Nennen Sie Möglichkeiten des anthropogenen Eingriffs in den Wasserhaushalt eines geschlossenen Einzugsgebietes. Begründen Sie, welche Komponente der Wasserhaushaltsgleichung jeweils betroffen ist!
Fahrtvertiefung in Flüssen: Durchfluss wird erhöht, Erosion wird erhöht -> ggf. Problem bei Hochwasser!
Flächenversiegelung: Abfluss wird erhöht, die Verdunstung verringert, da das Wasser so schnell weg ist. Das Wasser fließt direkt in die Kanalisation, wird also nicht dem Grundwasser zugeführt.
Talsperren: Die Verdunstung wird erhöht, siehe alle möglichen Talsperren im Sommer 2022. Die Sedimentationsrate wird signifikant erhöht, da aufgrund der Verringerung des Gefälles keine oder weniger Erosion stattfindet. Außerdem wird der Abfluss vom Menschen reguliert.
Was ist ein Packer-System und welchen Nutzen hat es? Skizzieren Sie eine mögliche Anordnung von Packern an einem Bohrloch!
Wie verändert sich die TWL in Abhängigkeit von der Art des Grundwasserleiters und der Jahreszeit?
DIe TWL ist im Sommer etwas steiler, ggf. durch die im Osmmer eher auftretenden Starkregenereignisse, während es im WInter weniger, aber stetiger regnet.
Die Art des GWL spielt eine große Rolle.
Bei Porengrundwasserleitern ist die TWL fiel flacher als bei Karstgrundwassserleitern, bei denen das Wasser einfach “durchrauscht”.
Welche Komponenten gibt es bei der Verdunstung?
Evaporation: Verdunstung über freier Oberfläche
Transpiration: Verdunstung von Wasser über die Pflanzen, d.h. über deren Spaltöffnungen
Interzeption: Verdunstung von Wasser von den Blatt- und Stammoberflächen
Was besagt das hydraulische Potential und aus welchen Komponenten setzt es sich zusammen? Wie lässt es sich messen?
Das hydraulische Potential beschreibt den Energiezustand des Wassers an einer bestimmten Stelle.
h = z + psi
Das hydraulische Potential setzt sich aus derm Lagepotential und der Druckhöhe zusammen. Das Lagepotential ist gleich der Wasseroberfläche/-obergrenze, die Druckhöhe ist das, was ggf. darüber liegt.
Das hydraulische Potential wird mithife eines Piezometers gemessen, einer Art Röhre, die den hydrostatischen Druck der Wassersäule misst.
Was ist der Unterschied zwischen effluent und influent?
effluent: Übertritt von Grundwasser in den Vorfluter/ein oberirdisches Gewässer
influent: Übertritt von oberirdischem Gewässer in das Grundwasser
Nennen Sie drei Techniken zur Sanierung einer Kontamination, z.B. durch Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW), im Grundwasser!
allgemein: Bekämpfung der Fahne und/oder Eliminierung der Quelle und/oder Sanierung am Rezeptor/Pumpbrunnen
Was ist ein schwebender Grundwasserleiter?
Ein schwebender Grundwasserleiter ist eine gesättigte Zone innerhalb einer ungesättigten Zone, die von einem GW-Nichtleiter (=Aquiclude) unterlagert wird.
Wie wird die Wasserhaushaltsgleichung beschrieben und inwiefern ändert sie sich, wenn a) die Messung ein abgeschlossenes Einzugsgebiet betrachtet und b)die Messung über eine sehr lange Zeit erfolgt?
Niederschlag + Zufluss = Abfluss + ETR + S
a) Niederschlag = Abfluss + ETR + S (Zufluss fällt weg)
b) die Speicheränderung S fällt weg.
Wie unterscheidet sich der Speicherkoeffizient eines gespannten und der eines ungespannten Aquifers? Nennen Sie zugehörige Formeln und begründen Sie die große Varianz! Wie kann man im Feld den Speicherkoeffizient ermitteln?
