Grundwasser

, Volume 22, Issue 2, pp 83–101 | Cite as

Empirische Verfahren zur Ableitung verschiedener Porositätsarten aus Durchlässigkeitsbeiwert und Ungleichkörnigkeitszahl – ein Überblick

Übersichtsbeitrag

Zusammenfassung

Für die Berechnung hydraulischer Strömungsvorgänge in Lockergesteinen ist die realitätsnahe Quantifizierung der verschiedenen Hohlraumvolumenanteile (z. B. Gesamtporosität, durchflusswirksame Porosität, entwässerbare Porosität) erforderlich. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick zu den im deutschsprachigen Raum angewandten empirischen Verfahren der Porositätsschätzung aus Ungleichkörnigkeit und/oder Durchlässigkeitsbeiwert und bewertet diese hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit sowohl in der Hydrogeologie tertiärer und quartärer Lockergesteine Norddeutschlands als auch für Berechnungen von Schüttkorngütern. Die Literaturstudie umfasst Arbeiten von Lejbenson (1947), Istomina (1957), Beyer (1964), Hennig (1966), Golf (1966), Marotz (1968), Beyer und Schweiger (1969), Seiler (1973), Bureau of Reclamation (1984), Helmbold (1988), Beims und Luckner (1999), Balke et al. (2000) sowie Helmbold (2002).

Estimation of porosity from hydraulic conductivity and uniformity coefficient: a review

Abstract

This paper comprises a review of the 13 studies that have been proposed for the derivation of porosity, effective porosity and/or specific yield from grain size distributions (Lejbenson 1947; Istomina 1957; Beyer 1964; Hennig 1966; Golf 1966; Marotz 1968; Beyer und Schweiger 1969; Seiler 1973; Bureau of Reclamation 1984; Helmbold 1988; Beims und Luckner 1999; Balke et al. 2000; Helmbold 2002). Experimental design, limitations and application boundaries are discussed and methods are compared against each other. The quality of the predictive methods strongly depends on the experimental design and the sample type.

Keywords

Porosity estimation Sediments Grain size distribution Uniformity coefficient Specific yield Effective porosity 

Notes

Danksagung

Die Zusammenstellung der Originalliteratur hat sich über mehr als fünf Jahre hingezogen und wäre nicht ohne Hilfestellung zahlreicher Fachkollegen zustande gekommen. Zuallererst gilt unser Dank den Kollegen Dr. Gert Hennig (zuletzt HPC Merseburg) sowie Frieder Helmbold (zuletzt RWE), welche uns aus erster Hand über Ihre Forschungsarbeiten unterrichten konnten. Besonderen Dank möchten wir ebenfalls an Dr. Holger Mansel (IBGW Leipzig), Dr. Ingolf Arnold (Vattenfall Europe), Dr. Jaqueline Strahl (LBGR), Gunhild Kuhnhold (Fugro, HGN Nordhausen), Michael Tholen, Kerry F. Paul (IBB), Berthold Niehues (DVGW), Prof. Dr. Horst Robert Langguth (RWTH Aachen, im Ruhestand), sowie an Ursula Loof (Bibliothek Wissenschaftspark Albert Einstein) für Ihre Unterstützung beim Auffinden der Originalautoren und -publikationen aussprechen. Dieser Beitrag hat ebenso von der fachlichen Auseinandersetzung mit Prof. Dr. Ulrich Beims (Grundwasserforschungszentrum Dresden) profitiert, wofür wir ihm herzlich danken wollen. Zuletzt danken wir den anonymen Gutachtern für ihre hilfreichen Anregungen und Anmerkungen.

