Quelle: LfUG 2007; FU Berlin 2006 -...
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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
Folie 2
Hydrogeologie_I_Teil_3 www: Vorlesungsunterlagen
http://www.geo.tu-freiberg.de/~schipek
Übung zur Hydrogeologie I
Vorlesungsvertretung
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Folie 3
Hydrogeologie_I_Teil_3 Literaturhinweise
Jordan & Weder 1995
Hölting 2008Käss 2004Languth & Voigt
2004
Folie 4
Hydrogeologie_I_Teil_3 Aquifer Eigenschaften
Aquifer Eigenschaften:
– Hohlraum
– Widerstand
Hohlräume:
– Poren (Porengrundwasserleiter)
– Klüfte (Kluftgrundwasserleiter)
– Poren & Klüfte (Double Porosity)
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• 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
Hydrogeologie_I_Teil_3 Porenwasser
Folie 6
Hydrogeologie_I_Teil_3 Hohlräume - Porosität
Porenvolumen VP = Porosität
Gesamtvolumen VG
Porositätsfaktor P = VP / VG
bei Klüften:
Kluftvolumen VK
Hohlraumvolumen
effektive Porosität PE (nutzbare Porosität)
PE = PG - PR
PR = Residualporosität (Anteil Haftwasser und dead-end-Poren)
PG = Gesamtporosität
Jordan & Weder 1995 (Einfluss von Korngröße und Kornpackung auf Porenvolumen und Durchlässigkeit)
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Folie 7
Hydrogeologie_I_Teil_3 Hohlräume Festgestein
Quelle: Jordan & Weder 1995
Kluftkörper und Grundkörper im Festgestein
Folie 8
Hydrogeologie_I_Teil_3 Hohlräume - Porosität
Porosität von Sedimenten
Gesamt-P.(%) effektive P.(%)
Kies 24 ... 38 18 ... 30
Sand 31 ... 53 10 ... 15
Schluff 34 ... 61 3 ... 6
Ton 34 ... 65 0 ... 3
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Folie 9
Hydrogeologie_I_Teil_3 Hohlräume - Porosität
Hohlraumvolumen Festgesteine
Gesamthohlraumvolumen (%)
Granite, Gneise 0 ... 5
Sandsteine 5 ... 15 (Poren), 0 … 3 (Klüfte)
Tuffe 0 ... 50
Basalt 3 ... 35
Karst 1 ... 5
Folie 10
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden
Gesteinsart
Parameter
Lockergesteine Festgesteine
rollige (Sande,
Kiese)
Bindige (Tone,
Schluffe)
Sedimente Magmatite,
Metamorphite
Korngrößenzu-
sammensetzung
Siebanalyse Schlämmanalyse mikroskopisch;
nach Aufbereitung
u.U. Sieb- und
Schlämmanalyse
Hohlraumvolumen
(speicherwirksamer
Porenraum)
Absaugmethode
nach Zunker
evtl. über pF-Wert-
Bestimmung
mikroskopisch;
aus Porenradien-
analyse (Hg-
Druckporositmeter
Saugspannung Bestimmung der
kapillaren Steighöhe
Zentrifugenmethode
Durchlässigkeits-
beiwert
ungestört:
Durchflussmessung
bei konst.
Druckdifferenz
gestört: Siebanalyse
Durchflussmessung
bei abnehmender
Druckdifferenz
Gasdurchfluss-
messung
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Quelle: Jordan & Weder, 1995
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Folie 11
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden Siebanalyse
Folie 12
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden Lockergesteine
Steine > 63 mm
Kies 2 ... 63 mm
Sand 0,06 ... 2 mm
Schluff 0,002 ... 0,06 mm
Ton < 0,0002 mm
Quelle: DIN 4022 Bl.1
Korngrößenverteilungsanalyse
• quantitative Kennzeichnung der
untersuchten Gesteine
• qualitative Aussagen zu
hydrogeologisch relevanten Parameter
• Sieb- und Schlämmanalyse
(Grenze: Anteil <0,04 mm)
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Folie 13
Hydrogeologie_I_Teil_3 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 Korndurch-
messer logarithmisch geteilten Abszisse)
• Anteil < 0,063 mm Werte über 10% - Schlämmanalyse
Quelle: Jordan & Weder, 1995
Folie 14
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden Porosität
Quelle: Jordan & Weder, 1995
Wasser im Porenraum:
a wassergesättigter
Porenraum
b Porenraum nach
Gravitationsentwässerung
c Porenraum nach
Wasserauffüllung
d schematische Darstellung
der Porenraumanteile
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Folie 15
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden Porosität: Gesamtporenvolumen
• Trocknung einer feuchten Probe bei 105°C
• Wägung der getrockneten Probe: ms
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
VG = Gesamtvolumen (Probenahmezylinder)
VS mS
n = 1 - ----- = 1 - -----------
VG VG x ρS
Übungen zur Hydrogeologie I
Folie 16
Hydrogeologie_I_Teil_3 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
ne = n - nr
Übungen zur Hydrogeologie I
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Folie 17
Hydrogeologie_I_Teil_3 Labormethoden Porosität
PE = PG – PR PE = effektive Porosität
PR = Residualporosität
PG = Gesamtporosität
Quelle: Davies & DeWiest 1966
Folie 18
Hydrogeologie_I_Teil_3 Permeabilität
Welche Parameter sind bestimmend?
