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GRUNDWASSERUNTERSUCHUNGEN IN LANSDALE, PENNSYLVANINA Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Kathrin Kukla Maike Sievers.

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1 GRUNDWASSERUNTERSUCHUNGEN IN LANSDALE, PENNSYLVANINA Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Kathrin Kukla Maike Sievers

2 Übersicht Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 2 Anlass der Grundwasseruntersuchungen Geologie Grundwassersystem Single- Well Test Multiple- Well Test Simulation mit Numerischen Modell Ausblick

3 Untersuchungsgebiet Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 3 Untersuchungsgebiet (2,6 km²)

4 Anlass der Grundwasseruntersuchung Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 4 Frühes 20. Jh.: Grundwasser als Trinkwasserversorgung und industrielle Nutzung Seit ca. 1940: vermehrte industrielle Nutzung 1979: Entdeckung von Verunreinigung (org. Verbindungen) in öffentlichen Versorgungsbrunnen U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) setzt kontaminiertes Gebiet auf National Priority List (NPL) 1996: U.S. Geological Survey (USGS) beginnt Studie über Grundwassersystem und Simulation von Grundwasserströmungen mit einem Numerischen Modell

5 Anlass der Grundwasseruntersuchung Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 5 USEPA nutzt Studie zur Vorbereitung von Sanierungsuntersuchungen und Machbarkeitsstudie Untersuchungszeitraum: 1996 – 1999 Messung von: Basisabfluss Wasserständen in Brunnen Chemische und physikalische Eigenschaften von Grundwasserproben Auswirkung eines abgepumpten Brunnens auf Wasserstände umliegender Brunnen

6 Geologie Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 6 Hauptgesteinsarten: Schiefer Schluffstein Sandstein Das Gebiet Landsdale bildet eine Wasserscheide zwischen Towamencin Creek (Südwest) Wissahickon Creek (Südost) Neshaminy Creek (Nord)

7 Grundwassersystem Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 7 Grundwasser im Gestein entsteht durch Infiltration des Niederschlags Porosität, Durchlässigkeit und Speicherkapazität im Grundgestein ist sehr gering Oberflächennah: nicht gespannter Aquifer fließt Richtung Fließgewässer und sinkt in die unteren Schichten Tiefere Schichten: gespannter oder halbgespannter Aquifer fließt Richtung Fließgewässer und Pumpbrunnen Entnahme durch Pumpen erzeugt Absenkungen im oberflächennahen Bereich

8 Single- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 8 3 verschiedene Grundstücke ehemaliger Fabriken Je Grundstück ein Untersuchungsbrunnen Kaliber-Log untersucht Brunnen auf wasserführende Zonen Anschließende Abgrenzung der wasserführenden Zonen durch Verschlussorgane (Packer) Einzelne Zonen des Grundwassers werden abgepumpt um zu prüfen, ob eine Verbindung zwischen oberhalb und unterhalb liegenden Aquiferen besteht

9 Lage der Brunnen Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 9

10 Single- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 10 Well Mg-1444 Zone C Beim Abpumpen wurden in den darüber und darunter liegenden Bereichen keine wesentliche Absenkung beobachtet Zone C ist von den anderen Bereichen hydraulisch abgegrenzt

11 Single- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 11 Zone C

12 Single- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 12 Well Mg-1444 Zone D Beim Abpumpen wurden in dem darüber liegenden Bereich eine Absenkung von ca. 0,6 m gemessen Unterhalb wurde eine geringe Absenkung festgestellt Zone D hat entweder eine Leckage in den Verschlussorganen oder hat außerhalb des Bohrlochs eine hydraulische Verbindung zum unterliegendem Bereich

13 Single- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 13 Zone D

14 Chemische und physikalische Eigenschaften des Grundwassers Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 14 Wassertemperatur in den oberen Bereichen höher, als in den unteren Bereichen In der obersten Zone höhere gelöste Sauerstoffkonzentration, geringer pH-Wert und geringere spezifische Leitfähigkeit als in den unteren Bereichen

