R. Mull H. Holländer Grundwasserhydraulik und -hydrologie

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1 R. Mull H. Holländer Grundwasserhydraulik und -hydrologie

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Rolf Mull Hartmut Holländer Grundwasserhydraulik und -hydrologie Eine Einführung Mit 157 Abbildungen und 20 Tabellen 123

4 PROFESSOR DR. ROLF MULL DIPL.-ING. HARTMUT HOLLÄNDER Universität Hannover Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landw. Wasserbau Appelstrasse 9a Hannover Additional material to this book can be downloaded from ISBN Die Deutsche Bibliothek CIP Einheitsaufnahme Mull, Rolf: Grundwasserhydraulik und -hydrologie : eine Einführung / Rolf Mull ; Hartmut Holländer. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Hongkong ; London; Mailand ; Paris ; Tokio : Springer, 2002 ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadruch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Umschlaggestaltung: E. Kirchner, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN /3130/as

5 Vorwort Weltweit steigt der Wasserbedarf exponentiell an. Zur Deckung des Wasserbedarfs in Landwirtschaft, Industrie und Haushalte wird in zunehmendem Maße auf Grundwasser zurückgegriffen. Libyen holt z.b. Grundwasser aus der Sahara in die Städte am Mittelmeer. Indien muss immer mehr Grundwasser für die Bewässerung nutzen. In Deutschland kommen ca. 75% des Trinkwassers aus dem Untergrund. Mit der vorteilhaften Nutzung des Grundwassers sind aber auch Nachteile verbunden. Entnahmen von Grundwasser führen zur Absenkung des Grundwasserstandes. Damit werden u.a. Feuchtgebiete zerstört; Brunnen können trockenfallen; Salzwasser dringt in Küstenregionen in Grundwasserleiter ein. Bauten werden in solchen Gebieten zerstört, in denen Landsetzungen als Folge sinkender Grundwasserstände stattfinden. Für viele Nutzungsarten wird auch eine gute Wasserqualität gefordert. Dünge- und Pflanzenschutzmittel, Stoffe aus der Industrieproduktion, aus Abfalldeponien und versickerndes Abwasser tragen jedoch weltweit zur Verschlechterung der Grundwasserqualität bei. Insbesondere die Nutzung des unterirdischen Wassers als Trinkwasser wird durch die genannten Einflüsse immer mehr zu einem Gesundheitsrisiko für die Menschen. Viele Fachdisziplinen sind daher aufgerufen, das Grundwasser nach Menge und Güte nachhaltig zu bewirtschaften. Eine solche Kooperation setzt u.a. Grundkenntnisse der Prozesse voraus, welche Grundwasserstände, -strömungen und -qualität beeinflussen. In diese Materie führt das vorliegende Buch ein. Mit der beigefügten CD werden multimediale Komponenten genutzt, den Zugang zu der Materie zu erleichtern. Die Autoren danken dem Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst für eine Anschubfinanzierung der multimedialen Aufbereitung des Stoffes, Herrn Dr. Fischer vom Bundesamt für Bauwesen für die Überlassung von Filmmaterial. Herrn Dipl.-Ing. Riemeier, Herrn M.Sc. Garcia und Frau Arndt schulden die Autoren Dank für die Mitarbeit bei der Herstellung des Manuskriptes. Hannover im Juli 2002 Rolf Mull und Hartmut Holländer

6 VI Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Bedeutung des Grundwassers Strukturen der Grundwassersysteme Vertikaler Aufbau Grundwasserleitertypen Lockergesteinsgrundwasserleiter Kluftgrundwasserleiter Karstgrundwasserleiter Wasserbewegung in Grundwassersystemen Beschreibung der Grundwasserströmung Stationäre Strömung, Erhaltung der Energie Hagen - Poiseuille - Gesetz Darcy - Gesetz Standrohrspiegelhöhe und Gefälle Gespanntes und freies Grundwasser Geschwindigkeiten des Grundwassers Instationäre Strömung, Erhaltung der Masse Allgemeine Kontinuitätsgleichung Allgemeines Fließgesetz Allgemeines Fließgesetz für die zweidimensionale horizontale Strömung Systemeigenschaften Flüssigkeitseigenschaften Dichte Zähigkeit Kompressibilität Oberflächenspannung Gesteinseigenschaften Durchlässigkeit... 34

