Grundwasserhydraulik und -hydrologie: Eine Einführung

262 Pages·2002·3.84 MB·German

by  Professor Dr. Rolf Mull

R. Mull H. Holländer
Grundwasserhydraulik und -hydrologie
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Rolf Mull
Hartmut Holländer
Grundwasser-
k
hydrauli
und -hydrologie
Eine Einführung
Mit 157 Abbildungen und 20 Tabellen
(cid:2)(cid:3)(cid:4)
PROFESSOR DR. ROLF MULL
DIPL.-ING. HARTMUT HOLLÄNDER
Universität Hannover
Institut für Wasserwirtschaft,
Hydrologie und landw. Wasserbau
Appelstrasse 9a
30167 Hannover
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ISBN 978-3-540-43942-4
Die Deutsche Bibliothek – CIP Einheitsaufnahme
Mull, Rolf: Grundwasserhydraulik und -hydrologie : eine Einführung / Rolf Mull ; Hartmut
Holländer. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Hongkong ; London; Mailand ; Paris ; Tokio :
Springer, 2002
ISBN 978-3-540-43942-4 ISBN 978-3-642-56085-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56085-9
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Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren
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Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN 10884600 30/3130/as 5 4 3 2 1 0
Vorwort
Weltweit steigt der Wasserbedarf exponentiell an. Zur Deckung des Wasserbe-
darfs in Landwirtschaft, Industrie und Haushalte wird in zunehmendem Maße auf
Grundwasser zurückgegriffen. Libyen holt z.B. Grundwasser aus der Sahara in die
Städte am Mittelmeer. Indien muss immer mehr Grundwasser für die Bewässe-
rung nutzen. In Deutschland kommen ca. 75% des Trinkwassers aus dem Unter-
grund.
Mit der vorteilhaften Nutzung des Grundwassers sind aber auch Nachteile verbun-
den. Entnahmen von Grundwasser führen zur Absenkung des Grundwasserstan-
des. Damit werden u.a. Feuchtgebiete zerstört; Brunnen können trockenfallen;
Salzwasser dringt in Küstenregionen in Grundwasserleiter ein. Bauten werden in
solchen Gebieten zerstört, in denen Landsetzungen als Folge sinkender Grundwas-
serstände stattfinden.
Für viele Nutzungsarten wird auch eine gute Wasserqualität gefordert. Dünge- und
Pflanzenschutzmittel, Stoffe aus der Industrieproduktion, aus Abfalldeponien und
versickerndes Abwasser tragen jedoch weltweit zur Verschlechterung der Grund-
wasserqualität bei. Insbesondere die Nutzung des unterirdischen Wassers als
Trinkwasser wird durch die genannten Einflüsse immer mehr zu einem Gesund-
heitsrisiko für die Menschen.
Viele Fachdisziplinen sind daher aufgerufen, das Grundwasser nach Menge und
Güte nachhaltig zu bewirtschaften. Eine solche Kooperation setzt u.a. Grund-
kenntnisse der Prozesse voraus, welche Grundwasserstände, -strömungen und
-qualität beeinflussen. In diese Materie führt das vorliegende Buch ein. Mit der
beigefügten CD werden multimediale Komponenten genutzt, den Zugang zu der
Materie zu erleichtern.
Die Autoren danken dem Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und
Kunst für eine Anschubfinanzierung der multimedialen Aufbereitung des Stoffes,
Herrn Dr. Fischer vom Bundesamt für Bauwesen für die Überlassung von Film-
material. Herrn Dipl.-Ing. Riemeier, Herrn M.Sc. Garcia und Frau Arndt schulden
die Autoren Dank für die Mitarbeit bei der Herstellung des Manuskriptes.
