Diplomarbeit: Modellierung des Austausches zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser mit Hilfe des Umwelttracers Temperatur

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1 Diplomarbeit: Modellierung des Austausches zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser mit Hilfe des Umwelttracers Temperatur Von Johannes Ahrns Betreuer Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek Dipl.-Ing. Kerstin Saupe Inhalt: 1 Uferfiltration, Fließzeiten und Umwelttracer Temperatur 2 Messprogramm und Ergebnisse 3 Wärmetransportmodellierung 4 Ergebnisse der Modellierung 5 Vereinfachte Auswertung gemessener Temperaturen zur Aufenthaltszeitenbestimmung 6 Fazit

2 1 Uferfiltration, Fließzeiten und Umwelttracer Temperatur Uferfiltration ist eine bewährte Technologie in der Wassergewinnung sowie als natürliche Vorreinigungsstufe in der Wasseraufbereitung. Mit etwa 13% in Deutschland und 30% in Sachsen tragen natürliche und künstliche Grundwasseranreicherung in erheblichem Maß zur Trinkwasserversorgung bei. Natürliche im Boden ablaufende Reinigungsprozesse werden genutzt, um Wasser mit einer höheren und konstanteren Qualität als in Oberflächengewässern vorhanden zu gewinnen. Ausschlaggebend für die Einschätzung der Qualität des geförderten Rohwassers sowie seiner potentiellen Gefährdung durch Verunreinigungen und Kontamination des Oberflächenwassers ist die Aufenthaltszeit. Beispielsweise wird von einer vollständigen Elimination pathogener Mikroorganismen bei einer Aufenthaltszeit des Filtrats im Boden von mehr als 50 Tagen ausgegangen. Das Fließverhalten von Uferfiltrat lässt sich mit Modellen simulieren und Aufenthaltszeiten so bestimmen. Neben den hydraulischen Verhältnissen können Stoff- aber auch Wärmetransportprozesse dargestellt werden. Die Temperatur ist eine variierende Zustandsgröße von Uferfiltrat. Im Gegensatz zu altem Grundwasser wird sie erheblich durch die täglich und saisonal schwankende Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche und damit dem Ort der Infiltration beeinflusst. Sie lässt sich sowohl in Gewässern als auch im Boden bestimmen. Da der Wärmetransport im Untergrund hinreichend genau untersucht ist und mathematisch formuliert werden kann, stellt die Temperatur einen praktisch verwendbaren Umwelttracer dar. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Anwendung der Temperatur zur Bestimmung von Aufenthaltszeiten untersucht. Ausgehend von den physikalischen Grundlagen des Wärmetransports wurden an einem konkreten Beispiel die notwendigen Schritte zur Verwendung der Temperatur als Tracer betrachtet. Von der Planung und Durchführung eines Messprogramms bis zur Auswertung der Temperaturdaten mit Hilfe von Modellen wurden Probleme und Anwendungsgrenzen aufgezeigt und Hinweise für eine effektive Anwendung des Umwelttracers Temperatur abgeleitet. Außerdem wurde ein Hilfsmittel zur vereinfachten Abschätzung von Aufenthaltszeiten auf der Basis gemessener Temperaturen erarbeitet.

3 2 Messprogramm und Ergebnisse Seit Mai 2007 wurden am Versuchsstandort Wasserwerk Dresden-Tolkewitz in regelmäßigen Abständen von drei Wochen Stichtagsmessungen in bis zu dreizehn Grundwassermessstellen durchgeführt. Neben Temperaturprofilen wurden Grundwasserstände und elektrische Leitfähigkeit in den Filterbereichen bestimmt. Zusätzlich wurden Datenlogger zur kontinuierlichen Messung eingesetzt. Die Temperaturdaten können in Temperaturprofilen und -ganglinien dargestellt werden und lassen qualitative Aussagen zu veränderten Strömungsrichtungen und -geschwindigkeiten zu. Temperaturprofile können darüber hinaus Hinweise auf wechselnde Bodenschichten geben. Anhand der Vergleiche zwischen Logger- und Stichtagsmessungen sowie der Temperaturdaten aus den verschiedenen Pegeln konnten verfälschende Einflüsse (z.b. freie Konvektion innerhalb der Messstelle) identifiziert und Schlussfolgerungen für die Planung von Messprogrammen gezogen werden. Diese betrafen die Wahl der geeigneten Messstellen, günstige Zeiträume für Messungen, die Anordnung von Loggern in den Messstellen und zu erwartende Messgenauigkeiten. 3 Wärmetransportmodellierung Es existieren verschiedene Programme zur kombinierten Strömungs- und Wärmetransportmodellierung. Sind die Voraussetzungen paralleler Stromlinien und gleicher Temperaturverteilung in horizontal benachbarten Strömungen über den gesamten Simulationszeitraum erfüllt, ist die zweidimensionale Modellierung einer Stromröhre sinnvoll. Die Ergebnisse sind auf benachbarte Stromröhren übertragbar. Die Modellierung erfolgte mit dem Programm VS2DHI. Es basiert auf der Finite- Differenzen-Methode und kann die Strömungs- und Energietransportgleichungen einund zweidimensional numerisch lösen. Es eignet sich besonders zur Betrachtung von Interaktionen zwischen Oberflächenund Grundwasser, da gesättigte wie auch teilgesättigte Verhältnisse berücksichtigt werden. Darüber hinaus verfügt es über eine übersichtliche grafische Benutzeroberfläche.

