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Geophysik & Monitoring

Untersuchung der verfälschenden Wirkung vertikaler Konvektion in Grundwasserpegeln auf insitu- Messungen oder entnommene Grundwasserproben

Zusammenfassung

Das Monitoring von Natural Attenuation (MNA) erfordert eine langzeitlich repräsentative, vom Messvorgang unbeeinflusste Grundwasser (GW)-Beprobung und Insitu-Messung mit hoher Sensitivität gegenüber geochemischen Veränderungen und Trendindikatoren.

 

Zur Verfügung stehen Sondermessstellen, die jedoch mit hohen Kosten und Wartungsproblemen verbunden sind, nicht Bestandteil der Messnetze sind und zumeist nur einen eingeschränkten Teufenbereich mit geringer Probenmengen erfassen. Konventionelle Grundwassermessstellen (GWM) unterliegen nicht den oben genannten Beschränkungen, in ihnen tritt jedoch vertikale Konvektion auch bei regelgerechtem Ausbau auf und sie sind deshalb nicht restriktionsfrei für MNA nutzbar.

 

Die Zielstellung bestand daher in der Untersuchung und Quantifizierung der in GWM nachgewiesenermaßen auftretenden vertikalen Konvektionen bezüglich ihrer messwertverfälschenden Wirkungen bei der Probennahme.

 

Die Untersuchung der Prozessabläufe und ihrer Relevanz erfolgte mit theoretischen Abschätzungen, numerischen Multiphysik-Simulationen und systematischen Experimenten an einer im Technikumsmaßstab nachgebildeten GWM.

 

In einer Vielzahl von realen GWM, u.a. auch auf KORA-Testsites, wurden mit adaptierten bohrlochgeophysikalischen Verfahren freie Konvektionsströmungen und ihre Wirkung auf den Stofftransport (z.B. DO) nachgewiesen. Entstehung und Merkmale dichtegetriebener freier Konvektion in GWM wurden aufgeklärt. Es zeigte sich, dass in GWM z.T. erhebliche Vertikalgradienten in Temperatur und Salinität auftreten, die sich überlagern können und viele spezifische Phänomene der freien Konvektion und Doppeldiffusion bereits in 2“-GWM auslösen können.

Der vertikale Transport von über die Luft-Wasser-Grenzfläche eingetragenem Sauerstoff durch freie Konvektion ist im Vergleich zur Diffusion ein sehr leistungsfähiger Prozess, wie durch Simulationsrechnungen und Technikumsexperimente nachgewiesen wurde.

 

Als Grundlage für die Beurteilung einer GWM hinsichtlich der in ihr ablaufenden probenverfälschenden Vertikalströmungen wurde ein Datenbearbeitungsalgorithmus für geophysikalische Logs entwickelt, der es ermöglicht, die Wassersäule in Abschnitte mit freier, erzwungener oder ohne Konvektion zu differenzieren.

 

Als Lösungsmöglichkeit wurde die Idee eines verfälschungsfreien Probennahmesystems nach dem Permanent-Packer-Shuttle-Prinzip entwickelt (Patent erteilt). Das System ist sowohl für neu zu errichtende als auch für die Nachrüstung bestehender GWM geeignet. Es wurden weiterhin Vorschläge für den modifizierten Messstellenbau und den Prüfablauf mit Bohrlochmessungen erarbeitet.

Veröffentlichungen

Berthold, S., 2010: Synthetic Convection Log - Characterization of vertical transport processes in fluid-filled boreholes. Journal of Applied Geophysics, 72, S. 20-27, doi:10.1016/j.jappgeo.2010.06.007.

Berthold, S. 2009: Geophysikalischer Nachweis freier Konvektion in Grundwassermessstellen und Bohrungen. Proceedings of the Dresdner Grundwasserforschungszentrums e.V., Issue 39 (ISSN 1430-0176), Dresden, Germany. 254 p.

Börner F., Berthold S. 2009: Vertical flows in groundwater monitoring wells. In: Kirsch, R. (ed.), Groundwater Geophysics – A Tool for Hydrogeology, 2. ed. (ISBN 978-3-540-88404-0), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, doi:10.1007/978-3-540-88405-7, S. 367-389.

Berthold, S., Börner, F. 2008: Detection of free vertical convection and double-diffusion in groundwater monitoring wells with geophysical borehole measurements. Environmental Geology 54(7), S. 1547-1566. doi:10.1007/s00254-007-0936-y.

Förderung

Die zugrundeliegenden FuE-Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Fkz. 0330525 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Projektgruppenleiterin

Dr. rer. nat. Susann Berthold
E-Mail: sberthold@dgfz.de
Tel.: 0351/4050-673

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