Geohydraulic characterisation of fractured rock flow regimes. Regional studies in Granite (Lindau, Black Forest, Germany) and Dolomite (Tsumeb Aquifers, Northern Namibia) [online]

The fundamental problem related to the characterisation of the
regional groundwater flow in fractured rock is based on the
difficulties in identifying and characterising hydraulically
significant fractures on a regional scale. In this thesis,
various geohydraulic approaches were applied in order to
investigate the regional groundwater flow regime in two
different fractured rock aquifers. The synthesis of the results
from different geohydraulic methods is an important aspect and
constitutes the principal methodological approach of this
investigation. The case studies include fractured rock aquifers
in Southwest Germany and Namibia. The Lindau fractured rock test
site is situated within the north-eastern part of a granitic
pluton in the Southern Black Forest. The Tsumeb Aquifers are
located in the Otavi Mountainland, a dolomite rock massif that
hosts one of the most valuable groundwater resources of northern
Namibia.
The following five different geohydraulic methods were applied
in the regional case studies: well hydrograph recession
analysis, hydraulic tests, groundwater tracer techniques,
hydrochemical investigations and groundwater modelling. ... mehrThe
thesis includes a description of the state-of-the-art for
each method and suggestions for further improvement of the
analysis techniques. The applicability of each method to
describe the flow pattern was assessed separately for each
investigation area. The investigations resulted in the
development of conceptual hydrogeological models for the
fractured aquifers.
The study focuses on the assessment of the hydraulic impact of
dominant fault and dyke structures, the regional distribution of
different aquifer systems and the quantification of groundwater
flow parameters.
As the aquifers in both studies are characterised by a low
primary porosity of the host rock the groundwater flow is mainly
restricted to fractures, which are only abundant along dykes,
faults and contact zones. The role of intrusive dykes and faults
as conduits of groundwater flow could be demonstrated for both
sites.
A highly permeable vertical dyke zone largely influences the
groundwater flow pattern at Lindau. The ore dyke intersects the
surrounding granite that has a much lower permeability. A
drainage experiment was carried out in order to assess the
hydraulic impact of the dyke on the regional groundwater flow.
The groundwater system was artificially drained over a period of
almost 14 months by opening a tapped borehole located in the
observation tunnel. This borehole intersects the dyke some 80 m
below the ground surface. The analysis of the hydraulic response
at the observation wells was combined with the results of
hydrochemical investigations and tracer tests. The results of
the investigations were used to delineate the subterranean
catchment of the dyke.
In addition, a well hydrograph recession analysis was performed
at Lindau. This analysis, originally developed for streamflow
and subsequently adopted for the evaluation of spring discharge
and groundwater levels in karst aquifers, was for the first time
applied to groundwater level data from wells in granitic rock.
The analysis proved to be an effective tool to obtain a regional
distribution of the mean residence time and the permeability of
the rock from groundwater level data.
The presented study of the Tsumeb Aquifers included hydraulic
testing and the development of a numerical groundwater flow
model. It was an integral part of the comprehensive
hydrogeological investigation program carried out in the
framework of the Tsumeb Groundwater Study. The Tsumeb Aquifers
proved to be one of the potential additional sources to meet the
growing water demand of the Central Area of Namibia. The 3-D
Tsumeb groundwater model has been established as a tool for the
assessment of the groundwater resources and provided essential
information for the establishment of environmentally sustainable
groundwater management. As a result of this study, the regional
groundwater potential of the area could be quantified for the
first time. The groundwater model revealed the eminent
importance of the dolomitic outcrops of the Otavi Mountainland
for the replenishment of the groundwater resources.

