Quelle: LfUG 2007; FU Berlin 2006 -...

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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 Folie 2 Hydrogeologie_I_Teil_3 www: Vorlesungsunterlagen http://www.geo.tu-freiberg.de/~schipek Übung zur Hydrogeologie I Vorlesungsvertretung

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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

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)

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ufw

an

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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?