Suolaisen veden tunkeutuminen

Termi suolaisen veden tunkeutuminen ( tunkeutuminen , substantiivi latinalaisesta verbistä intrudere , ' työntää sisään ' ) kuvaa suolaisen veden tunkeutumista makean veden pohjavesiin rannikkoa lähellä . Koska suolaveden ja makean veden tiheyserot eroavat toisistaan, tämä prosessi tapahtuu luonnollisesti lähes kaikilla rannikoilla, jotka rajaavat merivettä . Myrskyn nousut voivat myös luonnollisesti aiheuttaa suolaisen veden tunkeutumisen rannikkoalueille. Monissa tapauksissa tämä prosessi syntyy nyt myös pumppaamalla pohjavettä rannikon lähellä olevista kaivoista tai johtuen kuljetuskanavien rakentamisesta . Kanavat tarjoavat suolaiselle vedelle mahdollisuuden joutua kosketuksiin makean veden kanssa rannikon tasangoilla.

Vuodesta 1996 lähtien ihmiset ovat huomanneet ilmiön, että pohjavesi voi päinvastoin vaikuttaa merkittävästi rannikkovesien veden laatuun. Se, että harvinaisempia, pisteitä aiheuttavia lähteitä päästetään vähemmän kuin nitraattien ja ammoniumin hajanainen tunkeutuminen rannikkovesiin, tekee empiirisen todentamisen vaikeammaksi, mutta: "[...] ravinteikkaan pohjaveden tunkeutuminen rannikkovesiin voi merkittävästi edistää rehevöitymistä ja haitallisia leväkukintoja . "

Vaikutukset juomaveteen

Jos pohjavesi poistetaan nopeammin kuin se voi virrata sisään , pohjaveden pinta laskee. Tämä lasku vähentää hydrostaattista painetta . Jos tämä tapahtuu lähellä merenrantaa, maanalainen veden virtaus merestä tulee mahdolliseksi ja pohjavesi saastuu suolavedellä. Tämä tapahtuu nykyään lukuisissa rannikon paikoissa, esimerkiksi rannikkovaltiot Yhdysvalloissa .

Hydrologia

Suolaveden tunkeutuminen on normaali prosessi monissa pohjavesimuodostumissa lähellä merta, vaikka pohjavedenotto ei häiritsisi tilaa. Suolaveden tiheys on suurempi kuin makean veden, joten suolavesipylvään paine on hieman korkeampi kuin saman korkean makean veden pylvään alla. Jos pohjavesimuodostuma ja suolavesistö on liitetty toisiinsa, tämä johtaa veden virtaukseen tiheämmästä (suolavesi) vähemmän tiheään (makean veden) väliaineeseen syvyydessä, kunnes paineolosuhteet ovat tasapainossa.

Tämä suolaveden tasapainotus sisävesillä rajoittuu rannikon lähellä oleviin alueisiin. Sisämaassa pohjaveden pinta on korkeampi, koska maanpinta on siellä yleensä korkeampi, joten makean veden korkeampi paine riittää kestämään sisämaan suolaveden paineen. Sisämaan sisäpuolella olevan makean veden korkeampi vedenpinta luo myös merivirtausta pohjaveden yläosaan. Maan ja meren rajalla makea vesi virtaa kohti merta pohjaveden yläosassa; alaosassa merivesi on hydrostaattisessa tasapainossa yllä olevan makean veden kanssa. Suolaveden tunkeutuminen on siten kiilamainen.

Makean veden poisto pohjavedestä rikkoo tämän tasapainon vähentämällä makean veden painetta niin, että suolavesi liikkuu sisämaahan. Tämä voi johtaa siihen, että suolavesi pääsee uuttopisteisiin, jolloin ne pumppaavat murtovettä, eikä niitä voida enää käyttää juomaveteen tai kasteluun. Tällaisten vaikutusten estämiseksi rannikon lähellä olevaa pohjavettä seurataan intensiivisesti monissa maissa ja pohjaveden virtausta arvioidaan numeeristen mallien avulla .

Ghijben-Herzbergin yhtälö

Kuvassa on Ghyben-Herzbergin suhde (katso myös tekstin kaava), jossa h on makean veden vyöhykkeen paksuus merenpinnan yläpuolella ja Z on paksuus merenpinnan alapuolella.

