Outcrop analogue studies - implications for groundwater flow and contaminant transport in heterogeneous glaciofluvial quaternary deposits

Abstract

Groundwater from gravel-filled valley aquifers is an important source for drinking water supplies in many regions. At the same time these aquifers are endangered by different sources of pollution from industrial and agricultural activities commonly located within these valleys. As experience shows, the subsurface characterisation of such heterogeneous sand and gravel aquifers is often insufficient for detailed reactive transport predictions. In particular, high resolution, hydraulic and hydrogeochemical aquifer data is required for accurate groundwater risk assessments, clean-up studies or the optimisation of investigation methods. However, these saturated aquifers are not directly accessible. Thus one option to evaluate relevant Parameters are aquifer or outcrop analogue studies of accessible outcrops, which represent similar stratigraphy and lithology.

For this purpose sand and gravel outcrops were investigated in the Quaternary of SW Germany, particularly in the area north and northwest of the Lake Constance. The outcrops were photographed and the internal structures interpreted and mapped by digitising, based on a scheme of 23 lithofacies adapted from the architectural element analysis and lithofacies classification commonly used in sedimentology. The resulting high resolution 2D sedimentological data Sets each covering an area of approximately 25 m by 5 m were combined in a database. To provide hydrogeological parameters for the different lithofacies various measurements were performed. Characteristic hydraulic conductivities and porosities for the lithofacies types were derived from in situ and laboratory gas tracer and pneumatic experiments, water permeameter tests and sieve analysis data. For the gas tracer and pneumatic experiments a new technique was developed.

The sedimentological data sets were extended by the incorporation of the hydrogeological parameters. Regrouping of the lithofacies types led to five relevant hydrofacies types (bimodal, Open framework, planar/trough/horizontal and massive gravels, and sands).

Consequences for the hydraulics of groundwater flow and for contaminant transport in such subsurface heterogeneities, comprising of homogeneous hydrofacies elements, were discussed on the basis of one example outcrop. It was found that in the environments investigated it is very unlikely that the local high conductivity zones described by Open framework gravels are connected regionally to preferentiaI flow paths. Furthermore the Simulation of sorptive transport of a hydrocarbon contaminant demonstrated the importance of incorporating kinetic sorption into the transport model. Under natural flow conditions the contact time of contaminated water with the aquifer material is so short that only in finer grained material, such as sand, can equilibrium sorption conditions be achieved. Hence, the effective retardation of a contaminant front depends highly on the proportion of sands through which it passes.

Grundwasser aus kieshaltigen Talaquiferen stellt in vielen Regionen eine bedeutende Trinkwasserresource dar. Gleichzeitig sind diese Grundwasserleiter aber auch bedroht durch verschiedene Verunreinigungsquellen von in den Tälern angesiedelter industrieller und landwirtschaftlicher Nutzung. Wie die Erfahrung zeigt, ist die Characterisierung des Untergrunds dieser heterogenen Sand- und Kiesaquifere für detailierte Vorhersagen reaktiven Transports oft unzureichend. Für eine genaue grundwasserbezogenen Risikoabschätzung, Sanierungsuntersuchungen oder die Optimierung von Untersuchungsmethoden sind insbesondere hochaufgelöste hydraulische und hydrogeochemische Aquiferdaten notwendig. Diese Grundwasserleiter sind jedoch nicht direkt zugänglich, daher muß die Bestimmung relevanter Parameter durch die Nutzung von Aquifer-, bzw. Aufschlußanalogverfahren, die die Stratigraphie und Lithographie des Aquifers repräsentieren, erfolgen.

Zu diesem Zweck wurden Sand- und Kiesaufschlüsse im Quartär SW Deutschlands, insbesondere in der Region nördlich und nordwestlich des Bodensees, untersucht. Die Aufschlüsse wurden photographiert und die internen Strukturen anhand einer Aufstellung von 23 Lithofazies, die aus den in der Sedimentologie gebräuchlichen Architekturelementanalyse und Lithofazies Klassifizierungen abgeleitet wurden, interpretiert und mittels Digitalisierung kartiert. Die erhaltenen hochaufgelösten 2D sedimentologischen Datensätze von jeweils ca. 25 m mal 5 m wurden in einer Datenbank zusammengefaßt. Um hydrogeologische Parameter für die Lithofazies zur Verfügung zu stellen, wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Charakteristische hydraulische Durchlässigkeiten und Porositäten für die Lithofazies Typen wurden von in situ und Labor-, Gastracer und -pneumatik Versuchen, sowie Wasserpermeameter-Experimenten und Siebanalysendaten ermittelt. Für die Gastracer- und -pneumatikversuche wurde ein neues Meßverfahren entwickelt.

Die sedimentologischen Datensätze wurden unter Einbeziehung der hydrogeologischen Parameter erweitert. Dabei konnten durch eine Neugruppierung der Lithofaziestypen fünf relevante Hydrofazies definiert werden (bimodale Kiese, Rollkiese, planare/trogförmige/horizontale und massive Kiese, sowie Sande).

Konsequenzen für die Hydraulik der Grundwasserströmung und für den Schadstofftransport in derartigen, aus homogenen Hydrofazieselementen bestehenden Untergrundheterogenitäten wurden auf der Basis eines Beispielaufschlusses diskutiert. In den untersuchten Regionen ist es demnach sehr unwahrscheinlich, daß lokal hochdurchlässige Zonen, die durch Rollkieslagen beschrieben werden, regional zu bevorzugten Fließwegen verbunden sind. Außerdem wurde durch die Simulation sorptiven Schadstofftransports einer Kohlenwasserstoffverbindung die Wichtigkeit der Berücksichtigung von kinetischem Sorptionsverhalten im Transportmodell demonstriert. Unter natürlichen ~rundwasserfließbedingungen ist die Kontaktzeit des kontaminierten Grundwassers mit dem Aquifermaterial so gering, daß nur in feinkörnigem Material, wie z.B. Sand, die Bedingungen für Gleichgewichtssorption erreicht werden können. D.h. die effektive Retardation einer Kontaminantionsfront hängt stark von den durchströmten Sandanteilen ab.