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Literatur

  1. Alway, F.J., McDole, G.R.: Relation of the water-retaining capacity of a soil to its hygroscopic coefficient. J Agric Res 9, 27–71 (1917)Google Scholar
  2. Balke, K.-D., Beims, U., Heers, W., Hölting, B., Homrighausen, R., Matthes, G.: Grundwasserschließung. Gebrüder Borntraeger, Kiel (2000). 740 SGoogle Scholar
  3. Bamberg, H.-F., Häfner, F.: Laborative Bestimmung von Porosität (Porenanteil) und Durchlässigkeit in Locker- und Festgesteinsproben. Z Angew Geol 27, 218–226 (1981)Google Scholar
  4. Bear, J.: Dynamics of fluids in porous media. American Elsevier, Dover (1972)Google Scholar
  5. Beims, U., Luckner, L.: Interne Studie des Dresdner Grundwasserforschungszentrum (1999). unveröffentlichtGoogle Scholar
  6. Beyer, W.: Beitrag zur Ermittlung der maßgeblichen Grundwasserfließgeschwindigkeit. S. 247. Dissertation, Technische Universität Dresden (1964)Google Scholar
  7. Beyer, W., Schweiger, K.H.: Zur Bestimmung des entwässerbaren Porenanteils der Grundwasserleiter. Wasserwirtsch Wassertech 19, 57–60 (1969)Google Scholar
  8. Bureau of Reclamation: Drainage manual. A water resources technical publication. U.S. Department of the Interrior, Denver (1984)Google Scholar
  9. Busch, K.-F., Luckner, L.: Geohydraulik. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (1973)Google Scholar
  10. Carman, P.C.: Fluid flow through granular beds. Trans Inst Chem Eng 15, 150–166 (1937)Google Scholar
  11. Carman, P.C.: Flow of gases through porous media. Butterworths Scientific Publications, London (1956)Google Scholar
  12. Chapuis, R.P.: Predicting the saturated hydraulic conductivity of soils: a review. Bull Eng Geol Environ 71, 401–434 (2012)CrossRefGoogle Scholar
  13. Cohen, P.M.: Specific-yield and particle-size relations of quaternary alluvium Humboldt River Valley, Nevada. Geological survey water supply paper 1669. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1963). 24 SGoogle Scholar
  14. Cohen, P.M.: Water resources or the Humboldt River Valley near Winnemucca. Geological survey water supply paper 1795. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1965). 143 SGoogle Scholar
  15. Conkling, H.: Ventura county investigation. Division of Water Resources, Sacramento, S. 244 (1934)Google Scholar
  16. Darcy, H.P.G.: Les fontaines publiques de la ville de Lyon: exposition et application des principes à suivre et des formules à employer dans les questions de distribution d’eau. Dalmont, Paris (1856). 647 SGoogle Scholar
  17. Davis, S.N., De Wiest, J.M.: Hydrogeology. John Wiley, New York (1966)Google Scholar
  18. Davis, G.H., Green, J.H., Olmsted, F.H., Brown, D.W.: Ground-water conditions and storage capacity in the San Joaquin Valley, California. U.S. geological survey water-supply paper 1469. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1959)Google Scholar
  19. De Wiest, J.M.: Flow through porous media. Academic Press, New York, S. 619 (1970)Google Scholar
  20. Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN ISO 14688-2:2013-12, Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden, Teil 2: Grundlagen für Bodenklassifizierung – Änderung 1 (ISO 14688-2:2004 + Amd 1:2013). 17 S. (2013)Google Scholar
  21. Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 4049-3:1994 – Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie. 80 S. (1994)Google Scholar
  22. DVGW: Technische Regel DVGW W 113: Bestimmung des Schüttkorndurchmessers und hydrogeologischer Parameter aus der Korngrößenverteilung für den Bau von Brunnen (2001)Google Scholar
  23. Fuchs, S.: Deterministische kf-Wert-Schätzung nach petrographischer Bohrgutansprache. Grundwasser 15(3), 177–189 (2010)CrossRefGoogle Scholar
