11.9 Markierungsversuche zur Bestimmung der Grundwasserströmung

In der Hydrogeologie und Grundwasserhydrologie werden Markierungssubstanzen (Tracer) gezielt (kontrolliert) in das Grundwasser z.B. über Beobachtungsbrunnen eingebracht, um Kenntnisse über die vorliegenden Untergrundpfade (Fließwege) zu gewinnen. Diese Tracer bewegen sich mit dem Grundwasser. Sie werden im Grundwasserkörper transportiert. An Grundwasserquellen oder über andere Grundwasserbeobachtungsbrunnen können diese Tracer rückgewonnen werden. Über die Änderungen der Tracerkonzentrationen, die Lage der Brunnen, in denen die Tracer auftreten und dem Zeitpunkt des Tracernachweises an einem bestimmten Punkt können wichtige Erkenntnisse über den Untergrund gewonnen werden.

Tracer: Zur Untersuchung von Transportvorgängen im Gewässer eingebrachter Markierungsstoff (gelöst, suspendiert oder in anderer Form transportiert)

Eine Einführung in die geohydrologische Markierungstechnik liefert Käss (1992).

Unter bestimmten Voraussetzungen ermöglichen Grundwassermarkierungsversuche die Bestimmung der wesentlichen hydrodynamischen Eigenschaften des Grundwasserleiters und der bestimmenden Mechanismen (Ausbreitung, Verdünnung, Rückhaltung) und Kenngrößen des Stofftransportes unter realistischen Bedingungen und für große, repräsentative Grundwasserkörpervolumina. Sie dienen u.a. als Grundlage für die Anwendung von Transportmodellen zur Prognose einer Schadstoffausbreitung, für Gefährdungsabschaätzung oder für die Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen. Zur Überprüfung von hydraulischen Verbindungen zwischen Grundwasserkörpern und Vorflutern können derartige Versuche ebenfalls eingesetzt werden.

Im einzelnen können ermittelt werden:

Transport (Tracer-)

Die fundamentale Gleichung für die Beschreibung der laminaren Fließbewegung von Grundwasser ist das empirische Gesetz von DARCY für die eindimensionale, stationäre Strömung in einem porösen Medium (Porengrundwasserleiter):

Darcy-Gesetz
Q A = ν f = - k f · h x
x Fließstrecke [m]
h Druckhöhe [m]
Q Durchflussrate [m³/s]
dh/dx hydraulischer Gradient [m] = i
kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]
vf Filtergeschwindigkeit [m/s]
A Fließquerschnitt senkrecht zur Fließichtung [m²]

Die kleinräumige Abweichungen der Fließrichtung und -geschwindigkeit durch die Mikrostruktur führt zur zunehmenden räumlichen Ausbreitung eines Stoffes im Untergrund zugunsten einer Verringerung der Konzentration (Verdünnung). Diesen Vorgang bezeichnet man als hydrodynamische Dispersion.

Hydrodynamische Dispersion
D h = D m + D e für D m = v a · a
Dh Koeffizient der hydrodynamischen Dispersion
Dm Koeffizient der hydromechanischen Dispersion
De effektiver Diffusionskoeffizient
α Dispersivität (Dispersionslänge)
va Abstandsgeschwindigkeit [m/s]
v a = v f n e mit 0 < n e < 1

Der physikalische Tracertransport mit dem Grundwasser resultiert aus Advektion (linearer Fließbewegung des Grundwassers) und hydrodynamischer Dispersion und wird mathematisch durch partielle Differentialgleichungen beschrieben, die die Konzentrationsverteilung in Abhängigkeit von Zeit und Ort wiedergeben. Für den Fall einer eindimensionalen, konstanten und stationären Strömung in einem homogenen Grundwasserleiter lautet die Advektions-Dispersions-Gleichung nach Scheidegger (1961) bzw. Bear (1972):

C t = D L · 2 C x 2 - ν a · C x
für DL = aL · va + De