Floridas Grundwasserleiter - Floridan aquifer

Das Floridan Aquifer System , bestehend aus den Upper und Lower Floridan Aquiferen, ist eine Abfolge von paläogenem Karbonatgestein, das eine Fläche von etwa 100.000 Quadratmeilen (260.000 km 2 ) im Südosten der Vereinigten Staaten umfasst. Es liegt dem gesamten Bundesstaat Florida und Teilen von Alabama , Georgia , Mississippi und South Carolina zugrunde .

Das Grundwasserleitersystem Floridas ist eines der produktivsten Grundwasserleiter der Welt und versorgt fast 10 Millionen Menschen mit Trinkwasser. Nach Angaben des United States Geological Survey rangierten die Gesamtentnahmen aus dem Floridan-Aquifersystem im Jahr 2000 mit 3.640 Millionen Gallonen pro Tag (Mgal/d) (13,8 Millionen m 3 /d; 11.200 Acres ) auf Platz 5 aller wichtigsten Grundwasserleiter des Landes ft/d). Davon wurden 49 % (1.949 Mgal/d; 7,38 Mio. m 3 /d; 5.980 acre/ft/d) für die Bewässerung verwendet, 33 % (1.329 Mgal/d; 5,03 Mio. m 3 /d; 4.080 acre⋅ft) /d) wurde für die öffentliche Wasserversorgung verwendet , 14 % (576 Mgal/d, 2,18 Mio. m 3 /d; 1.770 acre⋅ft/d) wurden für industrielle Zwecke verwendet, und 4 % waren häusliche Selbstversorgungsentnahmen. Das Florida-Aquifer-System ist die wichtigste Trinkwasserquelle für die meisten Städte in Zentral- und Nordflorida sowie in Ost- und Südgeorgien, einschließlich Brunswick, Savannah und Valdosta.

Geschichte

Wasser unter artesischem Druck steigt aus einem Brunnen, der das floridanische Aquifersystem in Südgeorgien erschließt.
Vergleich der hydrogeologischen Terminologie für das Florida-Aquifer-System.

Im Jahr 1936 identifizierte der Geologe Victor Timothy (VT) Stringfield erstmals die Existenz des Floridan Aquifers in der Halbinsel Florida und bezeichnete die Karbonateinheiten als "artesische Hauptformationen". Im Jahr 1944 beschrieb MA Warren vom Georgia Geological Survey eine Erweiterung dieses Systems in Südgeorgien und verwendete den Begriff " Hauptgrundwasserleiter " auf die beteiligten Karbonateinheiten. 1953 und 1966 verwendete Stringfield auf diese Gesteine ​​auch den Begriff "Hauptgrundwasserleiter". 1955 stellte Garald G. Parker die hydrologischen und lithologischen Ähnlichkeiten der tertiären Karbonatformationen im Südosten Floridas fest, kam zu dem Schluss, dass sie eine einzige hydrologische Einheit darstellten, und nannte diese Einheit den "Floridan Aquifer". Mit zusätzlicher Informationssammlung wurden weitere Zonen mit hoher und niedriger hydraulischer Leitfähigkeit identifiziert. Infolgedessen hat sich der Name Floridan Aquifer zu "Floridan Aquifer System" entwickelt, das die oberen und unteren Floridan Aquifere enthält.

