Vorlesungsvertretung Übung zur Hydrogeologie I

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1 Institut für Geologie Lehrstuhl für Hydrogeologie 3. Vorlesung Hydrogeologie I Warum fließt das Grundwasser? und welche Parameter sind bestimmend? Prof. B. Merkel, Dipl.-Geoökol. M. Schipek Quelle: LfUG 2007; FU Berlin 2006 www: Vorlesungsunterlagen Vorlesungsvertretung Übung zur Hydrogeologie I Folie 2 1

2 Literaturhinweise Languth & Voigt 2004 Käss 2004 Hölting 2008 Jordan & Weder 1995 Folie 3 Aquifer Eigenschaften Aquifer Eigenschaften: Hohlraum Widerstand Hohlräume: Poren (Porengrundwasserleiter) Klüfte (Kluftgrundwasserleiter) Poren & Klüfte (Double Porosity) Folie 4 2

3 Porenwasser Haftwasser / Adsorptionswasser (Wasserfilm auf Gesteinsoberflächen, der durch Sorptionskräfte gebunden und nur wenig mobil ist) Immobiles Grundwasser (Wasser in Totraumporen / dead-end-poren) Mobiles Grundwasser (Grundwasser, dass für den Transport zur Verfügung steht) Folie 5 Hohlräume - Porosität Porenvolumen V P = Porosität Gesamtvolumen V G Porositätsfaktor P = V P / V G bei Klüften: Kluftvolumen V K Hohlraumvolumen effektive Porosität P E (nutzbare Porosität) P E = P G - P R P R = Residualporosität (Anteil Haftwasser und dead-end-poren) P G = Gesamtporosität Jordan & Weder 1995 (Einfluss von Korngröße und Kornpackung auf Porenvolumen und Durchlässigkeit) Folie 6 3

4 Hohlräume Festgestein Kluftkörper und Grundkörper im Festgestein Quelle: Jordan & Weder 1995 Folie 7 Hohlräume - Porosität Porosität von Sedimenten Gesamt-P.(%) effektive P.(%) Kies Sand Schluff Ton Folie 8 4

5 Matrixeigenbschaften für die unterirdische Wasserbewegung meist bedeutungslos (quasi dicht ), ansonsten Kennwertermittlung wie bei Sedimenten möglich Hohlräume - Porosität Hohlraumvolumen Festgesteine Gesamthohlraumvolumen (%) Granite, Gneise Sandsteine (Poren), 0 3 (Klüfte) Tuffe Basalt Karst Folie 9 Labormethoden Gesteinsart Parameter Korngrößenzusammensetzung Hohlraumvolumen (speicherwirksamer Porenraum) Saugspannung Lockergesteine rollige (Sande, Kiese) Bindige (Tone, Schluffe) Festgesteine Sedimente Siebanalyse Schlämmanalyse mikroskopisch; nach Aufbereitung u.u. Sieb- und Schlämmanalyse Absaugmethode nach Zunker Bestimmung der kapillaren Steighöhe evtl. über pf-wert- Bestimmung Zentrifugenmethode mikroskopisch; aus Porenradienanalyse (Hg- Druckporositmeter Magmatite, Metamorphite ungestört: Durchflussmessung bei konst. Druckdifferenz gestört: Siebanalyse Durchflussmessung bei abnehmender Druckdifferenz Durchlässigkeitsbeiwert Gasdurchflussmessung Quelle: Jordan & Weder, 1995 Folie 10 5

6 Labormethoden Siebanalyse Folie 11 Labormethoden Lockergesteine Steine Kies Sand Schluff Ton > 63 mm mm 0, mm 0, ,06 mm < 0,0002 mm Korngrößenverteilungsanalyse quantitative Kennzeichnung der untersuchten Gesteine qualitative Aussagen zu hydrogeologisch relevanten Parameter Sieb- und Schlämmanalyse (Grenze: Anteil <0,04 mm) Quelle: DIN 4022 Bl.1 Folie 12 6

