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An integrated study of hydraulic anisotropy and its impact on saltwater intrusion in an inland aquifer
Cai, Jialiang

Main titleAn integrated study of hydraulic anisotropy and its impact on saltwater intrusion in an inland aquifer
SubtitleLaboratory method, modeling, and recommendations
Title variationsEine integrierte Untersuchung zur hydraulischen Anisotropie und deren Einfluss auf die Intrusion von Salzwasser in einen Grundwasserleiter
Subtitle for translated titleLaboruntersuchungen, Modellierung, und Empfehlungen
Author(s)Cai, Jialiang
Place of birth: Shanghai, P.R. China
1. RefereeProf. Dr. Michael Schneider
Further Referee(s)Prof. Dr. Gunnar Nützmann
KeywordsDirectional hydraulic conductivity; Modified constant-head permeameter test; Saltwater upconing; Numerical modeling
Classification (DDC)550 Earth sciences
SummaryDie zweidimensionale hydraulische Anisotropie (a), die als das Verhältnis der horizontalen zur vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit (Kh/Kv) definiert ist, ist ein Standardparameter der hydrogeologischen Charakterisierung und stellt eine wichtige Grundlage für die Modellierung von Transportphänomenen in Sedimenten dar. Dieser Parameter wird jedoch nicht routinemäßig bestimmt. Dementsprechend wird sein Wert in den numerischen Modellierungsstudien oft empirisch auf 10 gesetzt, um anisotrope Situationen in Sedimenten abzubilden. Tatsächlich ist heute die hochauflösende Charakterisierung der direktionalen hydraulischen Leitfähigkeit (DHC) in Sedimenten eine nicht leicht zu lösende Aufgabe und erfordert einen hohen messtechnischen Aufwand. Aus diesem Grund wurde eine integrierte Labormethode in Form eines modifizierten Permeameterversuchs bei konstanter Druckhöhe (MCHPT) konzipiert, um die effiziente Bestimmung und Überprüfung von konsistenten DHC-Werten in feinen bis mittleren sandigen Sedimenten durchführen zu können.

Die Berücksichtigung der Anisotropie eines Grundwasserleiters ist unter anderem bedeutend bei der Untersuchung und Bewertung von Salzwasserintrusionen. Salzwasserintrusion ist ein im globalen Maßstab auftretendes Phänomen in Küstenregionen, welches erhebliche Konsequenzen für die Nutzung der natürlichen Ressourcen in diesen Gebieten hat. Salzwasserintrusion kann als eine besondere Kategorie der Grundwasserkontamination angesehen werden, denn hochmineralisiertes Wasser ist für die Trinkwassergewinnung und Bewässerung landwirtschaftlicher Kulturen ungeeignet. Auch in einem Binnengrundwasserleiter im Bereich des Beelitzhofer Wasserwerkes im Südwesten von Berlin (Deutschland) ist eine zunehmende Versalzung in den meisten tief verfilterten Brunnen zu beobachten. Ein sehr dünner Film von salzigem Grundwasser (Zentimeter-Skala) wurde in fein- bis mittelkörnigen Sanden im Hangenden des unteroligozänen Rupeltons (Grundwassergeringleiter) festgestellt. Daher kann davon ausgegangen werden, dass elsterglaziale Rinnenstrukturen einen Salzwasseraufstieg im Bereich von trinkwasserproduzierenden Brunnen erheblich begünstigen. In früheren Arbeiten konnte eine Korrelation zwischen der hydraulischen Anisotropie a, der Grundwasserabsenkung und dem Salzwasserauftstieg nachgewiesen werden. Im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen konnte der Einfluss der Anisotrope a auf die Intensität der Salzwasserintrusion durch Wasserentnahme quantifiziert werden mit einem Wert von a = 2.3. Dies erfolgte mithilfe der Labormethode (MCHPT) und dem Vergleich mit dem empirischen Wert von a = 10. Hierfür wurde ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell der lokalen Gegebenheiten im Umfeld eines Trinkwasserentnahmebrunnens erstellt und in ein numerisches dichteabhängiges Grundwasserströmungs- und -transportmodell implementiert.

Eine tatsächliche Existenz hydraulisch wirksamer Fenster im Rupelton konnte durch die Modellstudie jedoch nicht nachgewiesen werden. Deshalb werden zwei Hypothesen über geologische Bedingungen in einem Binnengrundwasserleiter getestet, nach denen es aufgrund einer Wasserförderung aus Brunnen zum Aufstieg hochmineralsierten Grundwassers kommen kann: 1) es existieren hydraulisch wirksame Fenster im Grundwassergeringleiter, und 2) es gibt zwar keine hydraulischen Fenster, jedoch tritt der Grundwassergeringleiter in sehr geringer Mächtigkeit auf.. Es bestünde hierbei theoretisch die Möglichkeit einer Diffusion des Salzwassers durch die Tonschicht und einer Salzakkumulation an der Basis des oberen Grundwasserstockwerkes. Diese beiden Hypothesen wurden daraufhin überprüft, wie stark der Einfluss der lateralen Entfernung zwischen den hydraulisch wirksamen Fenstern im Ton und dem Entnahmebrunnen ist und ob eine Diffusion von Salzwasser durch den Ton möglich ist. Hierfür wurden unterschiedliche Mächtigkeiten (0,01 m bis 100 m) des Tones betrachtet. Hypothese 1 wurde durch vier Szenarien bestätigt. Hydraulische Fenster im Rupelton können an dieser Lokation unter bestimmten Bedingungen Salzwasserintrusionen verursachen. Dagegen kann die zweite Hypothese verworfen werden, da eine mögliche Salzdiffusion durch den Ton bei einer Mächtigkeit über 1 m keine Kontamination im überlagernden Grundwasserleiter verursachen kann.

Auf Basis der nachgewiesenen Ursachen für einen Aufstieg des tiefen salzhaltigen Grundwassers wurden zwei Empfehlungen zur Optimierung des Pumpregimes entwickelt. Hierdurch kann eine Salzwasserintrusion in einen Binnengrundwasserleiter besser kontrolliert werden. In Bezug auf die Reduktion der Pumprate für die Bedingungen im Rahmen der Modellstudie wurde ein Wert von 1,39×10-2 m3/s (50 m3/h) für gute Trinkwasserqualität (TDS-Konzentration < 0,6 kg/m3) und eine Förderrate von 5,56×10-3 m3/s (20 m3/h) für exzellente Trinkwasserqualität (TDS-Konzentration < 0,3 kg/m3) ermittelt. Darüber hinaus kann auch durch eine Filterstrecke, die im oberen Grundwasserleiter den hydraulischen Anschluss von Oberflächenwasser durch Uferfiltration ermöglicht, eine Salzwasserintrusion abgeschwächt werden.
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Number of pagesXVII, 123 S.
FU DepartmentDepartment of Earth Sciences
Year of publication2014
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
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Date of defense2014-11-14
Created at2014-11-20 : 12:21:32
Last changed2014-11-20 : 02:17:34
 
Static URLhttp://edocs.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000097891
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000097891-1
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