Detektion und Monitoring von Salzwasserintrusionen mittels stahlverrohrter Bohrlöcher als Langelektroden

Contaminations of freshwater aquifers by saltwater are a well-known problem in coastal regions, as well as on inland sites. They can be detected by electrical resistivity tomography (ERT) as recent widespread investigations show. The three-dimensional application is limited to small scales due to the enormous effort required by field surveys. This thesis presents an approach that uses the metal casing of boreholes as long electrodes for ERT surveys (LE-ERT) to detect and monitor saltwater intrusions. Three different approaches for modelling long electrodes exist: The complete electrode model (CEM) and the conductive cell model (CCM) lead to comparable results but are numerically expensive, while the shunt electrode model (SEM) has the lowest numerical effort for the same accuracy. Simulations reveal that the low vertical model resolution due to long electrodes can be enhanced by using electrodes of different length or additional surface electrodes. Three-dimensional inversion of synthetic data supports this assumption. They also show that varying contact impedances along metal casings are of secondary importance. Laboratory 2D and 3D experiments were conducted to monitor different scenarios of saltwater intrusions. Optimised data sets showed that dipole combinations with a high geometric factor and low voltage often possess a high information content. Due to their low signal strength, these combinations are difficult to measure and prone to noise. This can be considered by excluding or down-weighting data prior to the optimisation process. Field measurements were conducted on medium- and large-scaled test sites. Reduced data sets were generated to control the effort for the surveys. Inversion results of the medium-scaled site showed good agreement with geology, ERT profiles and in-situ fluid conductivity measurements. LE-ERT monitoring over a period of two years could sufficiently resolve small resistivity changes in the upper aquifer, validated by fluid conductivities. The feasibility of LE-ERT as a large-scale application was proved on a 7 x 7 km test site. The general vertical resistivity trend is in good agreement with electro-logs of three different boreholes. LE-ERT is an applicable cost-efficient method covering large areas.Salzwasserintrusionen in Frischwasser führende Aquifere sind sowohl in Küstenregionen, als auch im Landesinneren ein bekanntes Problem. Zur Detektierung können elektrische Verfahren wie ERT (electrical resistivity tomography) eingesetzt werden. Da die 3D Anwendung dieser Methode selbst auf kleinen Skalen enormen Aufwand erfordert, wurde in dieser Arbeit der Ansatz untersucht, stahlverrohrte Bohrlöcher als lange Elektroden für Geoelektrikmessungen (LE-ERT) zu verwenden. Um lange Elektroden zu diskretisieren, existieren drei Ansätze. Das Complete Electrode Model (CEM) und das Conductive Cell Model (CCM) sind zwei ähnliche Methoden, die vergleichbare Ergebnisse erzielen, jedoch nummerisch aufwändig sind. Das Shunt Electrode Modell (SEM) bietet eine Alternative mit geringem nummerischen Aufwand. Modellierungen zeigen, dass die vertikale Auflösung erhöht werden kann, indem verschieden lange Elektroden oder zusätzliche Punktelektroden verwendet werden, was durch Auflösungsanalysen unterstützt wird. Simulationen zeigten, dass der Einfluss von Kontaktimpedanzen eine untergeordnete Rolle spielt. Verschiedene Salzwasserszenarien wurden in 2D/3D Laborexperimenten simuliert. Während der Generierung optimierter Datensätze wurde herausgefunden, dass Kombinationen mit geringer Messspannung und hohem Geometriefaktor einen hohen Informationsgehalt besitzen. Diese müssen aufgrund der schweren messtechnischen Erfassung entweder vor dem Optimierungsprozess ausgeschlossen oder mit einem Fehlermodell gewichtet werden. Messungen auf mittel- und großskaligen Testfeldern zeigten, dass nur reduzierte Datensätze realisierbar sind. Inversionsergebnisse eines mittelskaligen Testfeldes stimmten mit 2D ERT Profilen, der Geologie und in situ Fluidleitfähigkeiten überein. Ein zweijähriges Monitoring konnte selbst kleine Widerstandsänderungen hinreichend auflösen. Die Machbarkeit von LE-ERT als großskalige Anwendung konnte auf dem zweiten 7 x 7 km Testfeld gezeigt werden. Der generelle Widerstandstiefenverlauf stimmt gut mit Elektrologs aus 3 Bohrlöchern überein. LE-ERT ist damit eine Methode, welche auf großen Flächen, wie Brunnenfeldern eingesetzt werden kann