Übungsaufgaben zu Kapitel 11 - Grundwasser

Aufgabe 11.1

a) Konstruieren Sie an zwei einfachen Fallbeispielen die Grundwasserfließrichtungen in einem homogenen, isotopen Porengrundwasserleiter. Übertragen Sie die Skizzen auf einen größeren Maßstab.

b) Wie groß ist das Grundwassergefälle (∆h/s) in den Fallbeispielen?

Aufgabe 11.2

a) Von welchen Kräften wird die Grundwasserströmung (Filtergeschwindigkeit) in erster Linie beEinflusst?

b) Wie lautet die Bewegungsgleichung für die Filtergeschwindigkeit?

Aufgabe 11.3

Skizzieren Sie den technischen Ausbau für einen vollkommenen und einen unvollkommenen Beobachtungsbrunnen. Wie wird der Grundwasserstand (Handmessung und automatische Registrierung) gemessen und welche Informationen benötigen Sie für eine fachgerechte Interpretation der erhobenen Messdaten?

Aufgabe 11.4

In der Abbildung sind die Grundwasserstände für drei Brunnen mit unterschiedlicher Filterteufe dargestellt. Zeichnen Sie in die rechten Diagramme die Verteilung der hydraulischen Höhe (hydraulic head) und die Druckhöhe (pressure head) für den homogenen Grundwasserkörper.

Aufgabe 11.5

Wie setzt sich die Standrohrspiegelhöhe zusammen (nach den Komponenten ist gefragt)?

Aufgabe 11.6

Berechnen Sie die Wassermenge Q (m3s-1), die durch die rechte Begrenzungsfläche des Grundwasserkörpers (Quaders) fließt, unter Verwendung folgender Angaben: hydraulische Leitfähigkeit von Sand: kf = 6,00E-04 m/s, Breite des Quaders B = 1.000 m, ∆h = 1,0 m, s = 1.000 m, Mächtigkeit des homogenen Grundwasserleiters mGW = 20 m (konstant).

Aufgabe 11.7

Wie ist der Speicherkoeffizient, wie der spezifische Speicherkoeffizient definiert? Wie fließt der Koeffizient in die Grundwasserströmungsgleichung ein?

Aufgabe 11.8

In einem Brunnen sollen Sie zur kf-Bestimmung einen Pumpversuch durchführen. Der Aquifer ist gespannt und isotrop, und die Entnahme ist konstant. Seitliche Begrenzungen liegen nicht vor. Nach welchem Verfahren werten Sie den Pumpversuch aus?

Aufgabe 11.9

Wie stellen Sie fest, ob ein Aquifer gespannt oder phreatisch ist?

Aufgabe 11.10

Beschriften Sie die folgenden Abbildungen (DIN 4039-3/1994-10, S. 77) und erläutern Sie die Begriffe stichwortartig:

Abb. zu 11.10: Schematischer Grundwasserlängsschnitt bei freiem Grundwasser mit einer Grundwasserentnahme (rechts), Karte des Absenkungs- und Entnahmebereiches (links)

Aufgabe 11.11

Ein gespannter Aquifer besitzt eine Mächtigkeit von 33 m und eine mittlere hydraulische Leitfähigkeit von 1,2 m/d. Zwei Beobachtungsbrunnen liegen in Fließrichtung mit einer Distanz von 1,2 km. Die Standrohrspiegelhöhen wurden wie folgt ermittelt: Brunnen 1 mit h1 = 97,5 m ü. NN, Brunnen 2 mit h2 = 89,0 m ü. NN. Wie hoch ist der tägliche Grundwasserdurchfluss (b = 7 km)?

Aufgabe 11.12

An einem Messpunkt im Aquiferkörper ist der Flüssigkeitsdruck P = 1.500 N/m2 (g = 9,80 m/s² ), die vertikale Distanz zur Bezugsebene 0,75 m, die Dichte des Grundwassers beträgt r = 1,02E+03 kg/m3. Das Grundwasser bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v = 1,00E-06 m/s. Berechnen Sie die Energiehöhe des fließenden Grundwassers für eine "Einheitsmasse"!

Aufgabe 11.13

a) In einem Grundwassereinzugsgebiet (s. Abb.) sind die Grundwasserfließrichtung und die -gefälle zu einem Stichtag um eine Deponie (schraffierte Fläche) zu ermitteln. Fünf Grundwasserbeobachtungsbrunnen stehen zur Verfügung (M1-M2). Die Messdaten des Stichtages sind eingetragen. Der Aquifer darf als quasi-isotrop angenommen werden. Die Ergebnisse werden für die Standortwahl weiterer Beobachtungsbrunnen im Zuge eines Tracerversuches benötigt.

Abb.: Grundwasserbeobachtungsnetz um eine Deponie (aus: Materialien zum Altlastenhandbuch, Kinzelbach et al. 1996, NLÖ & NLfB)

b) Wo würden Sie den Eingabe- und wo die Grundwasserbeobachtungsbrunnen für den geplanten Markierversuch platzieren (begründen Sie)?

Aufgabe 11.14

Aus einem vorhandenen Grundwassergleichenplan (Abb. zu 65) im Umfeld einer Altablagerung sollen Sie max. Ausbreitungentfernung einer Schadstofffront in 100 Jahren prognostizieren (Annahme: Schadstoff ist als konservativ zu behandeln!). Folgende Kennwerte stehen Ihnen aus hydrogeologischen Felduntersuchungen zur Verfügung:

Aquifermächtigkeit M = 20 m; effektive Porosität schwankt zwischen ne = 0,1 und 0,2; die mittlere hydraulische Leitfähigkeit (Pumpversuchen) beträgt kf = 5,00E-04 m/s.

Abb.: Grundwassergleichenplan im Umfeld einer Deponie.

Aufgabe 11.15

Grundwasserquellen sind Orte eines räumlich begrenzten Grundwasseraustritts. Erläutern Sie mit Hilfe der Illustration von Types of springs (Fetter 1994) die Quelltypen.

Aufgabe 11.16

Wie verfahren Sie bei der Zeitreihenanalyse für die Standrohrspiegelhöhe?

Aufgabe 11.17

Zeichnen Sie effluente und effluente/influente Verhältnisse. Wie wird der Austausch zwischen Aquifer und Vorfluter pro Bezugsfläche formell beschrieben? Was besagt der Leakage-Faktor und wie läßt sich der Uferfiltratanteil am Gesamtgrundwasser abschätzen?

Aufgabe 11.18

Benennen Sie die Gegenstände und erläutern Sie das Prinzip des Slug-Test zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften.

Aufgabe 11.19

a) Ein ungespannter, regionaler Porenaquifer mit einem Speicherkoeffizienten von 0,13 und einer Fläche von ca. 318,6 km² wird mit zahlreichen Vorfeldmessstellen beobachtet. Die Grundwasserförderung sowie die Verdunstung in den Sommermonaten führen zu einer mittleren Grundwasserabsenkung von 1,60 m. Wie groß ist die Grundwassermenge, die dem Grundwasserkörper entzogen wurde?

b) Wie groß ist VOutput, wenn es sich um einen gespannten Grundwasserleiter mit einem Speicherkoeffizient von 0,0005 handelt?

Antworten: a) VOutput=6,61E07 m³, b) VOutput=2,55E05 m³.

Aufgabe 11.20

Skizzieren Sie die typischen Randbedingungen anhand der folgenden Abbildung!

Aufgabe 11.21

Warum stellt sich bei gleicher Entnahmemenge bei gespanntem Grundwasser ein viel größerer Absenktrichter ein als bei freiem Grundwasser?