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GRUNDWASSERUNTERSUCHUNGEN IN LANSDALE, PENNSYLVANINA

Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012

Kathrin Kukla

Maike Sievers

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Übersicht


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



Untersuchungsgebiet (2,6 km²)

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Anlass der Grundwasseruntersuchung



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



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



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



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



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



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



Zone C

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Single- Well Test



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



Zone D

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Chemische und physikalische Eigenschaften des Grundwassers



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



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



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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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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Brunnenanordnung

Gemessene Wasserstände

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< 420 s instabile Förderrate

> 420 s stabile Förderrate Übereinstimmung

von Messergebnissen mit der Simulation

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Anisotropic model



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



Keystone Hydraulics site 7 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Absenkung in 6 Beobachtungsbrunnen

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Anisotropic model



Brunnenanordnung


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Vergleich Anisotropic- und Isotropic model



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



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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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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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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John Evans site 10 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen Positive Absenkung in 7

Beobachtungsbrunnen Negative Absenkung in 3

Beobachtungsbrunnen

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Brunnenanordnung


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4 Beobachtungsbrunnen, mit den größten gemessenen Absenkungen, können auf das Modell angewendet werden

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Chemische Messungen



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)



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



Einteilung des Modellgebiets in hydrogeologische Gebiete Lockatong

Formation Brunswick Group

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Pumpauswirkungen



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



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)



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



Hohe Pumprate (1994)

Kein Pumpen

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Mittel bis hohe Pumprate (1997)



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



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



Anhand der Messdaten und simulierten Grundwasserströmungen können weitere Planungen hinsichtlich der Machbarkeitsstudie für die Sanierung des Grundwassers durchgeführt werden

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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