7 Labormethoden Siebanalyse Trocknung Probe (einige Stunden bei 105 C) Siebsätze (genormt) Maschenweite: 6,3-3,15-2,0-1,0-0,63-0,315-0,20-0,1-0,063mm Siebzeit: 15 bis 30 min Fraktionen auswiegen als Prozentsatz der Einwaage berechnen Einwaage: feinkörnige Sedimente: 50 g grobkörnige Sedimente 500 g und mehr Summenkurve (Prozentsummen über der für die Korndurchmesser logarithmisch geteilten Abszisse) Anteil < 0,063 mm Werte über 10% - Schlämmanalyse Quelle: Jordan & Weder, 1995 Folie 13 Labormethoden Porosität Wasser im Porenraum: a wassergesättigter Porenraum b Porenraum nach Gravitationsentwässerung c Porenraum nach Wasserauffüllung d schematische Darstellung der Porenraumanteile Quelle: Jordan & Weder, 1995 Folie 14 7

8 Labormethoden Porosität: Gesamtporenvolumen Trocknung einer feuchten Probe bei 105 C Wägung der getrockneten Probe: m s V S m S n = = V G V G x ρ S n Gesamtporosität m S Gewicht der Probe (getrocknet bei 105 C) ρ S als bekannt vorausgesetzt Sande 2,63 2,65 g/cm³ Tone 2,65 2,80 g/cm³ V G = Gesamtvolumen (Probenahmezylinder) Übungen zur Hydrogeologie I Folie 15 Labormethoden Porosität: entwässerbares Porenvolumen Aufsättigung einer Probe mit definierten Volumen Abtropfen lassen des Gravitationswassers über einen Zeitraum > 3 Tagen Wägung der abgetropften Wassermenge = ne Gesamtporosität entwässerbare Porosität - Restwassergehalt n e = n - n r Übungen zur Hydrogeologie I Folie 16 8

9 Labormethoden Porosität P E = P G P R P E = effektive Porosität P R = Residualporosität P G = Gesamtporosität Quelle: Davies & DeWiest 1966 Folie 17 Permeabilität Welche Parameter sind bestimmend? Potential Widerstand Viskosität (Fluid) Oberflächenspannung (Festgestein / Fluid) Rauigkeit der Oberfläche Folie 18 9

10 Darcy Permeabilität Welche Parameter sind bestimmend? Reibungskräfte 0 1 Geschwindigkeit Geschwindigkeit: ƒ(1 / Widerstand) Oberfläche große Oberfläche großer Widerstand kleine Poren großer Widerstand enge Klüfte großer Widerstand Folie 19 Permeabilität Darcy-Gesetz / Permeabilität (k f ) v f = k f i i = H / L L = Länge, H = Höhe Folie 20 10

11 Darcy Permeabilität Darcy-Gesetz / Permeabilität (k f ) v f = k f i i = H/ L k f = Filterkoeffizient v f = Filtergeschwindigkeit L = Länge, H = Potential, Höhe H L Einheit: k f = m/s Geschwindigkeit Folie 21 Permeabilität Gültigkeit Darcy-Gesetz laminarer Fluß - Reynolds Zahl Re Re < Re > 10: turbulent oder schießend Navier-Stokes Newton Fluid - nicht komprimierbar (Viskosität unabhängig von Deformation und Fließwiederstand, konstant bei gegebener Temperatur) Folie 22 11

12 Permeabilität Abhängigkeit der Durchlässigkeit Eigenschaften des Fluids (Wasser): Temperatur, Dichte, Viskosität Eigenschaften des durchströmten Gesteinskörpers: Poren, Klüfte, Spalten vom durchströmenden Medium unabhängiger Kennwert für die Durchlässigkeit = intrinsische Permeabilität [m²] Folie 23 Methoden zur Bestimmung von k f k f -Werte für Lockergesteine Kiese k f = m/s Grobsand k f = m/s Mittelsand k f = m/s Feinsand k f = m/s Schluff k f = m/s Ton k f = m/s Folie 24 12

