Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
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Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer Abriss der Hydrogeologie Warum fließt Grundwasser? Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009 Präsentation basiert auf „Einführung Hydrogeologie“ Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg) Inhalte • • • • • • • • • • • • • • Einführung Was ist ein Aquifer? Warum fließt Grundwasser? Wie bestimmt man Porosität und Permeabilität? Gesättigte und ungesättigte Zone Brunnen und Pumpversuche Pumpversuchsauswertung und Grundwasserneubildung Wasser: Das universelle Lösungsmittel Wechselwirkungen Wasser – Gestein weitere Wasserinhaltsstoffe Grundwassermodellierung Grundwasserschutz und Management Grundwassersanierung Regionale Beispiele 1 Aquifereigenschaften • Hohlraum und Widerstand • Hohlräume: H hl ä - Poren - Klüfte - Poren & Klüfte Hohlräume Porenvolumen VP = Porosität Gesamt ol men VG Gesamtvolumen Porositätsfaktor φ = VP / VG effektive Porosität φE (nutzbare Porosität) φE = φG – φR φR = Residualporosität φG = Gesamtporosität bei Klüften: Kluftvolumen VK Hohlraumvolumen 2 Porositäten ΦE = ΦG – ΦR T: Ton | U: Schluff | S: Sand | G: Kies | X: Steine Porosität von Sedimenten Kies Sand Schluff Ton Gesamt-P.(%) effektive P.(%) 24 … 38 18 … 30 31 … 53 10 … 15 34 … 61 3…6 34 … 65 0…3 3 Hohlraumvolumen Festgesteine Gestein Granite, Gneise Sandsteine Tuff Basalt Karst Gesamthohlraumvolumen (%) 0…5 Poren: 5 … 15 Klüfte: 0…3 0 … 50 3 … 35 1…5 Charakterisierung Lockergesteine Steine Ki Kies Sand Schluff Ton > 63 mm 2 … 63 mm 0,063 … 2 mm 0,002 … 0,063 mm < 0,002 mm Bestimmung der Kornverteilung: Sieben, Schlämmen 4 Kornverteilungskurve Bestimmung der Porosität im Labor • Aufsättigung einer Probe mit definierten Volumen • Bestimmung der Masse der wassergesättigten Probe MW • Trocknung einer aufgesättigten Probe bei 120 ºC • Bestimmung der getrockneten Probe MT • gravitative Entwässerung einer aufgesättigten Probe • Bestimmung der Masse der entwässerten Probe ME • Bestimmung der Dichte des Feststoffes 5 welche Parameter sind bestimmend? Potential Widerstand • Viskosität (Fluid) • Oberflächenspannung (Festgestein / Fluid) • Rauhigkeit der Oberfläche Reibungskräfte 0 1 Geschwindigkeit Gesc w dg e Geschwindigkeit: ƒ(1 / Widerstand) Oberfläche große Oberfläche: g großer Widerstand g kleine Poren: großer Widerstand enge Klüfte: großer Widerstand 6 Darcy-Gesetz / Permeabilität (kf) Darcy 1803–1858 Q = - kf · F · Δh L = kf · F · I vf = kf ⋅ΔI ΔI = ΔH / ΔL L = Länge H = Höhe Durchlässigkeitsbeiwert kf = kf K ϕ η g K ⋅ϕ ⋅ g η Durchlässigkeitsbeiwert [m s-1] spezifische Permeabilität [m²] Dichte des Fluids [kg g m-3] dynamische Viskosität [Pa s = kg s-1 m-1] Gravitationskraft [m s-2] 7 Durchlässigkeitsbeiwert: Mars vs. Erde Mars Express: Olympus Mons Caldera; February 16, 2004; European Space Agency Durchlässigkeitsbeiwert: Mars vs. Erde Erde (Wasser) Mars (Methan) K, m² 9,87 · 10-13 9,87 · 10-13 p, bar 1,025 0,007 ϕ, kg m-3 9,997 · 102 (10 °C) 4,48 · 102 (-182 °C) η, kg s-1 