Globale vs. distributive Modelle

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1 Modellierung von Karstgrundwasserleitern Steffen Birk Institut für Erdwissenschaften Karl-Franzens Franzens-Universität Graz Tobias Geyer, Martin Sauter Angewandte Geologie,, Universität Göttingen Globale vs. distributive Modelle Globale (lumped parameter) Modelle Keine räumliche Diskretisierung wenige Parameter empirisch (Black-Box-Modelle) oder vereinfachte Prozessbeschreibung (Grey-Box-Modelle) Distributive Modelle Räumliche Diskretisierung (2D, 3D) viele Parameter (meist) prozessbasiert = Numerische Grundwassermodelle Geyer et al., J. Hydrol. (2008) Chiang (2005) 1

2 Numerische Grundwassermodelle in Karstgebieten Case Study (Scanlon et al. 2003) Can we simulate? Kommt darauf an Vergleich gemessener und berechneter Wasserstände Vergleich gemessener und berechneter Quellschüttungen MODFLOW MODFLOW 2

3 Karstgrundwasserleiter Quellschüttung Rasche, konzentrierte Infiltration Langsame, diffuse Infiltration Niederschlag Zeit Grundwasserspiegel Feinkluftsystem / Matrix: geringe Durchlässigkeit großer Speicher laminare Strömung Vorfluter Karstquelle Karsthohlraumsystem: hohe Durchlässigkeit geringer Speicher oft turbulente Strömung Hohlräume in Festgesteinen Poren-Hohlräume 34 cm Kluft- Hohlräume Karst-Hohlräume Sandstein (Süddeutschland) Gips (Westukraine) Domenico and Schwartz (1990) 3

4 Skalenabhängigkeit der hydraulischen Durchlässigkeit (Gallusquelle) Zunahme der Längenskala Zunahme der Durchlässigkeit Sauter (1992) Modellansätze für Kluft- und Karstgrundwasserleiter Ein-Kontinuum Doppel-Kontinuum Hybrid-Modell Diskretes Modell Diskretes Modell Mehre Kluftnetze + Einfachheit - Heterogenität - Turbulente Strömung Nach Teutsch and Sauter (1991, 1998) 4

5 Hybrid-Modell CAVE MODFLOW gekoppelt mit Röhrennetzwerk Wasserfluss von MODLFOW in Röhren bzw. umgekehrt: ( ) Q = α h M h R Karsthohlraumsystem: Röhrennetzwerk Konzentrierte Neubildung Diffuse Neubildung h R h M Fluss Quelle Feinkluftsystem / Matrix: Kontinuum-Modell MODFLOW Nach Bauer et al. (2005) CFP: Röhrennetzwerk gekoppelt an MODFLOW-2005 Conduit Flow Process CFP für U.S. Geological Survey Strömungsmodell MODFLOW-2005: Hybrid-Modell: CAVE+ Ein-Kontinuum: MODFLOW + turbulente Strömung Dokumentation, Programm inkl. Quellcode: 5

6 Geometrie des Röhrensystems? Störungen Bohrungen Trockentäler Hypothetisches Röhrensystem Tracer Dolinen Karstquelle Shoemaker et al. (2008) Can we simulate? Hybrid-Modell + Heterogenitäten + Turbulente Strömung - Kenntnis zahlreicher Parameter erforderlich, z.b. - Geometrie des Röhrensystems - Zeitliche und räumliche Verteilung der konzentrierten und diffusen Neubildung Hoher Erkundungsaufwand Mehrdeutigkeit bei Kalibrierung Hohe Unsicherheit von Prognosen 6

7 Modellansätze für Kluft- und Karstgrundwasserleiter Ein-Kontinuum Doppel-Kontinuum Hybrid-Modell Diskretes Modell Diskretes Modell Mehre Kluftnetze Deterministischer Ansatz gering hoch limitiert Stochastischer Ansatz Untersuchungsaufwand hoch Praktische Anwendbarkeit Möglichkeit zur Simulation von Heterogenitäten limitiert gut Nach Teutsch and Sauter (1991, 1998) Can we simulate? Grundsätzlich ja, aber zweckmäßig? Unzureichende Daten nicht prognosefähig? Karstsystem vollständig charakterisiert Modellierung nötig? Why simulate? Prognose? Regional Fragestellungen, Wasserressourcen? Lokale Phänomene, Schadstofftransport Charakterisierung von Karstsystemen: Prozessverständnis (Strömung, Transport, Karstgenese) Hilfsmittel zur Interpretation von Daten 7

8 Charakterisierung = Geländearbeit + Modellierung Karsteinzugsgebiete Geländearbeit Schüttung Tracer Isotope Temp./LF Auswertung vorh. Daten Strömungsund Transportprozesse Vergleich Muster- und Strukturerkennung ( pattern matching ) Charakterisierung - Netzwerktyp - Vernetzungsgrad - Verkarstungsgrad Schüttung Tracer Bewertung - Ressourcen - Vulnerabilität Modellierung Isotope Temp./LF Modellgebiete Karst Catchment Modifiziertes Konzept Field observations Recharge event Q T EC Characterisation Conduit system Fissured system Recharge / Epikarst Data Analysis Geomorphology Geology Isotopes Tracer tests Spring responses Hydraulic tests Hydrograph recession Q Inverse Modeling Tracers Pattern Matching Forward Modeling Recharge event Q EC T Model Domains 8

9 Beispiel: Gallusquelle (S-Dtld.) 1.2 Tracer Injection Fixed-head boundary Discharge [m³/s] Flow recession data single conduit dendritic Time after tracer injection [days] Tracer Injection Fixed-head boundary Concentration [µg/l] Tracer test data single conduit dendritic Time after tracer injection [days] Stoff- und Wärmetransport Normalized Parameter Value Epikarst EC-Zunahme T-Abnahme Temperaturminimum verzögert Measured El. Conductivity Temperature 12/3/88 12/11/88 12/19/88 Normalized Parameter Value Modeled El. Cond. - Single Cond. Temp. - Single Cond. El. Cond. - Dendritic Cond. Temp. - Dendritic Cond. Kein Epikarst T kaum verzögert oder gedämpft 12/3/88 12/11/88 12/19/88 Mehr Kontaktfläche Gestein-Wasser erforderlich Stärker verzweigtes Röhrensystem 9

10 Geometrie des Röhrensystems: Simulation der Karstgenese Röhrensystem Röhrennetz Konzeptionelles Modell Numerisches Modell Karstgrundwasserleiter Gesteinslösung Matrix / Feinkluftsystem Lösungsmodul Kontinuum Carbonate Aquifer Void Evolution Zusammenfassung Kontinuum-Ansatz vs. Hybrid-Modelle Fragestellung: Regional oder lokal? Wassermengen oder Transport? Zweck: Prognose oder Charakterisierung (Dateninterpretation) Verfügbarkeit von Daten, Erkundungsaufwand Hybrid-Modelle als Hilfsmittel zur Dateninterpretation Vergleich von Modell-Karstsystemen mit Daten: Schüttungsganglinien, Temperatur, el. Leitfähigkeit, etc. Karstgenesemodellierung: Geometrie des Karsthohlraumsystems in Abhängigkeit von geologischen und hydrologischen Faktoren 10