13 Methoden zur Bestimmung von k f k f -Werte für Sedimentite Karst Kalke / Dolomite Sandsteine Salz freier Fluß m/s m/s m/s (Karst?) Folie 25 Methoden zur Bestimmung von k f k f -Werte für vulkanische, magmatische und metamorphe Gesteine Basalt geklüftete Magmatite und Metamorphite verwitterter Granit ungeklüftete Magmatite und Metamorphite m/s m/s m/s m/s Folie 26 13

14 steigender Aufwand Methoden zur Bestimmung von k f Durchlässigkeiten nach DIN 18130, Tl. 1 sehr stark durchlässig > 10-2 m/s stark durchlässig m/s durchlässig m/s schwach durchlässig m/s sehr schwach durchlässig < 10-8 m/s Folie 27 Methoden zur Bestimmung von k f Methoden zur Bestimmung von k f Ansprache bei Bohrgutentnahme empirische Abschätzung aus Kornverteilungsdaten Permeameter (Säulenversuch, Darcy-Apparatur) Pumpversuche, Feldteste Ü Hydrogeologie I Ü Hydrogeologie I Hydrogeologie II numerische Modellierung eines Gebietes (invers) Hydrogeologie III Folie 28 14

15 Methoden zur Bestimmung von k f k f -Wert-Bestimmung aus Kornverteilung Hazen: kf = ( Temp) / 86.4 d 102 = d 102 (bei 10 C) Gültigkeit U = d 60 / d 10 < 5 Zieschang: modifizierte Hazen-Formel, empir. Beiwerte c 1 und c 2 Beyer: C = f(u)u: 1... > 20 Seelheim: d 50 2 Bialas: d Folie 29 Methoden zur Bestimmung von k f Durchströmungsversuch (Permeameter) Durchströmung mit Gas oder Wasser bei konst. Druck (Gas für Festgesteine; Wasser für rollige Gesteine, z.t. auch Festgesteine, Beton u.ä. Durchströmung mit Wasser bei veränderlichen (abnehmenden) Druck (für bindige Gesteine) Bedingungen für Versuchsdurchführung: Durchmesser der zylindr. Probe mind. 10x > als größter Korndurchmesser laminare Einphasenströmung Hydraul. Gefälle I 0,1 konstant Temp. (keine Gaslösung aus durchströmenden Medium!) Durchlässigkeit Filterschichten mind. 100fach der Probendurchlässigkeit ungestörte Proben, u.u. Simulation des Überlagerungsdruckes des Hangenden durch Druckbelastung der Proben Probenhalter: keine randliche Umströmung, keine Deformation durch Strömung, kein Auswaschen/Ausblasen von Feinstkorn Folie 30 15

16 Methoden zur Bestimmung von k f Durchströmungsversuch (Permeameter) k f = Q F / ( i F) F = Querschnittsfläche Wichtig! Ungestörte Probe? Homogen? Isotrop? Repräsentativ? konstanter Druck fallender Druck Folie 31 Folie 32 16

17 3 Geschwindigkeiten v f v A Filtergeschwindigkeit = theoretische G. über den gesamten Querschnitt Abstandsgeschwindigkeit = G. berechnet aus der Strecke von A nach B Fließgeschwindigkeit = Bahngeschwindigkeit = tatsächliche mikroskopische Geschwindigkeit A B Folie 33 3 Geschwindigkeiten Abstandsgeschwindigkeit v A v A = ( k f i ) / n e v f = k f i = Q/A i = H/ L v A > v f relevant für Transport von Kontaminationen? besser noch: tatsächliche Fließgeschwindigkeit Folie 34 17

18 3 Geschwindigkeiten Bestimmung Abstandsgeschwindigkeit v A Rechnerisch, aber n e problematisch winzige Partikel, die sich mit der Geschwindigkeit des Wassers bewegen Markierungsstoff (Tracer) Folie 35 Tracerversuche Anforderungen an Tracer Vorkommen in Grundwasser? gelöst oder klein genug in niedrigen Konzentrationen analytisch bestimmbar konservativ (Sorption, Ionenaustausch, Fällung) nicht toxisch, organoleptisch unauffällig Pollen (Lycopodium clavatum) / Fluoreszensfarbstoff Na-Fluorescein / Microspheres Folie 36 18

