Prof Pr. Dr . Dr Christian W lk o er lk sdorfer Abriss der Hydrogeologie Abriss der Hydr Gesättigte und ungesättigte Zone V r Ve a r nstaltung

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1 Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer Abriss der Hydrogeologie Gesättigte und ungesättigte Zone 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

2 was wäre wenn vertikale Strömung in der ungesättigten t Zone mehr oder weniger horizontale Strömung im Grundwasser Berechnung? kf Δi v A = n n e k f = m s -1 ; h = 10 m; n e = 0,18 aber Δi? 2

3 Berechnung? h Δi= l h l h l h l h Δ i= = 1 l Berechnung! k f = m s -1 ; h = 10 m; l = 10 m; n e = 0,18-3 kf Δi 10 1 v A = = = 5,6 10 m s = 20 m h n 0,18 e Regen erreicht nach 30 Minuten den Grundwasserspiegel? 3

4 wenn, dem so wäre... unter günstigen Bedingungen reagiert der Grundwasserspiegel nach Tagen oder Wochen! was ist falsch? die Berechnung! ungesättigte Zone: 3-Phasen-System gesättigte Zone / Grundwasserraum: alle Hohlräume sind mit Wasser gefüllt und ddie Hohlräume hlä sind miteinander verbunden 4

5 Potentiale 2- oder 3-Phasen-System: Hydrosphäre Lithosphäre ( Atmosphäre ) Ψ = Ψ G + Ψ M + Ψ O + Ψ P GZ Ψ G = Gravitationspotential Ψ M = Matrix Potential (Kapillarpotential) Ψ O = osmotisches Potential Ψ P = hydrostatisches Druckpotential UZ Kapillarität Kapillarität ist eine Kombination aus Oberflächenspannung von Fluiden und der Benetzbarkeit von festen Oberflächen h= 2 σ cos -5 2,3 α 1,53 10 m² = r ρ g r σ 2,3 Oberflächenspannung, N m -1 α Benetzungswinkel, - ρ Dichte, kg/m³ g Schwerkraft, m/s -2 r Kapillarradius, m 5

6 Kapillarität? Kommunizierende Röhren Kapillarität 6

7 Korngröße Porengröße? dp 0,2 dk Kapillare Steighöhe Korndurchmesser, mm Kapillare Steighöhe, mm >2 < 20 Sand grob 2,0 0, Sand mittel 0,6 0, S d fein Sand f i 0 2 0,06 0, ,06 0, < 0,002 > Bodenart Kies Schluff Ton 7

8 wie misst man Kapillarität? Bodenwasserspannung (moisture tension) meistens Unterdruck Manometer Druckübertragung Kontaktkörper zur ungesättigten Zone (Boden) Keramikkerze 1 hpa = 1 mbar Tensiometer IMKO Mikromodultechnik GmbH, Ettlingen 8

9 Tensiometer: Bodenwasserspannung Heiner Lieth: University of California pf-kurven pf = ( ) logψ UMS, München 9

10 pf-kurven Permanenter Welkepunkt Bereich häufigster Feldkapazitäten Nutzbare Feldkapazität (nfk) pf = ( ) logψ UMS, München (Grafik); Klaus Schneider (Foto) Beziehung zwischen Wasserspannung und Porengröße 10

11 ungesättigte Durchlässigkeit 7 Größenordnungen als Funktion des Wassergehaltes abhängig vom Boden Hysterese Fetter

12 Wassergehaltsbestimmung Gravitativ Time Domain Reflektrometrie t (TDR) Frequenz Domain Reflektometrie (FDR) Neutronensonde Gipsblöcke indirekt: Tensiometer Zeitbereichsreflektometrie (TDR-time domain reflectometry) Dielektrizitätszahl ε 0 ist mit 80,1 sehr viel größer als die von Mineralen (2 5) Geschwindigkeits- / Laufzeitmessung eines hochfrequenten elektromagnetischen Impulses c0 c = c Geschwindigkeit Impuls ε0 μ0 c 0 Lichtgeschwindigkeit 2 μ 0 magnetische Permeabilität t ε = c t Zeit 0 0 2l l Länge FDR frequency domain reflectrometry 12

13 TDR: Wassergehalt-Dielektrizitätszahl- Beziehung ε = 3,03+ 9,3 θ θ 76,6 θ v v v TDR-Sonde 13

14 Neutronensonde Neutronenquelle (z.b. 241 Americium-Beryllium) Abbremsen an Wasserstoff Reflektion Photonen werden von 3 He als Messgas emittiert und detektiert Messschacht in der ungesättigten Zone München-Großhadern Merkel et al. (1982) 14

15 gemessenes Matrixpotential im Messschacht Großhadern Welcher Boden kann pro Zeiteinheit mehr Wasser aufnehmen ein trockener oder ein feuchter Boden? der feuchte Boden warum? Gradient und Durchlässigkeit Oberflächenabfluss in ariden Gebieten schon bei relativ geringen Niederschlagsintensitäten (Benetzungswiderstand) 15

16 gesättigte / ungesättigte Zone: was ist der Unterschied? Gesättigte Zone k f ist Konstante Temperatur, Inhaltsstoffe haben nur geringen Einfluss auf k f -Wert Ungesättigte Zone k u (auch: k Ψ, k ΨM ) extrem nicht-lineare Funktion des Wassergehaltes und Ψ = Ψ Gravitation + Ψ Matrix (Kapillarität) höhere Gradienten in der ungesättigten Zone wenn Sie ein oder zwei Tensiometer hätten Michael Beck

17 Gesättigte Zone vs. ungesättigte Zone dh vf = kf = kfδi dl Darcy: gesättigt v f dψm = kψ M dx Darcy- Buckingham: ungesättigt Richards Gleichung q θ dψ = k dx H Darcy- Ψ M dx Buckingham θ q q q θ θ = z θ x y + + t z x y θ Ψ = Ψ 1 M k M t z z Kontinuitätsgleichung Richards Gleichung 17

18 Evaporation und Evapotranspiration nicht nur von der Oberfläche auch aus der ungesättigten Zone aus Grundwasser über Wurzeln und Blattoberflächen Einflussfaktoren Verdunstung Strahlung & Luftfeuchtigkeit (slope & aspect) Vegetation Boden 18

19 Hangneigung & Exposition Zusammenfassung die ungesättigte Zone ist ein Dreiphasensystem nichtlineare Abhängigkeit der Durchlässigkeit als Funktion des Wassergehaltes Gravitations- und Matrixpotential Bewegung überwiegend vertikal verschiedene Messmethoden (Tensiometer, TDR, Neutronensonde) Variationen des Bodenwassergehaltes kontrollieren Infiltration und Verdunstung Grundwasserneubildung 19

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