Die Entnahme aus dem floriden Grundwasserleitersystem begann im Jahr 1887, als die Stadt Savannah, Georgia , begann, die Entnahme von Oberflächenwasser aus dem Savannah River durch Grundwasser zu ergänzen . Zu dieser Zeit befanden sich artesische Köpfe im System 40 Fuß (12 m) über der Landoberfläche und es waren keine Pumpen erforderlich; Bis 1898 wurden in Südgeorgien schätzungsweise 200 bis 300 Bohrlöcher fertiggestellt, und bis 1943 waren etwa 3.500 Bohrlöcher in den sechs Küstenbezirken von Georgia fertiggestellt. Um 1910-1912 war die Entwicklung des floriden Grundwasserleitersystems bereits in Fernandina und Jacksonville und im Süden entlang der Ostküste Floridas sowie von Tampa im Süden bis Fort Myers an der Westküste erfolgt. Im Laufe der Zeit stieg die Anzahl der Bohrungen ebenso wie die fertigen Tiefen, da die Nachfrage anstieg. Die industrielle Versorgung von Zellstoff- und Papierfabriken wurde ab Ende der 1930er Jahre zu einem großen Teil der Wasserentnahme. In den 1950er Jahren wurde die gesamte kommunale, häusliche und industrielle Versorgung (außer Kühlung) und etwa die Hälfte der landwirtschaftlichen Versorgung in Orlando, Florida , auf Grundwasser aus dem floriden Grundwasserleitersystem umgestellt. Die Grundwasserentnahmen aus dem floriden Grundwasserleitersystem stiegen stetig von 630 Mgal/d (2,4 Mio. m 3 /d; 1.900 acre⋅ft/d) im Jahr 1950 auf 3.430 Mgal/d (13,0 Mio. m 3 /d; 10.500 acre⋅ft/d) ) im Jahr 1990. In den 1990er Jahren erlassene Genehmigungen und Verordnungen haben den Anstieg der Entnahmen im Vergleich zum Vorjahr gebremst; jedoch stiegen die Entnahmen im Jahr 2000 auf 4.020 Mgal/d (15,2 Mio. m 3 /d; 12.300 acre⋅ft/d) aufgrund der extremen Dürrebedingungen zwischen 1999 und 2001, die in weiten Teilen des Südostens der Vereinigten Staaten vorherrschten. Ein Großteil des Anstiegs war auf die gestiegene landwirtschaftliche Nachfrage zurückzuführen.

Ort

Das Grundwasserleitersystem Floridas liegt unter Teilen von fünf Bundesstaaten. Quelle: USGS

Das Florida-Aquifersystem erstreckt sich über ein Gebiet von etwa 100.000 Quadratmeilen (260.000 km 2 ) im Südosten der Vereinigten Staaten und liegt unter ganz Florida und Teilen von Süd-Alabama, Südost-Georgia und Süd-South Carolina. Der oberfloridanische Grundwasserleiter enthält über einen Großteil seiner Ausdehnung Süßwasser, ist jedoch südlich des Okeechobee-Sees brackig und salzhaltig.

Das Florida-Aquifer-System tritt in Zentral- und Südgeorgien aus, wo der Kalkstein und seine verwitterten Nebenprodukte an der Landoberfläche vorhanden sind. Das Grundwasserleitersystem taucht im Allgemeinen im Süden unter die Landoberfläche ein, wo es unter oberflächlichen Sandablagerungen und Ton vergraben wird. In den im Bild rechts braun dargestellten Bereichen tritt das floridanische Grundwasserleitersystem aus und wird an der Landoberfläche wieder freigelegt. Diese Regionen sind aufgrund der Nähe des verkarsteten Kalkstein-Aquifers zur Landoberfläche besonders anfällig für Sinkhole-Aktivität . Einige der Brüche/Leitungen im Grundwasserleiter sind groß genug, damit Taucher hindurchschwimmen können.

Hydrologie und Geologie

Idealisiertes geologisches Diagramm, das die Begrenzungsschicht zeigt, die den oberfloridanischen und oberflächlichen Grundwasserleiter trennt und eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Wasserqualität im oberfloridanischen Grundwasserleiter spielt (von Berndt und anderen, 2015).
Verallgemeinerter Querschnitt von Marion County, Florida, bis Collier County, Florida.
Grundwasserleiter und zusammengesetzte und begrenzende Einheiten des floriden Grundwasserleitersystems im Südosten der Vereinigten Staaten.