Potential
Widerstand
• Viskosität (Fluid)
• Oberflächenspannung (Festgestein / Fluid)
• Rauigkeit der Oberfläche
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Folie 19
Hydrogeologie_I_Teil_3 Permeabilität
Welche Parameter sind bestimmend?
0 1
Geschwindigkeit
große Oberfläche großer Widerstand
kleine Poren großer Widerstand
enge Klüfte großer Widerstand
Oberfläche
Geschwindigkeit:
ƒ(1 / Widerstand)
Reibungskräfte
Folie 20
Hydrogeologie_I_Teil_3 Permeabilität
Darcy-Gesetz / Permeabilität (kf)
vf = kf i
i = H / L
L = Länge, H = Höhe
Darc
y 1
80
3-1
85
8
11
Folie 21
Hydrogeologie_I_Teil_3 Permeabilität
Darcy-Gesetz / Permeabilität (kf)
Darc
y 1
80
3-1
85
8
vf = kf i kf = Filterkoeffizient
vf = Filtergeschwindigkeit
i = H/ L L = Länge, H = Potential, Höhe
Einheit: kf = m/s Geschwindigkeit
HL
Folie 22
Hydrogeologie_I_Teil_3 Permeabilität
Gültigkeit Darcy-Gesetz
• laminarer Fluß
- Reynolds Zahl Re Re < 1...10
- Re > 10: turbulent oder schießend Navier-Stokes
• Newton Fluid
- nicht komprimierbar (Viskosität unabhängig von
Deformation und Fließwiederstand, konstant bei
gegebener Temperatur)
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Folie 23
Hydrogeologie_I_Teil_3 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 24
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
kf-Werte für Lockergesteine
Kiese kf = 10-4 ... 10-1 m/s
Grobsand kf = 10-4 ... 5·10-3 m/s
Mittelsand kf = 10-5 ... 5·10-3 m/s
Feinsand kf = 2·10-6 ... 10-4 m/s
Schluff kf = 10-9 ... 2·10-5 m/s
Ton kf = 10-11... 2·10-9 m/s
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Folie 25
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
kf-Werte für Sedimentite
Karst 10-6 ... freier Fluß
Kalke / Dolomite 10-9 ... 5 · 10-6 m/s
Sandsteine 10-10... 10-5 m/s
Salz 10-12 ...10-10 m/s (Karst?)
Folie 26
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
kf-Werte für vulkanische, magmatische und
metamorphe Gesteine
Basalt 5·10-11... 10-2 m/s
geklüftete Magmatite
und Metamorphite 10-9 ... 10-4 m/s
verwitterter Granit 10-6 ... 10-5 m/s
ungeklüftete Magma-
tite und Metamorphite 10-14... 10-10 m/s
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Folie 27
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
Durchlässigkeiten nach DIN 18130, Tl. 1
sehr stark durchlässig > 10-2 m/s
stark durchlässig 10-2 ... 10-3 m/s
durchlässig 10-4 ... 10-6 m/s
schwach durchlässig 10-6 ... 10-8 m/s
sehr schwach durchlässig < 10-8 m/s
Folie 28
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
Methoden zur Bestimmung von kf
• Ansprache bei Bohrgutentnahme
• empirische Abschätzung aus
Kornverteilungsdaten
• Permeameter (Säulenversuch,
Darcy-Apparatur)
• Pumpversuche, Feldteste
• numerische Modellierung eines Gebietes
(invers)
ste
ige
nd
er A
ufw
an
d
Hydrogeologie III
Hydrogeologie II
Ü Hydrogeologie I
Ü Hydrogeologie I
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Folie 29
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
kf-Wert-Bestimmung aus
Kornverteilung
Hazen:
kf = (0.7 + 0.03 · Temp) / 86.4 · d102 = 0.0116 · d10
2 (bei 10°C)
Gültigkeit U = d60 / d10 < 5
Zieschang:
modifizierte Hazen-Formel, empir. Beiwerte c1 und c2
Beyer: C = f(U)U: 1 ... > 20
Seelheim: 0.00357 · d502
Bialas: 0.0036 · d202.3
Folie 30
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
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
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Folie 31
Hydrogeologie_I_Teil_3 Methoden zur Bestimmung von kf
Durchströmungsversuch (Permeameter)
konstanter Druck fallender Druck
kf = QF / (i F)
F = Querschnittsfläche
Wichtig!
