Spezielle Lagerung

In der Hydrogeologie bezeichnen Speichereigenschaften physikalische Größen, die die Fähigkeit eines Grundwasserleiters zur Freisetzung von Grundwasser charakterisieren . Zu diesen Eigenschaften zählen die Speicherkapazität (S), die spezifische Speicherkapazität (S_{_s} ) und die spezifische Ergiebigkeit (S_{_y} ). Laut Freeze und Cherry (1979) ist die spezifische Speicherkapazität [m^{⁻¹ ] eines gesättigten} Grundwasserleiters definiert als das Wasservolumen, das ein Einheitsvolumen des Grundwasserleiters bei einer Verringerung des hydraulischen Drucks um eine Einheit freisetzt. ^{[ 1 ]}${\displaystyle S_{s}}$

Sie werden häufig durch eine Kombination aus Feldversuchen (z. B. Aquifertests ) und Laboruntersuchungen an Aquifermaterialproben ermittelt. In jüngster Zeit wurden diese Eigenschaften auch mithilfe von Fernerkundungsdaten bestimmt , die mittels interferometrischem Synthetic-Aperture-Radar gewonnen wurden . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Die Speicherkapazität bzw. der Speicherkoeffizient ist das Wasservolumen , das pro Einheit des Druckabfalls im Grundwasserleiter und pro Flächeneinheit des Grundwasserleiters aus dem Speicher freigesetzt wird. Die Speicherkapazität ist eine dimensionslose Größe und stets größer als 0.

${\displaystyle S={\frac {dV_{w}}{dh}}{\frac {1}{A}}=S_{s}b+S_{y}\,}$

• ${\displaystyle V_{w}}$ist das aus dem Speicher freigesetzte Wasservolumen ([L ³ ]);
• ${\displaystyle h}$ist die hydraulische Förderhöhe ([L]).
• ${\displaystyle S_{s}}$ist der spezifische Speicher
• ${\displaystyle S_{y}}$ist der spezifische Ertrag
• ${\displaystyle b}$ist die Dicke des Grundwasserleiters
• ${\displaystyle A}$ist die Fläche ([L ² ])

Bei einem gespannten Grundwasserleiter oder einer Grundwasserstauer ist die Speicherkapazität der vertikal integrierte spezifische Speicherwert. Die spezifische Speicherkapazität ist das Wasservolumen, das bei einer Druckabfallrate von einer Einheit aus einem Volumen des Grundwasserleiters freigesetzt wird. Sie hängt sowohl von der Kompressibilität des Grundwasserleiters als auch von der Kompressibilität des Wassers selbst ab. Unter der Annahme, dass der Grundwasserleiter oder die Grundwasserstauer homogen ist :

${\displaystyle S=S_{s}b\,}$

Bei einem ungespannten Grundwasserleiter ist die Speicherkapazität annähernd gleich der spezifischen Ergiebigkeit ( ), da die Freisetzung aus der spezifischen Speicherkapazität ( ) typischerweise um Größenordnungen geringer ist ( ). ${\displaystyle S_{y}}$${\displaystyle S_{s}}$${\displaystyle S_{s}b\ll \!\ S_{y}}$

${\displaystyle S=S_{y}\,}$

Der spezifische Speicherwert ist die Wassermenge, die ein Teil eines Grundwasserleiters pro Massen- oder Volumeneinheit des Grundwasserleiters pro Änderung der hydraulischen Höhe freisetzt, während er vollständig gesättigt bleibt.

Die massenspezifische Speicherkapazität ist die Wassermasse, die ein Grundwasserleiter pro Masse des Grundwasserleiters und pro Einheit der Abnahme des hydraulischen Drucks aus seinem Speicher freisetzt:

${\displaystyle (S_{s})_{m}={\frac {1}{m_{a}}}{\frac {dm_{w}}{dh}}}$

Wo

${\displaystyle (S_{s})_{m}}$ist die massenspezifische Speicherkapazität ([L ⁻¹ ]);

${\displaystyle m_{a}}$ist die Masse desjenigen Teils des Grundwasserleiters, aus dem das Wasser freigesetzt wird ([M]);

${\displaystyle dm_{w}}$ist die Masse des aus dem Speicher freigesetzten Wassers ([M]); und

${\displaystyle dh}$ist der Rückgang der hydraulischen Höhe ([L]).

