Sickerlinienberechnungen mit den. Programmsystemen PCGEOFIM und SIWAPRO

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1 Sickerlinienberechnungen mit den Programmsystemen PCGEOFIM und SIWAPRO als Grundlage für die Standsicherheitsberechnungen von Böschungssystemen im Bergbau und der Wasserwirtschaft Cottbus, März 2013 Dr.-Ing. Holger Mansel (SfTE), IBGW GmbH Leipzig (Friedemann Brückner, Rene Blankenburg)

2 Unter einer freien Oberfläche versteht man eine Kontur, an der der Porenwasserdruck gleich dem Luftdruck ist. Vereinfacht: Die Sickerlinie ist im 2D-vertikal-ebenen System diese Grenzlinie zwischen ungesättigter und gesättigten Untergrundverhältnissen. zusätzliche wichtige Komponenten im Kraftansatz

3 Dupuit-Annahme: (vereinfachter Ansatz in vielen Modellen) Bei einem gleichmäßigen, fast horizontalen Grundwasserstrom wird angenommen, daß die Stromlinien horizontal und die Äquipotentiallinien vertikal verlaufen und daß das hydraulische Gefälle über eine Vertikale konstant ist und dem Spiegelgefälle des obersten Grundwasserstockwerkes entspricht.

4 IBGW

5 Berechnungsmethodik numerischer GW-Modelle Das Programmsystem PCGEOFIM ist ein behördlich anerkanntes Berechnungsprogramm Parameter für die Prognose der GW-Dynamik und GW- Beschaffenheit, speziell in bergbaulich beeinflussten Regionen und hat sich in den Bergbaugebieten Mitteldeutschlands und der Lausitz bereits als Standard durchgesetzt. HGMN Fläche [km2] Anzahl der finiten Volumina Anzahl der Seen 43 Anzahl der Flüsse 55 Anzahl der Lupen (Gitternetz- Verfeinerung) Es wird durch die IBGW GmbH selbst angewendet, ständig praxisbezogen weiterentwickelt und exklusiv vertrieben. 17

6 Übersicht zum Programmsystem PCGeofim Programm zur Berechnung der Geofiltration und migration Simulator Geofim und grafisches Frontend PCGeofim mit Toolsammlung für Post- und Preprocessing Seit 1971 in der Entwicklung für verschiedene Plattformen Seit 1991 Weiterentwicklung des public domain Codes im IBGW Seit 2004 einheitliche Windows-Oberfläche für Toolsammlung Verwendung von Lupen (horizontal + vertikal) zur regionalen Netzverfeinerung durch Berücksichtigung der bergmännischen Hohlformen von Restlöchern prädestiniert für Einsatz in Bergbaulandschaften Räumlich verteilte Parameter Zeitliche veränderliche Geometrie und Parameter

7 Mengenströmung (Geofiltration) Berechnung der gesättigten Grundwasserströmung nach der Finite-Volumen- Methode eindimensional, horizontaleben, vertikaleben oder räumlich (3D) Randbedingungen 1., 2. und 3. Art mit Beschränkungen Grundwasserneubildung flurabstands- und zeitabhängig Berücksichtigung von Einzelbrunnen, Brunnengruppen, Brunnengalerien Entwässerung über Horizontalfilterbrunnen Kopplung von Grund- und Oberflächenwasser (Flüsse, Seen und Restlöcher) Kopplung zum Bodenwasserhaushaltsmodell ArcEGMO bzw. WASIM-ETH Möglichkeit des Trockenfallens von Modellelementen, Flüssen und Restlöchern

8 Stofftransport (Migration) Berechnung von Isochronen und Bahnlinien Transport eines Migranten im Grundwasser mit Hilfe des Random-Walk-Verfahrens Transport gelöster Stoffe im Grundwasser mit Hilfe der Bilanzmethode bei bis zu 15 Migranten reaktiver Stofftransport im Grundwasser durch Kopplung mit PHREEQC

9 Parameteridentifikation und -optimierung Sensitivitätsmethode zur Minimierung der Abweichung von Mess- und Simulationswerten für Strömungs- und/oder Stofftransportparameter möglich Definition von Zonen, in denen die Parameteridentifikation durchgeführt wird Berücksichtigung des hydraulischen Gradienten Brunnenoptimierung Einhaltung vorgegebener Schutzziele unter Einsatz von Förderbrunnen Vorgabe mehrerer Schutzziele möglich Berechnung optimaler Anzahl von Förderbrunnen und/ oder Förderraten

10 Berechnungsmethodik Beispiel Diskretisierung Verschneidung Parametrisierung

11 Diskretisierung

12 Parameter

13 Randbedingung 1.Art Randbedingung 1.Art IBGW Festlegung der Randbedingungen Grundwasserneubildung obere Berandung / Seewasserspiegel

