Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
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Prof. Dr. <strong>Christian</strong> <strong>Wolkersdorfer</strong><br />
<strong>Abriss</strong> <strong>der</strong> <strong>Hydrogeologie</strong><br />
Gesättigte und ungesättigte Zone<br />
Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009<br />
Präsentation basiert auf<br />
„Einführung <strong>Hydrogeologie</strong>“<br />
Prof. Dr. habil Bro<strong>der</strong> J. Merkel (Bergakademie Freiberg)<br />
Inhalte<br />
• Einführung<br />
• Was ist ein Aquifer?<br />
• Warum fließt Grundwasser?<br />
• Wie bestimmt man Porosität und Permeabilität?<br />
• Gesättigte und ungesättigte Zone<br />
• Brunnen und Pumpversuche<br />
• Pumpversuchsauswertung und Grundwasserneubildung<br />
• Wasser: Das universelle Lösungsmittel<br />
• Wechselwirkungen Wasser – Gestein<br />
• weitere Wasserinhaltsstoffe<br />
• Grundwassermodellierung<br />
• Grundwasserschutz und Management<br />
• Grundwassersanierung<br />
• Regionale Beispiele<br />
1
was wäre wenn …<br />
•vertikale Strömung in <strong>der</strong> ungesättigten t Zone<br />
• mehr o<strong>der</strong> weniger horizontale Strömung im<br />
Grundwasser<br />
Berechnung?<br />
kf<br />
⋅Δi<br />
v<br />
A<br />
= n<br />
n e<br />
k f = 1·10 -3 m s -1 ; h = 10 m; n e = 0,18<br />
aber Δi?<br />
2
Berechnung?<br />
Δ<br />
h<br />
i= l<br />
l<br />
h<br />
l<br />
h<br />
h l<br />
h<br />
Δ i= = 1 l<br />
Berechnung!<br />
k f = 1·10 -3 m s -1 ; h = 10 m; l = 10 m; n e = 0,18<br />
-3<br />
kf<br />
⋅Δi<br />
10 ⋅1 v<br />
A<br />
= = = 5,6 ⋅ 10 m s = 20 m h<br />
n 0,18<br />
e<br />
-3 -1 -1<br />
Regen erreicht nach 30 Minuten den Grundwasserspiegel?<br />
3
wenn, dem so wäre ...<br />
unter günstigen Bedingungen reagiert <strong>der</strong><br />
Grundwasserspiegel nach Tagen o<strong>der</strong> Wochen!<br />
was ist falsch?<br />
• die Berechnung!<br />
• ungesättigte Zone:<br />
– 3-Phasen-System<br />
• gesättigte Zone /<br />
Grundwasserraum:<br />
– alle Hohlräume sind<br />
mit Wasser gefüllt<br />
und ddie Hohlräume hlä<br />
sind miteinan<strong>der</strong><br />
verbunden<br />
4
Potentiale<br />
2- o<strong>der</strong> 3-Phasen-System:<br />
Hydrosphäre – Lithosphäre (– Atmosphäre )<br />
Ψ = Ψ G + Ψ M + Ψ O + Ψ P<br />
GZ<br />
Ψ G = Gravitationspotential<br />
Ψ M = Matrix Potential (Kapillarpotential)<br />
Ψ O = osmotisches Potential<br />
Ψ P = hydrostatisches Druckpotential<br />
UZ<br />
Kapillarität<br />
Kapillarität ist eine Kombination aus Oberflächenspannung<br />
von Fluiden und <strong>der</strong> Benetzbarkeit von festen Oberflächen<br />
h=<br />
2 ⋅σ<br />
⋅ cos -5<br />
2,3<br />
α 1,53⋅10 m²<br />
=<br />
r⋅ρ<br />
⋅g r<br />
