Original paper

Dreidimensionale Hydrostratigrafie eines Tal-Hang-Aquifers: Kombination von Georadar, Geoelektrik, Bodenkunde und Sedimentologie am Beispiel des Seebachs, Nordschwarzwald

[Three-dimensional hydrostratigraphy of a hillslope valley aquifer: combination of GPR, geoelectrics, pedology and sedimentology using the example of the Seebach, northern Black Forest]

Pflanz, Dorthe; Hornung, Jens; Hinderer, Matthias

Abstract

Filtering and storage of precipitation, runoff, and subsequent groundwater recharge is governed by the structure and properties of the shallow subsurface and the soils formed therein. Hence, detailed knowledge about the three-dimensional structure, thickness and composition of the shallow subsurface is essential to quantify these processes; special benefit can be derived in connection with the hydraulic and material-specific properties. Geobodies can be mapped by complementary, non-invasive, geophysical methods. Associated with lithofacies, geophysical and other properties these “geobodies” can be fingerprinted. A 3D model containing e.g. porosity, field capacity, permeability, grain size and soil chemistry can be build. Geoelectrical resistance tomography and three-dimensional (3D) ground-penetrating radar surveys have been carried out in the catchment of the “Seebach” (Forbach, Bunter, Black Forest, Southern Germany). A test field was established and investigated with respect to the sedimentological and pedological architecture of the shallow subsurface, going along with lithofacies mapping, granulometry, and permeability investigations. The synthesis of all data resulted in a three-dimensional quantitative subsurface model of the shallow subsurface architecture. Together with the associated hydrological characteristics, this can serve as input parameters for water budget and sorption models.

Kurzfassung

Der Aufbau und die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes mit den darin ausgebildeten Böden spielen bei der Filterung und Speicherung von Niederschlagswässern sowie bei der Grundwasser-Neubildung eine zentrale Rolle. Detaillierte dreidimensionale Kenntnisse über Aufbau, Mächtigkeit und Zusammensetzung des oberflächennahen Untergrundes liefern in Zusammenhang mit den hydraulischen und materialspezifischen Eigenschaften essenzielle Datensätze zur Quantifizierung dieser Prozesse. Durch sich ergänzende, nicht-invasive, geophysikalische Methoden lassen sich ,,Geokörper“ im Untergrund kartieren, ein geophysikalischer ,,Fingerabdruck“ erstellen und mit sehr wenigen Sondierungen einer Lithofazies zuordnen. Dadurch entsteht ein lückenloses dreidimensionales Untergrundmodell, welches auch materialspezifische Eigenschaften wie Porosität, Feldkapazität, Permeabilität, Granulometrie, Bodenchemie etc. erfassen kann. An einem Testfeld im Einzugsgebiet des Seebaches (Gde. Forbach, Buntsandstein-Schwarzwald, Süddeutschland) wurde exemplarisch die sedimentologische und bodenkundliche Architektur des oberflächennahen Untergrundes mithilfe von Georadar und Geoelektrik dreidimensional untersucht. Die sedimentologischen, petrophysikalischen und bodenkundlichen Eigenschaften wurden mithilfe von Lithofaziesanalyse, Granulometrie, Porositäts- und Permeabilitätsanalyse charakterisiert. Die Synthese aller Daten wurde in einem dreidimensionalen Untergrundmodell durchgeführt, sodass ein quantitativer, numerischer Datensatz der Architektur des oberflächennahen Untergrunds und der zugehörigen hydrologischen Eigenschaften als Inputparameter, z. B. für Wasserhaushalts- und Sorptionsmodelle, zur Verfügung steht.

Keywords

ground penetrating radarhydrofacieshydrologyperiglacialpreferential flowradarfaciesregolith