Grundwassermodellierung. Hausübung 2014

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1 Grundwassermodellierung Hausübung 2014 Die Aufgaben I-IV basieren auf einem Bericht von Andersen (1993)mit Anwendungsbeispielen für MODFLOW, welche mit ihren Basisdaten bereits in PMWIN modelliert wurden. Das Aufgabenpaket EPA Instructional Problems soll hierfür bei der Installation von PMWIN 5.3 miterstellt werden. Die jeweiligen Modelle werden anschließend in PMWIN geladen (Ordner PMWIN 5.3\Examples\EPA Instructional Problems\pX\pX.pm5). Material Programm - PMWIN 5.3 mit EPA Instructional Problems Paket! Literatur - Andersen, P.F. (1993). A Manual of Instructional Problems for the U.S.G.S MODFLOW Model - Chiang, W.H. & Kinzelbach, W. (1998). Processing Modflow A Simulation System for Modeling Groundwater Flow and Pollution - Koch, M. Skript Allgemeine Hydrogeologie ologie.html - (optional)harbaugh, A.W. (2005). MODFLOW-2005, The U.S. Geological Survey Modular Ground-Water Model the Ground-Water Flow Process Aufgaben I. Problem 6 - Similarity Solutions in Model Calibration (Andersen, 1993) (1) Modellieren Sie die Grundwasserströmung [ModelsMODFLOWRun] und stellen Sie die Grundwassergleichen für die Fälle a), b) und c) dar (Hilfe: Chiang&Kinzelbach, 1998, S.23-24). (2) Welche Unterschiede lassen sich erkennen und wie sind diese bzgl. der Variation von Transmissivität und Grundwasserneubildung zu erklären? II. Problem 9 - Calibration and Prediction (Andersen, 1993) (1) Welche Parameter müssen kalibriert werden, um einen stationären Fließzustand des Gesamtgebiets zu erhalten, wie er in Fig. 9.1 dargestellt ist? Bestimmen Sie diese Größen ausgehend von den Voreinstellungen und beschreiben Sie die Herangehensweise. (2) Eine Trinkwasserpumpe wird im Südwesten des Modellgebiets (Reihe 13, Spalte 4) installiert. Wie groß darf die Förderrate dieser Pumpe maximal sein, damit eine Kontamination

2 nordöstlich des Flusses den Brunnen nicht erreicht. Stellen Sie den Grenzfall mit Bahnlinien in PMPATH dar. Definieren Sie dafür vorab Grundwasseroberfläche und sohle ( Top of Layers =1 ; Bottom of Layers =0 s. Chiang&Kinzelbach, 1998, S.13-14) Hilfe: Chiang&Kinzelbach(1998): S oder S III. Problem 1 The Theis Solution (Andersen, 1993) (1) Modellieren Sie mit PMWIN die Grundwasserströmung für die drei Modellkonfigurationen der Teilaufgaben a), b) und c) des EPA manual. Stellen Sie den zeitlichen Verlauf der Absenkung in 55 Metern Abstand zum Brunnen mit einem geeigneten statistischen Tool graphisch dar. Anmerkung: nur a) ist in PMWIN vorkonfiguriert; für b) und c) bitte neue.pm5-files anlegen und das Modell selbstständig nach Tabelle 1.1 und 1.2 aufstellen (Vgl. Chiang&Kinzelbach(1998) S.56-57) (2) Stellen Sie zudem den zeitlichen Verlauf der Absenkung an diesem Punkt für die analytische Lösung nach THEIS für gespannte Grundwasserleiter dar. Nehmen Sie hierzu die THEIS sche Brunnenfunktion W(u) zur Hilfe. (3) Vergleichen Sie die Kurven. Wodurch unterscheiden sich die analytische und numerische Herangehensweise? IV. Stationäre Brunnenanströmung nach THIEM (1) Laden Sie wieder die Modellkonfiguration a) aus Aufgabe III, stellen Sie vom instationären zum stationären Fall um (ParameterTimesteady-state) und lassen Sie das Modell laufen. Wie hoch ist die Absenkung in 55m Entfernung vom Brunnen, welchem Zeitschritt ähnelt der Wert in der Theis-Lösung und warum? (2) Nehmen Sie die Absenkungswerte in 55 und 90 Metern Entfernung vom Brunnen und berechnen Sie die Transmissivität mit einer analytischen Lösung, der stationären Brunnenformel von Thiem. Erklären Sie mithilfe von Thiems vereinfachten Annahmen warum die Transmissivät der analytischen Lösung von der im numerischen Modell abweicht. V. Pump-and-treat In der Aufgabe geht es um die Sanierung eines kontaminierten Grundwasserleiters durch Abpumpen des verschmutzten Grundwassers in einem Brunnen im Abstrom der Schadensquelle.