Ungestörte Probe?
Homogen?
Isotrop?
Repräsentativ?
Folie 32
Hydrogeologie_I_Teil_3
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Folie 33
Hydrogeologie_I_Teil_3 3 Geschwindigkeiten
vfvA
Filtergeschwindigkeit =
theoretische G. über den
gesamten Querschnitt
Abstandsgeschwindigkeit =
G. berechnet aus der Strecke
von A nach B
Fließgeschwindigkeit =
Bahngeschwindigkeit =
tatsächliche mikroskopische
GeschwindigkeitA
B
Folie 34
Hydrogeologie_I_Teil_3 3 Geschwindigkeiten
Abstandsgeschwindigkeit vA
vA = ( kf i ) / ne
vA > vf
relevant für Transport von Kontaminationen?
besser noch: tatsächliche Fließgeschwindigkeit
vf = kf i = Q/A
i = H/ L
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Folie 35
Hydrogeologie_I_Teil_3 3 Geschwindigkeiten
Bestimmung Abstandsgeschwindigkeit vA
•Rechnerisch, aber ne problematisch
•winzige Partikel, die sich mit der Geschwindigkeit
des Wassers bewegen
Markierungsstoff (Tracer)
Folie 36
Hydrogeologie_I_Teil_3 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
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Folie 37
Hydrogeologie_I_Teil_3 Tracerversuche
Tracertypen
• Natürliche Tracer:
• Environmental Isotopes
• Environmental Chemicals
• Organisms
• Physical Effects
• Künstliche Tracers
• wasserlöslich
• wasserunlöslich
Folie 38
Hydrogeologie_I_Teil_3 Tracerversuche
Natürliche Tracer
• natürliche radioaktive Nuklide (3H, 18O, 14C, 32Si)
• Seltene Erden Elemente mit Aktivierungsanalyse (REE-
EDTA-Komplex, 15-20 Tracer, 10-15 mol/L)
Künstliche Tracer
• künstliche DNA´s (nahezu beliebig viele Tracer parallel)
• künstliche radioaktive Nuklide (51Cr 27.2 d, 58Co 5.27 a, 24Na 15 h, 82Br 35.34h, 131I 8.04 d)
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Folie 39
Hydrogeologie_I_Teil_3 Tracerversuche
Künstliche Tracer (2)
• Fluoreszenztracer: Uranin (Na-Fluoresceine),
Nachweisgrenze ca. 10-12 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 40
Hydrogeologie_I_Teil_3 Tracerversuche
Probleme mit Tracern
typische Anwendungen
• Laboruntersuchungen
• Karst
• Kluftgrundwasserleiter
• Bergwerke
• oberirdische Gewässer (Flüsse)
nur anwendbar bei kleinen Distanzen und/große
Geschwindigkeiten
oben: Bowden Close/UK 2004
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Folie 41
Hydrogeologie_I_Teil_3 Definitionen Grundwasserleiter
Definitionen (DIN 4049-5)
Aquifer, Grundwasserleiter kf > 10-5 m/s
Geringleiter, Hemmer,
Aquitard, Leaky Aquifer kf = 10-5... 10-8 m/s
Stauer, Nichtleiter, Aquiclude kf < 10-8 m/s
Folie 42
Hydrogeologie_I_Teil_3 Transmissivität
Transmissivität (Maß für die Gesamt-
durchlässigkeit eines Aquifers)
T = kf M
M = wassererfüllte Mächtigkeit des Aquifers, m
kf = Durchlässigkeitsbeiwert, m s-1
Einheit: = m2/s
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Folie 43
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Zonen im Untergrund
Ungesättigte Zone (Vadose zone): Bodenwasser und Bodenluft
Gesättigte Zone (Saturated zone): Grundwasser
Grenze: Grundwasserspiegel (Water table) und Kapillarsaum
Folie 44
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung – Potentialkonzept
Potentiale
2 oder 3 Phasen System: Gestein – Wasser – (Gas)
Y = YG + YM + YO + YD
YG = Gravitations Potential (Lagepotential)
YM = Kapillar Potential (Matrix Potential)
(YO = osmotisches Potential)
YD = hydrostatisches Potential, Druck-Potential
Y = YG + YD
Gesättigten Zone
Y = YG + YM
Ungesättigten Zone
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Folie 45
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Bestimmung von Potentialen
Schematische Darstellung von Tensiometern.