15 Multiple- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 15 1 Pumpbrunnen Mehrere Beobachtungsbrunnen Zusammenhang zwischen Transmissivität und Schichtrichtung des Aquifers bestimmen, sowie vertikale und horizontale Transmissivität 3 unterschiedliche Modelle: Isotropic single- aquifer model Anisotropic model Isotropic two- aquifer model

16 Multiple- Well Test Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 16

17 Isotropic single- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 17 Theis Modell Isotropie: Durchlässigkeit in einem Aquifer ist in alle Richtungen gleich groß gespannter Aquifer Modellparameter: Transmissivität (T) Speicherkoeffizient (S) radialer Abstand zum Pumpbrunnen (r) verstrichene Zeit seit Pumpbeginn (t) Nur Berücksichtigung von Aquifern mit hohem Durchlassvermögen und hohem Zufluss zum Pumpbrunnen

18 Isotropic single- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 18 Rogers Mechanical site 6 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Nur ein Beobachtungsbrunnen hat auf Abpumpen reagiert Hydraulische Verbindung besteht zwischen Pumpbrunnen und Beobachtungsbrunnen über gleichen Aquifer

19 Isotropic single- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 19 Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände

20 Isotropic single- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 20 < 420 s instabile Förderrate > 420 s stabile Förderrate Übereinstimmung von Messergebnissen mit der Simulation

21 Anisotropic model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 21 Anisotropie: Durchlässigkeit in einem Aquifer ist nicht in alle Richtungen gleich groß Modellparameter: max. Transmissivität (T max ) min. Transmissivität (T min ) Winkel zwischen Nordrichtung und Richtung von T max ( max ) radialer Abstand zum Pumpbrunnen (r) verstrichene Zeit seit Pumpbeginn (t) Winkel zwischen Verbindungslinie Pump- und Beobachtungsbrunnen und Absenkung Beobachtungsbrunnen ( obs ) Nur Berücksichtigung von Aquifern mit hohem Durchlassvermögen und hohem Zufluss zum Pumpbrunnen

22 Anisotropic model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 22 Keystone Hydraulics site 7 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Absenkung in 6 Beobachtungsbrunnen

23 Anisotropic model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 23 Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände

24 Vergleich Anisotropic- und Isotropic model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 24 AnisotropieIsotropie Anwendung von 4 Beobachtungsbrunnen auf das Modell Vergleich zeigt, dass die Messergebnisse mit der Simulation des anisotropen Modells überwiegend übereinstimmen

25 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 25 Annahme von zwei halb gespannten Aquiferen, die durch einen Aquitard getrennt sind Horizontaler Fluss nur in den Aquiferen, vertikaler Fluss nur in Aquitarden Pumpbrunnen durchdringt nur einen Aquifer Beobachtungsbrunnen durchdringen entweder gepumpten oder nicht gepumpten Aquifer

26 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 26 Modellparameter Gepumpter Aquifer Transmissivität (T 1 ) Speicherkoeffizient (S 1 ) Nicht gepumpter Aquifer Transmissivität (T 2 ) Speicherkoeffizient (S 2 ) Aquitard Mächtigkeit (B) Vertikale hydraulische Leitfähigkeit (K V ) Spezifischer Speicherkoeffizient (S S )

27 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 27 Modell kann Wasserstände in Brunnen abschätzen, wobei die Brunnen über Risse hydraulisch mit dem Pumpbrunnen verbunden sind Modell kann Wasserstände in Brunnen abschätzen, wobei die Brunnen stark durchlässige Risse durchdringen, die durch eine gering durchlässige Schicht vom Aquifer getrennt werden Brunnen, die vollständig in gering durchlässigen Bereichen liegen, können mit diesem Modell nicht simuliert werden

