Grundwassertemperatur
Erläuterungen zur Temperatur-Tiefenprofilmessung
Ziel der Temperaturmessungen
Die Temperaturmessungen dienen in erster Linie der Erweiterung der hydrogeologischen Grundlagen und sollen Hinweise zu Temperaturanomalien, zur natürlichen Temperaturschichtung des Grundwassers und zu anthropogenen Veränderungen der Grundwassertemperaturen geben. Mit Temperatur-Profilmessungen lassen sich ferner auf einfache Weise von Stockwerksverbindungen herrührende Vertikalströmungen in Grundwassermessstellen ermitteln.
Seit 1990 wurden von der Bayer. Wasserwirtschaftsverwaltung an ca. 350 Grundwassermessstellen in vierteljährlichem Turnus Tiefenprofilmessungen der Grundwassertemperatur im Beobachtungsrohr vorgenommen.
Die Messungen wurden nach Vorgaben des Bayer. Landesamtes für Wasserwirtschaft (heute: Bayer. Landesamt für Umwelt) von den Bayer. Wasserwirtschaftsämtern durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem Bericht zusammengefasst.
Grundlagen der Temperatur-Tiefenprofilmessung
Der Wärmehaushalt im Untergrund ergibt sich aus den einzelnen Anteilen der Wärmehaushaltsgrößen, und zwar den natürlichen Einflüssen (wie zum Beispiel Erderwärmung durch die Sonne, Wärmeeintrag durch versickernden Niederschlag, aufsteigendes geothermisch erwärmtes Wasser) und den anthropogenen Einflüssen (zum Beispiel Wärmeeintrag durch Leitungen und Gebäude).
Die Temperaturganglinien weisen in der Regel mit zunehmender Messtiefe eine Phasenverschiebung gegenüber dem jahreszeitlichen Verlauf der Lufttemperatur auf.
Bild 1 zeigt diese Erscheinung am Beispiel einer Messstelle in den quartären Flusstalfüllungen der Isar. Dabei ist gut erkennbar, dass der Verlauf der Temperaturganglinien an der Grundwasseroberfläche erheblich größeren Schwankungen unterliegt und demgegenüber mit zunehmender Tiefe die Amplitude der Temperaturschwankungen deutlich flacher wird. Dies ist u.a. von Relevanz für die Temperaturstabilität von Messgeräten, zum Beispiel bei den temperaturempfindlichen Drucksonden.
Ergebnis der Temperatur-Tiefenprofilmessungen an der Grundwassermessstelle Englischer Garten-E2, Nr. 16146 mit einem mittleren Flurabstand von 3,6 m und einer Entfernung von ca. 800 m vom Isarufer und ca. 200 m vom Eisbach
Die Wärmeübertragung im Untergrund erfolgt fast ausschließlich über den Wärmetransport des fließenden Wassers.
Zur Temperaturverteilung im Untergrund heißt es in der Fachliteratur:
- Die Temperaturschwankungen sind im Grundwasser in Nähe der Erdoberfläche infolge des jahreszeitlich wechselnden Wärmeaustausches relativ hoch.
- In einer Tiefe von 20 m ist ein Jahrestemperaturgang kaum feststellbar.
- Die Grundwassertemperatur steigt im Untergrund mit der Tiefe (bezogen auf die Erdoberfläche) pro 100 m um etwa 3 °C an.
Diese drei Sachverhalte sind schematisch in Bild 2 veranschaulicht.
Da die Wärme eine tracerähnliche Eigenschaft hat und die Wassertemperatur von allen Kenngrößen am leichtesten zu messen ist, sind neben den vorgenannten geophysikalischen Gegebenheiten mit Hilfe der Temperaturverteilung folgende Aussagen möglich:
Temperaturprofile im Untergrund zu verschiedenen Jahreszeiten
- Die Temperaturmessungen ermöglichen einen Nachweis über lokale Grundwasserströmungsvorgänge, zum Beispiel Aufsteigen von warmem Grundwasser aus der Tiefe.
- In der Nähe von Baumaßnahmen können mit Temperaturmessungen eventuelle Auswirkungen auf das Grundwasser festgestellt werden (zum Beispiel bei Wärmekraftwerken).
- Für die Funktionskontrolle von Grundwassermessstellen sind aufgrund der Temperaturverteilung Rückschlüsse möglich, ob z.B. Undichtigkeiten im Vollrohr bestehen.
Bei der Auswertung der gewonnenen Temperaturmessdaten wird festzustellen sein, in wieweit die relativ umfangreichen Messergebnisse in Bayern diese Aussagen stützen, oder ob sich ggf. neue Erkenntnisse ableiten lassen.
Messprogramm
Die Grundwassertemperatur wurde bis zum Jahr 1990 primär direkt unterhalb des Wasserspiegels gemessen. Die Messergebnisse waren dabei nur schwer vergleichbar und waren zudem beeinflusst durch den Temperaturaustausch mit der Lufttemperatur im Beobachtungsrohr.
Die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser hat 1987 in der "Richtlinie für die Beobachtung und Auswertung der Grundwassertemperatur" die Erkenntnisse aus geophysikalischen Forschungen umgesetzt. Die Richtlinie sieht primär die Messung der Grundwassertemperatur an fest definierten Tiefenmesspunkten vor (s. Bild 3), und zwar an jeder Messstelle vom Wasserspiegel bis zur Sohle, bzw. bis zur Unterkante der eingebauten Filterrohre.
Die Tiefenmesspunkte sind in der Richtlinie genau vorgegeben und sind ab der Geländeoberkante definiert (vgl. Bild 3). Die Festlegung auf diese bestimmten Tiefenmesspunkte hat den Vorteil, dass die Messergebnisse an den verschiedenen Grundwassermessstellen miteinander verglichen werden können.
Die Grundwasserrichtlinie 2/87 empfiehlt folgende Abstufungen der Messpunkte:
- bis 10m unter Gelände Abstand 1m
- bis 40m unter Gelände Abstand 2m
- über 40m unter Gelände Abstand 10m
Schemaskizze zur Anordnung der Temperatur-Messpunkte im Untergrund
Im Messprogramm für die Bayer. Wasserwirtschaftsämter war vorgesehen:
- Pro Messstelle erfolgen vier Messtermine im Jahr, und zwar im Februar, Mai, August und November. Damit sind Temperaturänderungen hinreichend genau zu ermitteln (s. Bild 1).
- Es wurden ca. 350 Messstellen ausgewählt, die länger als 30 Jahre beobachtet wurden bzw. tiefer als 100 m sind.
- Die Messergebnisse wurden in spezielle Messlisten eingetragen, bei denen die Tiefenmesspunkte bereits bezogen auf die jeweils maßgebliche Messpunkthöhe umgerechnet waren.
Ergebnisse
Die Ergebnisse zu den Temperaturmessungen und wesentlichste fachlichen Aussagen sind den Materialien Nr. 103 des Bayer. Landesamtes für Wasserwirtschaft (heute Bayer. Landesamt für Umwelt), Ausgabe Nov. 2001, zusammengefasst.