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
Folie 46
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Welche Drücke messen wir im Untergrund im Wasser?
Ungesättigte Zone,
Boden
< 1 bar (typisch: -50 ...-600mbar)
Grundwasseroberfläche ~ 1 bar (Atmosphärendruck)
Grundwasser > 1 bar (~ 1 bar je 10 m)
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Folie 47
Hydrogeologie_I_Teil_3 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 48
Hydrogeologie_I_Teil_3 Strömung in gesättigte Zone
Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience
Messung mit "Piezometer":
Wasserspiegel in offenem
Standrohr.
"Piezometerhöhe„ engl.:
hydraulic head
Definition der Piezometerhöhe h
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Folie 49
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Wie und wo fließt das Wasser?
Folie 50
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
… nur an der Oberfläche?
102 m
Isolinie
103 m
Isolinie
Potential ?
Y = YG + YD = (102 m – 50 m) + 50 m = 102 m
50 m
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Folie 51
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Ausschnitt aus dem Strömungsfeld
Quelle: Uni Essen
• Strömungslinien: sind Bahnen
auf denen sich (im stationären
Zustand) die Wasserteilchen
durch den Boden bewegen.
• Potentiallinien sind Linien
gleichen Potentials (also
gleicher Standrohr-
spiegelhöhe).
• Strömungs- und Potentiallinien
müssen senkrecht aufeinander
stehen.
Folie 52
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Lokale, regionale und überregionale Fliesssysteme
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Folie 53
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserströmung
Dichte-getriebene Strömung
• Temperaturunterschiede bewirken
Dichteunterschiede
• Unterschiedliche Salzgehalte bewirken
Dichteunterschiede
• Unterschiedliche Dichten können
Grundwasserströmungen antreiben
Folie 54
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserstockwerk
Aquifer 1
Aquiclude 1
Aquifer 2
Aquiclude 2
Aquifer 3
Aquiclude 3
Schematischer Aufbau Grundwasserstockwerk
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Folie 55
Hydrogeologie_I_Teil_3 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 56
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserstockwerk
Gespannte / ungespannte Aquifere
Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience
Ungespannter (unconfined) Aquifer
h = Höhe des Grundwasserspiegels
Gespannter (confined) Aquifer
h > Höhe GW-Spiegel
(Potentiometrische Oberfläche)
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Folie 57
Hydrogeologie_I_Teil_3 Grundwasserstockwerk
Quelle: Fitts 2002: GroundwaterScience
Folie 58
Hydrogeologie_I_Teil_3 Quellaustritte
Natürliche Grundwasseraustritte: Quellen (spring)
• immer dann, wenn der Fließquerschnitt in einem
oberflächennahem Grundwasserleiter nicht mehr
ausreicht, um das Grundwasser zu transportieren
• Abnahme des kf-Wertes
• Abnahme der Mächtigkeit des Aquifers
• Abnahme des Gradienten des Grundwassers
warum und wo treten Quellen auf?
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Folie 59
Hydrogeologie_I_Teil_3 Quellaustritte - Quelltypen
Aquiclude
Aquifer
depression spring
(Verengungsquelle)
Folie 60
Hydrogeologie_I_Teil_3 Quellaustritte - Quelltypen
Aquiclude
Aquifer
Kontaktquelle
Wasserscheide
Schichtquelle
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Folie 61
Hydrogeologie_I_Teil_3 Quellaustritte - Quelltypen
Störungsquelle
fault spring
Aquiclude
Aquifer
Folie 62
Hydrogeologie_I_Teil_3 Quellaustritte - Quelltypen
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Folie 63
Hydrogeologie_I_Teil_3 Zusammenfassung
verschiedene Porositäten (gesamt, effektiv)
Reibungskräfte lineare Darcy-Gesetz
Bandbreite Kf-Werte: 10-2 ... 10-14 m/s
Verschiedene Methoden zur Bestimmung Kf-Werte
3 Geschwindigkeiten (Filter-, Abstands,
Fließgeschwindigkeit)
Tracer
Grundwasserstockwerke (ungespannt, gespannter
Wasserspiegel)
Quelltypen
Folie 64
Hydrogeologie_I_Teil_3
Fragen?