Im Fokus des Vorhabens stehen die Planung und Durchführung eines Feldversuchs zur Bestimmung der geohydraulischen Anisotropie von Porengrundwasserleitern sowie die Auswertung der ermittelten Daten mit Hilfe inverser numerischer Methoden.
Aufgabenstellung und Ziel
Geohydraulische Berechnungen basieren zumeist auf der Annahme bereichsweise homogener und isotroper Grundwasserleiter und -geringleiter. Dies bedeutet, dass die hydraulische Durchlässigkeit innerhalb einer geologischen Formation als konstant und richtungsunabhängig angenommen wird. Da die einzelnen Kornpartikel einer geologischen Formation jedoch zumeist nicht gleichförmig abgelagert werden und selten kugelförmig sind, orientieren sie sich zumeist während der Ablagerungsprozesse und bilden Lagen aus Feinsedimenten. Kornanalytisch kann hier zwar eine Homogenität nachgewiesen werden, in Bezug auf die hydraulische Durchlässigkeit trifft dies jedoch nicht zu. In den meisten Fällen ist die hydraulische Durchlässigkeit eines Sedimentkörpers in horizontaler Richtung wesentlich größer als in vertikaler Richtung. Dieses Phänomen wird als Anisotropie bezeichnet.
Speziell in größeren Skalen (räumlich) wirkt sich die Anisotropie des Untergrunds maßgeblich auf dessen effektive Durchlässigkeit aus, wodurch beispielsweise die räumliche Ausbreitung von Absenktrichtern bei Wasserhaltungsmaßnahmen nachhaltig beeinflusst werden kann. Für die Planung und Dimensionierung von Wasserhaltungsmaßnahmen liegt jedoch meist keine ausreichende Kenntnis über die Anisotropie des Untergrunds vor. Oftmals wird deshalb auf Literaturangaben zurückgegriffen, in denen das Anisotropieverhältnis von horizontaler und vertikaler hydraulischer Durchlässigkeit natürlich abgelagerter Sedimente mit Werten zwischen 2 und 10 beschrieben wird. Je nach Standort kann der Wert der tatsächlich vorliegenden Anisotropie jedoch noch deutlich von diesen Größen abweichen bzw. räumlich stark variieren. Hierdurch entstehen bei der Planung von Wasserhaltungsmaßnahmen große Unsicherheiten, woraus gegebenenfalls ein erhöhter Aufwand mit entsprechenden Kosten resultiert.
Geohydraulische Standarduntersuchungsmethoden eignen sich nur in geringem Maß, um Informationen über die hydraulische Anisotropie von Sedimentkörpern zu erhalten. Durch die meisten dieser Verfahren kann nur die horizontale, selten auch nur die vertikale Durchlässigkeit des Untergrunds bestimmt werden (Bagarello et al. 2009). Durch Pumpversuche kann in bedingtem Maß ein Rückschluss auf die Anisotropie des Untergrunds gezogen werden (Neumann 1975).
Die hierbei ermittelten Werte basieren jedoch meist auf einer an wenigen Beobachtungs¬punkten erhobenen Datengrundlage. Die Auswertung erfolgt dabei auf Grundlage analytischer Lösungen für stark vereinfachte Modellannahmen. Die Zuverlässigkeit der ermittelten Werte ist deshalb zum einen von der Datengrundlage und zum anderen von der Eignung des Berechnungsansatzes für die jeweils vorliegenden Randbedingungen abhängig. Prognostizierte Grundwasserspiegeländerungen mittels numerischer Modelle, die auf einer geringen Datengrundlage erstellt wurden, korrelieren oftmals nicht mit tatsächlichen Beobachtungen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, geeignete Methoden zu entwickeln, um die Erkundungsergebnisse zu verbessern und dadurch die Prognosefähigkeit deutlich zu steigern.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Durch ein verbessertes Prozessverständnis, jedoch vor allem durch die Verfügbarkeit verbesserter Werkzeuge zur Bestimmung der Anisotropie von Sedimentkörpern, wird eine effizientere Beratung im Vorfeld von Baumaßnahmen an Bundeswasserstraßen ermöglicht. Planung und Dimensionierung von Wasserhaltungsmaßnahmen können effizienter erfolgen. Außerdem kann die Prognose der Auswirkungen von baulichen Maßnahmen an Bundeswasserstraßen auf den angrenzenden Grundwasserleiter verbessert werden.
Als Fortsetzung des Arbeitsblattes Pumpversuche in Porengrundwasserleitern (Herausgeber Min. fuer Ernaehrung, Landwirtschaft und Umwelt Baden-Wuerttemberg) soll ein entsprechendes Arbeitsblatt fuer die o.g. Grundwasserleiter erarbeitet werden. Dazu wertet das Geologische Landesamt alle verfuegbaren Pumpversuche nach den verschiedensten Verfahren aus.
