Zeitschrift für Hydrogeologie und Hydrotechnik

In-Situ-Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Böden an Standorten mittels thermischer Überwachung zur Quantifizierung der Erschöpfung natürlicher Quellen

Poonam R. Kulkarni*, Grayson C. Uhlir, Charles J. Newell, Kenneth L. Walker und Thomas E. McHugh

An Erdölfreisetzungsstellen können die NSZD-Raten (Natural Source Zone Depletion) anhand gemessener vertikaler Temperaturgradienten oberhalb und unterhalb der Methanoxidationszone berechnet werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit (KT) der Böden bekannt ist. Derzeit wird die Wärmeleitfähigkeit üblicherweise anhand von Literaturwerten basierend auf der Bodenart geschätzt oder, seltener, mithilfe eines Instruments, das ex situ an an die Oberfläche gebrachten Bodenkernen angewendet wird. Die erste Methode ist nicht ortsspezifisch, während die zweite Methode zu einer einmaligen Messung führt, die variabel und ungenau sein kann. In dieser Studie wurde eine In-situ-Methode angewendet, um die Wärmeleitfähigkeit des Bodens basierend auf saisonalen Veränderungen der Bodentemperaturen zu berechnen [6]. Diese Methode erfordert mindestens vier vollständige Saisons (ein Jahr) mit hochfrequenten (z. B. täglichen) Temperaturdaten, um die NSZD-Raten zu messen, Daten, die üblicherweise an vielen NSZD-Wärmeüberwachungsstellen gesammelt werden. Bei Anwendung an vier Standorten an zwei Standorten waren die mit dieser In-situ-Methode erhaltenen Wärmeleitfähigkeitswerte mit Literaturwerten vergleichbar und weniger variabel als Ex-situ-Wärmeleitfähigkeitsmessungen. Insgesamt ergab die In-situ-Methode Wärmeleitfähigkeitswerte für die vier Standorte und verschiedene Tiefenintervalle zwischen 0,30 und 1,37 W/mK in der ungesättigten Zone und zwischen 1,25 und 1,94 W/mK für Standorte im Kapillarsaum oder der gesättigten Zone, ähnlich den in der Literatur geschätzten Werten. Die In-situ-Methode erwies sich bei Temperaturdaten aus sehr geringen Tiefen (<0,6 m) aufgrund stark veränderlicher Temperatursignale als nicht verlässlich. Aufgrund der gedämpften Temperaturschwankungen (Amplitude von 0,5 °C) unterhalb dieser Tiefen erwies sich die In-situ-Methode bei Temperaturdaten aus 7,3 und 5,8 m über Grund für Standort A und Standort B als nicht verlässlich. Diese In-situ-Methode scheint eine nützliche Alternative zu Ex-situ-Messungen oder Schätzungen in der Literatur zu sein. Außerdem lassen sich mit der In-situ-Methode Änderungen der Wärmeleitfähigkeit verfolgen, die von Jahr zu Jahr aufgrund von Änderungen des Bodenfeuchtigkeitsgehalts auftreten können.