Der Speicherkoeffizient eines gespannten Aquifers ist viel geringer als der eines ungespannten Aquifers, da das Wasser eines gespannten Aquifers bereits unter Druck ist, es ist “nicht so viel Platz”. Der Porenwasserdruck ist höher.
Der Speicherkoeffizient eines ungespannten Aquifers entricht in etwa der effektiven Porosität.
Der eines gespannten Aquifers berechnet sich aus der Mächtigkeit des Aquifers und dem spezifischen Speicherkoeffizient.
Pauschal gilt: S = V/(A*deltah)
Im Feld kann der Speicherkoeffizient durch Pumpversuche ermittelt werden, wobei die Reaktion des Aquifers bei Entnahme und Infiltraion beobachtet wird. Die Pegelstandskurve wird dann mit Typkurven verglichen.
Beschreiben Sie hydraulische Prozesse, die zwischen Grundwasserleiter und Vorfluter aktiv sind!
Es könnten effluente oder influente Verhältnisse vorliegen. Effluente Verhältnisse liegen vor, wenn das Wasser aus dem Grundwasser in den Vorfluter strömt. Influente Verhältnisse liegen vor, wenn das Wasser aus dem Vorfluter in das Grundwasser strömt.
Grundwasserinfiltration: Wasser, dass nahe dem Vorfluter entnommen wird.
Inwiefern beeinflussen Städte den Niederschlag?
Städte sind Wärmeinseln. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen, was bedeutet, dass sich über der Stadt Wolken bilden können. Diese regnen sich dann auf der windabgewandten Seite der Stadt ab, d.h. Städte haben eine trockenere und eine feuchtere Seite, abhängig von den vorherrschenden WIndrichtung.
Welche hydrogeochemischen Parameter einer Grundwasserprobe würden Sie bei einer Feldexkursion bereits im Gelände untersuchen? Begründen Sie, warum!
Was ist ein “Leaky Aquifer” bzw. ein “Leakage”?
Ein “Leaky Aquifer” ist ein gespannter Grundwasserleiter, der auf mindestens einer Seite an einen Geringleiter angrenzt. Aufgrund der hydraulischen Druckhöhe, die höher als die Obergrenze des Aquifers liegt, strömt das Grundwasser vertikal nach oben durch den Geringleiter in das nächste Grundwasserstockwerk.
Welche Fließgeschwindigkeiten im Aquifer kennen Sie? Wie lassen sie sich berechnen?
Bei einem gespannten Aquifer nimmt das hydraulische Potential mit der Fließrichtung ab.
Die Darcy-Geschwindigkeit beträgt vf = Q/A
Die Abtsandsgeschwidigkeit beträgt va = vf/ne und berücksichtigt die effektive Porosität.
Die Bahnliniengeschwindigkeit ist noch genauer, kann aber kaum bestimmt werden.
Was misst ein Lysimeter und welche Arten gibt es?
Es gibt wägbare und nicht wägbare Lysimeter (& Großlysimeter, die sind aber selten).
Nicht-wägbar:
-> Bodenfeuchtemesssonden, messen die Bodenfeuchte S
Wägbar:
-> unterkellerte Lysimeter
nehmen einen Bodenmonolithen (möglichst naturnah und unbeschädigt) aus dem Boden und legen ihn in das Lysimeter hinein
stehen auf einer Waage
kann messen: Bodenfeuchte S mittels Massendifferenz, Sickerwasser (unterirdischer Abfluss), ggf. Niederschlag P
was man berechnen kann: Sickerwasser- und Grundwasserneubildungsraten, ETR
In welche RIchtung fließt das Wasser?
von rechts nach links, in Richtung des niedrigeren Potentials
auch von links nach rechts, in Richtugn des niedrigeren Potentials
Welche Art von Wald hat die höchste Interzeptionsverdunstung und warum?
Der Nadelwald hat die höchste Interzeptionsverdunstung, da die Bäume das ganze Jahr über ihre Blätter bzw. Nadeln behalten, während Laubbäume ihre Blätter im WInterhalbjahr verlieren.
