Grundwassermodelle

Der Einsatz von Grundwasser(Gw)Modellen in Bayern ist inzwischen zu einem Standard bei der Beantwortung und Bewertung hydrogeologischer und geohydraulischer Fragestellungen geworden.

Wozu dient ein GwModell?

Mit diesem Instrument kann man im übertragenen Sinne in das Grundwasser hineinschauen und so die vielfältigen, sich überlagernden Einflüsse auf das GwGeschehen bewerten. GwModelle dienen also zur Beschreibung der GwStrömung und des Transports von Schadstoffen im Untergrund.

Kenntnisse über die Geologie und das GwRegime eines Untersuchungsgebietes liegen stets nur punktweise aus Bohrungen, Brunnen und GwMessstellen vor. Die Beschreibung der Hydrogeologie und der GwStrömung erfordert somit immer eine Modellvorstellung, deren Ausgestaltung sich an der Fragestellung zu orientieren hat.

Untersuchungsgebiet mit GwAufschlüssen

Bei einem GwModell werden die physikalischen Vorgänge einer GwStrömung durch eine mathematische Gleichung oder ein System mehrerer miteinander verknüpfter Gleichungen beschrieben. Bei einfachen Strömungsproblemen kann diese Gleichung direkt gelöst werden (analytische Modelle), jedoch müssen hierzu stark vereinfachende Annahmen über die natürlichen Verhältnisse getroffen werden. Bei komplexeren hydrogeologischen Berandungen, mehrere GwStockwerke oder vollständig dreidimensionale Strömungen) erreichen diese Verfahren schnell ihre Grenzen. Zur Bearbeitung solcher Probleme werden heute numerische GwModelle eingesetzt, bei denen die Lösung der Gleichungssysteme mittels Computer erfolgt.

Methodik

Modellnetz für das Untersuchungsgebiet

Grundlage der numerischen Modelle ist die Aufteilung (Diskretisierung) eines Untersuchungsgebietes in eine Vielzahl kleiner Teilgebiete, die untereinander verbunden sind (folgende Abbildungen). Für jedes dieser Elemente werden dann die Strömungsgleichungen aufgestellt und miteinander verknüpft. Bei der Lösung dieses Gleichungssystems wird, abhängig von den vorgegebenen Randbedingungen, für jedes Element die GwStandshöhe berechnet. Dabei wird vorausgesetzt, dass in jedem Element die Summe der Zu- und Abflüsse ausgeglichen ist.
GwModelle werden in der Regel für Porengrundwasserleiter und feinklüftige Festgesteine eingesetzt.

Teilgebiet (Element) des Modellnetzes

Für grundwasserhydraulische Probleme in grobklüftigen Festgesteinen sind spezielle Modelle erforderlich, deren Berechnungsansatz eine zusätzliche Berücksichtigung dieser Klüfte erlaubt. In ähnlicher Weise ist eine Modellierung von stark verkarsteten

GwLeitern nur möglich, wenn Lage und Verlauf der Karsthohlräume bekannt sind.

Die Vorgehensweise bei der GwModellierung lässt sich in folgende Arbeitsschritte gliedern:

• Erarbeitung der hydrogeologischen Modellvorstellung
• Wahl der Geometrie und der Ränder des numerischen Modells
• Eingabe der Daten und Parameter
• Kalibrierung (Eichung) des Modells:
  Sie beinhaltet eine gezielte Variation der Parameter, die zugehörige Simulation der GwStrömung sowie eine anschließende Prüfung auf Übereinstimmung an gemessenen Daten und Plausibilität der berechneten Ergebnisse.
• Nachprüfung des Modells an einem von der Kalibrierung unabhängigen Zustand
• Prognoserechnungen mit dem Modell

Beispiele

Eine wesentliche Hilfe für wasserwirtschaftliche Entscheidungen ist die Möglichkeit, GwModelle nach erfolgter Kalibrierung für Prognosezwecke einsetzen zu können. Mit geringem Aufwand lassen sich verschiedenste Szenarien einer geplanten Maßnahme durchspielen und die Ergebnisse einander gegenüberstellen. Gerade durch die graphische Aufbereitung komplexer Strömungsvorgänge im Grundwasser können wichtige Ergebnisse von Modelluntersuchungen verständlich gemacht werden.
Grundwassermodelle werden derzeit überwiegend in folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt:

Strömungsmodelle zur

• Bestimmung von Grundwasserbilanzen und einzelnen Bilanzgrößen
• Berechnung von Grundwasserabsenkungen (Steigerung der Entnahme, neue Brunnenstandorte)
• Bestimmung von Einzugsgebieten für Trinkwasserfassungen und zur Berechnung von Fließzeiten für Schutzgebietsabgrenzungen
• Optimierung von Brunnenstandorten
• Vorhersage der Einflüsse aus Baumaßnahmen (zum Beispiel Grundwasseraufstau, Tunnelbau)

Transportmodelle zur

• Vorhersage der Ausbreitung einer Kontamination
• Risikoabschätzung bei der Standortwahl oder der Altlastenbewertung
• Planung von Erkundungs- und Überwachungsprogrammen
• Planung und zum Entwurf von hydraulischen Abwehr- und Sanierungsmaßnahmen
• Bilanzierung des Verbleibs von Schadstoffen im Untergrund

Auch für geothermische Fragestellungen werden inzwischen GwModelle eingesetzt.
Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise als Ergebnis eines GwStrömungsmodells die Zustrombereiche von Brunnen einer Brunnengalerie, die sich über die Berechnung von Bahnlinien (Fließwege von Wasserteilchen) abgrenzen lassen.

Teilgebiet (Element) des Modellnetzes

Ausbreitung einer Schadstoff-Fahne

Mit einem GwModell lassen sich aber auch, ausgehend von einem Brunnen, Bahnlinien zurück rechnen, so dass Punkte gleicher Fließzeit zum Brunnen zu Linien (Isochronen) verbunden werden können. Dies wird zum Beispiel bei der Abgrenzung von Schutzzonen in einem Trinkwasserschutzgebiet genutzt (50-Tage-Linie für die Schutzzone II).

Mit Hilfe eines Stofftransportmodells lassen sich mögliche Szenarien einer Schadstoffausbreitung simulieren. Da Fließvorgänge im Grundwasser sehr langsam ablaufen, können Markierungsversuche nur bedingt eingesetzt werden. Hier bieten Prognosen mit einem GwModell bei entsprechend sorgfältiger Bewertung eine wertvolle Entscheidungshilfe.
Das Beispiel in der letzten Abbildung zeigt, ausgehend von derselben GwStrömung wie im vorigen Bild, die Ausbreitung eines Schadstoffes und die Konzentrationsverteilung innerhalb der Schadstoff-Fahnen.