Hydrosphäre - Teil Grundwasser
Vorlesung Hydrosphäre der ETH Zürich, UWIS
Vorlesung Hydrosphäre der ETH Zürich, UWIS
Durch was wird die Dispersion definiert?
Beiträge auf Porenskala:
1. Variabilität des Porendurchmessers
2. Bahnlinien um Körper herum
3. Geschwindigkeitsprofil im Porenquerschnitt
siehe grafik
Was ist Diffusion?
Transport entlang eines Konzentrationsgradienten
grafik: links konzentrations gradient von schwarz zu weiss extrem hoch --> Transport beginnt. Rechts gradient sehr klein deshalb fast keinen transport mehr.
Was sind Gemeinsamkeiten/Unterschiede von Dispersion und Diffusion?
Gemeinsamkeiten:
- beide Transportprozesse beruhen auf nicht aufgelöster Variabilität der Geschwindigkeit
- Bewirken eine Aufweitung der Konzentrationsfront
Unterschiede:
- Dispersion hängt von der mittleren Geschwindigkeit ab, Diffusion nicht
- Diffusion beruht auf zufälliger brownschen Bewegung einzelner Moleküle des gelösten Stoffes
- Dispersion ist differenzeielle Advektion (z.B. auf Porenskala)
Was wird bei einer hydrologsichen Untersuchung genau gemessen?
- geologsiche Strukturen (wichig für beschreibung von Aquiferen und Aquitarden)
- Hydraulische parameter (z.B. K, n usw)
- hydraulischer Gradient
- GW-Qualität
--> labor und feldtests machen --> mit variabler räumlicher und zeitlicher Auflösung!
Was wird im Labor gemessen? was ist der Nachteil?
- chemische Analysen
- Siebkurven
- Tocknung
Nachteil: nur Punktuelle analysen --> viele Proben benötigt um ein gutes räumliches Bild zu haben
Was sind Siebekurven?
Werden bei unverfestigtem material z.B. klastischen Sedimenten angewendet. Wichtig zur sedimentologischen und geotechnischen KLassifizierung
je flacher die Kurve ist, desto schlechter sortiert. Je steiler desto besser sortiert!
Was ist ein Permeameter-Test?
Durchlässigkeitsmessung durch Darcy-Experiment
Wie werden Feldversuche gemacht?
- Punktuell
- hydraulisch: Brunnenpege
- Geologisch: Bohrprofil
- biologisch: keimzahl
- Integral (raummittelnd)
- hydraulisch (pumpversuch
- hydraulisch/hydrochemisch (Tracerversuch)
- Tomographisch (hochauflösend)
- hydraulisch (kombinierte Auswertung vieler Pumpversuche.
- hydraulisch (kombinierte Auswertung vieler Pumpversuche.
Welche Eigenschaften müssen künstliche Tracer haben? (nenne einige
Eigenschaften: Unschädlich, preiswert, wasserlöslich, leicht quanitativ nachweisbar, nichtreaktiv, stabil, nicht natürlich vorkommend
Bespiele: Fluoreszenz Tracer (Uranin), Salz (Bromid), Farbstoffe usw.
Zugabe- und Beobachtungsstellen: Dolinen (Karsttrichter), Bachschwinden, Bohrungen, Quellen
Welche Verschiednen Anordnungen von Tracer-Tests gibt es?
siehe grafik
1. Dublette
2. Radial konvergierend
3. Natürlicher Gradient (man misst immer wieder?)
4. Einbohrlochverfahren (oben eingabe und schauen wenn unten ankommen
Wie funktionieren Hydraulische Versuche?
Die natürlichen Druck- und Fliessverhalten eines Aquifers werden gezielt gestört um die Reaktion des Aquifers zu beachten.
Aufgezeichnet wird in Aktiven Bohrungen (bsp. man entnimmt wasser während einem Pumpversuch) oder an passiven Beobachtungsbrunnen
Was bedeutet Grundwasserneubildung?
Zugang von infiltriertem Wasser zu Grundwasser
Wo infiltriert das wasser in einen Aquifer?
siehe grafik
1. Über Niederschlag in den Boden (Sickerwasser)
2. Aus einem Oberflächengewässer
3. aus einem anderen Aquifer (in einem tieferen Stock: z.B. fossiles Wasser?)
4. Durch künstliche Infiltration von Wasser (künstliche GW-Anreicherung, wie in Zürich bei Hardturm)
Welche Faktoren beeinflussen das Sickerwasser
Positiv beeinflussend:
- Niederschlag: hoher Niederschlag in kühleren Jahreszeiten begünstigen Grundwasserneubildung
- Boden: geringe Feldkapazität, hohe Durchlässigkeit, ohne Stauhorizont
- GW-Flurabstand: bei hinreichender Tiefe des GW-Flurabstands (bei zu geringem Flurabstand kommt es zu Moorbildung)
negativ beeinflussend.
