Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4084
Transport in porösen Medien ist ein komplexes Wissensgebiet. Für genaue Vorhersagen
von Stofftransport im Grundwasser sind physikalische, chemische, biologische
Prozesse und deren Wechselwirkungen zu berücksichtigen. Im Rahmen der vorliegenden
Arbeit soll die physikalisch entscheidende Größe für den Stofftransport im Grundwasser,
die Grundwasserfließgeschwindigkeit, näher untersucht werden.
Die Grundwasserfließgeschwindigkeit bestimmt sowohl die Richtung als auch die
maximale Geschwindigkeit des Stofftransports im Grundwasser. Weiterhin hat die
Heterogenität der Fließgeschwindigkeit im Zuge des Stofftransports einen großen
Einfluss auf die Aufwertung einer Stoffwolke (Boggs et al ., 1992 ; Englert et al ., 2000a;
Leblanc et al., 1991 ; Mackay et al ., 1986 ; Teutsch and Kobus, 1990; Vereecken et al.,
2000) . Die Heterogenität der Grundwasserfließgeschwindigkeit resultiert aus der Heterogenität
der hydraulischen Durchlässigkeit und der räumlichen und zeitlichen Variabilität
des hydraulischen Gradienten im Grundwasserleiter. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit
werden drei verschiedene Methoden verwendet, um die Heterogenität der Grundwasserfließgeschwindigkeit,
genauer der Darcy Geschwindigkeit, in einem Porengrundwasserleiter
abzuschätzen: direkte Messung, numerische Modellierung und stochastische
Abschätzung (Fig. 2). Die verschiedenen Methoden werden auf den Grundwasserleiter
des Testfeldes Krauthausen (Döring, 1997; Englert et al ., 2000a; Vereecken
et al., 2000) angewandt. Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung und Vorhersage der
zeitlichen und räumlichen Variabilität der Grundwasserfließgeschwindigkeit, um somit
das Verständnis für den Stofftransport in porösen heterogenen Medien und dessen
Vorhersage zu verbessern.
A groundwater flow velocimeter (Fig. 1), using the point dilution technique, has
been developed to measure in situ the groundwater flow velocity. The resolution of the
groundwater flow velocimeter in the vertical direction is 25 cm. The in situ dilution
measurement of the tracer uranin is carried out by laser-induced fluorimetry. The calibration
of the groundwater flow velocimeter and subsequent field experiments at Krauthausen
test site showed that the groundwater flow velocity inside a borehole can be measured
with sufficient accuracy. The accuracy in deriving the Darcy velocity from the measurements
inside a borehole is strongly dependent on the accuracy in determining the
α-factor, which corrects for the convergence of streamlines towards the borehole. The
estimation of the α-factor is difficult due to a general lack of knowledge of the state of
the well. Measurements with the groundwater velocimeter showed that, the local Darcy
velocity is strongly space and time dependent.
For the strongly anisotropic structure of the hydraulic conductivity at the Krauthausen
test site, statistics for a three dimensional heterogeneous flow velocity field have
been estimated using stochastic theories and Monte Carlo analysis which is based on
numerical calculations. It is shown that correlograms in the mean flow direction, estimated
by 1st order approximation, are in agreement with the results from the Monte
Carlo analysis. The variances for the Darcy velocity components, estimated by 1st order
approximation, are clearly below the results of the Monte Carlo estimation. Estimation
of the variance, based on 2nd order approximation, showed accordance only for the
longitudinal component of the Darcy velocity, whereas the vertical transversal component
is below and the horizontal transversal component is above the results from Monte
Carlo analysis. The estimated mean Darcy velocity is similar for 1st and 2nd order
approximation as well as for the Monte Carlo analysis.
Estimation of the Darcy velocity statistics, both from numerical modelling and from
stochastic theories, show smaller mean by factor 2, smaller variances by factor 4 and
longer correlation length in the horizontal direction by factor 7 than the directly measured
Darcy velocity using the groundwater flow velocimeter. The high discrepancies in mean,
variance and horizontal autocorrelation length are due to the limited knowledge of the
α-factor and the time variability of the Darcy velocities. A comparison shows that the
relative standard deviation is similar for modelling, 2nd order approximation and direct
measurements with the groundwater flow velocimeter.
Englert, Andreas
Measurement, Estimation and Modelling of Groundwater Flow Velocity at Krauthausen Test Site
XVIII, 89 S., 2003
Motivation
In den letzten Jahrzehnten zeigte sich eine weltweite Verknappung der Grundwasserreserven
mit Trinkwasserqualität. Die Ursachen hierfür sind der steigende Grundwasserverbrauch,
verstärkte Grundwasserverschmutzung und Klimaänderungen, die die Grundwasserneubildung
beeinflussen. Die Verknappung der Grundwasserreserven ist stark regionalisiert
und sehr unterschiedlich in Ausmaß und Ursache. Zur Verknappung der
Grundwasserreserven mit Trinkwasserqualität führt häufig nicht die Abnahme der absoluten
Menge an zu Verfügung stehendem Grundwasser, sondern die Verschlechterung
der Qualität des Grundwassers. Dies ist überwiegend auf anthropogene Verunreinigungen
des Grundwassers zurückzuführen. Hierbei handelt es sich einerseits um
großflächigen Eintrag aus der Landwirtschaft, andererseits um lokale Kontaminationsquellen
umweltschädlicher Substanzen der Industrie oder undichter Deponien. Um das
Risiko einer Grundwasserkontamination abzuschätzen, ist es wichtig, den Grundwasserfluss
und den Transport von Stoffen im Grundwasser zu verstehen und vorhersagen zu
können. Eine genaue Abschätzung der Risiken einer Gundwasserkontamination kann
helfen, die richtigen Strategien und Verfahren für eine Sanierung zu entwickeln.
To enable precise understanding and prediction of transport in porous media, physical,
chemical and biological processes and the interaction between these processes have to be
considered. This is an interdisciplinary problem. In the scope of this work the focus is
on the physically impelling force of the transport, the groundwater flow velocity.
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