Um die Pumpe in einem Brunnenschacht möglichst genau zu positionieren, brauchen Sie dessen Tiefe. Die ermitteln Sie mithilfe eines präzisen Messgeräts aus einem Luftdrucksensor und einem Mikrocontroller.
Nach dem heißen und trockenen Sommer 2018 dürfte bei vielen Hausbesitzern und Kleingärtnern die Wasserrechnung explodiert sein, und auch diesen Sommer könnte das wieder der Fall sein. Da ergibt es Sinn, über einen eigenen Brunnen nachzudenken. Um die Pumpe exakt im gebohrten Brunnen zu positionieren, benötigt man die genaue Höhe des Grundwasserspiegels.
Dieser Artikel beschreibt den Bau einer Messeinrichtung, die es ermöglicht, den Pegel mithilfe des Luftdrucks präzise zu ermitteln. Dazu verwenden wir den Luftdrucksensor BMP180, den wir an einen ESP8266-Mikrocontroller anschließen, der gleichzeitig als WLAN-Access-Point arbeitet. Diese Konstellation ermöglicht es, die Messwerte über eine generierte Webseite per Webbrowser auszulesen.
Vorüberlegungen
Es gibt viele Möglichkeiten, Höhenunterschiede zu ermitteln. Die Idee, dazu den Luftdruck zu verwenden, ist nur eine von vielen und keineswegs neu: So verwenden viele Navigationsgeräte diese Methode, um die aktuelle Position noch etwas exakter zu bestimmen.
Für das Messen des Grundwasserspiegels in unserem Brunnen scheiden Laser- und Ultraschallmessung aus, da beide in einem Brunnenschacht nicht besonders zuverlässig arbeiten. Das altmodische Verfahren mit einem am Seil befestigten Stein scheidet für Geeks von vornherein aus – diese Methode verwenden wir bestenfalls zum Verifizieren der Messung.
Der BMP180 wartet mit einer maximale Genauigkeit von weniger als 20 Zentimetern auf, was für das Positionieren der Pumpe im Brunnen völlig ausreicht. Die Idee: Wir lassen den Sensor an einem Seil in einem schwimmfähigen Behältnis, etwa einer offenen Dose, in das Brunnenrohr hinab. So bleibt er exakt auf der Wasseroberfläche, um dort den Luftdruck zu messen. Man darf dazu das Gehäuse allerdings nicht komplett abdichten, sonst misst der Sensor nur dessen Innendruck.
Brunnen bohren
Bevor wir mit dem Aufbau des Sensors beginnen, sollten wir noch einmal kurz auf das Thema Brunnenbohren eingehen. Lässt man sich den Brunnen von einem Profi bohren, kostet das typischerweise rund 100 Euro pro Meter, plus Material. Steht der Bohrer erst einmal im Garten, kommt es durchaus auch vor, dass der Dienstleister zur Gewinnmaximierung einige Meter zu tief bohrt. Daher sollte man sich vorab selbst etwas mit den Thema auseinandersetzen.
Zunächst gilt es, herauszufinden, wie tief man in der Region üblicherweise bohren muss, um bis zum Grundwasser zu gelangen. Diese Information finden Sie mit etwas Recherche im Internet. Beachten Sie, dass Pumpen nur bis zu einer bestimmten Höhe [1] Wasser ansaugen können. Physikalisch liegt die Grenze bei etwa 10 Metern, die Ansaughöhe der im Handel erhältlichen Pumpen fällt aber meist geringer aus.
Liegt der Grundwasserspiegel tiefer, benötigt man eine sogenannte Tauchpumpe. Sie wird bis in das Wasser hinabgelassen und drückt das Wasser an die Oberfläche. In diesem Fall fallen die Brunnenrohre erheblich größer aus. Beim Verwenden von Ansaugpumpen liegt der Durchmesser bei etwa 5 Zentimeter, bei Tauchpumpen geht es bei etwa 10 Zentimeter los. Entscheiden Sie also am besten vor der Bohrung, welche Art von Brunnen und Pumpe Sie benötigen.
Alles, was Sie zum Bau eines Brunnens benötigen, finden Sie im Erdbohrer-Onlineshop [2]. Informationen über das konkrete Brunnenbohrprojekt des Autors zeigt der Kasten “Brunnenbohrprojekt”. Die Genehmigungsverfahren für das Bohren eines Brunnens unterscheiden sich je nach Bundesland. Informieren Sie sich also vorab, welche Regeln für Ihren Standort gelten, bevor Sie mit dem Bohren beginnen.
Brunnenbohrprojekt
Der einfachste Weg, den Grundwasserspiegel an Ihrem Standort in Erfahrung zu bringen, besteht darin, einen Nachbarn zu fragen, der schon einen Brunnen hat. Die Behörden geben die Wasserspiegel meist in Meter über Normalnull heraus. Wissen Sie exakt, wie weit die Bohrstelle über Normalnull liegt, lässt sich daraus die Lage des Grundwasserspiegels errechnen. Hier gilt es aber, zu beachten, dass dieser Grundwasserspiegel immer etwas schwankt. Nach einiger Überlegung entschied sich der Autor für eine Bohrung, die den Einsatz einer Tauchpumpe erlaubt, da der lokale Grundwasserspiegel knapp sieben Meter tief lag. Allerdings ließ sich nicht genau ermitteln, um wie viele Meter der Baugrund aufgefüllt worden war.