- künstliche Drainage
- Landoberfläche (versiegelung)
- Evapotranspiration
Wie sind die Niederschläge verteilt in der Schweiz?
durchschnittlich 700-2000 mm/a.
Niedrigste Werte im Mittelland, dann im Rheingebiet, hohe werte im Hochgebirge
Wie hoch ist die Evapotranspiration in der schweiz?
Grundsätzlich gilt in der Schweiz: potentielle Evapotranspiration=reele Evaportransipiration
entspricht etwa 280-800 mm
Wie hoch ist die Grundwasserneubildungsrate in der Schweiz?
250-700mm
Was sind DOC? Wofür sind sie wichtig?
DOC = dissolved organic Compounds --> gelöste Organische Stoffe
DOC werden von der Grundwasserfauna als lebensgrundlage benötigt
Wie verhält sich die Löslichkeit von Stoffen im Wasser
- Gase: je wärmer das Wasser, desto weniger Gase können darin gelöst werden
- Salze: je wärmer das Wasser, desto mehr Salze können darin gelöst werden
Löse folgende Aufgabe:
Siehe Grafik:
Wichtig: falls Fläche nicht bekannt ist, aber die Mächtigkeit (hier 8 Meter = höhe) kann man einfach eine "Einheitslänge" annehmen von 1 meter um die Fläche zu berechen --> Fläche A = 1m * 8m = 8m2
Wieviel Prozent der Erdmasse ist WAsser?
3%
Wie viel des WAssers ist Süss, wieviel salzig?
96.3% Salzwasser
3.7% Süsswasser, davon 50% als Eis
Total: 1.4*10^9 Kubikkilometer
wie entstehen die Meisten seen?
durch glaziale prozesse
Wieviel Prozent des Wasser sind in Seen und in Grundwasser?
1.6 % sind Grundwasser (davon je ca. 50% salzig und süss)
0.008% sind Süsswasserseen
Welche extremen Eigenschaften hat wasser und weshalb sind diese wichtig?
1. hohe spezfische Wärme: 4.2 kJ*kg/K
2. hohe latente Wärme (phasenübergang): 2.4 MJ/kg
Der Wärmegehalt des Wassers führt zu unserem Klima und macht deshalb leben erst möglich.
Welche wichtigen Eigenschaften hat Wasser zudem?
- Oberflächenspannung
- Ahäsion und Kohäsion (wichtig für Physiologie der Zelle, Tropfenbildung und wasser in Böden (Kapillareffekt))
- Wärmeleitfähigkeit
- Dichteanomalie
- Wasserstoffbrücken
- Flüssiges wasser kleiner als festes wasser
- permanetner dipol
Wie wird die Masse, das Volumen und die Dichte einer Lösung berechnet?
siehe grafik
Welche eigenschaften des Wassers werden durch eine Druckzunahme geändert?
Die Temperatur der maximalen Dichte ändert sich. Temperatur der verdunstung
Wie sieht eine Stabile Schichtung eines Sees aus?
siehe grafik
Wann ist eine Wassersäule stabil geschichtet?
Wassersäule ist immer stabil geschichtet --> wird eine genügend lange Zeit angeschaut, ordnet sich wasser immer aufgrund der Gravitation nach der dichte!
Wassersäule ist stabil wenn die Dichte mit der Tiefe zunimmt. Gibt ausnahmefälle bei welchen dieses nicht zutrifft! (sehr salziges wasser (=Salzlauge) kann bei hohen temperaturen mehr salz aufnehmen und wird daher schwerer als kälteres Salzwasser)
Welche Vorteile hat Grundwasser gegenüber Oberflächenwasser=
- Schutz vor Verdunstung
- Filterwirkung
- Selbstreinigung (in-situ Abbau, Sorption
- Schutz vor Verunreinigung (durch flora am Boden, Fauna, org. Bodenmaterial)
- kontinuierliches und räumlches angebot für brunnen
Wie lange bleibt Wasser im Grundwasser?
Siehe grafik
Was versteht man unter GW-Neubildung?
Zugang von infiltriertem WAsser zu grundasser
Wie sehen die Wasserflüsse aus betreffend dem Grundwasser?
siehe grafik
Woher infiltriet Wasser in einen Aquifer?
- Über niederschlag in den Boden, aus dem Bodenspeicher oder durch den Boden in den Aquifer (Sickerwasser)
- Aus einem Oberflächengewässer
- Aus einem anderen Aquifer
- durch künstliche Infiltration (GW-Anreicherung)
Welche negativen und positiven Faktoren wirken auf das Sickerwasser?
