältig vorgehen. Aufgrund der Vielzahl von Stoffe, die im Wasser gelöst sein können, gibt es nicht die eine Lösung, die für jeden Fall verlässlich arbeitet. Dabei sind verschiedene Aspekte zu beachten, die wir im Folgenden kurz darstellen:

Materialien

Gehäuse

In den meisten Anwendungen ist ein hochwertiger Edelstahl, wie ihn STS verwendet, ausreichend, um die Messzelle vor aggressiven Stoffen zu schützen. Kommt es zu Kontakt mit Salzwasser, ist ein Titangehäuse zu wählen. Wenn mit galvanischen Effekten zu rechnen ist, sollte eine Pegelsonde aus PVDF gewählt werden.

Abbildung 2: ATM/NC chemisch beständige Pegelsonde mit PVDF Gehäuse

Sondenkabel

Weitaus kritischer als die Wahl eines geeigneten Gehäuses ist unserer Erfahrung nach die Wahl des Sondenkabels. Aufgrund von schleichenden Diffusionsprozessen ist der Prozess der Zerstörung nicht sofort ersichtlich. Oftmals ist er auch bei entstandenem Schaden nicht von aussen zu erkennen. Daher ist besondere Vorsicht bei der Konsultation von Beständigkeitstabellen geboten: Denn diese sagen in der Regel wenig über den Sonderfall Sondenkabel aus. In der Mitte eines Sondenkabels befindet sich ein Luftröhrchen, das dem Relativdruckausgleich dient. Wenn das Material des Kabels nicht zu hundert Prozent beständig ist, können Grundstoffe durch den Kabelmantel diffundieren und über das Luftröhrchen in den Sensorchip wandern.

Je nach den zu erwartenden Stoffen können Anwender bei STS auf PE-, PUR oder FEP-Kabel zurückgreifen. Letzteres kann auch bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 110 °C eingesetzt werden.

Montage

Kabelverlegung

Alte Deponien oder Industriestandorte sind raue Umgebungen. Nicht nur die Gefahrenstoffe können die Funktionalität der eingesetzte Pegelsonden beeinträchtigen. Es ist darauf zu achten, dass der Kabelmantel nicht durch mechanische Belastungen (z.B. Schutt) beschädigt wird. Auch Scheuer- und Knickstellen sind zu vermeiden. Es empfiehlt sich daher, bei der Kabelverlegung spezielle Schutzschläuche, wie sie auch von STS angeboten werden, zu verwenden.

Zugentlastung

Die Druckfestigkeit von Pegelsonden variiert von Hersteller zu Hersteller. Bei STS sind alle Pegelsonden standardmässig bis zu 250 Meter druckfest und das Kabel ist bis zu dieser Tiefe auch für normale Zugbelastungen ausgelegt. Dennoch sollten Anwender bei schwierigen Montagebedingungen über die Verwendung einer Zugentlastung nachdenken.

Befestigung

Wird die Sonde bei fliessenden Gewässern oder Tanks mit Rührwerken eingesetzt, kann diese entweder mit einem G ½ Gewinde am Kabelaustritt (Rohrbefestigung) oder mit einer Klemmringverschraubung (15 mm) geliefert werden.

Explosionsschutz

In Anwendungen, bei denen mit einer Reihe gefährlicher Stoffe zu rechnen ist, muss unbedingt auch auf einen Explosionsschutz geachtet werden. Auskunft darüber gibt die internationalen Standards entsprechende ATEX-Zulassung.

Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Es gibt mehr als 2 Millionen Abwasser Aufzug- oder Pumpstationen allein in den Vereinigten Staaten. Alle arbeiten nach dem gleichen Prinzip und mit dem gleichen Ziel: Abwasser von einer Ebene auf eine höhere Ebene zu bewegen. Die Installationskosten reichen hierbei von 150’000 $ (20 Gallonen pro Minute) bis zu 1.5Mio $ (bis zu 100.000 Gallonen pro Minute) basierend auf Kapazität und Komplexität der Anlage. Neben der enormen Entwicklung der Pumpentechnik, hat besonders eine kleine Komponente, welche für die Pumpensteuerung undZuverlässigkeit der Station wesentlich ist, eine bedeutende Entwicklung in den letzten Jahren erfahren: der Füllstandssensor. 

