Uni-Bayreuth

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Die Gefrierkernmethode – ein Erkundungsverfahren zur hydraulischen Charakterisierung von Sohlsedimenten

Daniel Straßer1, Hermann-Josef Lensing1, Nico Goldscheider2, Simon Frank, Dominik Richter
1 Referat Grundwasser, Bundesanstalt für Wasserbau
2 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Karlsruher Institut für Technologie

P 6.20 in Groundwater, soil and surface water interactions

Die Prognose von Veränderungen der Grundwasserverhältnisse ist bei Ausbau-, Unterhalts- und Renaturierungsmaßnahmen an Wasserstraßen und anderen Gewässern ein wichtiger Aspekt und elementarer Bestandteil von Umweltverträglichkeitsuntersuchungen. Der Gewässersohle kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da die hydraulischen Eigenschaften der Sohlsedimente den Wasser- und Stoffaustausch zwischen Oberflächengewässer und Grundwasser maßgeblich beeinflussen. Deshalb gilt es, die Beschaffenheit der Gewässersohle möglichst genau zu erkunden.  Die Gefrierkernmethode ermöglicht eine ungestörte Probenahme von gefügeintakten Sedimenten und somit die Untersuchung der Porenraumstruktur an der Grenzfläche zwischen Grund- und Oberflächenwasser. Mit entsprechender Gerätetechnik können Sohlsedimente bis zu einer Tiefe von 1,5 m entnommen werden, womit ein großer Teil des hydraulisch wirksamen Kolmationsbereichs erfasst werden kann.

Im Rahmen eines Projektes der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) zur Analyse der Austauschprozesse zwischen Oberflächengewässern und dem angeschnittenen Grundwasserleiter wurden in drei Probenahmekampagnen insgesamt 50 Gefrierkerne aus dem Sacrow-Paretzer Kanal bei Potsdam entnommen. Hierbei stand die Untersuchung der räumlichen Variabilität der hydraulischen Durchlässigkeit (vertikal und horizontal) der entnommenen Sedimentproben im Fokus der Betrachtungen. Bei Untersuchungen zur Anisotropie der Durchlässigkeitseigenschaften wurden aus den Gefrierkernen tiefen- sowie richtungsorientiert Sonderproben mittels Stechzylindern entnommen. An diesen wurde im Labor die hydraulische Leitfähigkeit durch Permeameterversuche ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit aus der Kornverteilung bestimmten Durchlässigkeitsbeiwerten derselben Sedimente verglichen. Hierbei ergab sich bei den vertikal orientierten Stechzylinderproben eine um bis zu drei Größenordnungen geringere hydraulische Durchlässigkeit als bei den aus der Kornverteilung ermittelten Werten. Diese Diskrepanz kann teilweise durch die Anisotropie erklärt werden, deutet aber auch auf die Anwesenheit von hydraulischen Widerständen, beispielsweise  abdichtenden Biofilmen, hin. Auf Grundlage der vertikal und horizontal orientiert entnommenen Stechzylinderproben konnte die Anisotropie für unterschiedliche Tiefenhorizonte ermittelt werden. Hierbei wurde ein Anisotropie-Faktor bis zu 20 festgestellt.

Im Vergleich zu anderen Untersuchungsmethoden bietet das Gefrierkernverfahren die Möglichkeit, direkte und detailliert aufgelöste Informationen über die hydraulischen Leitfähigkeiten zu erhalten. Darüber hinaus bietet diese Methode das Potential, geochemische und mikrobiologische Prozesse in der Gewässersohle bzw. Kolmationsschicht an ungestörten Proben zu studieren. 

 

aus der Sohle des Sacrow-Paretzer Kanals entnommener Gefrierkern
aus der Sohle des Sacrow-Paretzer Kanals entnommener Gefrierkern

last modified 2013-11-01