14 Kalibrierung Sickerwasserlinie GW-Messstellen Potenziallinien

15 Ergebnisse (Original Vergleichsvariante 1) Sickerwasserlinie Strömung im GWL Potenziallinien vorhandene Datenbasis ermöglicht Modellkalibrierung plausibler Strömungszustand Vergleichszustand für die folgenden Szenarios diffus aufsteigende Grundwässer durch die geringleitenden Schichten

16 Ergebnisse (Variante 2 geänderte Randbedingungen) (im Vergleich zu Variante 1) Sickerwasserlinie Seewasserstand deutlich niedriger landseitig stark höhere Randwasserstände Potentiallinien größere Potenzialdifferenzen, Sickerlinienaustritt sehr weit oberhalb der Uferlinie Notwendigkeit der Kenntnis der Strömungsrandbedingungen GW-Messstellen für Berechnung von Ist-Zuständen oder hoch aufgelöstes Modell für Prognosezustände

17 Suffosion ist die Umlagerung und der Abtransport feiner Bodenteilchen im Boden durch Wasser. Dabei werden feine Körner eines ungleichförmigen nichtbindigen Bodens von der Strömungskraft des Wassers aus dem Boden gelöst und durch den vorhandenen Porenraum transportiert. Erosion Ist die Umlagerung und der Transport fast aller Fraktionen eines nichtbindigen Lockergesteins.

18 Schematische Darstellung der Suffosion bei Erdstoffen mit Einzelkorngefüge: a) innere Suffosion; b) b) äußere Suffosion; c) c) Kontaktsuffosion Typ 1/1; (BUSCH ET AL., 1993). Schematische Darstellung der Erosion nichtbindiger Erdstoffe: (BUSCH ET AL.,1993). a) äußere Erosion; b) innere Erosion; c) Fugenerosion; d) Kontakterosion

19 Ergebnisse (Original Vergleichsvariante 1)

20 Ergebnisse (Variante 3 kf-wert Kippe reduziert) (im Vergleich zu Variante 1) Sickerwasserlinie kf-wert Kippe von 5x10-6 auf 1x10-6 m/s reduziert Potentiallinien steilere Sickerlinie, Wasseraustritt etwas weiter oberhalb der Uferlinie Notwendigkeit der Kenntnis der oberflächennahen Parameter im Uferbereich

21 Ergebnisse (Original Vergleichsvariante 1)

22 Ergebnisse (Variante 4 unverwahrter Aufschluss) (im Vergleich zu Variante 1) Sickerwasserlinie Integration eines unverwahrten Brunnens im Uferbereich Potentiallinien geringere Druckdifferenzen zum Liegenden, jedoch kein vollkommener Druckausgleich aufsteigendes Wasser führt zu einer steileren Sickerlinie, Wasseraustritt etwas weiter oberhalb der Uferlinie

23 Ergebnisse (Original Vergleichsvariante 1)

24 Ergebnisse (Variante 5 unverwahrte Strecke) (im Vergleich zu Variante 1) Sickerwasserlinie Integration einer unverwahrten Entwässerungsstrecke im obersten Flöz Potentiallinien Projektion der landseitigen Hangendwasserstände in den Kippenbereich sehr steile Sickerlinie, Wasseraustritt deutlich oberhalb der Uferlinie Gefahr von Suffosion/Erosion

25 Programmsystem PCSiWaPro Übersicht und Historie Software zur computergestützten Sickerwasserprognose u.a. Ursprung im public domain Programm SWMS_2D (Vorgänger von HYDRUS) als Ergebnis der Dissertation Oliver Kemmesies (Rechenkern) Entwicklung seit 2002 im Rahmen des BMBF-Forschungsverbundes Sickerwasserprognose (Laufzeit bis Ende 2007) mit TUD und KP Ingenieurgesellschaft für Wasser und Boden mbh als Partnern Ab 2005 komplette Neuentwicklung (GUI, Überarbeitung Rechenkern + Gleichungslöser) Einsatz in Forschung und (internationaler) Lehre sowie kommerziell. Eine kommerzielle Verbreitung durch die TU Dresden und die IBGW ist nach Beendigung eines BMBF-F/E-Projektes noch 2013 geplant.