Gilt natürlich nur für die genäßigten Breiten.
Woran kann man Brunnenstandorte in einer Karte mit Grundwassergleichen erkennen? Wodurch kann man die Fließrichtung erkennen? Wann liegen influente und wann effluente Verhältnisse vor?
Es gibt Infiltraions- und Entnahmebrunnen. Bei Entnahmebrunnen entsteht ein "Tal” in den Grundwassergleichen, ähnlich einem Tal bei einer Höhenlinenkarte. Bei einem Infiltraionsbrunnen entsteht ein Berg bzw. Hügel.
Die Fließrichtung lässt sich durch die Grundwassergleichen erkennen, sprich zu welcher Richtung sie ab- bzw. zunehmen. Die FLießrichtung ist in Richtung der abnehmenden Werte der Grundwassergleichen.
Influent bedeutet, dass Wasser vom Vorfluter in das Grundwasser fließt.
Effluent bedeutet, dass das Wasser vom Grundwasser in den Vorfluter fließt.
Erkennen kann man dies in einer Karte, wenn ein Fluss eingezeichnet ist. Wenn von den Grundwassergleichen zum Fluss senkrechte Linien abgetragen werden und diese so aussehen wie auf dem Bild, liegen effluente Verhältnisse vor.
Influente Verhältnisse liegen vor, wenn die Grundwassergleichen so aussehen:
Was ist ein Vorfluter?
Ein Wasserlauf, der Wasser aufnimmt und weiterleitet (Fluss)
Erläutern Sie die Arten des konservativen Stofftransports und skizzieren Sie ihre Auswirkungen auf eine Schadstofffahne! Welche Art ist vorrangig verantwortlich für die Form der Fahne in einem Aquifer? Nennen sie zusätzlich drei Arten des reaktiven Stofftransports!
Advektion:
geradlinige Bewegung des gelösten Stoffs mit der mittleren Abstandsgeschwindigkeit va der Grundwasserströmung
𝑗𝑎𝑑𝑣 = 𝑛e ∙ 𝑣𝑎 ∙ c (va = Abstandsgeschwindigkeit, c = Konzentration)
Diffusion:
das mit dem Teebeutel
isotroper Ausgleich des Konzentrationsgradienten nach der Brown’sche Molekularbewegung
j = -ne x Dmeff x c (Dmeff = Dm,0/t, t = Tortosität = 1/neff, Dm,0 = molarer Diffusionskoeffizient für freie Lösung)
Dispersion:
Anisotroper Ausgleich (ca. 1/10) des Konzentrationsgradienten, bedingt durch verschiedene Fließwege im GWL bzw. Inhomogenität des Aquifers
𝑗𝑑𝑖𝑠𝑝 = −𝑛𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝐷 ∙ 𝛻c (D = Dispersionstensor)
Reaktiver Stofftransport:
Sorptionsprozesse
Fällungs- und Lösungsprozesse
Radioaktive Zerfallsprozesse
Mikrobiologisch katalysierte Abbauprozesse
Wie verhält sich das hydraulische Potential in einem See und wie in einem gespannten Aquifer?
In einem See herrschen ungespannte Verhältnisse. Das Lagepotential ist also gleich dem hydraulischen Potential, die Druckhöhe ist gleich der Wasseroberfläche.
In einem gespannten Aquifer ist das Lagepotential geringer als die Druckhöhe. Die Druckhöhe liegt also oberhalb der Aquiferoberkante. Das hydraulische Potential nimmt in Fließrichtung ab.
Welche Faktoren und Parameter sind für die Infiltration von Niederschlagswasser bei einem Niederschlagsereignis in einen Boden von Bedeutung? Wann ist Oberflächenabfluss zu beobachten?
Bodenart (Ton hält mehr Wasser auf) -> Saugspannung des Bodens
Bodenoberflächenbeschaffenheit
Vegetation
Oberflächenabfluss je nach Vegetation usw. anders. Bei starker Flächenversiegelung gibt es viel Oberflächenabfluss. Er tritt aber als erstes auf, gefolgt vom hypodermischen und dann vom Basisabfluss.