Die Karbonatgesteine, die das floridanische Grundwasserleitersystem bilden, stammen aus dem späten Paläozän bis frühen Oligozän und werden von Tonen mit geringer Durchlässigkeit des Miozäns (obere einschließende Einheit) und Oberflächensanden des Pliozäns und Holozäns ( Oberflächengrundwasserleitersystem ) überlagert . In West-Zentral-Florida, Nord-Florida und entlang des abfallenden Randes des Systems tritt der Kalkstein aus und das Aquifer-System ist nicht begrenzt. Wenn Tone mit geringer Permeabilität der oberen einschließenden Einheit vorhanden und beträchtlich sind, ist das System begrenzt und das Grundwasser steht unter Druck. Die obere Begrenzungseinheit ist in Coastal Georgia und South Florida besonders dick; Wasserleckage nach unten durch die obere Begrenzungseinheit in diesen Gebieten ist minimal und das floridanische Grundwasserleitersystem ist dicht begrenzt. Kalksteinfelsen mit geringer Permeabilität aus dem Paläozän (zB Cedar Keys Formation) bilden die Basis des floriden Grundwasserleitersystems. Die Mächtigkeit des floriden Grundwasserleitersystems reicht von weniger als 100 Fuß (30 m) in neigungsaufwärts gelegenen Gebieten, in denen sich die Felsen einklemmen, bis zu mehr als 3.700 Fuß (1.100 m) im Südwesten Floridas. Neubildung, Abfluss und natürlicher Abfluss im floriden Grundwasserleitersystem werden weitgehend durch den Einschlussgrad der oberen Einschlusseinheiten, die Wechselwirkung von Bächen und Flüssen mit dem Grundwasserleiter in seinen uneingeschlossenen Bereichen und die Wechselwirkung zwischen Süß- und Salzwasser entlang der Küsten.

Wo sich das floridanische Grundwasserleitersystem an oder nahe der Landoberfläche befindet (im Bild oben braun schattierte Bereiche), sind Tone dünn oder fehlen und die Auflösung des Kalksteins wird intensiviert und viele Quellen und Dolinen sind sichtbar. Die Durchlässigkeit des Grundwasserleiters in solchen verkarsteten Gebieten ist aufgrund der Entwicklung großer, gut verbundener Kanäle im Gestein viel höher (siehe Bild rechts). Quellen bilden sich dort, wo der Wasserdruck groß genug ist, damit das Grundwasser an der Landoberfläche abfließen kann. In Florida wurden mehr als 700 Quellen kartiert. Wakulla Springs im Wakulla County ist einer von mehreren großen Abflüssen des Grundwasserleiters mit einer Durchflussrate von 200 bis 300 Millionen US-Gallonen (0,76 bis 1,14 Millionen Kubikmeter; 610 bis 920 Acre-Fuß) Wasser pro Tag. Ein Rekord-Spitzenfluss vom Frühjahr am 11. April 1973 wurde mit 14.324 US-Gallonen (54,22 m 3 ) pro Sekunde gemessen – das entspricht 1,24 Milliarden US-Gal (4,68 Millionen m 3 ) pro Tag.

Das Florida-Aquifer-System besteht aus zwei Haupt- Aquiferen : dem Upper Florida-Aquifer und dem Lower Florida-Aquifer. Diese Grundwasserleiter sind durch Sedimente getrennt, die von Tonen mit geringer Durchlässigkeit im Panhandle (Bucatunna Clay) und Dolomiten mit geringer Durchlässigkeit und gipshaltigem Anhydrit in West-Zentralflorida bis hin zu durchlässigen Kalksteinen entlang der Ostküste Floridas und anderswo reichen . Wo diese dazwischen liegenden Sedimente und Gesteine ​​durchlässig sind, verhalten sich die oberen und unteren Grundwasserleiter Floridas als eine Einheit. Umgekehrt besteht dort, wo die dazwischenliegenden Sedimente weniger durchlässig sind, eine geringere hydraulische Verbindung zwischen den oberen und unteren floriden Grundwasserleitern.

Grundwasserleiter in Oberflorida

Der Upper Floridan Aquifer ist die Hauptquelle für Wasser, der aufgrund der hohen Erträge und der Nähe zur Landoberfläche aus dem Floridan Aquifer System entnommen wird. Das Grundwasser im Oberen Florida ist in den meisten Gebieten frisch, obwohl es lokal brackig oder salzhaltig sein kann, insbesondere in Küstengebieten mit Salzwasserintrusionsproblemen und in Südflorida. Der Upper Floridan Aquifer umfasst die obersten oder flachsten durchlässigen Zonen im Floridan Aquifer System. In der nördlichen Hälfte des Untersuchungsgebietes verhält sich dieser Grundwasserleiter wie eine einzige hydrogeologische Einheit und ist undifferenziert. In der südlichen Hälfte des Untersuchungsgebiets, einschließlich des größten Teils von Zentral- und Südflorida, ist der oberfloridanische Grundwasserleiter dick und kann in drei verschiedene Zonen unterteilt werden, nämlich die oberste durchlässige Zone, die Ocala Lower-Permeability Zone und die Avon Park Permeable Zone.