26 Eigenschaften und Merkmale Wasserströmung sowie Stoff- und Wärmetransport in der ungesättigten Zone (Bodenzone) Berücksichtigung stationärer und instationärer Randbedingungen Generator für synthetische meteorologische Zeitreihen beliebiger Länge (atmosphärische Randbedingungen) Netzgenerator für unstrukturierte Dreiecksnetze Randbedingungseditor Assistent zur modellgestützten Sickerwasserprognose

27 Eigenschaften und Merkmale Strömung nach Richards-Gleichung, 2D vertikal-eben Bodenhydraulik nach van Genuchten-Luckner Transport mittels Advektions-Dispersions-Gleichung Zusätzliche Terme für Abbau + Sorption Wasser- und Schadstoffaufnahme durch Pflanzenwurzeln Numerische Lösung mit Finite- Elemente-Methode für Ortsdiskretisierung und Finite Differenzen für Zeitquantisierung

28 Richards-Gleichung (Strömung und Wasserhaushalt) Volumetrischer Wassergehalt t x i K K A ij h x j K A iz w 0 t x i K h Zeit (x 1 =x, x 2 =z), Raumkoordinaten Hydraulische Leitfähigkeit Druckhöhe w 0 Quellen-/Senkenterm Parametrisierung der Bodeneigenschaften nach van Genuchten-Luckner (Saugspannungs- Sättigungskurve) r 1 r, w h c n r, l 1 1 n r,w r,l n h c Porosität Restwassergehalt Restluftgehalt Skalierungsfaktor (van Genuchten) Anstiegsfaktor (van Genuchten) Kapillardruckhöhe

29 Saugspannungs-Sättigungskurve PDC Primary drying curve MWC Main wetting curve MDC Main drying curve SWC Scanning wetting curve SDC Scanning drying curve

30 Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit K r k k 0 S S S S 1 m 1 m 0 m m 2 Parameter: K r () Relative ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit k() ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit S S0 k 0 Mobilitätsgrad Mobilitätsgrad am Eichpunkt hydraulische Leitfähigkeit am Eichpunkt λ Parameter, -1< λ <1, λ = 0,5 m 1-1/n

31 Berechnung der Sickerlinie Berechnung der Sickerlinie an einem Restloch bei vorgegebenen Grundwasserstand Landseitiger GW-Stand: 83,4 m Restlochwasserspiegel: 78,0 m

32 Berechnung der Sickerlinie Randbedingungen landseitig: wasserseitig: Vorgabe der k f Werte aus Tabelle 1. Art (GW-Spiegel) 1. Art (Restloch) sowie 2. Art (Sickerfläche) Ableitung sonstiger erforderlicher Parameter (van Genuchten, Porosität und Restwassergehalt) aus DIN 4220 Parameter k f -Werte (horizontal) Kippe GWL 1.5 GWL 1.6 GWL 2.2 Schluff/Ton Braunkohlenflöz GWL 5.0 Werte 2, m/s 2, m/s 4, m/s 2, m/s 1, m/s 1, m/s 2, m/s

33 Berechnung der Sickerlinie mit zwei mathematischen Modellen Vergleich Ergebnisse mit Geofim Blau: PCGeofim (freie Oberfläche als Linie) Magenta: PCSiWaPro (freie Oberfläche aus der Sättigung 100%) Beide Programme liefern trotz unterschiedlicher mathematischer Modelle vergleichbare Ergebnisse!

34 Fortpflanzung eines Druckimpulses in Altbergbaustollen Untersuchung der Druckfortpflanzung in einem wassererfüllten Altbergbaustollen in Richtung Kippenböschung Verwendung des Programms PCSiWaPro Bergbaustollen als poröses Medium näherungsweise modelliert k f -Wert = >1 m/s Porosität n = 1 Laminare Strömung wird angenommen Vorgabe eines kurzzeitigen (0,3 d) Druckimpulses (RB 1. Art) nach 12 Tagen Simulationszeit Auswertung zeitliche Druckhöhenänderung an folgenden Punkten Im Stollengang: 0 m, 200 m, 400 m, 600 m, 800 m Im Kippenbereich: 820 m Darstellung des Geschwindigkeitsprofils im Bereich des Stollenendes als Animation

35 Druckhöhe, normiert [m] IBGW Fortpflanzung eines Druckimpulses in Altbergbaustollen m 200 m 400 m 600 m 800 m 820 m Impuls ,2 11,4 11,6 11, ,2 12,4 12,6 12,8 13 Zeit [d]

36 Fortpflanzung eines Druckimpulses in Altbergbaustollen Ende Stollengang Kippenbereich Stollen

37 Fortpflanzung eines Druckimpulses in Altbergbaustollen Ende Stollengang Kippenbereich Stollen

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sickerlinienberechnungen mit den Programmsystemen PCGEOFIM und SIWAPRO als Grundlage für die Standsicherheitsberechnungen von Böschungssystemen im Bergbau und der Wasserwirtschaft Cottbus, März 2013 Dr.-Ing. Holger Mansel (SfTE), IBGW GmbH Leipzig (Friedemann Brückner, Rene Blankenburg)