Nach einer Recherche im Netz legte sich der Autor auf folgende Teile fest: 10 Meter Brunnenrohr DN100 [5], 3 Meter Filterrohr DN100 [6], ein Bohrerset 9 Meter für einen Durchmesser von 110 Millimetern [7], einen Plunscher [8], eine elektrische Seilwinde [9], eine Holzzange für DN100 [10] und Dichtton [11]. Für die Arbeit baut man über dem Bohrloch ein kleines Holzgerüst auf, das dazu dient, das Bohrgestänge aufzunehmen. Später tritt eine Seilwinde an dessen Stelle, die den Plunscher trägt (Abbildung 1).
Um das Erdreich aus dem Bohrloch zu befördern, ziehen Sie den Bohrer immer wieder nach oben. Das geht anfangs noch recht leicht vonstatten, erweist sich aber spätestens dann als mühsam, wenn das Gestänge länger wird und Sie es teilen müssen. Hierbei gilt es, höllisch aufzupassen, dass das Gestänge nicht in das Bohrloch abrutscht (Abbildung 2). Dafür befinden sich alle drei Meter Haltebolzen im Gestänge. Bei der Bohrung des Autors war der erste Meter einfache Erde, dann kamen etwa vier Meter eines festen Kies-Lehm-Gemischs. Darunter folgte bis zur wasserführenden Schicht vier Meter tiefer nur noch Lehm.
Das Erreichen der wasserführende Schicht erkennen Sie daran, dass der Bohrer nichts mehr nach oben fördert. Mit einer Taschenlampe lässt sich das Wasser am Grund des Bohrlochs erkennen. Nun gilt es, das Rohr in den Brunnen einzulassen. Anhand der Gestängelänge des Bohrers können Sie abschätzen, wie viel davon Sie benötigen. Als Erstes kommt ein halbes Rohr, das Sie mit der Feile anspitzen, damit es leichter in den Kies eindringt. Es folgen drei Filterrohre, danach kommen die normalen Brunnenrohre. Die Rohre verbauen Sie so, dass die Kante an den Verschraubungen nach oben zeigt: So rutschen sie leichter in den Boden.
Anschließend schlägt die Stunde des Plunschers, den Sie bis zum Grund ablassen. Durch ruckartiges Ziehen nach oben strömt schlagartig Wasser ins Brunnenrohr und wirbelt dabei den Kies mit auf. Nun lassen Sie den Plunscher wieder ab und nehmen auf diese Weise den aufgewirbelten Kies auf. Das wiederholen Sie so lange, bis der Plunscher voll ist. Nun holen Sie ihn wieder nach oben und leeren ihn. In dem Moment, in dem der Kies nachströmt, bildet sich unter dem Rohr ein kleiner Hohlraum, in den das Rohr tiefer rutscht – allerdings nur dann, wenn ein Gewicht darauf lastet. Je tiefer Sie kommen, desto besser funktioniert der Brunnen später. Da sich das Hochziehen des Plunschers recht mühselig gestaltet, verwenden Sie dazu idealerweise eine elektrische Seilwinde.
Mithilfe von Blähton verschließen Sie zu guter Letzt das Brunnenrohr nach unten. Nun gilt es, die Höhe des Grundwasserspiegels zu ermitteln. Die Pumpe muss auf jeden Fall komplett von Wasser umspült sein, da es auch zum Kühlen dient. Je tiefer sie im Wasser hängt, umso länger fördert sie Wasser. Platzieren Sie die Pumpe jedoch zu tief, saugt sie womöglich den Blähton an und fördert ihn nach oben. Als guter Kompromiss bewährt sich in der Praxis, die Pumpe genau in die Mitte zwischen Blähton und Grundwasserspiegel zu hängen.
Abbildung 1: Der Mini-Bohrturm mit der Seilwinde erleichtert das Hochziehen des Plunschers.
Abbildung 2: Beim Bohren müssen Sie aufpassen, dass das Bohrgestänge nicht in das Loch abrutscht. Dafür sorgen Haltebolzen, die das durch den entsprechenden Aufbau verhindern.
Sensor
Wie eingangs erwähnt bauen wir unseren Sensor mit einem BMP180 und einem ESP8266 auf. Den Schaltplan zum Sensor zeigt Abbildung 3. Für einen ersten Test schließen Sie eine LED am GPIO-Port 14 an. Der Kondensator C1 stabilisiert die Betriebsspannung des ESP8266.
Abbildung 3: Der Schaltplan des Sensors.
Der ESP8266 benötigt, wenn er das WLAN-Signal sendet, schlagartig viel Energie. Unter Umständen sorgt das dafür, dass die Betriebsspannung kurzzeitig zusammenbricht, was den Absturz des ESP8266 zur Folge hätte. Der Kondensator speichert genug Energie, um diese Momente zu überbrücken. Der BMP180 hängt am I2C-Bus des ESP8266. Die zwei 4,7K-Widerstände arbeiten als Pullups und sorgen für saubere Signale auf dem I2C-Bus.