m-1 1,31 · 10-3 2,23 · 10-4 g, m s-2 9,81 3,71 kf, m s-1 7,4 · 10-6 8,2 · 10-6 8 Darcy Gesetz / Permeabilität (kf) vf = kf ⋅ΔI vf = Filtergeschwindigkeit kf = Filterkoeffizient ΔI = ΔH / ΔL L = Länge, H = Potential, Höhe ΔL ΔH Einheit: kf = [m/s] Geschwindigkeit Gültigkeit Darcy Gesetz • laminarer Fluss Reynolds Zahl Re Re < 1…10 1 10 Turbulent schießend • Newtonsches Fluid Viskosität unabhängig von Deformation und Fließwiderstand konstant bei gegebener Temperatur Fließwiderstand, •Unendlich ausgedehnter Aquifer •Homogener Aquifer 9 Methoden zur Bestimmung von kf • Ansprache bei Bohrgutentnahme • empirische i i h Abschätzung Ab hät aus Kornverteilungsdaten • Permeameter • Pumpversuche, Feldteste • numerische i Modellierung i eines i G Gebietes i (invers) kf-Werte Lockergesteine Lockergesteine Kiese Grobsand Mittelsand Feinsand Schluff Ton kf-Wert [m/s] 10-4 … 10-1 10-4 … 5·10-3 10-5 … 5·10-3 2·10-6 … 10-4 10-99 … 2·10-55 10-11… 2·10-9 10 kf-Werte (Fortsetzung) Gesteine Karst Kalke / Dolomite Sandsteine Salz kf-Wert [[m/s]] 10-6 … freier Fluss 10-9 … 5 · 10-6 10-10… 10-5 10-12…10-10 (Karst?) kf-Werte vulkanischer, magmatischer und metamorpher Gesteine Gesteine Basalt geklüftete Magmatite und Metamorphite verwitterter Granit ungeklüftete Magmatite und Metamorphite kf-Wert [[m/s]] 5·10-11 … 10-2 10-9 … 10-4 10-6 … 10-5 10-14 … 10-10 11 kf–Werte nach DIN 18130-1 sehr stark durchlässig stark durchlässig durchlässig schwach durchlässig sehr schwach durchlässig > 10-2 m/s 10-2 … 10-4 m/s 10-4 … 10-6 m/s 10-6 … 10-8 m/s < 10-8 m/s kf aus Kornverteilung Hazen kf = ((0,7 , + 0,03 , · Temp) p) / 86,4 , · d102 = 0,0116 , · d102 ((bei 10 ºC)) Gültigkeit U = d60 / d10 < 5 Beyer Seelheim Bialas C = f(U) U: 1 … > 20 0,00357 · d502 0,0036 · d202,3 12 kf aus Kornverteilung Aschenbrenner 1996 Durchströmungsversuch (Permeameter) kf = QF / (ΔI ⋅ F) F = Querschnittsfläche Q h itt flä h ungestörte Probe homogen? isotrop? repräsentativ konstanter Druck fallender Druck 13 3 Geschwindigkeiten vA vF Filtergeschwindigkeit: Abstandsgeschwindigkeit: theoretische Geschwindigkeit über gesamten Querschnitt Geschwindigkeit berechnet aus der Strecke von A nach B Fließgeschwindigkeit / Bahngeschwindigkeit: B A tatsächliche mikroskopische Geschwindigkeit Abstandsgeschwindigkeit vA vA = k f ⋅ ΔI ne v A > vF • relevant für Transport von Kontaminationen • besser noch: tatsächliche Fließgeschwindigkeit 14 Abstandsgeschwindigkeit vA: Ausbreitung einer Kontaminationsfahne Lawrence Livermore National Laboratory Wie kann man die Abstandsgeschwindigkeit bestimmen? • Rechnerisch, aber ne problematisch • winzige Partikel, die sich mit der Geschwindigkeit des Wassers bewegen • Markierungsstoff (Tracer) 15 Anforderungen an Tracer • Vorkommen in Grundwasser? • gelöst oder klein genug • in niedrigen Konzentrationen analytisch bestimmbar • konservativ – Sorption, S ti Ionenaustausch, I t h Fäll Fällung • nicht toxisch • organoleptisch unauffällig Tracer Typen • Fluoreszenztracer – Uranin (Na-Fluorescein; UV-empfindlich), Nachweisgrenze ca. 10–12 mol L-1, Fuchsin, Eosin, Sulfo-Rhodamin, cancerogen? • Salz – NaCl, KCl, KBr, LiBr • Mikrosphären – Polymerkörper mit Fluoreszenzfarbstoff: Karst, Bergbau • Sporen S (L (Lycopodium di clavatum) l ) – Karst, Bergbau • Bakterien (nicht pathogen) – Karst 16 Tracer (Fortsetzung) • künstliche radioaktive Nuklide – 51Cr 27,2 , d;; 58Co 5,27 , a;; 24Na 15 h;; 82Br 35,34 , h;; 131I 8,04 , d • natürliche radioaktive Nuklide – 3H, 18O, 14C, 32Si • Seltene Erd Elemente mit Aktivierungsanalyse – REE-EDTA-Komplex, 15–20 Tracer, 10–15 mol L-1 • künstliche DNAs – nahezu beliebig viele Tracer parallel So nicht! Stöckelgraben Speyer 15.11.2002 17 Besser so! Tracertest Bowden Close 2004 Probleme mit Tracern • oft nur anwendbar bei kleinen Distanzen oder großen Geschwindigkeiten g g • typische Anwendungen - Laboruntersuchungen - Karst - Kluftgrundwasserleiter - Bergwerke - oberirdische Gewässer (Flüsse) 18 Definitionen (DIN 4040-5) Aquifer, Grundwasserleiter Geringleiter, Hemmer, Aquitard, Leaky Aquifer kf > 10-5 m s-1 kf = 10-5 … 10-8 m s-1 Stauer, Nichtleiter, Aquiclude kf < 10-8 m s-1 Transmissivität Maß für die Gesamtdurchlässigkeit eines Aquifers M T = ∫ k f (z)dz 0 T = kf ⋅M z M kf Teufe, m Teufe wassererfüllte Mächtigkeit des Aquifers, m Durchlässigkeitsbeiwert, m s-1 Einheit: m2 s-1 19 Wie und wo fließt Wasser? Potentiale 2- oder 3-Phasen-System: Gestein – Wasser – (Gas) ψ = ψG + ψM + ψO + ψD ψG Gravitationspotential ψM Matrix Potential Kapillar Potential ψO osmotisches Potential ψD hydrostatisches Potential Druck-Potential ungesättigte Zone ψ = ψG + ψM gesättigte Zone ψ = ψG + ψD 20 lokale, regionale und überregionale Fließsysteme Grundwasserstockwerke Aquiclude 1 Aquifer q 1 Aquiclude 2 Aquifer 2 Aquiclude 3 21 gespannte / ungespannte Aquifere ungespannt unconfined freier Wasserspiegel Gespannt confined Wasserspiegel oberhalb Oberkante Aquifer Arteser artesian A. gespannter Aquifer mit Druckspiegel über Geländeniveau Ist ein Aquifer gespannt oder ungespannt? • Stratigraphie • Wasserspiegelschwankungen (Luftdruck, Erdbeben) • Pumpversuche ungespannt & gespannt 22 natürliche Grundwasseraustritte: Quellen (spring) • warum und wo treten Quellen auf? – iimmer d dann, wenn d der Fli Fließquerschnitt ß h i iin einem oberflächennahen Grundwasserleiter nicht mehr ausreicht, um das Grundwasser zu transportieren – Abnahme des kf-Wertes – Abnahme der Mächtigkeit ä i i des Aquifers i – Abnahme des Gradienten des Grundwassers Quelltyp depression spring Aquifer Aquiclude 23 Quelltyp Wasserscheide Kontaktquelle Aquifer Aquiclude Quelltyp Störungsquelle fault spring Aquifer Aquiclude 24 Quellen Depressionsquelle Schichtquelle Schichtquelle Quellen Störungsquelle Dolinenquelle Karstquelle 25 Quellen Kluftquelle Stauquelle Schichtflächenquelle Stauquelle Zusammenfassung • verschiedene Porositäten: gesamt, effektiv • Reibungskräfte: lineares Darcy Darcy-Gesetz Gesetz • Bandbreite kf-Werte: 10-2 … 10-14 m s-1 • Verschiedene Methoden zur Bestimmung kf-Werte • 3 Geschwindigkeiten: Filter-, Abstands, Fließgeschwindigkeit • Tracer T • Grundwasserstockwerke ungespannt, gespannter Wasserspiegel • Quelltypen 26