19 Tracerversuche Tracertypen Natürliche Tracer: Environmental Isotopes Environmental Chemicals Organisms Physical Effects Künstliche Tracers wasserlöslich wasserunlöslich Folie 37 Tracerversuche Natürliche Tracer natürliche radioaktive Nuklide ( 3 H, 18 O, 14 C, 32 Si) Seltene Erden Elemente mit Aktivierungsanalyse (REE- EDTA-Komplex, Tracer, mol/l) Künstliche Tracer künstliche DNA s (nahezu beliebig viele Tracer parallel) künstliche radioaktive Nuklide ( 51 Cr 27.2 d, 58 Co 5.27 a, 24 Na 15 h, 82 Br 35.34h, 131 I 8.04 d) Folie 38 19

20 Tracerversuche Künstliche Tracer (2) Fluoreszenztracer: Uranin (Na-Fluoresceine), Nachweisgrenze ca mol/l, UV-empfindlich), Fuchsin, Eosine, Sulfo-Rhodamine, cancerogen? Salz: NaCl, KCl, KBr, LiBr Mikrosphären (Polymerkörper mit Fluoreszenzfarbstoff), Karst Sporen (Lycopodium) Karst Bakterien (nicht pathogen) Karst Folie 39 Tracerversuche Probleme mit Tracern nur anwendbar bei kleinen Distanzen und/große Geschwindigkeiten typische Anwendungen Laboruntersuchungen Karst Kluftgrundwasserleiter Bergwerke oberirdische Gewässer (Flüsse) oben: Bowden Close/UK 2004 Folie 40 20

21 Definitionen Grundwasserleiter Definitionen (DIN ) Aquifer, Grundwasserleiter k f > 10-5 m/s Geringleiter, Hemmer, Aquitard, Leaky Aquifer Stauer, Nichtleiter, Aquiclude k f = m/s k f < 10-8 m/s Folie 41 Transmissivität Transmissivität (Maß für die Gesamtdurchlässigkeit eines Aquifers) T = k f M M = wassererfüllte Mächtigkeit des Aquifers, m k f = Durchlässigkeitsbeiwert, m s -1 Einheit: = m 2 /s Folie 42 21

22 Grundwasserströmung Zonen im Untergrund Ungesättigte Zone (Vadose zone): Bodenwasser und Bodenluft Gesättigte Zone (Saturated zone): Grundwasser Grenze: Grundwasserspiegel (Water table) und Kapillarsaum Folie 43 Grundwasserströmung Potentialkonzept Potentiale 2 oder 3 Phasen System: Gestein Wasser (Gas) Y = Y G + Y M + Y O + Y D Y G = Gravitations Potential (Lagepotential) Y M = Kapillar Potential (Matrix Potential) (Y O = osmotisches Potential) Y D = hydrostatisches Potential, Druck-Potential Y = Y G + Y M Ungesättigten Zone Y = Y G + Y D Gesättigten Zone Folie 44 22

23 Grundwasserströmung Bestimmung von Potentialen Matrixpotential: aus der Differenz zwischen dem Wasserdruck pw im Tensiometerrohr in der Höhe z* und dem Referenzdruck p0 = pa sowie aus der Differenz zwischen der Höhe z, in der sich die Membran befindet, und der Höhe z* berechnet werden Schematische Darstellung von Tensiometern. Folie 45 Grundwasserströmung Welche Drücke messen wir im Untergrund im Wasser? Ungesättigte Zone, Boden Grundwasseroberfläche < 1 bar (typisch: mbar) ~ 1 bar (Atmosphärendruck) Grundwasser > 1 bar (~ 1 bar je 10 m) Folie 46 23