Abbildung 1: Typisches Schema einer Abwasserhebestation mit Füllstandssensor (Drucktransmitter) und der dazugehörigen Hardware

Der Füllstandssensor liefert eine elektrische Rückkopplung zur Pumpe, wann diese ein- und auszuschalten ist. Traditionell wurden Schwimmer, die ein entsprechendes Signal an die Pumpe bei hohen und niedrigen Pegeln liefert, verwendet. Sogenannte Bubbler Systeme werden ebenfalls verwendet, obwohl sie bezüglich Wartung mit der Forderung nach einem kontinuierlichen Gasstrom enorm anspruchsvoll sind. Heute gibt es viele Sensortechnologien um Flüssigkeitspegel zu messen, wie Radar oder Ultraschall. Diese sind oftmals entweder für eine relativ einfache Abwasserhebestation im Preis  zu hoch oder aufgrund der Betriebsumgebung unzuverlässig. Um den Umweltbedingungen standzuhalten und eine kontinuierliche und zuverlässige Überwachung zu gewährleisten, wurden in den letzten Jahren vermehrt hydrostatische Druckmessumformer eingesetzt.

Die Technologie

Eine Reihe von Herstellern wie STS haben spezielle Sensoren für diese Anwendung entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist die ATM/K/N wie unten gezeigt.

Abbildung 2: Füsstandssensor mit Keramik-Messzelle

Da viele Abwasserhebeanlagen sich an schwer zugänglichen Stellen befinden, ist Zuverlässigkeit eine der wichtigsten Anforderungen. Dies erfordert ein gutes Design mit hohem Anspruch an die Dichtungen. Aufgrund der Natur des Abwassers muss das Sensorelement auch ein Verstopfen vermeiden. Dieses Problem wird aufgrund der Zunahme von sogenannten FOG (Fette und Öle), welche mit der zunehmenden Beliebheit von Fast-Food-Restaurants zusammenhängt, immer wichtiger. Die Verwendung von keramik-kapazitiver Sensortechnologie ermöglichen hierbei den Bau von robuste Sensoren. Die Messperformance wird mit hoher Präzision erreicht: besser als 0,1% Gesamtfehler zur exakten Bestimmung von Abwasserniveaus von nur ein paar Zentimeter Pegeldifferenz.

Die Technologie ist zudem robust gegen einen sehr hohen Überdruck von mindestens dreimal des Nennbereichs ohne Verschlechterung der Sensorleistung. Dies schützt den Sensor vor Schäden durch beispielsweise Gegendruck. Das Gehäuse wird im allgemeinen aus Edelstahl hergestellt. Ist das Medium sehr korrosiv, wird oft Titan bevorzugt.

Ein weiteres Designmerkmal ist der elektrische Anschluss: Unterschiedliche elektrische Ausgänge einschließlich der beliebtesten 4-20 mA Schnittstelle (verfügbar sind 2-Draht-Versorgung oder 1-5 Volt) sind erforderlich. In einigen Fällen möchten Anwender den Druckbereich des Transmitters frei wählbar einstellen. Dies kann über eine digitale Schnittstelle erfolgen, um einen Endwertebereich (Turndown) von bis zu 10% des ursprünglich festgelegten Bereichs zu definieren. Die Transmitter können mit einem vollen  voreingestellten Druckbereich geliefert und anschliessend für jede Abwasserhebestation optimal angepasst betrieben zu werden. In Liftstationen, in denen gefährliche Gase vorhanden sind, müssen eigensichere Drucktransmitter angewendet werden.


Auch der Kabelanschluss ist wichtig, nicht nur zur Verbindung mit der Steuerung, sondern auch um einen Auslass für das Entlüftungsrohr auf den Atmosphärendruck sicherzustellen. Dies ist entscheidend, um einen korrekten Betrieb des Drucktransmitters zu gewährleisten, da dieser sonst durch Änderungen des Luftdruckes beeinträchtigt werden könnte. Allerdings muss das Entlüftungsrohr gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden. Es gibt viele Techniken um die langfristige Zuverlässigkeit des Transmitters zu gewährleisten, wie die Verwendung von Trocknungsmittel innerhalb des Abschlussgehäuse. STS hat ein versiegeltes Mylar-Gehäuse entwickelt, welches keine Wartung erfordert und somit kann auf die Verwendung von Trocknungsmitteln oder Verbrauchsmaterialien vollständig verzichtet werden.

