E5 Untergrundströmung und Grundwasserleiter

Thema

Grundwasser füllt die Poren und Klüfte von Gesteinen und Sedimenten, die unterhalb des Grundwasserspiegels gesättigt sind – also denselben Bereich, der bereits bei der Beschreibung der darüber liegenden ungesättigten Zone erwähnt wurde.

Bei ungespannten Grundwasserleitern steht der Grundwasserspiegel selbst in direktem Kontakt mit dem atmosphärischen Druck. Genau dieser direkte Kontakt ermöglicht es diesen Grundwasserleitern, schnell auf jegliche Neubildungsereignisse zu reagieren.

Gespannte Grundwasserleiter hingegen sind an ihrem oberen Ende durch eine undurchlässige Schicht begrenzt. Der Druck dieser undurchlässigen Schicht auf das eingeschlossene Wasser lässt den Piezometerspiegel dieses Grundwasserleitertyps über die Oberkante des Grundwasserleiters ansteigen. Dadurch entstehen sprudelnde Brunnen, die beim Bohren spontan an die Oberfläche treten. Die Wasserströmung in diesen Grundwasserleitern wird durch das bereits erwähnte Darcy-Gesetz beschrieben, das hier auf den dreidimensionalen Raum verallgemeinert und mit der Kontinuitätsgleichung kombiniert wird. Daraus ergibt sich eine Diffusionsgleichung für das hydraulische Potenzial, die den gesamten Grundwasserleiter beschreibt.

Die Theis-Gleichung beschreibt in einem gespannten Grundwasserleiter die Absenkung des Piezometerspiegels durch das Pumpen aus einem einzelnen Brunnen. Ihre Lösung, die sogenannte Theis-Brunnenfunktion, ermöglicht die Berechnung der Transmissivität und des Speicherkoeffizienten des Grundwasserleiters anhand der Daten eines einzigen Pumpversuchs – dieselben beiden Eigenschaften, die bereits bei der Charakterisierung von Böden und Untergrund beschrieben wurden.

Die Wechselwirkung zwischen einem Fluss und dem darunter liegenden Grundwasserleiter bestimmt, ob der Fluss Wasser aus dem Grundwasserleiter aufnimmt oder abgibt. Die Differenz zwischen dem lokalen Grundwasserspiegel und dem vom Fluss transportierten Wasserstand bestimmt in jedem Abschnitt, welche der beiden Situationen eintritt.

Die Verweildauer des Wassers in einem Grundwasserleiter kann enorm variieren, von wenigen Tagen in den aktivsten oberflächennahen Grundwasserleitern bis zu mehreren Millionen Jahren in den fossilen Grundwasserleitern bestimmter Wüsten, wie dem Ogallala- oder dem Nubischen Grundwasserleiter. Die Grundwasserneubildung entspricht dem Nettowasserfluss von der ungesättigten zur gesättigten Zone, typischerweise konzentriert auf Regenfälle oder unter bestimmter Vegetation, die die Versickerung fördert.

Das zu erwartende Verhalten dieses Gesamtsystems umfasst eine sehr langsame Reaktion des Grundwasserspiegels auf Neubildungsereignisse und eine deutliche Dämpfung der Basisabflussschwankungen in den Flüssen, die von diesen Grundwasserleitern gespeist werden. Von den gesättigten Poren, mit denen dieses Dokument beginnt, bis zur Dämpfung des Basisabflusses am Ende, unter Berücksichtigung freier und gespannter Grundwasserleiter, der Theis-Gleichung und der Wechselwirkung zwischen Flüssen und Grundwasserleitern, führt die sehr langsame Bewegung des Grundwassers unterirdisch dazu, dass an der Oberfläche ein Großteil der durch Regenfälle verursachten Schwankungen gedämpft wird.

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