7 VII Speichernutzbarer Hohlraumanteil Eigenschaften der Grundwasserleiter Zuströmung zu einem Brunnen Prinzipieller Aufbau eines Vertikalbrunnens Stationäre Zuströmung zum vollkommenen Brunnen Absenkung bei Grundwasserentnahmen aus mehreren Brunnen Potenzialtheoretische Behandlung der Grundwasserströmung Brunnen in einer Parallelströmung Einzugsgebiet mit Grundwasserneubildung bei radialer Zuströmung Instationäre Zuströmung zum vollkommenen Brunnen Ausbreitung der Grundwasserabsenkung als Funktion der Zeit Parameteridentifikation Pumpversuch bei stationären Verhältnissen Typendeckungsverfahren nach THEIS Verfahren nach JACOB Ermittlung der Transmissivität und des Speicherkoeffizienten aus dem Wiederanstieg Spezielle Strömungsprobleme Wasseraustausch zwischen Oberflächengewässern und Grundwasserleitern Fließgewässer Stillgewässer Selbstdichtung und Einflüsse auf die Wasserbewegung Entwässerung durch Gräben und Dräne Infiltration aus Gräben und Flüssen Grundwasserabsenkung an Baugruben und Tagebauen Ungesättigte Bodenzone Strömung im ungesättigten porösen Medium Kapillarität Instationäre Wasserbewegung in der ungesättigten Zone Kapillarer Aufstieg und Aufstiegsrate Effektive Wurzelzone Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Grundwasser Grundwasserhaushalt Haushaltskomponenten...107

8 VIII Inhaltsverzeichnis 8.2 Grundwasserneubildung Grundwasserganglinien und Speicherinhalt Abfluss zu Entnahmegebieten Abfluss zu Brunnen, Quellen und Oberflächengewässern Abfluss zu Feuchtgebieten Künstliche Anreicherung Schutzzonenkonzept Zielsetzung von Trinkwasserschutzgebieten Bezeichnung der Schutzzonen und deren Aufgaben Ermittlung der Schutzzonen unter geohydrologischen Gesichtspunkten Fassungsbereich Schutzzone II Kritische Anmerkungen Entwässerung von Deponieoberflächen Berechnungsgrundlagen Diskussion der Bemessungsgrößen Sickerrate Durchlässigkeit Gefälle Grundwasserentnahmen und Sekundäreffekte Grundwasserstand und Feuchtgebiete Gefahren, die von einer Übernutzung des Grundwassers ausgehen Grundwasserabhängige Feuchtgebiete Grundwasserabsenkungen und Bodensenkungen Grundwasserentnahmen und Salzwasserintrusion Mehrphasenströmungen Bewegung von drei mobilen Phasen im Hohlraum Ausbreitung von Flüssigkeiten im Grundwasser mit größerer Dichte als Wasser Ausbreitung von Flüssigkeiten mit geringerer Dichte als Wasser Anmerkungen zum Abpumpen solcher Flüssigkeiten als Phase

9 IX 13 Transport von im Wasser gelösten Stoffen Diffusion Dispersion Längsdispersion Querdispersion Analytische Berechnung von Stoffausbreitungen unter Berücksichtigung der Dispersion Adsorption und Retardation Zerfall von Stoffen Verschiedene Stoffe im unterirdischen Wasser Nitrat Stickstoffeinträge von ackerbaulich genutzten Flächen Nitrataustrag in Oberflächengewässer Pflanzenschutzmittel (PSM) Chlorierte Kohlenwasserstoffe Wärmetransport Die Temperaturverteilung im Untergrund Temperaturanomalien Transportvorgänge Abkühllänge Grundzüge der Grundwasserüberwachung Standrohrspiegelhöhen (Grundwasserstände) Flurabstände Grundwasserganglinien Grundwassergleichen Grundwassergüte Aspekte der Grundwasserbewirtschaftung Grundwassermenge Grundwassergüte Ökonomische und soziale Aspekte Literatur Glossar Sachverzeichnis...237

