Spektrale Induzierte Polarisation zur Untersuchung von Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen

Philipp Höhn1, Flores-Orozco Adrian2, Hofmann Thilo1
1 Department für Umweltgeowissenschaften, Universität Wien
2 Department für Geodäsie und Geoinformation, Technische Universität Wien

P 9.8 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen sind wichtige Prozesse im Hinblick auf die Bereitstellung von Trinkwasser in einwandfreier Beschaffenheit und ausreichender Quantität sowie die Erhaltung des aquatischen Habitats (BRUNNER et al., 2017). Kenntnisse der Geometrie und Durchlässigkeit der Kolmation eines Gewässerbetts sind notwendig bezüglich der Parametrisierung numerischer Cauchy-Randbedingungen zur Beschreibung von Grundwasser-Oberflächenwasser-Austauschraten. Insbesondere bei Flussbetten ist dahingehend die starke räumliche Heterogenität der hydraulischen Leitfähigkeit problematisch (NAGANNA et al., 2017) und lässt sich mit Punktmessungen im Regelfall nicht repräsentativ erfassen. Inverse numerische Methoden sind mit relativ hohen Unsicherheiten verbunden und die faseroptische Temperaturmessung (FO-DTS) ist nur bei effluenten Verhältnissen sensitiv (GONZÁLEZ-PINZÓN et al., 2015).

Bildgebende, hochaufgelöste Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) könnte eine Möglichkeit sein, räumlich heterogene Infiltrationsraten zu erfassen. Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Nutzbarkeit dieses Verfahrens zur räumlichen Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeit und Mächtigkeit des kolmatierten Flussbetts, sowie der Bathymetrie als Parameter einer Cauchy-Randbedingung. Dazu wurden SIP-Messungen entlang ausgewählter Abschnitte eines ganzjährig infiltrierenden Flusses über einen breiten Frequenzbereich (0,063-225 Hz) durchgeführt. Hierzu wurde eine mit der Messeinheit auf einem Schlauchboot verbundene, vollständig unter Wasser liegende 32-Elektroden-Anordnung (1 m Abstand) verwendet. Begleitend wurden 32 instationäre Auffüllversuche im Flussbett in nach unten offenen Rohren (4,2 cm Innendurchmesser) durchgeführt, um die vertikale hydraulische Leitfähigkeit des Flussbetts (kv) punktuell zu bestimmen. Die invertierte Verteilung des Realteils der elektrischen Leitfähigkeit (σ’) erlaubte die Bestimmung des Flusswasserstands. Im Vergleich zeigte der Imaginärteil (σ’’) deutlich größere Variabilität, welche mit einer hohen kv-Variabilität von 3∙10-2 bis 5∙10-7 m s-1 einhergeht. Die stärkste Polarisation zeigt sich bei 75 Hz und legt damit Feinkorn als polarisationsverstärkende Längenskala nahe. Die Beziehung zwischen σ’’ and kv zeigt sich, analog zu Laborversuchen (z.B. REVIL & FLORSCH, 2010), als umgekehrt linear aber bei schwacher Korrelation. Als mögliche störende Einflüsse sind dabei (i) die Unterschiede im Beprobungsvolumen und (ii) mögliche Störung der Sedimentlagerung bei der Rohrinstallation zu nennen. Dennoch lässt die σ’’-Verteilung die Existenz einer oberflächennahen, stark polarisierbaren Schicht, wie von einer Kolmationsschicht zu erwarten, vermuten und abgrenzen.

Die Ergebnisse verdeutlichen das Potential, aber auch den nötigen Forschungsbedarf auf der Feldskala, zur Nutzung von SIP-Messungen bei der Ableitung der Parameter im Sinne einer Cauchy-Randbedingung.



BRUNNER, P., THERRIEN, R., RENARD, P., SIMMONS, C. T., & HENDRICKS FRANSSEN, H.-J. (2017). Advances in understanding river - groundwater interactions. Reviews of Geophysics, 1–37.

GONZÁLEZ-PINZÓN, R., WARD, A. S., HATCH, C. E., WLOSTOWSKI, A. N., SINGHA, K., GOOSEFF, M. N., … BROCK, J. T. (2015). A field comparison of multiple techniques to quantify groundwater–surface-water interactions. Freshwater Science, 34(1), 139–160.

GANNA, S. R., DEKA, P. C., CH, S., & HANSEN, W. F. (2017). Factors influencing streambed hydraulic conductivity and their implications on stream–aquifer interaction: a conceptual review. Environmental Science and Pollution Research.

REVIL, A., & FLORSCH, N. (2010). Determination of permeability from spectral induced polarization in granular media. Geophysical Journal International, 181(3), 1480–1498.