Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4399
Main Title: The influence of high infiltration rates, suspended sediment concentration and sediment grain size on river and lake bed clogging
Translated Title: Der Einfluss von hohen Infiltrationsraten, Schwebstoffkonzentrationen und Sediment-Korngrößen auf die Kolmation von Fluss- und Seesedimenten
Author(s): Soares, Marcus
Advisor(s): Gunkel, Günter
Grischek, Thomas
Referee(s): Jekel, Martin
Gunkel, Günter
Nützmann, Gunnar
Grischek, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Kolmation von Fluss- und Seesedimenten beeinflusst stark den Anteil und das Volumen des geförderten Uferfiltrats. Sie resultiert aus der Verstopfung des Porenraums durch biologische, chemische, mechanische und physikalische Prozesse. Die physikalische Kolmation ist in warmen Klimazonen besonders wichtig, z. B. in tropischen Gebieten aufgrund der starken Gesteinsverwitterung, die die Auflösung von Gesteinen und die Anreicherung der Gewässer mit feinen Partikeln verursacht. Feldversuche im Peri-See (Brasilien) unter Nutzung von Infiltrometern zeigten eine durchschnittliche Infiltrationsrate von 1.4E-6 m s-1 am Seeufer sowie keinen signifikanten Unterschied zwischen bewachsener (V) und unbewachsener Seesohle (NV). Mit der gleichen Messmethode wurden im Tegeler See Infiltrationsraten von rund 1.2E-6 m s-1 im Winter und Sommer in NV-Bereichen ermittelt. In V-Bereichen wurden etwas niedrigere Infiltrationsraten im Winter (9,2E-7 m s-1) als im Sommer (1.7E-6 m s-1) beobachtet. Beide Seen zeigen ein geringes Potenzial einer physikalischen Kolmation. Die Grundwasserströmungsmodellierung eines potenziellen Uferfiltrationsstandortes am Peri-See zeigte, dass hohe Grundwasserentnahmeraten die Infiltrationsverteilung im Seeuferbereich ungünstig beeinflussen und zu einer starken Abnahme des Grundwasserstandes und einer stärkeren Absenkung in den Förderbrunnen führen. In Säulenversuchen zur Untersuchung des Kornformeffekts wurde herausgefunden, dass bei einer Infiltrationsrate von 2.0E-5 m s-1der kf-Wert von Feinsand um ca. 0.2 log stärker reduziert wird als der von Glaskugeln gleichen Durchmessers. Bei gleichen Infiltrationsraten war die Abnahme des kf-Werts von Grobsand 6,6 mal höher als die von Glaskugeln gleichen Durchmessers. Bei Gerinneversuchen mit Kaolinit als Trübstoff und mit Feinsand gefüllten Säulen wurde bei hohen und niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Gerinne, Trübungswerten von 300 NTU und einer Infiltrationsrate von 2.1E-4 m s-1eine Abnahme des kf-Werts in den Säulen von 1.6 log beobachtet. Ähnliche Ergebnisse wurden bei einer Trübung von 900 NTU beobachtet. Beim Einsatz von Grobsand wurde unter den gleichen hydraulischen Bedingungen und einer Trübung von 300 bis 900 NTU eine Abnahme der kf-Werte um 0,8 bis 1,4 Zehnerpotenzen beobachtet. Bei gut abgestuftem Sediment verringerte sich der kf-Wert der oberen 10 cm des Sediments um fast 2 Größenordnungen innerhalb von 24 Stunden. In einer Simulation einer längeren Niedrigwasserperiode der Elbe und hohen Infiltrationsraten simuliert nahm der kf-Wert innerhalb von 84 Tagen um mehr als 2 Größenordnungen ab. Bei einer beobachteten äußeren Kolmation bis in 4 cm Tiefe waren 65,5% der Körner kleiner als 60 µm, die Konzentration des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) erhöhte sich auf 45.940 mg kg-1. Ein Gerinneversuch unter instationären Bedingungen am Fluss Ping in Thailand ergab eine Verringerung des kf-Werts der oberen 3 cm des Flusssohlsediments um eine Größenordnung innerhalb von 48 Stunden. Die Kolmation resultierte aus hohen Trübungswerten und hohen Infiltrationsraten. Die Brunnenbemessung und Entnahmeraten müssen an die Niedrigwasserperioden angepasst werden, um eine starke Kolmation zu vermeiden. Eine maximale Infiltrationsrate von 0,32 m3 m-2 d-1 sollte die Kolmation durch die bei der Infiltration wirkenden Kräfte begrenzen und könnte als maximaler Richtwert für Flüsse mit hoher Trübung genutzt werden.