Kun ranskalainen Joseph Du Commun kuvasi periaatetta ensimmäisen kerran esseessään vuonna 1828, suolaisen veden tunkeutumisen laskemisen fyysisen kaavan kehittivät itsenäisesti vuosina 1888/89 kaksi hollantilaista sotilasta J. Drabbe ja Willem Badon Ghyben (1845–1907, myös Willem Badon Ghijben kirjoitettu) ja saksalaisen rakennusinsinööri Alexander Herzbergin (1841–1912) julkaiseman 1901 . He kehittivät analyyttisiä ratkaisuja kuvaamaan tunkeutuvan suolaveden käyttäytymistä mahdollisimman tarkasti useiden olettamusten perusteella, jotka eivät kuitenkaan päde kaikissa tapauksissa.

Kaavaa, jota he löysivät, kutsutaan Ghijben-Herzbergin yhtälöksi , joskus myös DGH- efektiksi . Vaikutus noudattaa Archimedoksen periaatetta .

Kuva selventää kaavaa :; Valmiustila ${\ displaystyle z = {\ frac {\ rho f} {(\ rho s- \ rho f)}} h}$

• ${\ displaystyle h}$: makean veden korkeudelle merenpinnan yläpuolelle
• ${\ displaystyle z}$: Korkeudelle makean veden alle merenpinnan

Kaksi arvoa ja on liitetty toisiinsa niiden vastaavien tiheydet (makean veden: 1,0 grammaa kuutiosenttimetriä (g / cm) 20 ° C: ssa) ja (suolavesi: 1,025 g / cm). Yhtälö voidaan yksinkertaistaa lausekkeeksi .${\ displaystyle h}$${\ displaystyle z}$ ${\ displaystyle \ rho f}$${\ displaystyle \ rho s}$${\ displaystyle z \ = 40 h}$

Tässä muodossa Ghijben-Herzbergin yhtälö osoittaa, että käytettäessä rajoittamaton pohjaveteen, joka mittari makean veden yläpuolella merenpinnasta vastaa vesipatsaan 40 m alapuolella se - samanlainen ulkonäkö jäävuori kelluu suolaisessa vedessä , jossa vain murto -osa sen massasta on näkyvissä.

Nykyään, tietokone mallintaminen sallii käyttää numeerisia menetelmiä (yleensä rajallinen ero tai elementtimenetelmällä menetelmä ), jotka ovat paremmin erityisolosuhteet sijainti.

Suolaisen veden tunkeutumisen mallinnus

Suolaisen veden tunkeutumisen mallintaminen on vaikeaa useista syistä. Tyypillisiä ongelmia mallinnuksessa ovat:

• esiintyminen rakoja ja rakoja veden sisältävä kiviaines. Niiden läsnäololla tai poissaololla on suuri vaikutus suolaisen veden tunkeutumiseen, mutta niiden kokoa ja sijaintia ei tiedetä tarkasti.
• erilaisten hydraulisten ominaisuuksien esiintyminen pienessä mittakaavassa. Niillä voi myös olla suuri vaikutus pohjaveden käyttäytymiseen, mutta niiden pienen koon vuoksi niitä ei voida kuvata mallilla.
• hydraulisten ominaisuuksien muutos suolaveden tunkeutumisen vuoksi. Seosta, jossa suolaa ja makean veden usein ali- osalta kalsium , laukaisee kalsiumin liuos sekoituskammiossa vyöhykkeellä ja siten muuttaa hydrauliset ominaisuudet.
• prosessi tunnetaan kuin kationinvaihto- , mikä hidastaa etukäteen ja vetäytyä suolavettä ja tekee laskennat vaikeaa.
• se, että suolaisen veden tunkeutuminen on normaalisti liikkeessä eli ei tasapainossa, vaikeuttaa mallinnusjoukkojen hallintaa veden tason tai pumppausnopeuksien tietojen avulla.
• pitkän aikavälin mallinnuksen tapauksessa ilmaston pitkän aikavälin kehitystä ei tiedetä. Mallit ovat kuitenkin herkkiä esimerkiksi merenpinnan muutoksille ja pohjaveden täyttymisnopeudelle , joita muutoksia ei voida tarkasti ennakoida nykyisen tiedon perusteella.

