Grundwasseruntersuchungen in Lansdale , Pennsylvanina

1. Grundwasseruntersuchungen in Lansdale, Pennsylvanina Allgemeine Hydrogeologie SoSe 2012 Kathrin Kukla Maike Sievers

2. Übersicht Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Anlass der Grundwasseruntersuchungen • Geologie • Grundwassersystem • Single- Well Test • Multiple- Well Test • Simulation mit Numerischen Modell • Ausblick

3. Untersuchungsgebiet Untersuchungsgebiet (2,6 km²) Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

4. Anlass der Grundwasseruntersuchung Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

5. Anlass der Grundwasseruntersuchung Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

6. Geologie Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Hauptgesteinsarten: • Schiefer • Schluffstein • Sandstein • Das Gebiet Landsdale bildet eine Wasserscheide zwischen • Towamencin Creek (Südwest) • Wissahickon Creek (Südost) • Neshaminy Creek (Nord)

7. Grundwassersystem Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

8. Single- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

9. Lage der Brunnen Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

10. Single- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

11. Single- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Zone C

12. Single- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

13. Single- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Zone D

14. Chemische und physikalische Eigenschaften des Grundwassers Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

15. Multiple- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 1 Pumpbrunnen • Mehrere Beobachtungsbrunnen • Zusammenhang zwischen Transmissivität und Schichtrichtung des Aquifers bestimmen, sowie vertikale und horizontale Transmissivität • 3 unterschiedliche Modelle: • Isotropicsingle- aquifer model • Anisotropic model • Isotropictwo- aquifer model

16. Multiple- Well Test Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

17. Isotropicsingle- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

18. Isotropicsingle- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Rogers Mechanicalsite • 6 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen • Nur ein Beobachtungsbrunnen hat auf Abpumpen reagiert • Hydraulische Verbindung besteht zwischen Pumpbrunnen und Beobachtungsbrunnen über gleichen Aquifer

19. Isotropicsingle- aquifer model Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

20. Isotropicsingle- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • < 420 s instabile Förderrate • > 420 s stabile Förderrate • Übereinstimmung von Messergebnissen mit der Simulation

21. Anisotropic model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

22. Anisotropic model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • KeystoneHydraulicssite • 7 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen • Absenkung in 6 Beobachtungsbrunnen

23. Anisotropic model Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

24. Vergleich Anisotropic- und Isotropic model Anisotropie Isotropie Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Anwendung von 4 Beobachtungsbrunnen auf das Modell • Vergleich zeigt, dass die Messergebnisse mit der Simulation des anisotropen Modells überwiegend übereinstimmen

25. Isotropictwo- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

26. Isotropictwo- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Modellparameter • Gepumpter Aquifer • Transmissivität (T1) • Speicherkoeffizient (S1) • Nicht gepumpter Aquifer • Transmissivität (T2) • Speicherkoeffizient (S2) • Aquitard • Mächtigkeit (B) • Vertikale hydraulische Leitfähigkeit (KV) • Spezifischer Speicherkoeffizient (SS)

27. Isotropictwo- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

28. Isotropictwo- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • John Evans site • 10 Beobachtungsbrunnen, 1 Pumpbrunnen • Positive Absenkung in 7 Beobachtungsbrunnen • Negative Absenkung in 3 Beobachtungsbrunnen

29. Isotropictwo- aquifer model Brunnenanordnung Gemessene Wasserstände Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

30. Isotropictwo- aquifer model Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 4 Beobachtungsbrunnen, mit den größten gemessenen Absenkungen, können auf das Modell angewendet werden

31. Chemische Messungen Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Während der Test sind pH-Werte, gelöster Sauerstoff, spezifische Leitfähigkeit, flüchtige Kohlenwasserstoffe stabil • Mg- 1610 (KeystoneHydraulicssite) • PCE- (Tetrachlorethylen), TCE- (Trichlorethylen), cis- 1,2- DCE- (Dichlorethylen) Konzentrationen steigen leicht während des Tests an • Vermutlich kontaminiertes Wasser durch Pumpvorgang angezogen • Mg- 1609 (John Evans site) • Schwacher Anstieg von PCE-, TCE-, 1,1-DCE-, cis-1,2-DCE- Konzentrationen

32. Numerisches Modell (MODFLOW) Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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)

33. Modellgebiet Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Einteilung des Modellgebiets in hydrogeologische Gebiete • Lockatong Formation • Brunswick Group

34. Pumpauswirkungen Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Regionale Grundwasserströmungen • Simulation von unterschiedlichen Pumpzuständen • Kein Pumpen • Hohe Pumprate (1994) • Mittel bis hohe Pumprate (1997)  Ziel: Simulation von Fließwegen bekannter Kontaminationsquellen

35. Kein Pumpen Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

36. Hohe Pumprate (1994) Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

37. Vergleich keine und hohe Pumprate Kein Pumpen Hohe Pumprate (1994) Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania

38. Mittel bis hohe Pumprate (1997) Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Ausfall von vier Brunnen durch • defekten Brunnen • Stilllegung einer Produktionsstätte • Verändertes Fließverhalten des Grundwassers zu intakten Brunnen

39. Zusammenhang zwischen simulierter GW-Strömung und GW-Kontamination Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • 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

40. Ausblick Grundwasseruntersuchungen in Landsdale, Pennsylvania • Anhand der Messdaten und simulierten Grundwasserströmungen können weitere Planungen hinsichtlich der Machbarkeitsstudie für die Sanierung des Grundwassers durchgeführt werden

41. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!