Für die Charakterisierung und Quantifizierung der Konnektivität von hydrostratigraphischen Einheiten in Porengrundwasserleitern ist im Vergleich zur Erfassung und Quantifizierung der räumlichen Verteilung hydraulischer Leitfähigkeiten bisher nur wenig Forschung betrieben worden. Dies trifft nicht nur auf die theoretische Betrachtung der Konnektivität von Aquiferstrukturen verschiedener Größenordnungen zu, sondern insbesondere auch auf deren Erfassung und Quantifizierung durch Feldversuche. Die Unsicherheiten bezüglich der Kontinuität hydrostratigraphischer Einheiten genauso wie die bisher noch größere Unsicherheit bezüglich ihrer Konnektivität, führen immer noch zu teils erheblichen Problemen bei der Betrachtung, Modellierung und Vorhersage des realen, natürlichen Stofftransports insbesondere in heterogenen Grundwasserleitern. Daher glauben wir, dass eine genauere Betrachtung und Erforschung von Konnektivität von wesentlicher Relevanz für die Erfassung der Stofftransporteigenschaften in heterogenen Aquiferen ist. In diesem Zusammenhang basiert unsere initiale Arbeitshypothese auf einer Verbindung zwischen Konnektivität und Signalimpulsen verschiedener Frequenzbereiche von hydraulischen Messungen als auch für Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP). Dabei soll der Zusammenhang zwischen Signalfrequenz und Signalamplitudendämpfung (für SIP zusätzlich Phasenverschiebung) als möglicher Indikator (oder als Maß) für verschiedenartige Konnektivitäten untersucht werden. Ausgangspunkt dieses Projektes ist zunächst die Entwicklung eines oder mehrerer theoretischer Konnektivitätskonzepte. Weiterhin soll das Potential geophysikalischer (SIP) und hydraulischer Messungen (z.B. Direct Push gestützte Cross-Hole oder Slug Interference Tests) sowie eine Kopplung von hydraulischen und geophysikalischen Messungen untersucht werden. Dabei soll vor allem die erwähnte Frequenzabhängigkeit der gemessenen Signale für verschiedene Konnektivitätsszenarien näher betrachtet werden um deren Eignung für die Erfassung der Konnektivität zu prüfen. Dafür werden direkt vergleichbare und simultan durchgeführte Laborversuche und numerische Simulationen der unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien betrachtet. Die Experimente und Simulationen werden dabei mit steigender Komplexität, auf unterschiedlichen Größenordnungen und dementsprechend mit unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien realisiert. Die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sollen dann genutzt werden, das entwickelte theoretische Konzept (bzw. die Konzepte) iterativ anzupassen und zu optimieren. Das Hauptziel des Projektes besteht darin, dass auf der Basis des optimierten theoretischen Konnektivitätskonzepts die Ergebnisse der (simulierten) Labor- und Feldexperimente nutzen zu können, um Konnektivität messen und diese neue Information letztendlich in Strömungs- und Transportmodelle einfließen lassen zu können.
Der Geodatensatz enthält die flächenhafte Verbreitung der hydrogeologischen Einheiten ohne die Überlagerung durch Deckschichten (geringer durchlässige, bindige, überwiegend quartäre und holozäne Lockersedimente). Darüber hinaus wurden auch die Porengrundwasserleiter in den Tälern größerer Flüsse abgedeckt. Die Abdeckung erfolgte in der Regel bis auf die oberste hydrogeologische Festgesteinseinheit. Im Alpenvorland wurden im wesentlichen die holozänen bindigen Deckschichten entfernt, die Glazialsedimente blieben unberücksichtigt. Im Oberrheingraben wurden die Deckschichten bis auf den mächtigen quartären Porengrundwasserleiter entfernt.
Der Geodatensatz beinhaltet darüber hinaus weitere abgeleitete Eigenschaften der hydrogeologischen Einheiten ohne die Überlagerung durch Deckschichten:
- technische Ergiebigkeit (Attribut: ergieb, Unterscheidung zwischen Fest- und Lockergesteinen und langfristiger sowie technischer Ergiebigkeit,
Weitere Angaben unter https://services.lgrb-bw.de/resources/link/hyd/geola_hyd_erg.pdf)
- Klassen der mittleren horizontalen Gebirgsdurchlässigkeit der an der Erdoberfläche verbreiteten hydrogeologischen Einheiten ohne Deckschichten (Attribut: durchl, Weitere Angaben unter https://services.lgrb-bw.de/resources/link/hyd/geola_hyd_durch.pdf)