Die Basis des Upper Floridan Aquifers wird durch zwei Verbundeinheiten (siehe unten) und eine Begrenzungseinheit im mittleren Teil des Floridan Aquifersystems markiert: die Lisbon-Avon Park Composite Unit oder die Middle Avon Park Composite Unit und die Bucatunna Clay Begrenzende Einheit. In Updip-Gebieten fällt die Basis des Upper Floridan entweder mit der Spitze der eingrenzenden Einheiten über den Claiborne-, Lissabon- oder Gordon-Aquiferen zusammen oder sie liegt über einem Tonbett, das die Grenze zwischen hauptsächlich karbonatischen und hauptsächlich klastischen Einheiten markiert oder früher kartierte nummerierte MCUs von Miller (1986). Wenn eine oder mehrere Evaporiteinheiten vorhanden sind, wie etwa die mittlere Einschlusseinheit MCUIII in der Nähe von Valdosta in Süd-Zentral-Georgien (Miller, 1986) oder MCUII im Südwesten Floridas (Miller, 1986), fällt die Basis des oberfloriden Grundwasserleiters mit der Spitze zusammen der Verdampfereinheit. In Regionen, in denen keine eindeutige untere Permeabilitätseinheit bekannt ist, wird die Basis des Upper Floridan entlang eines Horizonts extrapoliert, der eine stratigraphische Gruppierung von durchlässigem Gestein in den oberen oder unteren Teil des Aquifersystems ermöglicht. Im Südosten von Alabama, Nordflorida, Georgia und South Carolina werden die stratigraphischen Einheiten in der Lissabon-Avon-Park-Verbundeinheit zusammengefasst. In der Halbinsel Florida fällt dieser Horizont mit einer oder mehreren evaporithaltigen oder nicht-evaporithaltigen Einheiten der Verbundeinheit Middle Avon Park zusammen. Im Panhandle von Florida und im Südwesten von Alabama fällt die Basis mit der Spitze der Bucatunna Clay Confining Unit zusammen.

Mittelbegrenzende und zusammengesetzte Einheiten

Der hydrogeologische Rahmen des floriden Grundwasserleitersystems wurde 2015 vom US Geological Survey überarbeitet. Der Umfang des Systems wurde überarbeitet, um einige der klastischen Fazies aufwärts einzubeziehen, die seitlich in den unteren floriden Grundwasserleiter übergehen und zuvor in den südöstlichen Küstenbereich aufgenommen wurden Plain Aquifer System, das Floridan Aquifer System oder beides. Es wurde eine neue Methode zur Unterteilung der oberen und unteren floriden Grundwasserleiter vorgeschlagen und ein neuer Begriff, "Verbundeinheit", eingeführt, um sich auf regional ausgedehnte lithostratigraphische Gesteinseinheiten zu beziehen, die zuvor von Miller . als eine von acht "Middle Confining Units" klassifiziert wurden (1986), die sich in ihrer gesamten Ausdehnung als weder einschränkend noch durchlässig erwiesen haben. Drei regional kartierbare lithostratigraphische Einheiten werden verwendet, um den oberen und unteren Floridan-Aquifer im überarbeiteten Rahmen konsequent zu unterteilen: die Bucatunna Clay Confining Unit, die Middle Avon Park Composite Unit und die Lisbon-Avon Park Composite Unit. Die Grundwasserleiter des oberen und unteren Floridas verhalten sich in Gebieten, in denen diese zusammengesetzten Einheiten undicht sind, als eine einzige hydrogeologische Einheit.