Hannover im Juli 2002
Rolf Mull und Hartmut Holländer
VI Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Bedeutung des Grundwassers......................................................................1
2 Strukturen der Grundwassersysteme.........................................................4
2.1 Vertikaler Aufbau...................................................................................4
2.2 Grundwasserleitertypen..........................................................................5
2.2.1 Lockergesteinsgrundwasserleiter......................................................5
2.2.2 Kluftgrundwasserleiter......................................................................6
2.2.3 Karstgrundwasserleiter.....................................................................7
2.3 Wasserbewegung in Grundwassersystemen...........................................8
3 Beschreibung der Grundwasserströmung................................................14
3.1 Stationäre Strömung, Erhaltung der Energie........................................14
3.1.1 Hagen - Poiseuille - Gesetz.............................................................14
3.1.2 Darcy - Gesetz................................................................................18
3.1.3 Standrohrspiegelhöhe und Gefälle..................................................19
3.1.4 Gespanntes und freies Grundwasser...............................................21
3.1.5 Geschwindigkeiten des Grundwassers............................................22
3.2 Instationäre Strömung, Erhaltung der Masse........................................25
3.2.1 Allgemeine Kontinuitätsgleichung.................................................25
3.2.2 Allgemeines Fließgesetz.................................................................27
3.2.3 Allgemeines Fließgesetz für die zweidimensionale horizontale
Strömung........................................................................................29
4 Systemeigenschaften...................................................................................30
4.1 Flüssigkeitseigenschaften.....................................................................30
4.1.1 Dichte..............................................................................................30
4.1.2 Zähigkeit.........................................................................................30
4.1.3 Kompressibilität..............................................................................31
4.1.4 Oberflächenspannung.....................................................................32
4.2 Gesteinseigenschaften..........................................................................34
4.2.1 Durchlässigkeit...............................................................................34
VII
4.2.2 Speichernutzbarer Hohlraumanteil..................................................37
4.3 Eigenschaften der Grundwasserleiter...................................................39
5 Zuströmung zu einem Brunnen.................................................................41
5.1 Prinzipieller Aufbau eines Vertikalbrunnens........................................41
5.2 Stationäre Zuströmung zum vollkommenen Brunnen..........................44
5.2.1 Absenkung bei Grundwasserentnahmen aus mehreren Brunnen....47
5.2.2 Potenzialtheoretische Behandlung der Grundwasserströmung.......48
5.2.3 Brunnen in einer Parallelströmung.................................................52
5.2.4 Einzugsgebiet mit Grundwasserneubildung bei radialer
Zuströmung.....................................................................................55
5.3 Instationäre Zuströmung zum vollkommenen Brunnen.......................58
5.3.1 Ausbreitung der Grundwasserabsenkung als Funktion der Zeit......62
5.3.2 Parameteridentifikation...................................................................63
5.3.2.1 Pumpversuch bei stationären Verhältnissen..............................65
5.3.2.2 Typendeckungsverfahren nach THEIS......................................65
5.3.2.3 Verfahren nach JACOB.............................................................67
5.3.2.4 Ermittlung der Transmissivität und des Speicher-
koeffizienten aus dem Wiederanstieg........................................68
6 Spezielle Strömungsprobleme....................................................................70
6.1 Wasseraustausch zwischen Oberflächengewässern und
Grundwasserleitern...............................................................................70
6.1.1 Fließgewässer..................................................................................70
6.1.2 Stillgewässer...................................................................................74
6.2 Selbstdichtung und Einflüsse auf die Wasserbewegung.......................76
6.3 Entwässerung durch Gräben und Dräne...............................................78
6.4 Infiltration aus Gräben und Flüssen......................................................80
6.5 Grundwasserabsenkung an Baugruben und Tagebauen........................81
7 Ungesättigte Bodenzone..............................................................................85
7.1 Strömung im ungesättigten porösen Medium.......................................85
7.2 Kapillarität............................................................................................88
7.3 Instationäre Wasserbewegung in der ungesättigten Zone.....................92
7.4 Kapillarer Aufstieg und Aufstiegsrate................................................101
7.5 Effektive Wurzelzone.........................................................................103
7.6 Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Grundwasser......................105
8 Grundwasserhaushalt...............................................................................107
8.1 Haushaltskomponenten.......................................................................107
VIII Inhaltsverzeichnis
8.2 Grundwasserneubildung.....................................................................108
8.3 Grundwasserganglinien und Speicherinhalt.......................................115
8.4 Abfluss zu Entnahmegebieten............................................................119
8.4.1 Abfluss zu Brunnen, Quellen und Oberflächengewässern............119
8.4.2 Abfluss zu Feuchtgebieten............................................................120
8.5 Künstliche Anreicherung....................................................................120
9 Schutzzonenkonzept.................................................................................122
9.1 Zielsetzung von Trinkwasserschutzgebieten......................................122
