Uni-Bayreuth

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Vergleich verschiedener Methoden zur Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit

Katharina Storz1, Valentin Wagner1, Hagen Steger1, Philipp Blum1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Karlsruher Institut für Technologie

P 15.6 in Forum Junge Hydrogeologen (H 36, NW III)

Die genaue Kenntnis der hydraulischen Leitfähigkeit (kf-Wert) ist Voraussetzung zur Untersuchung von Grundwasserströmungen und Grundlage für numerische Strömungsmodellierungen. Zur Ermittlung des kf-Wertes existieren daher zahlreiche Labor- und Feldmethoden. Die Ergebnisse dieser Methoden können zu deutlich unterschiedlichen kf-Werten führen. Um die Variabilität zwischen unterschiedlichen Bestimmungsverfahren zu quantifizieren, wurden vier Methoden mithilfe eines künstlichen Aquifers im Labor verglichen. Dieser künstliche Aquifer ist Teil eines Tankexperiments (Abbildung 1). Der Versuchsaufbau besteht aus einem Tank, in dem zwei Schichten Quarzsand (Dorsilit) mit einer dazwischen liegenden Tonschicht eingebaut sind. Das hydraulische Potential des Aquifers kann nach Belieben eingestellt werden, um einen definierten Durchfluss durch den Tank zu ermöglichen.

Ziel dieser Arbeit ist ein Vergleich folgender vier Methoden zur Bestimmung des kf-Wertes: (1) Siebkurvenanalysen, (2) Permeameterversuche, (3) Berechnung mithilfe der Porosität und (4) Durchflussversuche. Dabei werden die aus diesen Methoden resultierenden Abweichungen und Messunsicherheiten quantifiziert. Zum einen erfolgt die kf-Wert Bestimmung des Aquifers nach den in Matthes et al. (2012) durchgeführten Methoden zur Korngrößenanalyse (z. B. Hazen, 1893). Des Weiteren wird ein Permeameterversuch nach DIN 18130-1 durchgeführt. Die dritte Bestimmungsmethode nach Kozeny-Carman basiert auf der im Labor bestimmten Porosität. Eine vierte kf-Wert Bestimmung erfolgt anhand von Durchflussmessungen an diesem künstlichen Aquifer über einen Zeitraum von zwei Monaten.

Die ermittelte Spannbreite aller kf-Werte wird als Grundlage zur Kalibrierung eines dreidimensionalen numerischen Strömungs- und Transportmodells des Tankversuches verwendet. Im Zuge der Kalibrierung wird die hydraulische Durchlässigkeit des Aquifers variiert, um eine möglichst präzise Übereinstimmung zwischen simuliertem und gemessenem Durchfluss zu erreichen. Das Ergebnis der Kalibrierung mit einer Durchlässigkeit von 4,72 ´ 10-4 m/s liegt annähernd im Median aller Messergebnisse. Die Abweichungen der bestimmten kf-Werte vom Minimum betragen im Mittel 71%.

 

Im Vergleich dazu beschreiben Matthes et al. (2012) einen Ringversuch, bei dem Siebkurvenanalysen von sieben Bodenproben von verschiedenen Laboren mittels sechs verschiedener Auswerteverfahren analysiert wurden. Die Spannbreite der resultierenden kf-Werte liegt bei bis zu  350%. Wie zu erwarten zeigt diese Studie, dass die unterschiedlichen Methoden mit ihren unterschiedlichen Annahmen zu stark variierenden kf-Werten führen. Des Weiteren zeigt der Vergleich zu Matthes et al. (2012), dass der experimentelle Ablauf, der zwischen Laboren variiert, einen größeren Einfluss auf die resultierenden Werte nehmen kann, als der Einfluss, den variierende Methoden auf die Ergebnisse hat. Demnach sollte bei der kf-Wert Bestimmung auf einen einheitlichen Ablauf der Versuchsdurchführung geachtet werden.

Abbildung 1: Versuchsaufbau des Tankexperiments an dem verschiedene Durchflussversuche durch-geführt wurden. Die untere und obere Schicht besteht aus Quarzsand, dazwischen liegt eine Ton-schicht. In diesem künstlichen Aquifer befinden sich zwei Bohrlöcher für den Einbau von Erdwärme-sonden, sowie drei Linienheizquellen und Temperatursensoren.
Abbildung 1: Versuchsaufbau des Tankexperiments an dem verschiedene Durchflussversuche durch-geführt wurden. Die untere und obere Schicht besteht aus Quarzsand, dazwischen liegt eine Ton-schicht. In diesem künstlichen Aquifer befinden sich zwei Bohrlöcher für den Einbau von Erdwärme-sonden, sowie drei Linienheizquellen und Temperatursensoren.



Hazen, A.: Some physical properties of sand and gravels, with special reference to their use in filtration. Annual report Massachusetts State Board of Health, S. 541-556 (1893)

Matthes, K., Nusche, H., Dietrich, P. & Vienken, T.: Auswirkungen von Messunsicherheiten bei der Korngrößenanalyse auf die Berechnung des Durchlässigkeitsbeiwertes. Grundwasser, 17, S. 105-111 (2012).

Storz, K.: Technikums Versuch zu Wärmetransport und Qualitätssicherung von Erdwärmesonden. Master Thesis (unveröffentlicht). Karlsruher Institut für Technologie; (2013)

Letzte Änderung 31.10.2013