Advertisement

Grundwasser

, Volume 19, Issue 1, pp 17–27 | Cite as

Hydraulische Charakterisierung eines urbanen Karstgrundwasserleiters auf Basis unkontrollierter Drucksignale

  • Stefan Spitzberg
  • Wolfgang Ufrecht
Fachbeitrag
  • 176 Downloads

Zusammenfassung

Unkontrollierte Natursignale (Erdbeben, Luftdruckänderungen, Erdgezeiten) sowie anthropogen ausgelöste Porendruckstörungen bewirken Druckimpulse im gespannten Karstgrundwasserleiter von Stuttgart. Insbesondere seismische Wellen erzeugen markante Schwingungen des Druckspiegels, deren Verläufe nicht nur von der Erdbebenstärke, sondern auch von der lokalen Transmissivität und Brunnengeometrie abhängen. Es wird die hydraulische Auswertung eines Hydro-Seismogramms vorgestellt. Der hoch durchlässige und gespannte Karstaquifer reagiert auf impulsartige Druckänderungen mit einer unterkritisch gedämpften Schwingung, sodass auch vorbeifahrende U- und S-Bahnen durch ihre Auflast zu kurzzeitigen Oszillationen im mehrere Zehner Meter tiefer gelegenen Karstgrundwasserleiter führen, die hydraulisch ausgewertet werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Systemverständnis eines Karstaquifers im urbanen Raum bei.

Hydraulic characterization of a karst aquifer in an urban environment focusing on erratic pressure signals

Abstract

Erratic natural signals (earthquakes, barometric fluctuations, earth tides) and anthropogenic induced pore pressure perturbations trigger pressure pulses in the confined karst aquifer of Stuttgart. Seismic waves in particular cause distinctive oscillations of pressure heads, whose characteristics are dependent not only on the magnitude of the earthquakes, but also on local transmissivity and well geometry. The hydraulic analysis of a hydro-seismogram is presented. The highly conductive and confined karst aquifer responds with underdamped oscillations to pulsed pressure changes; in this way passing subways induce (due to their load) short-period oscillations in the karst aquifer several tens of meters below the rail-track, which can be hydraulically evaluated. The insights gained help to understand karst aquifer systems in urban environments.

Keywords

Karst aquifer Earthquake Hydro-seismogram Underdamped oscillation 

Notes

Danksagung

Wir danken der Europäischen Gemeinschaft, die einen Teil der Untersuchungen mit dem Finanzierungsinstrument LIFE (LIFE08 ENV/D/000021) unterstützt. Für weitere Informationen siehe auch www.magplan-life.eu.