KURZFASSUNG

Eines der Hauptprobleme bei der Charakterisierung der
Grundwasserströmung im Festgestein beruht auf der Schwierigkeit,
hydraulisch wirksame Klüfte zu identifizieren und deren
räumliche Verbreitung und physikalische Eigenschaften zu
ermitteln. Die vorliegende Forschungsarbeit beschreibt die
Untersuchung der regionalen Grundwasserströmungsverhältnisse
zweier Festgesteinsaquifere mittels unterschiedlicher
geohydraulischer Ansätze. Die Synthese der Ergebnisse anhand der
verschiedenen Methoden bildet den Schwerpunkt der Studie. Als
Modellgebiete wurden Festgesteinsaquifere im nördlichen Teil
Nambias und Südwestdeutschland ausgewählt. Dabei handelt es sich
um das im südlichen Schwarzwald gelegene Felslabor Lindau, das
sich im nordöstlichen Teil eines Granitplutons befindet, sowie
das Tsumeb-Karstgebiet, ein dolomitisches Bergmassiv, das eines
der bedeutendsten Grundwasservorkommen Namibias beherbergt.
In dieser Arbeit wurden fünf verschiedene geohydraulische
Methoden angewandt: Grundwasserganglinienseparation,
hydraulische Versuche, Grundwassermarkierungstechniken,
hydrochemische Untersuchungen sowie eine
Grundwassermodellierung. Die Arbeit enthält eine Zusammenfassung
über den Stand der Forschung der Methoden und Vorschläge zur
Optimierung der Auswertetechniken. Die Eignung der jeweiligen
Methode zur Beschreibung der Strömungsverhältnisse wurde für
beide Untersuchungsgebiete getrennt bewertet. Anhand der
Ergebnisse der einzelnen Methoden erfolgte für jedes
Modellgebiet eine geohydraulische Charakterisierung der
Grundwasserfliessysteme innerhalb des geklüfteten Gesteins.
Diese diente als Basis für die Entwicklung konzeptioneller
hydrogeologischer Modelle für die Aquifere.
Schwerpunkte der Untersuchungen lagen in der Bewertung des
hydraulischen Einflusses von dominierenden Störungssystemen und
Gangstrukturen und in der Bestimmung der regionalen Verteilung
verschiedener Grundwasserleiter. Da das Gebirge in beiden
Untersuchungsgebieten eine geringe primäre Porosität besitzt,
ist die Grundwasserströmung im wesentlichen auf Klüfte begrenzt,
die hauptsächlich entlang von Erzgängen, Störungszonen und
Kontaktbereichen auftreten. In beiden Fallstudien fungieren
die intrusiven Erzgänge und Störungszonen nachweislich als
präferentielle Fliesswege.
Die Grundwasserströmung in Lindau wird maßgeblich durch einen
hochdurchlässigen vertikalen Erzgang beeinflusst, der in das
weitaus geringer durchlässige Granitgestein intrudierte. Mit
Hilfe eines Drainage- Experimentes wurde der hydraulische
Einfluss dieser Störungszone auf die Grundwasserströmung
untersucht. Der Grundwasserleiter wurde dabei über einen
Zeitraum von annähernd 14 Monaten durch Öffnen eines im
Beobachtungstunnel gelegenen Bohrlochs künstlich drainiert.
Dieses Bohrloch erschließt den Erzgang in ungefähr 80 m
unterhalb der Geländeoberfläche. Die Auswertung der
hydraulischen Reaktion an den Beobachtungsbohrlöchern wurde mit
den Resultaten der Grundwassermarkierungsversuche und
hydrochemischer Untersuchungen kombiniert. Anhand dieser Ergeb-
nisse konnten die Grenzen des hydraulischen Einflusses des
Erzganges bestimmt werden. Darüber hinaus wurden in Lindau
Rezessionsanalysen an Grundwasserganglinien durchgeführt. Dieses
Verfahren, das ursprünglich für Oberflächenabfluss entwickelt
und später auf die Auswertung von Trockenwetterfalllinien von
Quellschüttungen und Grundwasserganglinien im Karst ausgedehnt
wurde, wurde erstmalig für die Auswertung von
Grundwasserganglinien in Granitgestein eingesetzt. Es konnte
gezeigt werden, dass sich das Verfahren zur Bestimmung der
regionalen Verteilung der mittleren Verweilzeiten des
Grundwassers und der Gebirgsdurchlässigkeit eignet.
Die vorgestellte Studie der Tsumeb- Grundwasserleiter umfasst
hydraulische Versuche und die Entwicklung eines numerischen
Grundwassermodells. Die Untersuchung war Bestandteil eines
umfassenden hydrogeologischen Untersuchungsprogramms im Rahmen
der sogenannten Tsumeb Groundwater Study. Die Tsumeb-
Grundwasserleiter haben sich als einer der potentiellen
zusätzlichen Quellen herausgestellt, die den wachsenden Bedarf
an Wasser in den zentralen Regionen Namibias in Zukunft
decken könnte. Im Rahmen dieser Studie konnte das
Grundwasserdargebot dieses Gebietes zum ersten Mal quantifiziert
werden. Das entwickelte dreidimensionale Grundwassermodell
ermöglicht eine nachhaltige Bewirtschaftung des
Grundwasservorkommens. Es verdeutlicht zudem die herausragende
Bedeutung der anstehenden Dolomite innerhalb des
Otavi-Berglandes in Bezug auf die Erneuerung dieser
Grundwasserressource.