Suolaveden tunkeutumisen estäminen suluissa

Monni Pond Ohjaus Structure (lukko) lukot Mermentau joen rannikon Louisiana

Suolaisen veden tunkeutuminen voi olla ongelma niillä sulkualueilla, joissa suolavesi kohtaa makean veden. Erikoislukot, kuten Washingtonin Hiram M.Chittenden-lukot , on varustettu keräysaltaalla, josta lukkoista pumpattu suolavesi kerätään ja voidaan pumpata takaisin veden suolaa sisältävään osaan. Tällä Hiram M. Chittenden Lukot, pieni osa suolasta myös vettä pumpataan , että kala tikkaat tehdä houkuttelevammaksi kalojen ylävirtaan.

Sama ongelma on IJmuiden on Alankomaissa . Pohjanmeren kanava joka johtaa sieltä Amsterdamin satamassa on suurimman osan ajasta tason alapuolella vedenpinta Pohjanmerellä . Vaikka on vain pieni lukko nosta 20 senttimetriä, suolavettä viedään kanava lähes jokaiseen lukkoon. Vuonna 2022 käyttöön otettavalla uudella IJmuiden- merilukolla, jossa on 500 metriä pitkä ja 70 metriä leveä lukkokammio , tunkeutuu noin 10 000 m³ Pohjanmeren vettä, mikä vastaa noin 40 kuorma-autopurkkia suolaa. Jotta suolavesi, jonka tiheys on suurempi, voidaan tyhjentää uudelleen mahdollisimman nopeasti, huuhtelukanavaan on vedettävä tukiseinä, joka sijaitsee yhdensuuntaisesti sulun kanssa. Kanava tyhjentää ylimääräisen veden maanpoistosta. Neljä metriä korkea aukko jää 70 metrin leveän seinän alle, jotta suolaveden suurempi tiheys voi virrata takaisin Pohjanmerelle mahdollisimman nopeasti.

Alueet, joissa on aktiivista suolaisen veden tunkeutumista

Aktiivinen suolaisen veden tunkeutuminen tapahtuu monilla rannikkoalueilla ympäri maailmaa. Esimerkkejä ongelma-alueita koskevat vesihuollon löytyy Beninissä , Kyproksella , Marokko , Pakistan , Tunisiassa tai lahden Bohai vuonna Kiinassa .

Kun Yhdysvallat , rannikon osuuksilla Floridan ja Georgian kanssa z. B. Chicot Aquifer , osa Gulf Coast Aquifer , alueen ympärillä San Leandro on Kaliforniassa ja alueella järven Pontchartrain vuonna Louisianassa .

kirjallisuus

• Sascha Wisser, Wolfgang Korthals, Heiko Gerdes, Yunshe Dong, Fulin Li, Rolf-Dieter Wilken: Suolaisen veden tunkeutuminen Bohainmeren rannikolla Kiinassa. Julkaisussa: GWF Wasser Abwasser. Osa 147, nro 7/8, 2006, ISSN  0016-3651 , s. 496-500 ( lyhyt versio ).
• Peter W.Swarzenski, John F.Bratton, John Crusius: Sukellusveneiden pohjaveden purku ja sen rooli rannikkoprosesseissa ja ekosysteemeissä . US Geological Survey, Reston (Virginia) 2004, doi : 10.3133 / ofr20041226 (englanti, online [PDF]). 
• WS Moore: Suuria pohjaveden tuloja rannikkovesiin 226Ra -rikastuminen . Julkaisussa: Nature . nauha 380 , 1996, s. 612-614 (englanti). 

nettilinkit

• M. Schipek: Harjoittele suolaisen veden tunkeutumista. Hydrogeologia II -seminaari - kesälukukausi 2007. TU Bergakademie Freiberg, hydrogeologian puheenjohtaja (PDF; 410 kB)
• Sebastian Bauer: Mallinnus sovelletussa geologiassa II: Geohydromodeling. Geotieteiden instituutti, Christian Albrechts University Kiel (PDF; 3,1 MB)

Yksilöllisiä todisteita