Grundwasserleiter im unteren Florida

Der Grundwasserleiter von Lower Florida ist im Allgemeinen weniger durchlässig als der Grundwasserleiter von Upper Florida und das produzierte Wasser kann stark mineralisiert und/oder salzhaltig sein; der Grundwasserleiter des unteren Floridas ist jedoch relativ Süßwasser zur Basis des Systems in Zentralflorida und in abfallenden Gebieten von Zentral- und Südgeorgien und Alabama. Eine neue basale durchlässige Zone wird auf der gesamten Halbinsel Florida und leicht im Südosten von Georgia kartiert, die die zuvor eingerichtete Zone Boulder und die durchlässige Zone Fernandina umfasst; diese ausgedehntere Einheit wird Oldsmar durchlässige Zone genannt. Die durchlässige Zone von Oldsmar scheint eine höhere Durchlässigkeit zu haben, die weitaus größer ist als die kavernösen Bereiche der durchlässigen Zonen von Boulder und Fernandina, und enthält Süßwasser im zentralen Bereich der Halbinsel. Diese neu abgegrenzte, flächenhaft ausgedehnte, Süßwasser enthaltende Basaleinheit kann die Bewegung des Süßwassers durch den tiefsten Teil des Aquifersystems in Richtung der Einleitungsbereiche beeinflussen. Die durchlässige Zone von Oldsmar, die Teil des Grundwasserleiters von Lower Florida ist, ist von Interesse, da sie eine wichtige alternative Wasserquelle sein kann, wo sie unter dem Grundwasserleiter von Upper Florida eingeschlossen (und isoliert) ist und für die Offshore-Bewegung von Grundwasser wichtig sein kann in bisher unbekannten Gebieten.

Allgemeine hydraulische Eigenschaften

Geschätzte Transmissivität des Florida-Aquifersystems.

Die Karbonatgesteine, aus denen das Grundwasserleitersystem Floridas besteht, haben sehr variable hydraulische Eigenschaften, einschließlich Porosität und Durchlässigkeit. Die Transmission innerhalb des Aquifersystems wurde über einen Bereich von mehr als sechs Größenordnungen berichtet, von weniger als 8 ft 2 /d (0,74 m 2 /d) bis über 9.000.000 ft 2 /d (840.000 m 2 /d), mit den meisten Werten im Bereich von 10.000 bis 100.000 ft 2 /d (930–9.290 m 2 /d). Wo der Grundwasserleiter nicht begrenzt oder dünn begrenzt ist, löst infiltrierendes Wasser das Gestein auf und die Durchlässigkeit neigt dazu, relativ hoch zu sein. Wo der Aquifer dick begrenzt ist, tritt weniger Auflösung auf und die Durchlässigkeit neigt dazu, niedriger zu sein. In der ersten regionalen Karte, die die Transmissivitätsvariation über den Grundwasserleiter zeigt, zeigte Miller (1986), dass die Durchlässigkeitswerte 250.000 ft 2 /d (23.000 m 2 /d) überschreiten, wenn das Grundwasserleitersystem entweder nicht begrenzt oder dünn begrenzt ist. In Gebieten, in denen der Grundwasserleiter dick begrenzt ist, zeigte Miller (1986) an, dass die geringere Durchlässigkeit in erster Linie mit strukturellen Veränderungen und in zweiter Linie mit der Dicke des Gesteins zusammenhängt. Mikritischer Kalkstein in Südflorida und in den Aufschlussgebieten wurde mit einer viel geringeren Durchlässigkeit als anderswo im System identifiziert.

Dolinen

Sinkhole-Bildungsprozesse
Auflösung Dolinen
Auflösungssenken bilden sich, wenn lösliche Gesteine ​​wie Kalkstein oder Dolomit mit einem Auflösungsmittel wie Wasser in Kontakt kommen. Die Auflösung wird in Bereichen intensiviert, in denen der Wasserfluss konzentriert ist, wie z. B. entlang von Fugen, Brüchen und Bettungsebenen im Gestein, wodurch bevorzugte Fließwege geschaffen werden.
Deckelsenkungsloch
Cover-Setzungen sinkholes neigen allmählich zu bilden , wobei die Abdeckmittel Sedimente sind durchlässig und enthalten Sand. In Gebieten, in denen das Deckmaterial dicker ist oder die Sedimente mehr Ton enthalten, sind Decksenkungen relativ selten, sind kleiner und können für lange Zeit unentdeckt bleiben.
Deckeleinsturz Doline
Cover-Collapse-Sinkholes können sich abrupt (über einen Zeitraum von Stunden) entwickeln und katastrophale Schäden verursachen. Sie treten dort auf, wo die Decksedimente einen erheblichen Anteil an Ton enthalten. Eines der bemerkenswerteren Beispiele für eine solche Doline ist die Doline Winter Park von 1981, die ein öffentliches Schwimmbad, Teil eines Autohauses und ein Haus in Winter Park, FL , verschluckte
Bild des gesamten Oberflächenwasserflusses des Alapaha River in der Nähe von Jennings, Florida , der in ein Erdloch mündet , das zum oberen floriden Grundwasserleiter führt.