Literatur

  1. Bower, D.R.: Bedrock fracture parameters from the interpretation of well tides. J. Geophys. Res. 88(B6), 5025–5035 (1983) CrossRefGoogle Scholar
  2. Bredehoeft, J.D.: Response of well-aquifer systems to earth tides. J. Geophys. Res. 72(12), 3075–3087 (1967) CrossRefGoogle Scholar
  3. Brodsky, E.E., Roeloffs, E., Woodcock, D., Gall, I., Manga, M.: A mechanism for sustained groundwater pressure changes induced by distant earthquakes. J. Geophys. Res. 108(B8), 2390 (2003). doi: 10.1029/2002JB002321 CrossRefGoogle Scholar
  4. Butler, J.J.: The Design, Performance and Analysis of Slug Tests, 252 S. Lewis Publishers, Boca Raton (1998) Google Scholar
  5. Butler, J.J., Jin, W., Mohammed, G.A., Reboulet, E.C.: New insights from well responses to fluctuations in barometric pressure. Ground Water 49(4), 525–533 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  6. Cooper, H.H., Bredehoeft, J.D., Papadopulos, I.S., Bennett, R.R.: The response of well-aquifer systems to seismic waves. J. Geophys. Res. 70(16), 3915–3926 (1965) CrossRefGoogle Scholar
  7. Hsieh, P.A., Bredehoeft, J.D.: Determination of aquifer transmissivity from earth tide analysis. Water Resour. Res. 23(10), 1824–1832 (1987) CrossRefGoogle Scholar
  8. Jacob, C.E.: Fluctuations in artesian pressure produced by passing railroad trains as shown in a well on Long Island, New York. Trans. Am. Geophys. Union 20(4), 666–674 (1939) CrossRefGoogle Scholar
  9. Jacob, C.E.: On the flow of water in an elastic artesian aquifer. Trans. Am. Geophys. Union 21, 574–586 (1940) CrossRefGoogle Scholar
  10. Kobus und Partner GmbH: Auswirkungen von Luftdruckänderungen auf die Schüttungen der Heil- und Mineralquellen und Möglichkeiten der Luftdruckbereinigung von Schüttungsdaten am Beispiel des Brunnens im Maurischen Garten. Unveröff. Aktenvermerk, 10 S. Stuttgart (2003) Google Scholar
  11. Koch, U.: Einsatz der Seismohydrologie zur Erdbebenprognose im Vogtland. Schriftenreihe des Sächsischen Landesamts für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, 34 S. Abschlussbericht 2011–2012, Dresden (2012) Google Scholar
  12. Krauss, I.: Die Bestimmung der Transmissivität von Grundwasserleitern aus dem Einschwingverhalten des Brunnen-Grundwasserleitersystems. J. Geophys. 40, 381–400 (1974) Google Scholar
  13. Krauss, I.: Das Einschwingverfahren – Transmissivitätsbestimmung ohne Pumpversuch. GWF. Wasser, Abwasser 118(9), 407–410 (1977) Google Scholar
  14. Krauss, I.: Abschätzung der Transmissivität des Grundwasserleiters aus seismischen Reaktionen in Brunnen. Wasserwirtschaft 68, 5–9 (1978) Google Scholar
  15. Rojstaczer, S.: Determination of fluid flow properties from the response of water levels in wells to atmospheric loading. Water Resour. Res. 24(11), 1927–1938 (1988) CrossRefGoogle Scholar
  16. Schenk, E., Krauss, I.: Hydroseismische Beobachtungen an Grundwasserbeobachtungsbrunnen im Festgestein und ihre hydrogeologische Bedeutung. Z. Dtsch. Geol. Ges. 128, 15–27 (1972) Google Scholar
  17. Schulze, K.: Charakter von Fluidpegel- und Porendruckschwankungen in Tiefbohrungen – Ergebnisse von KTB und Kola, 244 S. Shaker, Aachen (2002) Google Scholar
  18. Spitzberg, S., Schollenberger, U., Carle, A., Ufrecht, W.: Schadstofftransfer im System Keuper – Muschelkalk in der Stuttgarter Innenstadt. In: Hydrogeologie des Stuttgarter Mineralwassersystems. Schriftenreihe des Amts für Umweltschutz, Bd. 3, S. 129–151. (2006) Stuttgart Google Scholar
  19. Stober, I.: Die Gezeiten der Erde in ihren Auswirkungen auf das Grundwasser. Dsch. Gewass. Mitt. 36(5/6), 142–147 (1992) Google Scholar
  20. Ufrecht, W.: Das Mineralwasser von Stuttgart-Bad Cannstatt und Berg – Eine Einführung in die Geologie, Geohydraulik und Hydrochemie des Systems. In: Das Mineral- und Heilwasser von Stuttgart. Schriftenreihe des Amts für Umweltschutz, Bd. 2/1994, S. 13–48 (1994) Stuttgart, Google Scholar
  21. Wang, C., Manga, M.: Earthquakes and Water. Lecture Notes in Earth Sciences, Bd. 114, S. 225. Springer, Berlin (2010) Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Authors and Affiliations

  1. 1.BoSS Consult GmbHStuttgartDeutschland
  2. 2.Amt für UmweltschutzLandeshauptstadt StuttgartStuttgartDeutschland

Personalised recommendations