9.2 Bezeichnung der Schutzzonen und deren Aufgaben..........................122
9.3 Ermittlung der Schutzzonen unter geohydrologischen
Gesichtspunkten.................................................................................125
9.3.1 Fassungsbereich............................................................................125
9.3.2 Schutzzone II................................................................................125
9.4 Kritische Anmerkungen......................................................................128
10 Entwässerung von Deponieoberflächen..................................................129
10.1 Berechnungsgrundlagen.....................................................................129
10.2 Diskussion der Bemessungsgrößen....................................................132
10.2.1 Sickerrate......................................................................................132
10.2.2 Durchlässigkeit.............................................................................133
10.2.3 Gefälle..........................................................................................133
11 Grundwasserentnahmen und Sekundäreffekte......................................134
11.1 Grundwasserstand und Feuchtgebiete................................................134
11.1.1 Gefahren, die von einer Übernutzung des Grundwassers
ausgehen.......................................................................................134
11.1.2 Grundwasserabhängige Feuchtgebiete..........................................134
11.2 Grundwasserabsenkungen und Bodensenkungen...............................135
11.3 Grundwasserentnahmen und Salzwasserintrusion..............................137
12 Mehrphasenströmungen...........................................................................144
12.1 Bewegung von drei mobilen Phasen im Hohlraum............................144
12.2 Ausbreitung von Flüssigkeiten im Grundwasser mit größerer
Dichte als Wasser...............................................................................147
12.3 Ausbreitung von Flüssigkeiten mit geringerer Dichte
als Wasser...........................................................................................149
12.4 Anmerkungen zum Abpumpen solcher Flüssigkeiten
als Phase.............................................................................................150
IX
13 Transport von im Wasser gelösten Stoffen.............................................152
13.1 Diffusion.............................................................................................152
13.2 Dispersion...........................................................................................155
13.2.1 Längsdispersion............................................................................155
13.2.2 Querdispersion..............................................................................159
13.2.3 Analytische Berechnung von Stoffausbreitungen unter
Berücksichtigung der Dispersion..................................................160
13.3 Adsorption und Retardation................................................................164
13.4 Zerfall von Stoffen.............................................................................168
14 Verschiedene Stoffe im unterirdischen Wasser......................................170
14.1 Nitrat...................................................................................................170
14.1.1 Stickstoffeinträge von ackerbaulich genutzten Flächen................171
14.1.2 Nitrataustrag in Oberflächengewässer..........................................172
14.2 Pflanzenschutzmittel (PSM)...............................................................178
14.3 Chlorierte Kohlenwasserstoffe...........................................................183
15 Wärmetransport.......................................................................................189
15.1 Die Temperaturverteilung im Untergrund..........................................190
15.2 Temperaturanomalien.........................................................................191
15.3 Transportvorgänge..............................................................................192
15.4 Abkühllänge.......................................................................................197
16 Grundzüge der Grundwasserüberwachung...........................................199
16.1 Standrohrspiegelhöhen (Grundwasserstände).....................................199
16.1.1 Flurabstände..................................................................................201
16.1.2 Grundwasserganglinien.................................................................201
16.1.3 Grundwassergleichen....................................................................202
16.2 Grundwassergüte................................................................................204
17 Aspekte der Grundwasserbewirtschaftung............................................207
17.1 Grundwassermenge............................................................................208
17.2 Grundwassergüte................................................................................210
17.3 Ökonomische und soziale Aspekte.....................................................212
Literatur ......................................................................................................213
Glossar ......................................................................................................217
Sachverzeichnis..................................................................................................237
X Abkürzungen
Abkürzungen
A : Fläche [m2]
A : Fläche des Einzuggebiets [m2]
e
A : Durchflusswirksame Fläche [m2]
f
A : Gesamtfläche (Porenfläche + Gesteinsfläche) [m2]
g
A : Ausgangsoberfläche einer Flüssigkeit [m2]
o
A : Durchflossene Querschnittsfläche [m2]
q
A : Oberfläche des Hohlraums im Gesteins [m2]
s
A : Wandfläche [m2]
w
a : Konstante [-]
(cid:68) : Winkel [°]
(cid:68) : Dispersivität [m]
d
(cid:68) : Proportionalitätskonstante [-]
p
B : Einströmbreite [m]
b : Hauptachse einer Ellipse (Dispersion) quer zur Strömungs-
n
richtung [m]
b : Spaltbreite [m]
s
(cid:69) : Kompressibilität [m2/N]
c : Konzentration [kg/m3]
c : Konzentration der adsorbierten Teilchen [kg/kg Trockenmasse]
a
c : Tiefengemittelte Konzentration eines Tracers im Grundwasser
g
[g/m3]
c : Konzentration der in Lösung befindlichen Teilchen [kg/l]
l
c : Konzentration von Teilchen in einem Fluid, die in ein benachbartes
m
Fluid diffundieren [g/m3]
c : Proportionalitätskonstante [-]
p
c : Konzentration von Teilchen im Sickerwasser an der Untergrenze einer
u
Schicht [g/m3]
c : Konzentration von Teilchen im Sickerwasser an der Grenze zum
ug
Grundwasser [g/m3]