σ 2,3 Oberflächenspannung, N m -1<br />
α Benetzungswinkel, -<br />
ρ Dichte, kg/m³<br />
g Schwerkraft, m/s -2<br />
r Kapillarradius, m<br />
5
Kapillarität?<br />
• Kommunizierende Röhren<br />
Kapillarität<br />
6
Korngröße – Porengröße?<br />
d p ≈ 0,2 d k<br />
Kapillare Steighöhe<br />
Bodenart<br />
Kies<br />
Sand grob<br />
Sand mittel<br />
Sand fein<br />
Schluff<br />
Ton<br />
Korndurchmesser,<br />
mm<br />
> 2<br />
2,0 – 0,6<br />
0,6 – 0,2<br />
02 0,2 – 006 0,06<br />
0,06 – 0,002<br />
< 0,002<br />
Kapillare Steighöhe,<br />
mm<br />
< 20<br />
50 – 150<br />
100 – 300<br />
150 – 1 000<br />
1 000 – 10 000<br />
> 10 000<br />
7
wie misst man Kapillarität?<br />
• Bodenwasserspannung (moisture tension)<br />
• meistens Unterdruck<br />
– Manometer<br />
– Druckübertragung<br />
– Kontaktkörper zur ungesättigten Zone (Boden)<br />
– Keramikkerze<br />
• 1 hPa = 1 mbar<br />
Tensiometer<br />
IMKO Mikromodultechnik GmbH, Ettlingen<br />
8
Tensiometer: Bodenwasserspannung<br />
Heiner Lieth: University of California<br />
pF-Kurven<br />
pF = ( −)<br />
logΨ<br />
UMS, München<br />
9
pF-Kurven<br />
Permanenter Welkepunkt<br />
Bereich häufigster<br />
Feldkapazitäten<br />
Nutzbare<br />
Feldkapazität (nFK)<br />
pF = ( −)<br />
logΨ<br />
UMS, München (Grafik); Klaus Schnei<strong>der</strong> (Foto)<br />
Beziehung zwischen Wasserspannung<br />
und Porengröße<br />
http://nibis.ni.schule.de/~trianet/water/wasser3.htm<br />
10
ungesättigte Durchlässigkeit<br />
• 7 Größenordnungen<br />
als Funktion des<br />
Wassergehaltes<br />
• abhängig vom<br />
Boden<br />
Hysterese<br />
Fetter 1999<br />
11
Wassergehaltsbestimmung<br />
• Gravitativ<br />
• Time Domain Reflektrometrie t (TDR)<br />
• Frequenz Domain Reflektometrie (FDR)<br />
• Neutronensonde<br />
•Gipsblöcke<br />
• indirekt: Tensiometer<br />
Zeitbereichsreflektometrie<br />
(TDR-time domain reflectometry)<br />
Dielektrizitätszahl ε 0 ist mit 80,1 sehr viel größer<br />
als die von Mineralen (2 … 5)<br />
Geschwindigkeits- / Laufzeitmessung eines<br />
hochfrequenten elektromagnetischen Impulses<br />
c0<br />
c =<br />
c Geschwindigkeit Impuls<br />
ε0⋅<br />
μ0<br />
c 0 Lichtgeschwindigkeit<br />
2<br />
μ 0<br />
magnetische Permeabilität<br />
⎛ t ⎞<br />
ε = ⎜ c<br />
t Zeit<br />
0 0 ⎟<br />
⎝ 2l ⋅ ⎠ l Länge<br />
FDR frequency domain reflectrometry<br />
12
TDR: Wassergehalt-Dielektrizitätszahl-<br />
Beziehung<br />
ε = 3,03+ 9,3⋅ θ + 146⋅θ −76,6⋅θ<br />
2 3<br />
0 v v v<br />
TDR-Sonde<br />
13
Neutronensonde<br />
• Neutronenquelle (z.B. 241 Americium-Beryllium)<br />
• Abbremsen an Wasserstoff → Reflektion<br />
• Photonen werden von 3 He als Messgas emittiert und detektiert<br />
Messschacht in <strong>der</strong> ungesättigten<br />