River or lake bed sediment clogging strongly affects the proportion and volume of bank filtrate. It occurs due to the entrapment of the pore space through biological, chemical, mechanical and physical processes. Physical clogging is especially important in warm climates such as in tropical areas due to the considerable weathering, which causes decomposition of rocks and the enrichment of water bodies with fine particles. Field experiments in the Peri Lake (Brazil), using seepage meters showed a mean infiltration rate of 1.4E-6 m s-1 in the lake shore, and no significant difference was observed between vegetable (V) and nonvegetable (NV) zones. Using the same measuring method, the Lake Tegel presented infiltration rates of around 1.2E-6 m s-1 in winter and summer in NV areas. In V areas slightly lower infiltration rates were measured in winter (9.2E-7 m s-1) than in summer (1.7E-6 m s-1). Both Peri and Lake Tegel have a low potential of physical sediment clogging. Groundwater flow modeling of the potential BF site at Peri Lake showed that high abstraction rates deteriorate infiltration distribution, and cause a strong decrease in groundwater levels and higher drawdown in the production wells. Column experiments to study the effect of the grain form, showed that at an infiltration rate of 2.0E-5 m s-1fine sand presented 0.2 logs more reduction in K-values than fine glass beads. Coarse sand presented a K-value reduction 6.6 times higher than coarse glass beads at similar infiltration rates. Using channel experiments with kaolinite as suspended sediment and fine sand in the columns of the channel, a K-value reduction of 1.6 logs was observed at high and low flow condition in the channel. Turbidity values of 300 NTU and a mean infiltration rate of 2.1E-4 m s-1 were applied in the columns. Similar results were observed by using 900 NTU of turbidity. By using coarse sand a reduction of 0.8 and 1.4 orders of magnitude of K-values was observed, under the same hydraulic conditions cited above and suspended sediment concentration of 300 and 900 NTU, respectively. By using well graded sediment in the channel experiments, K-values of the upper 10 cm of sediment were reduced by almost 2 orders of magnitude within 24 hours. In a long term low flow condition simulation of the Elbe River associated with high infiltration rates K-values dropped by more than 2 orders of magnitude within 84 days. An external clogging of 4 cm depth was observed with 65.5 % of the grains being smaller than 60 µm, and an increase of total organic matter (TOC) to 45,940 mg kg-1. A channel experiment under transient conditions at the Ping River in Thailand demonstrated a K-value reduction of one order of magnitude in 48 hours for the upper 3 cm of sediment. Sediment clogging was related to high turbidity values as well as high infiltration rates applied in the system. The well design and abstraction rates have to be adapted to the periods of low flow condition of the river in order to avoid strong sediment clogging. A maximum infiltration rate of 0.32 m3 m-2 d-1 should avoid sediment clogging caused by infiltration force actions and might be taken as maximum reference for rivers with high turbidity values.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64870
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4696
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4399
Exam Date: 25-Mar-2015
Issue Date: 23-Apr-2015
Date Available: 23-Apr-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Kolmation
Flusss
See
Sediment
Clogging
river
lake
high infiltration rates
suspended sediment
sediment grain size
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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