Da die Niveausonde relativ leicht ist und der Transmitter bevorzugt ein paar Zentimeter vom Tankboden positioniert werden soll, verwendet man häufig Gewichte. Diese Art der  Gewicht wird manchmal auch als “Vogelkäfig” betitelt. Der “Vogelkäfig” kann vom Transmitter bei Bedarf entfernt werden, in vielen anderen Fällen jedoch ist er in den Transmitter integriert.

Schlussfolgerung

Tauchsonden nach neuestem Stand der Technik sind besonders zuverlässig und weitgehend wartungsfrei. Füllstandsüberwachungen, Überwachungen von Pumpensteuerungen für Abwasserhebeanlagen oder der Pegelstand von tiefen Brunnen lassen sich damit problemlos meistern. Die hydrostatischen Pegelsonden überwachen kontinuierlich die Abwasserniveaus  und sorgen hierbei für einen reibungslosen Betrieb der Anlage.

Correcting Water Level Data for Barometric Pressure Fluctuations

Correcting Water Level Data for Barometric Pressure Fluctuations

Piezometric surveys of Otavi karst aquifer – data analysis through barometric efficiency calculation

The main concepts for identifying and removing barometric pressure effects in confined and unconfined aquifers are described. Although it is commonly known that barometric pressure changes can effect water level readings, few articles and procedures are provided to correctly manage piezometric data.

Knowing the barometric efficiency reduces errors in calculating piezometric surfaces and drawdowns in the piezometers during pumping tests. Stallman (1967) suggested furthermore, that air movement through the unsaturated zone and the attendant pressure lag, could help to better describe the aquifer properties. Rasmussen and Crawford (1997) described how barometric efficiency varies with time in some aquifers and how to calculate the corresponding barometric response function (BRF). They also showed that this last parameter is related to the degree of aquifer confinement.  Finally we present an application of the procedure in an unconfined karst aquifer located in northern Namibia (Otavi mountainland) where a set of four absolute transducers have recorded water level changes and earth tides during a 10 months period at 1 hr. interval.

General framework

The area under investigation is in the SE part of a 6000 sq. km plateau with average elevation of 1300-1500 m a.s.l. and hills reaching 2000 m (see below).

Rock formations are made of thick dolomitic limestone beds with stromatolites (500 b.p.). The strata have been folded into a number of synclines and anticlines generally striking east – west. The southern part of the study area is bordered by a long fault with various mineral occurrences (copper, vanadium, lead, zinc).  Due to the high fracturing, low vegetation cover and lack of soil, surficial runoff is almost nil. Two natural water basins, collapsed dolines, of 100-200 m in large, are located farther north and outside the project area. The mean annual rainfall is 540 mm (1926 – 1992) with peaks during summer, between December and March. Since mid ‘70s and until the year 2000 the area suffered a fall in precipitation that, together with mining activity (Kombat, Tsumeb, Abenab) were responsible for the lowering of the water table of as far as 20-30 m in some places.

From 2005 on, this trend has reversed due to the reduced activity of  the mines and a new meteorological regime.

Hydrogeological framework

This region is well known for its karst features, and hosts some wide underground lakes located between 70 and 120 m below ground surface.

The area is also classified as one of the most important aquifer of the country (Dept. of Water Affairs, MAWRD, area E-F). To glean more valuable insights into this particular environment and locate alternative positions for water boreholes we prepared two piezometric maps (2007-2010) and installed 4 water level transducers in some water points at 2-4 km distance in Harasib farm (fig. 13).

Fig. 13 Piezometric map (February 2007) and position of three water level loggers

The 2007 piezometric surface shows a recharge area, coincident with the topographic highs and feeded by rain infiltration. From this point, underground flow directions are to SW and SE. During this stage we focused our researches to define: 

  • Type of aquifer
  • Aquifer connections between Harasib and Dragon’s lakes
  • Recharge

Chemical analysis of surface and deep waters were conducted in 2007, while continuous barometric pressure and water level readings were made during a ten months period, between September 2010 and June 2011. The aquifer recharge starts when cumulative rain exceeds 400-500 mm. The thickness of the unsaturated part ranges from 40 to 100 m. Considering this value close to the average annual rainfall, and that the aquifer is karstic and highly fractured, one should note that one or two years of scarce precipitation is enough to decrease dramatically the exploitable yield.