Was sind die Abflusskomponenten? Zeichne ein Diagramm mit ihren jeweiligen Ganglinien. Wovon sind sie abhängig?
Oberflächenabfluss: reagiert zuerst auf Niederschlagsereignisse, fließt entlang der Geländeoberfläche schnell dem Vorfluter zu
Hypodermischer Abfluss/Zwischenabfluss: fließt in der ungesättigten Bodenzone
Grundwasserabfluss/Basisabfluss: fließt ins GW, reagiert zuletzt
Was macht die 4. Reinigungsstufe des Klärwerks Ruhleben? Was machen die anderen Reinigungsstufen?
Welche Prozesse führen zur Grundwasserneubildung?
Infiltration von Wasser durch die ungesättigte Zone in die gesättigte Zone.
Prozesse sind:
die Infiltraion selbst
in ariden Gebieten: Die Kondensation von Tauwasser
Wasserauspressung bei der Sedimentation/Versenkung, das ist aber nur für geologisch längere Zeiträume relevant
juvenile Wässer aus magmatischer Differentiation, auch dies ist nur für geologisch längere Zeiträume relevant
Was beeinflusst die Infiltrationsrate bei einem Niederschlagsereignis in einen Boden? Fließt das komplette infiltrierte Wasservolumen dem Grundwasser zu?
Die Infiltrationsrate ist von
Oberflächenbeschaffenheit (Versiegelung, Sättigungsgrad)
Durchlässigkeitsbeiwert kf = hydraulische Leitfähigkeit
Saugspannung des Bodens
abhängig.
Nein, nicht alles fließt dem Grundwasser zu. Ein Teil setzt sich auch als Haftwasser an den Körnern oder in den Porenzwischenräumen ab.
Wie wird die potenzielle Verdunstung berechnet?
Genauigkeit und Aufwand abnehmend:
Penman-Formel
Turc-Formel
Ivanov-Formel
Haude-Formel
Haude:
Wobei
U = relative Luftfeuchtigkeit
T = Lufttemperatur
f = monatsabhängiger HAUDE-Faktor
es = Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser (temperaturabhängig)
Welche Verfahren gibt es, um die Grundwasserneubildung zu bestimmen? Beschreibe diese kurz.
TWL und Durchflussganglinienseperationsverfahren.
Bei der TWL werden die fallenden Teile der Durchflussganglinienkurve abgetragen und zusammengesetzt, sodass sie eine fallende Exponentialkurve ergeben. Das ist dann die Trockenwetterfalllinie. Um das echte Grundwasser zu bestimmen, wird der mittlere GW-Abfluss bestimmt.
Hierfür werden zwei Tangenten an die Trockenwetterfallinie angelegt: Einmal zu Beginn der Kurve und einmal am Ende. Der Schnittpunkt beider Tangenten ist der mittlere Grundwasserabfluss und kann abgelesen werden.
Dieser Wert wird nun mit der Größe des Einzugsgebiets und der gemessenen Zeit verrechnet und somit erhält man die Rate der Grundwasserneubildung.
Das Durchflussganglinienseperationsverfahren trägt die höchsten Werte des Abflusses auf der Durchflussganglinienkurve senkrecht ab (Lote fällen). Dann werden jeweils am stärksten und am niedrigsten Durchflussrückgang Tangenten angelegt und verlängert, bis sie sich schneiden. Alle offenen Stellen werden miteinander verbunden und es entsteht eine Art gezackte Linie. Diese Linie ist die Trennlinie, die den Basisabfluss von den anderen Abflüssen trennt. Die abgelesenen Werte werden mit der Größe des Einzugsgebiets und der gemessenen Zeit verrechnet und somit erhält man die Rate der Grundwasserneubildung.
Nennen Sie drei Messmöglichkeiten für die jeweiligen Komponenten der Wasserhaushaltsgleichung und ihre Vor- und Nachteile.
