Estimating Hydraulic Anisotropy in Stratified Aquifers

Abstract

Um Grundwasserströmungsprozesse verstehen zu können, werden detaillierte Informationen über die Heterogenität und Anisotropie der hydraulischen Durchlässigkeit benötigt. In Porengrundwasserleitern resultiert die räumliche Variabilität der hydraulischen Durchlässigkeit von der Schichtung unterschiedlichen Materials und besteht vorwiegend zwischen einzelnen horizontalen Lagen. Großräumig betrachtet induziert die vertikale Heterogenität hydraulische Anisotropie, für welche die horizontale Durchlässigkeit typischerweise größer ist als die vertikale Durchlässigkeit. Trotz der Bedeutung der hydraulischen Anisotropie, wie beispielsweise in der Auslegung hydraulischer Sanierungsmaßnahmen oder bei der Dimensionierung von Wasserhaltungsmaßnahmen in Baugruben oder Bergwerken, existieren bisher nur bedingt Forschungen zur Bestimmung des Unterschieds zwischen horizontaler und vertikaler Durchlässigkeit. Diese Arbeit untersucht das Potential einer Feldmethode um die großräumige hydraulische Anisotropie induziert durch die vertikale Heterogenität in geschichteten Grundwasserleitern zu ermitteln. Der Ansatz basiert auf der Inversion von Absenkungsdaten die von Pumpversuchen in einem teilverfilterten Brunnen stammen, in welchem Grundwasser sequentiell aus verschiedenen Bereichen des Grundwasserleiters entnommen wird, und das hydraulische Antwortsignal in Mehrkanalmessstellen und Messstellenbündeln aufgezeichnet wird, die in verschiedenen Entfernungen und Richtungen zum Pumpbrunnen positioniert sind. Die Grundwasserentnahme aus einem teilverfilterten Brunnen induziert die vertikale Strömungskomponente die benötigt wird, um die hydraulische Anisotropie aufzulösen. Es wurde eine synthetische Studie entwickelt, die den nachfolgenden Feldversuchen gleicht, um die beste Kombination von Modell und Datenerhebung zu bestimmen, bei gleichzeitiger Minimierung der Unsicherheit der ermittelten hydraulischen Anisotropie. Diese Studie zeigt, dass eine Abhängigkeit zwischen der Modellkomplexität und der benötigten Beobachtungsstrategie besteht, welche an die Modellziele ausgerichtet werden sollte. Es wurden Feldversuche in einem fluviatilen Kiesgrundwasserleiter im Oberrheingraben, Deutschland, durchgeführt. In einer Reihe von Pumpversuchen wurde Grundwasser sequentiell aus drei verschiedenen Intervallen eines Pumpbrunnens entnommen und das hydraulische Antwortsignal wurde in verschiedenen Entfernungen und Tiefen zum Pumpbrunnen aufgezeichnet. Es wurde ein homogen-anisotropes Grundwasserströmungsmodell und ein geschichtetes Modell mit mehreren, lokal-anisotropen, horizontalen Schichten verwendet, um die gemessenen Felddaten anzupassen. Verschiedene Messfehler und Modellfehler wurden berücksichtigt indem die Messunsicherheiten während der Modellkalibrierung angepasst wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass Unterschiede in den horizontalen und vertikalen Durchlässigkeiten ermittelt werden können, wenn Daten von Pumpversuchen in einem teilverfilterten Brunnen und mit einem tomographischen Layout invertiert werden. Um die gemessenen Daten besser wiedergeben zu können und die Schätzung der hydraulischen Anisotropie zu verbessern, empfiehlt es sich ein Mehrschichtmodell zu verwenden, welches die wesentliche vertikale Struktur der hydraulischen Durchlässigkeit auflöst.