GRUNDWASSERUNTERSUCHUNGEN IN LANSDALE, PENNSYLVANINA
Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012
Kathrin Kukla
Maike Sievers
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Übersicht
Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012
Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania
Anlass der Grundwasseruntersuchungen Geologie Grundwassersystem Single- Well Test Multiple- Well Test Simulation mit Numerischen Modell Ausblick
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Untersuchungsgebiet
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Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania
Untersuchungsgebiet (2,6 km²)
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Anlass der Grundwasseruntersuchung
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Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania
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
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Anlass der Grundwasseruntersuchung
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Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania
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
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Geologie
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Hauptgesteinsarten: Schiefer Schluffstein Sandstein
Das Gebiet Landsdale bildet eine Wasserscheide zwischen Towamencin Creek (Südwest) Wissahickon Creek (Südost) Neshaminy Creek (Nord)
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Grundwassersystem
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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
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Single- Well Test
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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
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Lage der Brunnen
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Single- Well Test
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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
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Single- Well Test
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Zone C
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Single- Well Test
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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
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Single- Well Test
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Zone D
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Chemische und physikalische Eigenschaften des Grundwassers
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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
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Multiple- Well Test
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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
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Multiple- Well Test
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Isotropic single- aquifer model
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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
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Isotropic single- aquifer model
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Rogers Mechanical site 6 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Nur ein Beobachtungsbrunnen hat auf
Abpumpen reagiert Hydraulische Verbindung besteht zwischen
Pumpbrunnen und Beobachtungsbrunnen über gleichen Aquifer
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Isotropic single- aquifer model
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Brunnenanordnung
Gemessene Wasserstände
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Isotropic single- aquifer model
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< 420 s instabile Förderrate
> 420 s stabile Förderrate Übereinstimmung
von Messergebnissen mit der Simulation
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Anisotropic model
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Anisotropie: Durchlässigkeit in einem Aquifer ist nicht in alle Richtungen gleich groß
Modellparameter: max. Transmissivität (Tmax) min. Transmissivität (Tmin) Winkel zwischen Nordrichtung und Richtung von Tmax (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
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Anisotropic model
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Keystone Hydraulics site 7 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Absenkung in 6 Beobachtungsbrunnen
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Anisotropic model
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Brunnenanordnung
Gemessene Wasserstände
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Vergleich Anisotropic- und Isotropic model
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Anisotropie Isotropie
Anwendung von 4 Beobachtungsbrunnen auf das Modell Vergleich zeigt, dass die Messergebnisse mit der Simulation
des anisotropen Modells überwiegend übereinstimmen
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Isotropic two- aquifer model
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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
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Isotropic two- aquifer model
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Modellparameter Gepumpter Aquifer
Transmissivität (T1) Speicherkoeffizient (S1)
Nicht gepumpter Aquifer Transmissivität (T2) Speicherkoeffizient (S2)
Aquitard Mächtigkeit (B) Vertikale hydraulische Leitfähigkeit (KV) Spezifischer Speicherkoeffizient (SS)
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Isotropic two- aquifer model
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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
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Isotropic two- aquifer model
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John Evans site 10 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Positive Absenkung in 7
Beobachtungsbrunnen Negative Absenkung in 3
Beobachtungsbrunnen
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Isotropic two- aquifer model
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Brunnenanordnung
Gemessene Wasserstände
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Isotropic two- aquifer model
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4 Beobachtungsbrunnen, mit den größten gemessenen Absenkungen, können auf das Modell angewendet werden
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Chemische Messungen
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Während der Test sind pH-Werte, gelöster Sauerstoff, spezifische Leitfähigkeit, flüchtige Kohlenwasserstoffe stabil
Mg- 1610 (Keystone Hydraulics site) PCE- (Tetrachlorethylen), TCE- (Trichlorethylen), cis-
1,2- DCE- (Dichlorethylen) Konzentrationen steigen leicht während des Tests an
Þ Vermutlich kontaminiertes Wasser durch Pumpvorgang angezogen
Mg- 1609 (John Evans site) Schwacher Anstieg von PCE-, TCE-, 1,1-DCE-, cis-1,2-
DCE- Konzentrationen
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Numerisches Modell (MODFLOW)
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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 (1995-96)
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Modellgebiet
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Einteilung des Modellgebiets in hydrogeologische Gebiete Lockatong
Formation Brunswick Group
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Pumpauswirkungen
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Regionale Grundwasserströmungen Simulation von unterschiedlichen
Pumpzuständen Kein Pumpen Hohe Pumprate (1994) Mittel bis hohe Pumprate (1997)
Ziel: Simulation von Fließwegen bekannter Kontaminationsquellen
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Kein Pumpen
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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
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Hohe Pumprate (1994)
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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
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Vergleich keine und hohe Pumprate
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Hohe Pumprate (1994)
Kein Pumpen
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Mittel bis hohe Pumprate (1997)
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Ausfall von vier Brunnen durch defekten Brunnen Stilllegung einer
Produktionsstätte Verändertes
Fließverhalten des Grundwassers zu intakten Brunnen
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Zusammenhang zwischen simulierter GW-Strömung und GW-Kontamination
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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
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Ausblick
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Anhand der Messdaten und simulierten Grundwasserströmungen können weitere Planungen hinsichtlich der Machbarkeitsstudie für die Sanierung des Grundwassers durchgeführt werden
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!