  24. Golf, W.: Über die Beeinflussung der Spree durch die neuen Braunkohlentagebaue in der Niederlausitz. Freib Forschungsh A 667, 19 (1966)Google Scholar
  25. Hagen, G.H.L.: Über die Bewegung des Wassers in engen zylindrischen Röhren. Poggendorfs Ann Phys Chem 46, 423–442 (1839)CrossRefGoogle Scholar
  26. Hazen, A.: Some physical properties of sands and gravels, with special reference to their use in filtration. Publ. Doc. 34, 24th Annual Report. Massachusetts State Bureau of Health, Boston, S. 539–556 (1892)Google Scholar
  27. Helmbold, F.: Funktioneller Zusammenhang von Durchlässigkeit und entwässerbarem Porenraum in Sanden des Mitteldeutschen Braunkohlereviers. Unveröffentlichte Notiz, 2 S. (1988)Google Scholar
  28. Helmbold, F.: Beschreibung des Rechenprogrammes GWDREI, Programm zur Simulation der dreidimensionalen gesättigten Grundwassermengen- und Güteströmung, RWE Rheinbraun AG, unveröffentlicht (1992)Google Scholar
  29. Helmbold, F.: Beschreibung des Rechenprogrammes GWDREI, Programm zur Simulation der dreidimensionalen gesättigten Grundwassermengen- und Güteströmung, RWE Rheinbraun AG, unveröffentlicht (2002)Google Scholar
  30. Hennig, G.: Hydrogeologische Tabellen. VEB Projektierung- und Konstruktionsbüro Kohle (Ministerium für Grundstoffindustrie), Berlin (1966)Google Scholar
  31. Istomina, W.S.: Die Filterstabilität (Filterbeständigkeit) von Böden (in Russisch). Gosstrojizdat, Moskau Leningrad (1957)Google Scholar
  32. Johnson, A.I.: Specific yield-compilation of specific yields for various materials. USGS water supply paper 1662-D. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1967). 74 SGoogle Scholar
  33. Johnson, A.I., Prill, R.C., Morris, D.A.: Specific yield-column drainage and centrifuge moisture content. USGS water supply paper 1662-D. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1963)Google Scholar
  34. Kasenow, M.: Determination of hydraulic conductivity from grain size analysis. Water Resources Publications, Fort Collins (2002)Google Scholar
  35. Kollmann, W.: Die Bestimmung des durchflußwirksamen Porenvolumens von Sedimenten und seine Bedeutung für den Grundwasserschutz. Mitt Österr Geol Ges 79, 63–76 (1986)Google Scholar
  36. Kozeny, J.: Über kapillare Leitung des Wassers im Boden (Aufstieg, Versickerung und Anwendung auf die Bewässerung). Sitzungsber Akad Wiss Wien 136, 271–306 (1941)Google Scholar
  37. Langguth, H.-R., Voigt, R.: Hydrogeologische Methoden, 2. Aufl. Springer, Berlin, S. 1005 (2002)Google Scholar
  38. Lejbenson, L.S.: Die Bewegung natürlicher Flüssigkeiten und Gase in porösen Medien (in Russisch). OGIS-Gostechisdat, Moskau (1947)Google Scholar
  39. MacCary, L.M., Lambert, T.W.: Reconnaissance of ground-water resources of the Jackson purchase region, Kentucky. The Survey, Kentucky. Department of Economic Development, Washington D.C. (1962)Google Scholar
  40. Marotz, G.: Technische Grundlagen einer Wasserspeicherung im natürlichen Untergrund. Habilitationsschrift, Schriftenreihe des KWH (18) 228 S. (1968)Google Scholar
  41. McWhorter, D.B., Sunada, D.K.: Ground-water hydrology and well hydraulics. Water Resources Publications, Denver (1977)Google Scholar
  42. Meinzer, O.E.: Outline of ground-water hydrology, with definitions. U.S. geological survey water supply paper 494. United States Government Printing Office, Washington D.C. (1923). 71 SGoogle Scholar
  43. Nillert, P., Bachmann, A., Nillert, D.: Lagerungsabhängige Durchlässigkeit von Kies-/Sand- und Glaskugelfilterschüttungen. Grundwasser 20(2), 117–125 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  44. Piper, A.M., Gale, H.S., Thomas, H.E., Robinson, T.W.: Geology and ground-water hydrology of the Mokelumne area, California. United States Government Printing Office, Washington D.C., S. 230 (1939)Google Scholar
