Entwicklung effizienter Brunnen-Erkundungsmethoden
Grundwasser ist eine wichtige natürliche Ressource.Ein Viertel der gesamten Wasserversorgung in Deutschland stammt aus Grundwasser, und mehr als 70% des hiesigen Trinkwassers wird daraus gewonnen.Grundwasser unterstützt landwirtschaftliche Aktivitäten, trägt zu industriellen Prozessen bei und fungiert als natürlicher Filter, der Schadstoffe reduziert und die Wasserqualität verbessert.Diese lebenswichtige Ressource ist jedoch zunehmend durch Verunreinigungen aus diesen landwirtschaftlichen und industriellen Quellen sowie durch anhaltende Dürren bedroht und ist daher von großem Interesse für die Umweltforschung.
Die Hydrogeologie steht vor zwei wesentlichen Herausforderungen:Erstens liegen nur spärliche Messungen zu zentralen Größen wie Porosität oder Permeabilität vor, die oft sowohl räumlich als auch zeitlich nur unzureichend aufgelöst sind.Zweitens führt die heterogene Verteilung dieser Eigenschaften, aufgrund komplexer geologischer Prozesse, zu einer starken Variabilität von lokalen bis hin zu regionalen Skalen.Zusammen erschweren diese Faktoren eine präzise Einschätzung der unterirdischen Strömung.Eine Möglichkeit, die Punktmessungen dieser Größen zu ergänzen, besteht darin, hydrologische Tests durchzuführen, die das Reaktionsverhalten eines Aquifers unter bestimmten Bedingungen erfassen, wie zum Beispiel Pumpversuche an Grundwasserbrunnen.
In dieser Arbeit wird ein ganzheitliches Framework zur Analyse von Grundwasserströmungen in heterogenen Aquiferen vorgestellt, das fortschrittliche geostatistische Methoden, (halb) analytische Lösungen und numerische Simulationen kombiniert, um die Auswertung von Pumpversuchsdaten zu verbessern.Aufbauend auf klassischen Formulierungen wie den Lösungen von Thiem und Theis für Pumpversuche in homogenen porösen Medien haben wir das „extended Generalized Radial Flow“ (eGRF) Modell abgeleitet.Dieses Modell kann auf effektive Transmissivitätsdarstellungen für heterogene Aquifere angewandt werden und erlaubt nicht ganzzahlige Strömungsdimensionen.Um sein Potenzial zu demonstrieren, wendeten wir das eGRF-Modell auf eine Reihe effektiver Transmissivitätsformulierungen an, die verschiedene Merkmale von Heterogenität beschreiben.Darüber hinaus haben wir aus dem eGRF-Modell abgeleitete Typkurven zur Schätzung von Heterogenitätsparametern an zwei hydrologischen Feldstandorten verwendet und damit seine praktische Anwendbarkeit bestätigt.
Die Heterogenität des Untergrundes wird von uns dabei durch geostatistische Kenngrößen charakterisiert, die aus der Zweipunktstatistik abgeleitet werden, und zwar durch den Mittelwert, die Varianz und die Korrelationslänge der logarithmischen hydraulischen Leitfähigkeit sowie durch einen Formparameter in den Variogrammfunktionen, der die Rauheit der Verteilung beschreibt.Insbesondere nutzten wir eine spezielle Formulierung für beschränkte Potenzgesetz-Variogramme, um eine integrale Variogrammfunktion als Überlagerung einfacherer Modelle einzuführen, welche die Subskalen-Variabilität der Transmissivitätsverteilung berücksichtigt.Daraus leiteten wir eine neuartige Formulierung für eine effektive Transmissivität ab, welche mit dem oben genannten eGRF-Modell verwendet werden kann.Die resultierenden Ergebnisse zeigen, dass die effektive Absenkung in persistenten (d. h. eher glatten) Feldern nur geringfügig von der Rauigkeit beeinflusst wird, während in antipersistenten (d. h. eher rauen) Feldern die Druckspiegelreaktion bei zunehmender Rauigkeit rasch in Richtung der klassischen Thiem- und Theis-Lösungen konvergiert.Damit schließen wir eine lang bestehende Lücke in der Literatur zum Einfluss der Rauigkeit der Transmissivitätsverteilung auf Pumpversuchsdaten.
Um diese theoretischen Ergebnisse zu validieren und ihre praktische Anwendung zu ermöglichen, haben wir eine modulare Open-Source Software-Suite in Python entwickelt, welche welltestpy für die Auswertung von Pumpversuchen, AnaFlow für (halb) analytische Grundwasserströmungslösungen, ogs5py für Finite-Element Grundwassersimulationen und GSTools als geostatistische Toolbox zur Generierung von Zufallsfeldern und Variogrammanalysen umfasst.Dieses umfängliche virtuelle Labor ermöglicht automatisierte Workflows von der Datenaufbereitung und Parameterschätzung bis hin zur Ensemblesimulationen und reduziert so die Unsicherheiten bei der Charakterisierung von Aquiferen.Darüber hinaus stellt es robuste Werkzeuge für das Grundwassermanagement bereit.Mit der Durchführung von Ensemblesimulationen von Pumpversuchen auf spezifizierten Transmissivitätsfeldern konnten wir die Richtigkeit des eGRF-Modells, der effektiven integralen Transmissivitätsfunktion und der implementierten Schätzroutinen nachweisen, um die gezogenen Schlussfolgerungen zu untermauern.Darüber hinaus wurde durch eine umfangreiche Literaturrecherche eine Datenbank für geostatistische Parameter zusammengestellt, in der typische Wertebereiche für verschiedene geologische Gegebenheiten katalogisiert sind.Diese Parameter, wie z. B. Korrelationslängen, Varianzen und Anisotropieverhältnisse, bieten eine solide Referenz für die Initialisierung und Kalibrierung hydrogeologischer Modelle.Durch die systematische Aufbereitung dieser Informationen stellt die Dissertation nicht nur die Reproduzierbarkeit sicher, sondern bietet auch eine praktische Ressource sowohl für Forschende als auch für Menschen in der Praxis, die fundierte geostatistische Erkenntnisse in ihre eigenen Grundwasseruntersuchungen integrieren möchten.
Insgesamt schlägt diese Arbeit eine Brücke zwischen theoretischer Geostatistik und praktischen hydrogeologischen Anwendungen und bietet einen wesentlichen Fortschritt im Verständnis und in der Modellierung der Grundwasserströmung in komplexen, heterogenen Medien.