4 4 Ergebnisse der Modellierung Der Vergleich zwischen den gemessenen Temperaturganglinien der Datenlogger und den vom Programm berechneten ergab zunächst, dass eine Modifizierung des Modellgebietes notwendig war. Die Temperaturverläufe legten eine weniger durchlässige Bodenschicht im Grundwasserleiter sowie unterschiedliche Durchlässigkeiten der Kolmationsschicht der Elbsohle im Randbereich und in Elbmitte nahe. Nach der Anpassung des Modellgebietes konnten gute Übereinstimmungen zwischen gemessenen und berechneten Temperaturen erzielt werden. Für den betrachteten Zeitraum wurden aufgrund des Modells kürzeste und mittlere Aufenthaltszeiten des Uferfiltrats bis zum Brunnen ermittelt. Außerdem wurde eine mittlere Infiltrationsrate der Elbe im Bereich der Stromröhre bestimmt. 5 Vereinfachte Auswertung gemessener Temperaturen zur Aufenthaltszeitenbestimmung Mit Hilfe von Modellen wurde die Beziehung zwischen der Aufenthaltszeit von Uferfiltrat bis zu einem Messpunkt und den jährlichen gemessenen Temperaturschwankungen am Messpunkt hergestellt. Die Temperaturschwankung des Gewässers im Modell betrug 23 Kelvin und folgte einem idealisierten sinusförmigen Verlauf. In den jeweiligen Modellläufen wurden die Durchlässigkeiten der Kolmationsschicht und des Grundwasserleiters sowie ihre Anisotropie variiert. Das hydraulische Gefälle im Modell wurde durch einen festgesetzten Wasserstand am rechten Modellrand erzeugt. Für die 190 resultierenden Modelle wurde an den Messpunkten die jährliche Temperaturschwankung (in Prozent der jährlichen Temperaturschwankung des Gewässers) sowie die zugehörige Aufenthaltszeit des Uferfiltrats ermittelt. Der Zusammenhang wurde in Form von Diagrammen und in Abhängigkeit von der Lage der Messpunkte unterhalb des Grundwasserspiegels sowie der effektiven Porosität des Grundwasserleiters und der Anisotropie grafisch dargestellt. Aus ihnen kann die mittlere Aufenthaltszeit von Uferfiltrat bis zu einem Messpunkt ermittelt werden. Außerdem kann durch den Vergleich zwischen dem durchschnittlichen jährlichen Gefälle und einem aktuell gemessenen auf die aktuelle Fließzeit geschlossen werden.

5 6 Fazit Temperaturmessungen sind einfach und prinzipiell in jeder Messstelle möglich. Durch Messungen in verschiedenen Teufen mehrerer Messstellen kann die räumliche Temperaturverteilung im Boden und Grundwasser bestimmt werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Tracern da, weil grundsätzlich keine besonderen Anforderungen an die Filterbereiche der Messstellen zur Probennahme bestehen. Bei der Modellierung von Uferfiltratströmungen können Temperaturdaten einen Beitrag zur Kalibrierung und besonders zur Überprüfung des strukturellen Aufbaus (z.b. Anordnung von Bodenschichten) eines Modells leisten. Eine Auswertung von Temperaturdaten ohne die Verwendung von Modellen ist jedoch sehr schwierig und lässt nur relativ grobe Schätzungen zu. Ebenso stellen Temperaturmessungen keinen Ersatz zu Grundwasserstandsmessungen dar, da Grundwasserströmung und damit der hydraulische Gradient einen maßgeblichen Einfluss auf den Wärmetransport haben. Letztendlich muss berücksichtigt werden, dass die festzulegenden thermischen Parameter in Modellen zusätzliche Unsicherheiten bergen, auch wenn die Schwankungsbereiche im Gegensatz zu hydraulischen Bodenkennwerten vergleichsweise gering sind.

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