Entwicklung von hydrogeophysikalischen Methoden zur Charakterisierung von Wasserbewegungen in der Vadosen Zone verkarsteter und poröser heterogener Aquifere

Als Teil von GRaCCE zielt dieses Projekt darauf ab, einen geklüfteten Grundwasserleiter mit Hilfe von DTS (Distributed Temperature Sensing) und ERT (Electrical Resistivity Tomography) zu charakterisieren und den Wasserfluss innerhalb der vadosen Zone zu quantifizieren. Die ersten Experimente werden dabei in einem porösen Grundwasserleiter durchgeführt. Temperatur-Tiefen-Profile in Bohrlöchern ermöglichen die Berechnung der Infiltrationsgeschwindigkeit als Funktion der täglichen und saisonalen Temperaturänderungen. Die Injektion von erwärmtem Wasser kann dabei als Wärmesignal genutzt werden.

Ziele

Charakterisierung der Infiltrationsdynamik in Karst- und Porengrundwasserleitern mit Hilfe von DTS (Distributed Temperature Sensing)
Einsatz von ERT (Electrical Resistivity Tomography) zur Ableitung von Strukturen im Untergrund, die für Infiltrationsprozesse relevant sind
Übertragung der entwickelten Technik von einem porösen auf einen geklüfteten Grundwasserleiter

Der "Distributed Temperature Sensor" misst verschiedene Variablen entlang eines Lichtwellenleiters. Der Sensor besteht aus zwei Teilen. Der erste ist ein Gerät, welches ein Lichtsignal in das Glasfaserkabel sendet und die Reflexion empfängt, die durch die Rayleigh-Streuung auf dem Weg des Lichts durch das Glasfaserkabel entsteht. Der zweite Teil ist das Glasfaserkabel selbst. Wenn sich das Licht durch ein Glasfaserkabel bewegt, wird es an jedem Punkt innerhalb des Kabels reflektiert. Diese Reflexionen laufen in die entgegengesetzte Richtung als die Hauptrichtung des Lichts. Diese Reflexionen werden von einem hochempfindlichen Empfänger detektiert, der sich am Ausgangspunkt des Glasfaserkabels befindet, und können genutzt werden um die Temperatur entlang des Kabels zu messen.

Distributed Temperature Sensing (DTS) Gerät

Die "Electrical Resistivity Tomography" (ERT) ermöglicht die Analyse von Heterogenitäten im Untergrund, die die Infiltration des Wassers beeinflussen. Einer der jüngsten Fortschritte bei der Analyse von Sediment- und Festgesteinstrukturen ist die Anwendung des zweidimensionalen ERT-Ansatzes. Durch Vergrößerung des Elektrodenabstands wird eine größere Eindringtiefe erreicht, und es wird ein 2D-Konturschnitt erstellt, der laterale und vertikale Variationen des spezifischen elektrischen Widerstands anzeigt. Bei der ERT-Methode handelt es sich um ein elektrisches Verfahren, bei dem mit zwei Stromelektroden Strom in den Boden eingeleitet wird. Das elektrische Potenzial wird dann mit zwei weiteren Elektroden gemessen. Mit zunehmender prozentualer Wassersättigung nimmt der spezifische Widerstand des Materials ab, so dass die niederohmigen Schichten von Störungszonen auf das Vorhandensein von Wasser hindeuten.

ERT Beispiel aus Chandran et al. (2014).

Der Standort Hobrechtsfelde war früher ein Rieselfeld. Der Untersuchungsort besteht aus 14 Beobachtungsbrunnen, die 1-2 Meter voneinander entfernt sind. In den Brunnen sind hochauflösende Druck- und Temperaturlogger verbaut. Der Standort eignet sich für Thermotracer-Tomographie-Experimente und hydraulische Tomographiestudien auf der 3D Ebene und kann für DTS Experimente genutzt werden. Um unterschiedliche hydraulischen Bedingungen zu untersuchen, ist ein Teil der Brunnen in einem oberen, ungespannten Grundwasserleiter und der andere Teil in einem unteren, gespannten Grundwasserleiter verfiltert.

Der östlich von Berlin gelegene Standort Rüdersdorf ist ein aktiver Kalksteinbruch. Er ist der wichtigste Pilotstandort im Rahmen von GRaCCE für die Entwicklung hydrogeophysikalischer Techniken zur Messung und Überwachung der Infiltration in der Vadosen Zone mittels TDR. Daher ist geplant am Standort mehrere vertikale und schräge Bohrlöcher anzulegen, die mit TDR-Bändern und Glasfaserkabeln bis zu einer Tiefe von 30 m ausgestattet werden sollen.