Dolinen sind üblich, wenn das Gestein unter der Landoberfläche Kalkstein, Karbonatgestein, Salzbetten oder Gesteine ​​ist, die auf natürliche Weise durch das durch sie zirkulierende Grundwasser aufgelöst werden können. Während sich das Gestein auflöst, entstehen unter der Erde Räume und Höhlen. Wenn das Land über den Feldern nicht ausreichend unterstützt wird, kann es zu einem plötzlichen Einsturz der Landoberfläche kommen. Diese Einbrüche können klein oder riesig sein und können dort auftreten, wo ein Haus oder eine Straße oben liegt.

Sinkholes können nach den Prozessen, durch die sie gebildet werden, klassifiziert werden: Auflösung, Deckungssenkung und Deckungskollaps. Die Bildung von Dolinen kann durch intensive Grundwasserentnahmen über kurze Zeiträume beschleunigt werden, beispielsweise durch Pumpen zum Frostschutz von Winterkulturen in West-Zentralflorida. Sinkholes , dass im Jahr 1994 unter Gips Stapel entwickelt und 2016 verursachte einen Verlust von Millionen Gallonen Wasser enthält , mineralisiert Phosphogips und Phosphorsäure , Nebenprodukte der Herstellung von Düngemitteln aus Rohphosphat . Diese Dolinen wurden wahrscheinlich durch den Einsturz bereits vorhandener Auflösungshohlräume im Kalkstein unter den Stapeln gebildet. Lake Jackson in der Nähe von Tallahassee, FL, mündet gelegentlich in ein Dolinenloch am Boden des Sees, wenn der Wasserspiegel im Grundwasserleiter sinkt. Dover Sinkhole, das sich entlang des Peace River in der Nähe von Bartow, FL, befindet , wurde im Juni 2006 beobachtet , wie etwa 10 Mgal/d (38.000 m 3 /d) Wasser aus dem Peace River abgelassen wurde .

Federn

Es gibt 824 Quellen im gesamten Florida-Aquifer-System, davon 751 in Florida, 17 in Alabama und 56 in Georgia. Quellen werden nach dem Medianwert aller verfügbaren Abflussmessungen klassifiziert .

Größe Durchfluss (ft³/s, gal/min, Pint/min) Durchfluss (l/s)
1. Größe > 100 ft³/s > 2800 l/s
2. Größe 10 bis 100 ft³/s 280 bis 2800 l/s
3. Größe 1 bis 10 ft³/s 28 bis 280 l/s
4. Größe 100 US gal/min bis 1 ft³/s (448 US gal/min) 6,3 bis 28 l/s
5. Größe 10 bis 100 gal/min 0,63 bis 6,3 l/s
6. Größe 1 bis 10 Gallonen/min 63 bis 630 ml/s
7. Größe 2 Pint/min bis 1 Gallone/min 8 bis 63 ml/s
8. Größe < 1 Pint/min < 8 ml/s
0 Größe kein Fluss (Orte vergangener/historischer Fluss)

In Florida gibt es 33 Quellen der Stärke 1, von denen die bemerkenswertesten sind:

In Georgia gibt es nur eine Quelle der Stärke 1, Radium Spring , die bei Dürre nicht mehr fließt; Außerdem gibt es sechs Federn der Stärke 2 und fünf der Stärke 3. Die größte der 17 Quellen in Alabama sind drei Quellen der Stärke 3; In South Carolina gibt es keine Quellen der Stärke 3 oder höher.

Es ist bekannt, dass viele Quellen vor der Küste des Golfs von Mexiko und des Atlantischen Ozeans existieren, jedoch ist das Ausmaß des Abflusses aus diesen Quellen weitgehend unbekannt. Die Crescent Beach-Quelle, die sich etwa 4,0 km vor der Küste von Crescent Beach, Florida befindet, fließt schätzungsweise mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1.500 cu ft/s (42 m 3 /s) oder 970 Millionen US-gal/d ( 3,7 Millionen m 3 /d; 3.000 acre⋅ft/d).

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Grundwasserleiter