Positiv:
- Niederschlag
- Boden: geringe Feldkapazität und hohe Durchlässigkeit wirkt sich postiv auf Grundwasser aus
- GW-Flurabstand: bei hinreichender Tiefe der GW-Oberfläche
Negativ:
- Drainagen: verhindern dass wasser einsickern kann in das GW
- Landoberfläche: Versiegelung (Teer), Frost, Hangneigung (wasser läuft ab)
- Evapotranspiration: niedrieg bei geringer Temp, flach wurzelndem Bewuchs, geringer Feldkapazität, geringem Niederschlag
Welche GW-Bildungsrate haben wir in der schweiz? WElche niederschlags und evapotranspirationsrate?
niederschläge variieren stark zwischen 700 und 2000mm/Jahr, niedrige Werte im Mittelland, etwas höheren Werten im Rheingebiet und den höchsten Werten im Hochgebirge
Evapotranspiration: 280-800 mm
Grundwasserneubildungsraten von: 250-700mm
Nenne drei Definitionen von Grundwasser:
- alles unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht.
- Wasser im Untergrund unterhalb des Wasserspiegels in wassergesättigten Böden und geologischen Formationen.
- unterirdisches Wasser welches die Hohlräume der Lithosphäre zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegungsmöglichkeit ausschliesslich durch die Schwerkraft bestimmt wird
Aus wievielen Phasen ist der Boden aufgebaut?
Aus drei Phasen:
- Festkörper/Matrix
- Luft
- Wasser
Wieso gibt es in der ungesättigten Zone eines Bodens doch wasser?
Aufgrund Molekularer Kräfte (Adhäsion > Kohäsion) ist es für Wasser energetisch günstig, Boden (oberflächenpartikel) zu benetzen.
- Umso grösser die Distanz zwischen den Bodenpartikel und Wasser desto geringer wirkt die Adhäsion
- Kapilarer Aufstieg in Boden mit feinen Poren viel stärker!
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Cartes-fiches
Welche Verschiednen Anordnungen von Tracer-Tests gibt es?
siehe grafik
1. Dublette
2. Radial konvergierend
3. Natürlicher Gradient (man misst immer wieder?)
4. Einbohrlochverfahren (oben eingabe und schauen wenn unten ankommen
Wie funktionieren Hydraulische Versuche?
Die natürlichen Druck- und Fliessverhalten eines Aquifers werden gezielt gestört um die Reaktion des Aquifers zu beachten.
Aufgezeichnet wird in Aktiven Bohrungen (bsp. man entnimmt wasser während einem Pumpversuch) oder an passiven Beobachtungsbrunnen
Was bedeutet Grundwasserneubildung?
Zugang von infiltriertem Wasser zu Grundwasser
Wo infiltriert das wasser in einen Aquifer?
siehe grafik
1. Über Niederschlag in den Boden (Sickerwasser)
2. Aus einem Oberflächengewässer
3. aus einem anderen Aquifer (in einem tieferen Stock: z.B. fossiles Wasser?)
4. Durch künstliche Infiltration von Wasser (künstliche GW-Anreicherung, wie in Zürich bei Hardturm)
Welche Faktoren beeinflussen das Sickerwasser
Positiv beeinflussend:
- Niederschlag: hoher Niederschlag in kühleren Jahreszeiten begünstigen Grundwasserneubildung
- Boden: geringe Feldkapazität, hohe Durchlässigkeit, ohne Stauhorizont
- GW-Flurabstand: bei hinreichender Tiefe des GW-Flurabstands (bei zu geringem Flurabstand kommt es zu Moorbildung)
negativ beeinflussend.
- künstliche Drainage
- Landoberfläche (versiegelung)
- Evapotranspiration
Wie sind die Niederschläge verteilt in der Schweiz?
durchschnittlich 700-2000 mm/a.
Niedrigste Werte im Mittelland, dann im Rheingebiet, hohe werte im Hochgebirge
Wie hoch ist die Evapotranspiration in der schweiz?
Grundsätzlich gilt in der Schweiz: potentielle Evapotranspiration=reele Evaportransipiration
entspricht etwa 280-800 mm
Wie hoch ist die Grundwasserneubildungsrate in der Schweiz?
250-700mm
Was sind DOC? Wofür sind sie wichtig?
DOC = dissolved organic Compounds --> gelöste Organische Stoffe
DOC werden von der Grundwasserfauna als lebensgrundlage benötigt
Wie verhält sich die Löslichkeit von Stoffen im Wasser
- Gase: je wärmer das Wasser, desto weniger Gase können darin gelöst werden
- Salze: je wärmer das Wasser, desto mehr Salze können darin gelöst werden
Löse folgende Aufgabe:
Siehe Grafik:
Wichtig: falls Fläche nicht bekannt ist, aber die Mächtigkeit (hier 8 Meter = höhe) kann man einfach eine "Einheitslänge" annehmen von 1 meter um die Fläche zu berechen --> Fläche A = 1m * 8m = 8m2