Zone München-Großha<strong>der</strong>n<br />
Merkel et al. (1982)<br />
14
gemessenes Matrixpotential im<br />
Messschacht Großha<strong>der</strong>n<br />
Welcher Boden kann pro Zeiteinheit<br />
mehr Wasser aufnehmen …<br />
• … ein trockener o<strong>der</strong> ein<br />
feuchter Boden?<br />
– <strong>der</strong> feuchte Boden<br />
•warum?<br />
– Gradient und Durchlässigkeit<br />
→ Oberflächenabfluss in ariden<br />
Gebieten schon bei relativ<br />
geringen<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsintensitäten<br />
(Benetzungswi<strong>der</strong>stand)<br />
15
gesättigte / ungesättigte Zone: was ist<br />
<strong>der</strong> Unterschied?<br />
• Gesättigte Zone<br />
– k f ist Konstante<br />
– Temperatur, Inhaltsstoffe haben nur<br />
geringen Einfluss auf k f -Wert<br />
• Ungesättigte Zone<br />
– k u (auch: k Ψ , k ΨM ) extrem nicht-lineare<br />
Funktion des Wassergehaltes<br />
und …<br />
• Ψ = Ψ Gravitation + Ψ Matrix (Kapillarität)<br />
• höhere Gradienten in <strong>der</strong> ungesättigten Zone<br />
wenn Sie ein o<strong>der</strong> zwei Tensiometer<br />
hätten …<br />
Michael Beck 2000<br />
16
Gesättigte Zone vs. ungesättigte Zone<br />
dh<br />
vf<br />
=− kf<br />
=−kfΔi<br />
dl<br />
Darcy: gesättigt<br />
v<br />
f<br />
dΨM<br />
=−kΨ<br />
M<br />
dx<br />
Darcy-<br />
Buckingham:<br />
ungesättigt<br />
Richards Gleichung<br />
q<br />
θ<br />
dΨ<br />
=−k<br />
⋅<br />
dx<br />
H<br />
Darcy-<br />
Ψ<br />
M<br />
dx Buckingham<br />
∂ θ ∂q<br />
⎡ ∂q<br />
∂q<br />
θ<br />
θ<br />
=<br />
z<br />
θ<br />
⎤<br />
x<br />
y<br />
⎢+ + ⎥<br />
∂t<br />
∂z<br />
⎢⎣<br />
∂x<br />
∂y<br />
⎥⎦<br />
∂θ<br />
∂ ⎡ ⎛ ∂Ψ ⎞<br />
= ⎢ Ψ ⎜ −1⎟<br />
⎤ M<br />
k<br />
M<br />
∂t ∂z ∂<br />
⎥<br />
⎣ ⎝ z ⎠⎦<br />
Kontinuitätsgleichung<br />
Richards<br />
Gleichung<br />
17
Evaporation und Evapotranspiration<br />
• nicht nur von <strong>der</strong><br />
Oberfläche<br />
– auch aus <strong>der</strong><br />
ungesättigten<br />
Zone<br />
– aus Grundwasser<br />
– über Wurzeln und<br />
Blattoberflächen<br />
www.ngdir.ir<br />
Einflussfaktoren Verdunstung<br />
Strahlung &<br />
Luftfeuchtigkeit<br />
(slope & aspect)<br />
Vegetation<br />
Boden<br />
18
Hangneigung & Exposition<br />
Zusammenfassung<br />
• die ungesättigte Zone ist ein Dreiphasensystem<br />
• nichtlineare Abhängigkeit <strong>der</strong> Durchlässigkeit als<br />
Funktion des Wassergehaltes<br />
• Gravitations- und Matrixpotential<br />
• Bewegung überwiegend vertikal ↑ ↓<br />
• verschiedene Messmethoden (Tensiometer, TDR,<br />
Neutronensonde)<br />
• Variationen des Bodenwassergehaltes kontrollieren<br />
Infiltration und Verdunstung →<br />
Grundwasserneubildung<br />
19
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