Speicherkoeffizient

Der Speicherkoeffizient S_s beschreibt in der Hydrogeologie die Fähigkeit eines Grundwasserleiters Wasser zu speichern oder abzugeben. Der Speicherkoeffizient kann als Maß für die Kompressibilität des Grundwasserleiters angesehen werden. Verantwortlich für die Speicherkapazität ist die Kompressibilität von im Porenraum eingeschlossenen Luftbläschen, von Wasser und Korngerüst. Eine Erhöhung des Druckzustandes im Grundwasserleiter bewirkt beispielsweise eine Verdichtung des strömenden Fluids. Gleichzeitig wird die Korngerüstspannung erhöht, was eine Zunahme des Hohlraumanteils zur Folge hat. Die elastische Verformungen von Fluid und Korngerüst infolge Druckzunahme bewirken eine Wasseraufnahme im Korngerüst. Dieser Vorgang ist reversibel, daher erfolgt bei einer Druckentlastung (z. B. bei Brunnenförderung) eine Abgabe von Wasser aus dem Korngerüst. Erst wenn das Wasser aus der Speicherveränderung abgegeben oder aufgenommen wurde kann eine Druckänderung sich im Grundwasserleiter ausbreiten. Das ist bedeutsam, wenn die zeitliche Druckänderung Δp/Δt im Vergleich zur hydraulischen Durchlässigkeit k des Grundwasserleiters rasch erfolgt, beispielsweise bei der Entwässerung einer in das Grundwasser reichende Baugrube.

Formal unterscheidet man zwischen dem Speicherkoeffizient und dem Spezifischen Speicherkoeffizienten.

Spezifischer Speicherkoeffizient

Der Spezifische Speicherkoeffizient S_s beschreibt das Wasservolumen, das in einem Einheitsvolumen eines Grundwasserleiters (z. B. eines gedachten Würfels von 1 m Seitenlänge) gespeichert oder aus dem entnommen werden kann bei einer Veränderung des Potentials h [L] um eine Einheit . Dieser hydrogeologische Parameter besitzt die Einheit [L^-1].

Gemäß obiger Definition wird der Spezifische Speicherkoeffizient S_s wird durch folgende Formel beschrieben:

$S_s = -\frac{1}{V}\frac{dV_w}{dh} = -\frac{1}{V}\frac{dV_w}{dp}\frac{dp}{dh}= -\frac{1}{V}\frac{dV_w}{dp}\gamma_w$

mit

S_s Spezifischer Speicherkoeffizient (m^-1 oder [L^-1])

V Volumen des betrachteten Grundwasserkörpers (m³ oder [L³])

dV_w Volumen des gespeicherten oder abgegebene Wassers (m³ oder [L³])

dh Änderung des hydraulischen Potentials h (m oder [L])

dp Änderung des Drucks (kN/m² oder [F/L²])

γ_w spezifische Wichte des Wassers (kN/m³ oder [F/L³])

Bei voller Wassersättigung des Porenraums weist der spezifische Speicherkoeffizient Werte zwischen 10^-5 m^-1 und 10^-6 m^-1 auf. In einem m³ eines Grundwasserleites kann somit bei Erhöhung des hydraulischen Potentials um dh=1 m ein Wasservolumen dV_w von 1 - 10 ml Wasser gespeichert werden.

Aufgrund der deutlich höheren Kompressibilität von Gasen steigt dieser Wert jedoch erheblich an, sobald geringste Mengen (1 - 2 %) an Luft im Hohlraum eingeschlossen ist. Lufteinschlüsse treten in der Natur infolge schwankender Grundwasserspiegel häufig auf. Der spezifische Speicherkoeffizient zeigt in diesen Fällen eine ausgeprägte Tiefenverteilung auf.

Speicherkoeffizient

In der Grundwasserhydraulik betrachtet man häufig die Grundwasserströmung über die gesamte Mächtigkeit eines Grundwasserleiters. In diesen Fällen arbeitet man mit dem Speicherkoeffizienten S, der aus einer Integration des spezifischen Speicherkoeffizienten über die Mächtigkeit [L] des Grundwasserleiters hervorgeht. Der so gewonnene Speicherkoeffizient S ist dimensionslos. Der Speicherkoeffizient wird in der Regel mittels Pumpversuch bestimmt. Die Größenordnungen für Speicherkoeffizienten für gespannte Grundwasserleiter liegen zwischen 10^-5 und 10^-3. Die höheren Werte treten nur bei Lufteinschlüssen im Korngerüst auf. Bei ungespannten Porengrundwasserleitern entspricht die Speicherkapazität der nutzbaren Porosität und liegt in der Größenordnung von 0,10 – 0,25.

Literatur

• DIN 4049-3 (Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie)
• Bernward Hölting, Wilhelm Georg Coldewey: Hydrogeologie. Einführung in die allgemeine und angewandte Hydrogeologie. Elsevier, München und Heidelberg 2005, ISBN 3-8274-1526-8.
• Wolfgang Kinzelbach, Randolf Rausch: Grundwassermodellierung. Bornträger, Stuttgart und Berlin 1995, ISBN 3-443-01032-6.
• R. Allan Freeze, John A. Cherry: Groundwater. Prentice Hall, Englewood Cliffs 1979 , ISBN 0-13-365312-9.
• Hanspeter Jordan: Hydrogeologie. Grundlagen und Methoden. Enke, Stuttgart 1995, ISBN 3-432-26882-3.