Die volumetrische spezifische Speicherung (oder volumenspezifische Speicherung ) ist das Wasservolumen, das ein Grundwasserleiter pro Volumen des Grundwasserleiters pro Einheit der Abnahme des hydraulischen Drucks aus seinem Speicher freisetzt (Freeze und Cherry, 1979):

${\displaystyle S_{s}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dh}}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dp}}{\frac {dp}{dh}}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dp}}\gamma _{w}}$

Wo

${\displaystyle S_{s}}$ist der volumetrische spezifische Speicher ([L ⁻¹ ]);

${\displaystyle V_{a}}$ist das Gesamtvolumen desjenigen Teils des Grundwasserleiters, aus dem das Wasser freigesetzt wird ([L ³ ]);

${\displaystyle dV_{w}}$ist das aus dem Speicher freigesetzte Wasservolumen ([L ³ ]);

${\displaystyle dp}$ist der Druckabfall ( N • m ⁻² oder [ML ⁻¹ T ⁻² ]);

${\displaystyle dh}$ist der Rückgang der hydraulischen Höhe ([L]) und

${\displaystyle \gamma _{w}}$ist das spezifische Gewicht von Wasser ( N ​​•m ⁻³ oder [ML ⁻² T ⁻² ]).

In der Hydrogeologie ist die volumetrische spezifische Speicherkapazität wesentlich häufiger anzutreffen als die massenspezifische Speicherkapazität . Daher bezieht sich der Begriff spezifische Speicherkapazität im Allgemeinen auf die volumetrische spezifische Speicherkapazität .

Hinsichtlich messbarer physikalischer Eigenschaften lässt sich die spezifische Speicherkapazität wie folgt ausdrücken:

${\displaystyle S_{s}=\gamma _{w}(\beta _{p}+n\cdot \beta _{w})}$

Wo

${\displaystyle \gamma _{w}}$ist das spezifische Gewicht von Wasser ( N ​​•m ⁻³ oder [ML ⁻² T ⁻² ])

${\displaystyle n}$ist die Porosität des Materials (dimensionsloses Verhältnis zwischen 0 und 1)

${\displaystyle \beta _{p}}$ist die Kompressibilität des gesamten Grundwasserleitermaterials (m ² N ⁻¹ oder [LM ⁻¹ T ² ]), und

${\displaystyle \beta _{w}}$ist die Kompressibilität von Wasser (m ² N ⁻¹ oder [LM ⁻¹ T ² ])

Die Kompressibilitätsglieder setzen eine gegebene Spannungsänderung in Beziehung zu einer Volumenänderung (einer Dehnung). Diese beiden Glieder lassen sich wie folgt definieren:

${\displaystyle \beta _{p}=-{\frac {dV_{t}}{d\sigma _{e}}}{\frac {1}{V_{t}}}}$

${\displaystyle \beta _{w}=-{\frac {dV_{w}}{dp}}{\frac {1}{V_{w}}}}$

Wo

${\displaystyle \sigma _{e}}$ist die effektive Spannung (N/m ² oder [MLT ⁻² /L ² ])

Diese Gleichungen beschreiben die Änderung des Gesamtwasservolumens (V_w oder V _s ) pro Änderung der angelegten Spannung (effektive Spannung – oder Porenwasserdruck – σ_e) pro Volumeneinheit. Die Kompressibilitäten (und damit auch S_{_s}) lassen sich mithilfe der Konsolidierungstheorie der Bodenmechanik (entwickelt von Karl Terzaghi ) aus Laborkonsolidierungsversuchen (in einem Konsolidometer) abschätzen. ${\displaystyle V_{t}}$${\displaystyle V_{w}}$${\displaystyle \sigma _{e}}$${\displaystyle p}$

Aquifertestanalysen liefern Schätzwerte für die Speicherkapazität von Aquifersystemen , indem sie die Absenkung und Erholung des Wasserspiegels in Brunnen unter dem Einfluss von Belastungen untersuchen, die typischerweise durch das Abpumpen von Wasser aus nahegelegenen Brunnen hervorgerufen werden. ^{[ 4 ]}

