Physics of groundwater flow and its application to the migration of dissolved contaminants.
[Darlegung und Anwendung der Dynamik von Grundwasserfließsystemen auf die Migration von gelösten Schadstoffen im Grundwasser].
K.U. Weyer Ph.D., P.Geol., P.HG.
WDA Consultants Inc., 4827 Vienna Drive NW, Calgary, Alberta, Canada
© 1996 K. U. Weyer
Introduction
Der Fließvorgang des Grundwassers ist der hauptsächliche Antrieb für die Ausbreitung von gelösten Schadstoffen im
Untergrund. Traditionellerweise wurde das Fließverhalten des Grundwassers durch die Gleichungssysteme der
Kontinuitätsmechanik energetisch beschrieben. Trotz deren oft erwiesener Nützlichkeit entsprechen die Kraftfelder
der Kontinuitätsmechanik (Energy/Volumen) nicht den tatsächlichen physikalischen Vorgängen. Hubberts (1940) Theorie
der Kräftepotentiale (Energie/Masse) stellt jedoch die grundwasserdynamischen Zusammenhänge physikalisch folgerichtig
dar.
In den 60er Jahren wurde aus Hubberts Potentialtheorie die Theorie der Grundwasserfließsysteme entwickelt, und zwar
aus Geländeuntersuchungen und aus Untersuchungen an mathmatischen Modellen. In den Grundwasserfließsystemen verlaufen
die Fließlinien gekrümmt von den höher gelegenen Recharge-Gebieten zu den tiefer gelegenen Discharge-Gebieten und
können dabei grobe Tiefen erreichen. Ein Teil der Fließlinien verläuft gegen die bestehenden Druckgradienten. Die
Existenz und Ausbildung der Grundwasserfließsysteme kontrolliert und bestimmt die Ausbreitung von Schadstoff-Fahnen
im Untergrund.
In dem vorliegenden Bericht werden die physikalischen Grundlagen der Hubbertschen Kraft-Potential-Theorie dargestellt
und deren Konsequenzen für das Fließen von Grundwasser. Die Ergebnisse von Geländeuntersuchungen und von
mathematischen Modellrechnungen führte zur Formulierung der Grundwasserfließsysteme. Eine Anzahl europäischer
Beispiele dokumentieren, wie die Existenz grobräumiger Fließsysteme im Gelände gemessen werden kann. Die Ausdehnung
von Grundwasserfließsystemen kann sich von weniger als einem Meter bis zu mehreren hundert Kilometern erstrecken.
Ein Grundwasserfließsystem in einem physikalischen Sandmodell von 0.5 m Länge verdeutlicht durch gefärbtes Wasser die
Grundwasserfliebvorgänge und die daran gekoppelten Transportvorgänge von Schadstoff. Das physikalische Fließmodell
wurde mit gutem Erfolg in einem mathematichen Modell simuliert.
Die Anwendung neu entwickelter Untersuchungsmethoden führte an den beiden bekannten Deponien Bielefeld-Brake und
Münchehagen zu neuartigen Ergebnissen. An der Deponie Brake zum Beispiel fließt das Grundwasser an der Deponie fast
senkrecht nach unten durch den Lias-Ton und nicht lateral entlang der Grundwasseroberfläche, wie für die Sanierung
angenommen wurde. An der Deponie Münchehagen verursacht die regionale Grundwasserdynamik ein Aufwärtsfließen von
Salzwasser. Dadurch wird dort die Ausbreitung von Schadstoff-Fahnen in gröbere Tiefe verhindert. Die Vorgänge an den
beiden Deponien wurden stellvertretend für alle Formen von Verschmutzungen des Grundwassers, wie z.B. Altlasten und
neue Verschmutzungsherde beschrieben.
Das Fundament grundwasserdynamischer Untersuchungen ist die Installation von geeigneten Piezometern. Solche
Piezometerkonstruktionen werden deswegen detaillert beschrieben. Grundewasserdynamische Untersuchungen helfen deutlich
Kosten zu sparen, bei hydrochemischen Untersuchungen sowie bei Sanierungen von Schadstoffherden und -fahnen.
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