10 X Abkürzungen Abkürzungen A : Fläche [m 2 ] A e : Fläche des Einzuggebiets [m 2 ] A f : Durchflusswirksame Fläche [m 2 ] A g : Gesamtfläche (Porenfläche + Gesteinsfläche) [m 2 ] A o : Ausgangsoberfläche einer Flüssigkeit [m 2 ] A q : Durchflossene Querschnittsfläche [m 2 ] A s : Oberfläche des Hohlraums im Gesteins [m 2 ] A w : Wandfläche [m 2 ] a : Konstante [-] : Winkel [ ] d : Dispersivität [m] p : Proportionalitätskonstante [-] B b n b s : Einströmbreite [m] : Hauptachse einer Ellipse (Dispersion) quer zur Strömungsrichtung [m] : Spaltbreite [m] : Kompressibilität [m 2 /N] c : Konzentration [kg/m 3 ] c a : Konzentration der adsorbierten Teilchen [kg/kg Trockenmasse] c g : Tiefengemittelte Konzentration eines Tracers im Grundwasser [g/m 3 ] c l : Konzentration der in Lösung befindlichen Teilchen [kg/l] c m : Konzentration von Teilchen in einem Fluid, die in ein benachbartes Fluid diffundieren [g/m 3 ] c p : Proportionalitätskonstante [-] c u : Konzentration von Teilchen im Sickerwasser an der Untergrenze einer Schicht [g/m 3 ] c ug : Konzentration von Teilchen im Sickerwasser an der Grenze zum Grundwasser [g/m 3 ]

11 XI c w : Wärme, spezifische [J/kg C] D : Diffusionskoeffizient [m 2 /s] D il : Dispersionskoeffizient longitudinal [m 2 /s] D it : Dispersionskoeffizient transversal horizontal [m 2 /s] D ih : Dispersionskoeffizient transversal vertikal [m 2 /s] D m : Mechanischer Dispersionskoeffizient [m 2 /s] d : Durchmesser [m] d k : Korndurchmesser [m] d 10 : Durchmesser eines Korn bei Siebdurchgang 10% [m] : Oberflächenenergie [Nm/m 2 ] F : Kraft [N] = [kg/m s 2 ] : Potenzialfunktion [kg/s 2 ] g : Erdbeschleunigung [m/s 2 ] H : Spalthöhe [m] h : Standrohrspiegelhöhe [m] h c : Kapillare Steighöhe [m] h co : Einheit der kapillaren Steighöhe (1cm) [cm] h f : Höhe des Süßwassersäule [m] h fu : Mächtigkeit einer Süßwasserlinse unterhalb des Meeresspiegels [m] h k : Klimatische Wasserbilanz [mm] h N : Niederschlagshöhe [mm] h p : Druckhöhe [m Wassersäule] h s : Höhe der Salzwassersäule [m] h Vp : Potenzielle Verdunstungshöhe [mm] : Dynamische Viskosität (Koeffizient der inneren Reibung) [kg/m s] e : Dynamische Viskosität des eindringenden Fluids [kg/m s] v : Dynamische Viskosität des verdrängten Fluids [kg/m s] I o : Gefälle [-] I e : Gefälle der Energiehöhe [-] I oa : Gefälle der Parallelströmung [-] I oi : Initialgefälle [-] J : Massenfluss [kg/s] j : Massenflussrate [kg/s m 2 ]