24 Strömung in gesättigte Zone Gesättigte Zone: Porenraum vollständig wassergefüllt Zwei-Phasen System: Wasser und Matrix Aquifer = Grundwasserleiter: wasserführende(durchlässige) Schicht Aquitard = Geringleiter, Hemmer Aquiclude = Stauer, Nichtleiter: wasserundurchlässige Schicht Zentrale Größen: Durchlässigkeit, bzw. Leitfähigkeit k Piezometerhöhe (hydraulic head) h: Potential Folie 47 Strömung in gesättigte Zone Definition der Piezometerhöhe h Messung mit "Piezometer": Wasserspiegel in offenem Standrohr. "Piezometerhöhe engl.: hydraulic head Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience Folie 48 24

25 Grundwasserströmung Wie und wo fließt das Wasser? Folie 49 Grundwasserströmung nur an der Oberfläche? 103 m Isolinie 102 m Isolinie 50 m Potential? Y = Y G + Y D = (102 m 50 m) + 50 m = 102 m Folie 50 25

26 Grundwasserströmung Ausschnitt aus dem Strömungsfeld Strömungslinien: sind Bahnen auf denen sich (im stationären Zustand) die Wasserteilchen durch den Boden bewegen. Potentiallinien sind Linien gleichen Potentials (also gleicher Standrohrspiegelhöhe). Strömungs- und Potentiallinien müssen senkrecht aufeinander stehen. Quelle: Uni Essen Folie 51 Grundwasserströmung Lokale, regionale und überregionale Fliesssysteme Folie 52 26

27 Grundwasserströmung Dichte-getriebene Strömung Temperaturunterschiede bewirken Dichteunterschiede Unterschiedliche Salzgehalte bewirken Dichteunterschiede Unterschiedliche Dichten können Grundwasserströmungen antreiben Folie 53 Grundwasserstockwerk Schematischer Aufbau Grundwasserstockwerk Aquifer 1 Aquiclude 1 Aquifer 2 Aquiclude 2 Aquifer 3 Aquiclude 3 Folie 54 27

28 Grundwasserstockwerk Gespannte / ungespannte Aquifere ungespannt (unconfined): freier Wasserspiegel gespannt (confined): Wasserspiegel oberhalb Oberkante Aquifer Arteser (artesian Aquifer): gespannter Aquifer mit Druckspiegel über Geländeniveau Ist ein Aquifer gespannt oder ungespannt? Stratigraphie Wasserspiegelschwankungen (Luftdruck, Erdbeben) Pumpversuche Folie 55 Grundwasserstockwerk Gespannte / ungespannte Aquifere Ungespannter (unconfined) Aquifer h = Höhe des Grundwasserspiegels Gespannter (confined) Aquifer h > Höhe GW-Spiegel (Potentiometrische Oberfläche) Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience Folie 56 28

29 Grundwasserstockwerk Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience Folie 57 Quellaustritte Natürliche Grundwasseraustritte: Quellen (spring) warum und wo treten Quellen auf? immer dann, wenn der Fließquerschnitt in einem oberflächennahem Grundwasserleiter nicht mehr ausreicht, um das Grundwasser zu transportieren Abnahme des k f -Wertes Abnahme der Mächtigkeit des Aquifers Abnahme des Gradienten des Grundwassers Folie 58 29

30 Quellaustritte - Quelltypen depression spring (Verengungsquelle) Aquifer Aquiclude Folie 59 Quellaustritte - Quelltypen Wasserscheide Schichtquelle Kontaktquelle Aquifer Aquiclude Folie 60 30

31 Quellaustritte - Quelltypen Störungsquelle fault spring Aquifer Aquiclude Folie 61 Quellaustritte - Quelltypen Folie 62 31

32 Zusammenfassung verschiedene Porositäten (gesamt, effektiv) Reibungskräfte lineare Darcy-Gesetz Bandbreite K f -Werte: m/s Verschiedene Methoden zur Bestimmung K f -Werte 3 Geschwindigkeiten (Filter-, Abstands, Fließgeschwindigkeit) Tracer Grundwasserstockwerke (ungespannt, gespannter Wasserspiegel) Quelltypen Folie 63 Fragen? Folie 64 32