Barometric efficiency (BE) and barometric response function (BRF)

Fig. 16 Values of dry period (September – January)

The water level readings have been analysed with the software BETCO (Sandia National Laboratories), to remove the effects of the barometric pressure changes. The measured and corrected values are depicted in fig. 16 and refer to the dry period (September – January) while fig. 17 shows the barometric pressure versus water level changes, used for the calculation of the barometric efficiency.

Fig. 17 Difference in barometric pressure and water levels during the dry period (Sept.-Dec. 2010)

In all examples we notice that:

  • There is a good correlation between measured and corrected values, even if with lower amplitude
  • There still is a variation diminishing in the corrected values; being excluded skin effects phenomena this behaviour could be ascribed to other non-barometric effects (earth tides, double porosity)
  • The initial barometric efficiency values are quite similar (0.55 – 0.61)

In fig. 18 is depicted the barometric response function (BRF) that characterises the water level response over time to a step change in barometric pressure; essentially BRF is a function of time since the imposed load.

Fig. 18 Barometric Response Functions for the three water points. The curves are similar (especially Dragon’s Breath and Harasib lake) suggesting an unconfined aquifer with perhaps a double porosity component.

A good agreement is observed for all three water points. In Dragon’s Breath lake e.g, there is a quick rise to 0.5 and a longer term decay to a lower value (0.2 – 0.3 after 20 hrs), due to the slow passage of air through fractures. The balance between external pressure and the aquifer is reached at 0.1 value.

The shape of the three curves indicate an unconfined aquifer with good hydraulic connections especially between Dragon’s Breath and Harasib lake, this last one at 2 km distance.

The correlation has also been proved by isotopic and chemical analysis made in 2007 (prof. Franco Cucchi, Dept. of  Geology, Trieste University).

Generally speaking the collected data confirm the unconfined behaviour of the aquifer, overlaid by a thick and rigid unsaturated layer, well fractured and hydraulically connected. The initial barometric efficiency is higher than the final.

Earth tides and sensor readings

Fig. 19 Water levels asl in the underground lake. The enlargement above shows small cyclic differences due to earth tides.

Regarding this last topic, data collected are still scarce but we think it is nevertheless interesting to illustrate some thoughts. When inspected in detail the curves show a distinctive zig-zag pattern with peaks every 10-12 hrs (fig. 19). This behaviour supports the effect of earth tides, producing slight changes in the volume of the fractures and pores and hence in the groundwater potential. The Fourier analysis (Shumway, 1988) shows the harmonic structure for the three water points in fig. 20 and the tide components in fig. 21.

Fig. 20  Harmonic structure for the three water points 

Fig. 21  Tidal magnitudes for the main harmonic components (values in ft)

The area close  to Harasib lake has the higher values for the M2 component and this can be considered as an indication of a higher transmissivity zone (Merritt, 2004). This fact is partly confirmed by the presence of a local fracture elongated ENE-WSW very close to Harasib lake.

Concluding remarks

Water levels fluctuations in aquifers are not only due to recharge variations. Barometric pressure and tides are among the main concerns. Knowing barometric pressure variation for a particular site, helps to validate a piezometric map or a pumping test. Modern pressure transducers vented to the atmosphere are recognised to be extremely useful when installed into boreholes. Recordings are different following the type of aquifer and the graphs can be diagnostic of the degree of confinement for the monitored levels.

Useful parameters that characterize this behaviour are the barometric efficiency (BE) and the barometric response function (BRF). The latter characterizes a deep unconfined aquifer when values are initially high and approximate 0 on the long term response, conversely the aquifer is confined/semiconfined when values stay constant or approximate 1 on the long term response. Removing barometric effects is sometimes necessary to correctly interpret a pumping test or dress up a piezometric map. Finally a particular analysis of the water level data allows to calculate the harmonic components due to tides and hence some hydrogeological features.