Elastische und inelastische Speicherkoeffizienten des Skeletts lassen sich mithilfe einer von Riley entwickelten grafischen Methode abschätzen. ^{[ 5 ]} Diese Methode beinhaltet das Auftragen der angelegten Spannung ( hydraulischer Druck ) auf der y-Achse gegen die vertikale Dehnung bzw. Verschiebung (Verdichtung) auf der x-Achse. Die inversen Steigungen der dominanten linearen Trends in diesen Verdichtungs-Druck-Trajektorien geben die Speicherkoeffizienten des Skeletts an. Die zur Erstellung der Spannungs-Dehnungs-Kurve verwendeten Verschiebungen können mittels Extensometern [ ^{5 ] [ 6 ] ,} InSAR ^{[ 7 ]} oder Nivellierung ^{[ 8 ]} ermittelt werden .

Laborkonsolidierungsversuche liefern Messwerte des Konsolidierungskoeffizienten im inelastischen Bereich und ermöglichen die Bestimmung der vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit . ^{[ 9 ]} Die spezifische Speicherkapazität des Skeletts im inelastischen Bereich kann durch Berechnung des Verhältnisses von vertikaler hydraulischer Leitfähigkeit zum Konsolidierungskoeffizienten ermittelt werden.

Simulationen der Landabsenkung berücksichtigen Daten zur Speicherung von Grundwasserleitern und zur hydraulischen Leitfähigkeit . Die Kalibrierung dieser Modelle kann zu optimierten Schätzungen der Speicherkoeffizienten und der vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit führen . ^{[ 8 ] [ 10 ]}

Die spezifische Ergiebigkeit , auch als entwässerbare Porosität bezeichnet, ist ein Verhältnis und gibt den Volumenanteil des Gesamtvolumens des Grundwasserleiters an , den dieser liefert, wenn das gesamte Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft abfließen kann:

${\displaystyle S_{y}={\frac {V_{wd}}{V_{T}}}}$

Wo

${\displaystyle V_{wd}}$ist das Volumen des abgelassenen Wassers, und

${\displaystyle V_{T}}$ist das gesamte Gesteins- oder Materialvolumen

Die spezifische Ergiebigkeit wird hauptsächlich für ungespannte Grundwasserleiter verwendet, da die elastische Speicherkomponente relativ klein ist und üblicherweise einen vernachlässigbaren Beitrag leistet. Die spezifische Ergiebigkeit kann nahe an der effektiven Porosität liegen, jedoch machen einige Feinheiten diesen Wert komplexer als es zunächst scheint. Selbst nach der Entwässerung verbleibt stets etwas Wasser im Grundwasserleiter; es haftet an den Sand- und Tonkörnern. Zudem kann der Wert der spezifischen Ergiebigkeit aufgrund von Komplikationen durch ungesättigte Strömung erst nach langer Zeit vollständig erreicht werden. Probleme im Zusammenhang mit ungesättigter Strömung werden mithilfe der numerischen Lösung der Richards-Gleichung simuliert , welche die Bestimmung der spezifischen Ergiebigkeit erfordert, oder mithilfe der numerischen Lösung der Bodenfeuchte-Geschwindigkeitsgleichung , die keine Bestimmung der spezifischen Ergiebigkeit benötigt. ${\displaystyle S_{s}}$

• Grundwasserleitertest
• Bodenmechanik
• Die Grundwasserströmungsgleichung beschreibt, wie diese Begriffe im Kontext der Lösung von Grundwasserströmungsproblemen verwendet werden.

• Freeze, RA und JA Cherry. 1979. Grundwasser . Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, NJ. 604 S.
• Morris, D. A. und A. I. Johnson. 1967. Zusammenfassung der hydrologischen und physikalischen Eigenschaften von Gesteins- und Bodenmaterialien, analysiert vom Hydrologischen Labor des US Geological Survey 1948-1960 . US Geological Survey Water Supply Paper 1839-D. 42 S.
• De Wiest, RJ (1966). Über den Speicherkoeffizienten und die Gleichungen der Grundwasserströmung. Journal of Geophysical Research, 71(4), 1117–1122.

Spezifisch