Niederschlag
a) Totalisator: für abgelegende, meist aride Gebiete, nicht-schreibend, ggf. für lange Zeiträume sinnvoll, aber Windfehler, Benetzungsfehler, Verdunstungsfehler
b) Hellmann’scher Regenmesser für fallenden Niederschlag. Problem: Nur punktuell, große Fehler bei Wind, Benetzung ggf. falsch, Schnee bleibt ggf. an den Seiten hängen, Verdunstungsfehler
c) Radarmethode: Reflektionsfehler, misst flächendeckend, gibt keine Absolutwerte an
Verdunstung
a) Verdunstungskessel: Oaseneffekt -> möglichst groß wählen! Korrekturfaktor ist nötig.
b) Piche-Atmometer: geht weniger verloren, dennoch Oaseneffekt
c) WIld’sche Waage: Einfache Verdunstungswaage, die mit Wasser gefüllt ist. Auch hier Verdunstungseffekt
d) Lysimeter: ETR kann berechnet werden, kein Oaseneffekt. Aber teuer.
Abfluss:
a) Tracermessung: für Gebirge nützlich, wo viele der anderen Methoden nicht funktionieren
b) Venturikanal: für kleine und mittlere Durchflüsse, auch bei stark verschmutztem Wasser möglich
c) Hydrometrischer Messflügel: großer Messbereich, wie eine kleine Schiffsschraube, nur bei geringer Verkrautung und wenig Turbulenzen möglich, sehr genaue Messwerte
d) Gefäßmessung: Nur für kleine Durchflüsse, recht ungenau
Wie unterscheiden sich reale und potenzielle Verdunstung am Beispiel a) Wüste und b) Eisschild?
Die potenzielle Verdunstung berücksichtigt nur das Energiedargebot (=meterologische Voraussetzungen), nicht das Vorhandensein von Wasser.
a) Hohes Energiedargebot, da viel Sonne, ABER kein Wasserdargebot -> potenzielle Verdunstung viel höher als die reale Verdunstung
b) geringes Energiedargebot -> niedrige potenzielle Verdunstung, ABER: hohes Wasserdargebot -> dennoch niedrige reale Verdunstung, da keine Energie zur Verdunstung da.
Welche Parameter benötigt man um mittels einer Bodenwasserbilanz die Grundwasserneubildung bestimmen zu können?
Die Grundwasserneubildung ist gleich dem Basisabfluss RU, man nimmt also die Wasserhaushaltsgleichung P = RO + RU + ETR und stellt nach RU um.
Benötigt werden also P, RO und ETR. Um diese Größen zu messen, kann ein Lysimeter verwendet werden, zum Beispiel für den Niederschlag durch die Gewichtsänderung bei einem wägbaren Lysimeter. ETR kann durch Bodenfeuchtemesssonden, also nicht-wägbare Lysimeter, bestimmt werden.
Wenn kein Interflow vorhanden ist, ist die GWN = Rate des Sickerwassers an der Basis des Bodenmonoliths.
Ansonsten können graphische Verfahren zur GWN-Ermittlung genutzt werden, z.B. das Durchflussganglinienseperationsverfahren oder die TWL.
Skizzieren und beschriften Sie ein vollständiges Piper-Diagramm! Tragen Sie schematisch ein, wo Sie 1) eine Süßwasserprobe 2) eine Salzwasserprobe durchschnittlicher Zusammensetzung vermuten würden! Wie unterscheiden sich ionenarmes und –reiches Wasser im Piper-Diagramm?
Beschreiben und Skizzieren Sie den Darcy-Versuch und nennen Sie die daraus abgeleitete Formel!
An eine mit Sand gefüllte Säule werden auf beiden Seiten Piezometer angeschlossen. Durch die Säule wird eine Wassermenge Q durchgeschleust - das ist die Durchflussmenge. Mit den Piezometern wird der Potentialverlust gemessen. Dieser hängt vom Sandtyp bzw. der Korngrößenverteilung ab.
Der Durchfluss berechnet sich folgendermaßen: Q = kf x I x A
Wobei I = (h1 - h2)/L (hydraulischer Gradient)
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