28 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 28 John Evans site 10 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Positive Absenkung in 7 Beobachtungsbrunnen Negative Absenkung in 3 Beobachtungsbrunnen

29 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 29 Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände

30 Isotropic two- aquifer model Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 30 4 Beobachtungsbrunnen, mit den größten gemessenen Absenkungen, können auf das Modell angewendet werden

31 Chemische Messungen Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 31 Während der Test sind pH-Werte, gelöster Sauerstoff, spezifische Leitfähigkeit, flüchtige Kohlenwasserstoffe stabil Mg (Keystone Hydraulics site) PCE- (Tetrachlorethylen), TCE- (Trichlorethylen), cis- 1,2- DCE- (Dichlorethylen) Konzentrationen steigen leicht während des Tests an Vermutlich kontaminiertes Wasser durch Pumpvorgang angezogen Mg (John Evans site) Schwacher Anstieg von PCE-, TCE-, 1,1-DCE-, cis-1,2-DCE- Konzentrationen

32 Numerisches Modell (MODFLOW) Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 32 Basiert auf Darcy Gesetz Stationäre Verhältnisse Berechnung nur regional, nicht lokal möglich Aufbau in 3 Layer Layer 1: oberflächennahes Strömungssystem Layer 2 und 3: tieferliegendes Strömungssystem auf Grundlage geologischer Karten wurden zwei hydrogeologische Gebiete ermittelt Modellkalibrierung (MODFLOWP) anhand von Messungen (1996) und jahreszeitlichen Basisabflussdaten ( )

33 Modellgebiet Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 33 Einteilung des Modellgebiets in hydrogeologische Gebiete Lockatong Formation Brunswick Group

34 Pumpauswirkungen Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 34 Regionale Grundwasserströmungen Simulation von unterschiedlichen Pumpzuständen Kein Pumpen Hohe Pumprate (1994) Mittel bis hohe Pumprate (1997) Ziel: Simulation von Fließwegen bekannter Kontaminationsquellen

35 Kein Pumpen Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 35 Darstellung natürlicher Fließzustände Darstellung eines Basiszustandes mit dem andere Pumpzustände verglichen werden können Wiedergabe eines maximalen Abflusses, der durch eine reduzierte Pumprate erreicht werden kann

36 Hohe Pumprate (1994) Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 36 Erhöhte Pumprate, da weniger Grundwasser genutzt wird Mehr Oberflächenwasser vorhanden Abnahme des industriellen Wasserverbrauchs Grundwasser ist verunreinigt Filtration von Oberflächenwasser ist ökonomischer als Grundwasser zu behandeln Abpumpen von Brunnen in der Nähe von bekannten Kontaminationsquellen Reduzierung der Ausbreitung der Kontamination Schutz von umliegenden Brunnen Simulation zeigt starke Auswirkung auf Wasserbilanz und Fließwege

37 Vergleich keine und hohe Pumprate Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 37 Hohe Pumprate (1994)Kein Pumpen

38 Mittel bis hohe Pumprate (1997) Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 38 Ausfall von vier Brunnen durch defekten Brunnen Stilllegung einer Produktionsstätte Verändertes Fließverhalten des Grundwassers zu intakten Brunnen

39 Zusammenhang zwischen simulierter GW-Strömung und GW-Kontamination Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 39 Transportrate der Kontamination kann geringer sein als die des Grundwassers, durch Abbaureaktionen Adsorption an der Oberfläche innerhalb des Aquifers Verzögerung der Migration durch Diffusion der Kontamination von Schichten hoher Durchlässigkeit zu Schichten geringer Durchlässigkeit Kontamination mit einem Dichteunterschied zum Wasser können sich auch gegen die Schwerkraft bewegen

40 Ausblick Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania 40 Anhand der Messdaten und simulierten Grundwasserströmungen können weitere Planungen hinsichtlich der Machbarkeitsstudie für die Sanierung des Grundwassers durchgeführt werden

41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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