  45. Poiseuille, J.L.M.: Recherches expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diamètres; I. Influence de la pression sur la quantité de liquide qui traverse les tubes de très petits diamètres. C. R. Acad. Sci. 11, 961–967 (1840a)Google Scholar
  46. Poiseuille, J.L.M.: Recherches expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diamètres; II. Influence de là longueur sur la quantité de liquide qui traverse les tubes de très petits diamètres; III. Influence du diamètre sur la quantité de liquide qui traverse les tubes de très petits diamètres. C. R. Acad. Sci. 11, 1041–1048 (1840b)Google Scholar
  47. Poiseuille, J.L.M.: Recherches expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diamètres; IV. Influence de la temperature sur la quantité de liquide qui traverse les tubes de très petits diamètres. C R Acad Sci 12, 112–115 (1841)Google Scholar
  48. Reichel, F., Gutt, B., Kaubisch, M.: Rechnergestützte Modellierung des Grundwasseranstiegs in einer Förderbrückenkippe des Braunkohlenbergbaus. Neue Bergbautechnik 19, 103–109 (1989)Google Scholar
  49. Schweiger, K.H.: Beitrag zur Erfassung der vertikalen Filterströmung von Wasser und Mineralöl im Boden. S. 235. Dissertation, Universität Dresden (1967)Google Scholar
  50. Seiler, K.-P.: Durchlässigkeit, Porosität und Kornverteilung quartärer Kies-Sand-Ablagerungen des bayerischen Alpenvorlandes. gwf Wasser Abwasser 114, 353–400 (1973)Google Scholar
  51. Seiler, K.-P.: Nutzbares Hohlraumvolumen auffüllbares Hohlraumvolumen und Speicherkoeffizient. bbr 24, 363–365 (1975)Google Scholar
  52. Seiler, K.-P.: Durchlässigkeit und Porosität von Lockergesteinen in Oberbayern. Mitt Ing Hydrogeol 9, 105–126 (1979)Google Scholar
  53. Slichter, C.S.: Theoretical investigation of the motion of ground waters. U.S. geology survey, 19th annual report, Bd. 2., S. 295–384 (1899)Google Scholar
  54. Strzodka, K.: Hydrotechnik im Bergbau und Bauwesen, 3. Aufl. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, S. 403 (1975)Google Scholar
  55. Vienken, T., Dietrich, P.: Field evaluation of methods for determining hydraulic conductivity from grain size data. J Hydrol (Amst) 400(1–2), 58–71 (2011)CrossRefGoogle Scholar
  56. Vuković, M., Soro, A.: Determination of hydraulic conductivity of porous media from grain-size composition. Water Resources Publications, Littleton, S. 83 (1992)Google Scholar
  57. Wenzel, V.C., Fishel, L.K.: Methods for determining permeability of water-bearing materials. United States geological survey water supply paper 887. United States Government Printing Office, Washington (1942)Google Scholar
  58. Winkler, F.-M.: Ermittlung von geohydraulischen Kennwerten für das Kippenmaterial von Abraumförderbrücken-Kippen und Schlußfolgerungen für den Grundwasserwiederanstieg. N Bergbautech 14, 208–212 (1984)Google Scholar
  59. Zetinigg, H.: Folgerungen aus den Grundwasserverhältnissen für die Dimensionierung von Grundwasserschutzgebieten im Mur- und Mürztal. Österr Wasserwirtsch 35, 12 (1983)Google Scholar
  60. Kaubisch, M., Fischer, M.: Zur Berechnung des Filtrationskoeffzienten in Tagebaukippen – Teil 1: Die Ermittlung des Filtrationskoeffizienten aus Korngrößenanalysen in rolligen Kippen. Neue Bergbautechnik 14(9), 340 (1984)Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2017

Authors and Affiliations

  1. 1.Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Geothermische EnergiesystemeHelmholtz-Zentrum PotsdamPotsdamDeutschland
  2. 2.GCI GmbHKönigs WusterhausenDeutschland
  3. 3.BRUNI PLAN Dr. Peter NillertHeideseeDeutschland

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