12 XII Abkürzungen j a : Massenflussrate im Hohlraum des Gesteins [kg/s m 2 ] j b : Anwendungsmasse (Düngemittel, Pflanzenschutzmittel) pro Zeit- und Flächeneinheit [kg/ha a] k d : Quotient aus adsorbierter zu in Lösung befindlicher Konzentration eines Stoffes [m 3 /kg TS (Trockensubstanz)] k f : Durchlässigkeit [m/s] k fu : Durchlässigkeit eines Gesteins für ein Fluid im ungesättigten Bereich [m/s] k o : Spez. Durchlässigkeit [m 2 ] k r : Relative Durchlässigkeit [-] k 1,k 2 : Konstante [-] : Wärmeleitfähigkeit [J/s m C] L l l s : Länge der Salzwasserzunge [m] : Länge [m] : Tortuoser Weg eines Teilchens zwischen zwei Beobachtungsbrunnen [m] : Zerfallskonstante [1/a] M : Mächtigkeit des Grundwasserleiters [m] M e : Eindringtiefe einer Feuchtefront in die ungesättigte Zone [m] m : Masse [kg] m f : Masse Süßwasser [kg] : Masse Salzwasser [kg] m s n : Hohlraumanteil [-] n s : Speichernutzbarer Hohlraumanteil [-] n e : Durchflusswirksamer Hohlraumanteil [-] : Kinematische Viskosität [m 2 /s] p : Druck [kg/m 2 ] : Stromfunktion [m 2 /s] O sh : Spezifische Oberfläche des Hohlraums [1/m] O sf : Spezifische Oberfläche der Körner [1/m] Q Q a : Durchfluss [m 3 /s] : Aus dem Einzugsgebiet an der Messstelle vorbei verbrachter Abfluss [m 3 /s]

13 XIII Q g : Grundwasserneubildung [m 3 /s] Q f : Abfluss an einer Messstelle eines Oberflächengewässers [m 3 /s] Q z : Einem Einzugsgebiet von außen zugeführter Zufluss [m 3 /s] q : Durchflussrate [m/s] q c : Kapillare Aufstiegsrate [mm/a] q g : Grundwasserneubildungsrate [mm/a] q ge : Effektive Grundwasserneubildungsrate [mm/a] q gb : Bemessungsneubildungsrate [mm/a] q N : Niederschlagsrate [mm/a] q o2 : Wasservolumen pro Flächeneinheit und Zeiteinheit [m/s] q o3 : Wasservolumen pro Gesamteinheit und Zeiteinheit [1/s] q s : Durchfluss pro Mächtigkeit des Grundwasserleiters [m 2 /s] R : Reichweite einer Absenkung [m] R d : Retardation [-] R e : Radius eines Einzuggebietes [m] r : Radius [m] Ortskoordinate (Abstand von der Mittelachse) [m] r h : Hydraulischer Radius [m] r k : Radius einer Kapillare [m] : Dichte [kg/m 3 ] e : Dichte des eindringenden Fluids [kg/m 3 ] f : Dichte des Feststoffes (Gestein) [kg/m 3 ] s : Systemdichte (Masse Wasser im Hohlraum pro Gesamtvolumen) [kg/m 3 ] sa : Dichte des Salzwassers [kg/m 3 ] v : Dichte des verdrängtes Fluids [kg/m 3 ] w : Dichte des Wassers [kg/m 3 ] S : Speicherkoeffizient [-] S ä : Sättigungsgrad [-] S p : Spezifischer Speicherkoeffzient [1/m] s : Absenkung der Standrohrspiegelhöhe [m] : Oberflächenspannung [kg/s 2 ] T : Transmissivität [m 2 /s] T o : Tortuosität [-] t : Zeit [s]

14 XIV Abkürzungen U : Ungleichförmigkeitsgrad einer Kornverteilung [-] u : Theisfunktion [-] V : Volumen [m 3 ] V g : Gesamtvolumen (Hohlraum + Gestein) [m 3 ] V H : Hohlraumvolumen [m 3 ] V w : Wasservolumen [m 3 ] v : Geschwindigkeit [m/s] v a : Abstandsgeschwindigkeit [m/s] v ad : Dominierende Abstandsgeschwindigkeit [m/s] v am : Mittlere Abstandsgeschwindigkeit [m/s] v amax : Maximale Abstandsgeschwindigkeit [m/s] v av : Durch Adsorption verzögerte Abstandsgeschwindigkeit [m/s] v f : Filtergeschwindigkeit [m/s] v m : Mittlere Geschwindigkeit [m/s] : Wahre Geschwindigkeit [m/s] v w W : Arbeit [kg m 2 /s 2 ] W s : Wärmestrom [J/s] w s : Wärmestromdichte [J/s m 2 ] X T : Geothermische Tiefenstufe [m/ C] x, X : Ortskoordinaten [m] y, Y : Ortskoordinaten [m] z : Ortskoordinate [m]