This theoretical approach has been applied to the data gathered for a project study of an unconfined karst aquifer in northern Namibia. Water levels have been monitored during a 10 months period, with hourly readings and by means of four transducers. The data confirmed the general assumptions obtained during preceding investigations and have underlined the importance of the use of such instruments for aquifer assessment, showing particularly:

  1. The role of the recharge due to rainfall and high transmissivity around Harasib lake area
  2. The good hydraulic connection and conductivity for the aquifer
  3. The lack of confining layers (it’s a deep and rigid unconfined aquifer)
  4. The storage effect of the unsaturated part, above the water table, that starts draining when rain exceeds 400/500 mm
  5. The other pressure effects, such earth tides, can be highlighted using water level transducers

Acknowledgements

Namgrows stands for Namibian Groundwater Systems, a project set up by the author and the colleague Gérald Favre, with the participation of geologists and cavers from 4 different countries (Italy, Switzerland, Namibia, South Africa). The project was supported in Namibia by eng. Sarel La Cante and his wife Leoni Pretorius (Harasib farm).

The company STS – Italia sponsored us by providing the water level sensors and its technical support.

I also wish to thank prof. Todd Rasmussen (The University of Georgia, Athens)  for providing his valuable insights into the data and particularly those regarding the barometric efficiency and earth tides.

 Source: Dr. Alessio Fileccia / Consulting Geologist

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Der Markusplatz säuft nicht ab: Um den Grundwasserspiegel am Markusplatz kontinuierlich zu messen, kommen Datenlogger aus dem Hause STS zum Einsatz. Diese sind besonders robust und eignen sich für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen.

2003 hat die Firma S.P.G. begonnen, am Markusplatz in Venedig mehrere Grundwasser Datenlogger zu installieren. Diese sind für die spezifischen Anforderungen ausgelegt und besitzen vor allem die Eigenschaft, mehrere Tage unter salzhaltigem Wasser auszuhalten, da der Markusplatz bei steigender Flut regelmäßig überschwemmt wird. Die Baustelle steht im Zusammenhang mit den von der Gewässeraufsichtsbehörde eingeleiteten Arbeiten zum Schutz der Lagune und der Stadt Venedig vor Hochwasser.

Das beauftragte Konsortium Venezia Nuova sah den Neubau der Kaianlage gegenüber dem Markusplatz mit innovativen technischen Einzelheiten vor. Die Anforderung bestand darin, den Verlauf des Grundwassers zu überwachen, das sich nach und nach vom Baustellenbereich zu den dahinter liegenden Gebäuden verschob. Daher wurden auf Anforderung des Auftraggebers Pegel-Datenlogger von STS installiert, um kontinuierlich die Schwankungen des Grundwasserspiegels zu messen.

Der Grundwasser Datenlogger ermöglicht die gleichzeitige Messung von Pegel, Temperatur und Leitfähigkeit im Bereich von 0…50 cmWS bis 0…250 mWS, -5 bis 50 °C und 0,020…20 mS/cm. Bei Bedarf kann der Anwender jederzeit eine Datenfernübertragungs-Einheit nachrüsten. Der Logger zeichnet sich die durch einfache, benutzerfreundliche Bedienung, einen großen Messwertspeicher von bis zu 1.5 Millionen Messwerten und einen Sondendurchmesser von nur 24 mm bzw. 10 mm aus.

Die steckbaren Ausführungen bieten die Möglichkeit der Kabelverlängerung. Neue Softwarefunktionen lassen sich ohne umständliche Rücksendung durch den Anwender aktualisieren. Die handelsübliche Lithium batterie lässt sich mit wenigen Handgriffen vor Ort austauschen. Daten können im ASCII- oder XML-Format übertragen und in Standard-Software wie Excel weiter verarbeitet werden. Variable Speicherintervalle in Abhängigkeit vom Druck oder der Zeit erlauben vielfältige Messungen.

Durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Edelstahl, Titan, PUR, PE oder Teflonkabel wird eine hohe Medienverträglichkeit für verschiedenste Anwendungen wie Deponien, Altlasten, Pumpversuche, Hochwassermeldungen und Abschlagserfassung an Regenüberlaufbecken erreicht.

Erstpublikation:   Magazin konstruktion