3 Die Pumpenleistung soll berechnet werden, was durch eine analytische Rechnung (s. Allgemeine Hydrogeologie Skript, Kapitel 5.5.5) oder besser durch eine numerische Modellierung erfolgen kann. Es wird angenommen, dass die Grundwasserströmung parallel zur x-richtung in einem horizontalen Aquifer fließt, wobei der Darcy-Fluss durch den hydraulischen Gradienten bestimmt wird, der durch Dirichlet Randbedingungen rechts und links vorgegeben wird. Desweiteren ist der horizontale Aquifer in x-richtung 1000m lang, in y-richtung 500 m breit, und 50m dick. Die gemessenen Standrohrspiegelhöhen h sind 110 m+nn am linken und 105 Meter am rechten Rand. Die hydraulische Leitfähigkeit (Durchlässigkeitsbeiwert) des Aquifers k f ist 10-4 m/s. Bei x=400 ist mittig ein 80x80 Meter breites Gebiet verseucht, welches durch einen Brunnen an Position (x=600m;y=250m) im Unterlauf saniert werden soll. (1) Wie gross muss die Pumprate sein, damit die Schadstofffahne vollständig eingefangen wird? (2) Wie könnte man das System durch Verschieben der Lage des Brunnens optimieren? Hinweise: Verwenden Sie den voreingestellten Solver (Models MODFLOW Solvers PCG2), Zellgrößen von 10x10 Meter und simulieren Sie unter stationären Bedingungen. VI. Feldstudie In dieser Aufgabe soll auf Basis eines etwas realistischeren konzeptuellen Modells und den Eingabedaten eigenständig ein regionales Grundwassermodell mit PMWIN aufgebaut werden. Im ca. 1600x900 Meter großen Untersuchungsgebiet (Abbildung 1Abb. 1) befindet sich ein grobsandiger ungespannter Grundwasserleiter, für den nach Pumpversuchen ein flächendeckender Durchlässigkeitsbeiwert k f von 10-3 m/s und ein Speicherkoeffizient von 0,1 ermittelt wurden. Die Grundwassersohle dieses ungespannten Porengrundwasserleiters liegt bei 10 m+nn. Darunter befindet sich ein toniger Grundwasserstauer. Die örtlich gleichmäßige Grundwasserneubildungsrate durch Niederschlag liegt im Jahresmittel pro m² bei 7*10-9 m³/s pro m². Zeitlich schwankt sie jedoch im Verlauf des Jahres deutlich, mit höheren Raten nach der Schneeschmelze im Februar und März (Tabelle 1Tab. 1). Formatiert: Schriftart: 11 Pt. Im Süden des Untersuchungsgebiets steht ein unverwitterter Granit an, der keinen Durchfluss zulässt. Im Norden wiederum befindet sich ein geklüfteter Sandstein mit spezifischem Wasserfluss von 2*10-6 m³/(s*m) vom Rand des Sandsteins zum Porengrundwasserleiter (s. Chiang & Kinzelbach, 1998, S.224). Das Innere des Sandsteins im Nordwesten wird vereinfacht als undurchlässig betrachtet.?? nicht klar wo Nordwesten in der Karte ist, das ist wie Norden, wo der Sandstein halb durchlässig ist? Im Westen und Osten wird das Gebiet von Seen begrenzt, die im hydraulischen Kontakt mit dem Porengrundwasserleiter stehen. Aufgrund der großen Volumina können sie als konstante Potentialränder mit 20m+NN (West) und 18m+NN (Ost) angenommen werden. Zwischen den beiden Seen fließt ein 50 Meter breiter Fluss (s. Chiang & Kinzelbach, 1998, S.91) mit einer konstanten Wassertiefe (Flusspegel bis -sohle) von zwei Metern und einem Gefälle von 0,12% von West nach Ost. Die Durchlässigkeit der Flusssohle beträgt durchgehend 10-9 m³/s.

4 Einheiten überprüfen, wie das in Modflow eingegeben wird, das ist die leakance in der Bodenschicht des Flusses, pro Längeneinheit, glaube ich. S. mal die entsprechende Aufgabe 9 in Anderson. >>wie soll man das verstehen mit den Faktoren? Da müssen die Leute selbst die recharge rates ausrechnen?? Ich hoffe die können das, da die Summe nicht gleich 1 ist. Tabelle 1: Hydrologisches Jahr mit Gewichtungsfaktoren für relative Grundwasserneubildungsrate Monat Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Tage Faktor 0,1 0,1 0,1 2,6 3,5 1 0,1 0 1,2 2,1 1,1 0,1 Abbildung 1: Schematische Skizze des Untersuchungsgebiets mit Porengrundwasserleiter Vielleicht den undurchlässigen Nordwesten mal markieren. Ein Brunnen soll ca. 430m vom Nordrand und ca. 630m vom Ostrand errichtet werden. Hier soll das ganze Jahr über mit einer Pumprate von 0,01 m³/s Trinkwasser gefördert werden. Formatiert: Standard, Links, Abstand Nach: 0 Pt. Formatiert: Schriftart: 11 Pt. 4 verschiedene Fälle werden betrachtet: a) Stationär, Regionalströmung b) Stationär, mit Pumpe c) Instationär (360 Tage), Regionalströmung d) Instationär (360 Tage), mit Pumpe

5 (1) Modellieren Sie für die stationären Fälle die Isolinien und beschreiben Sie jeweils die Grundwasserströmung. (1)(2) Modellieren Sie die Erklären Sie für die instationären Fälle und erklären Sie bitte die Änderung der Isolinien über die 12 Perioden. (Tipp: ToolsPresentation ; FileAnimation) (2)(3) Stellen Sie für die instationären Fälle die Grundwasserganglinien der folgenden vier Messpunkte dar und beschreiben Sie diese (ParameterBoreholes) (ToolsGraphsHead- Time). Was fällt auf? Im Brunnen Am Gebietsrand ca. 430 Meter nördlich vom Brunnen Ca. 200 Meter westlich vom Brunnen Ca. 100 Meter südlich vom Brunnen (43) Zeigen Sie für die beiden stationären Fälle a) und b) und den instationären und den Fall d), für die stress period 1, in welchem Flussabschnitt influente und in welchem effluente Verhältnisse vorliegen (Vgl. Allgemeine Hydrogeologie Skript 3.3.2) (ToolsWater BudgetZones). Welche vereinfachte Annahme wird hierbei für den Fluss gemacht? Stellen Sie für die drei Fälle auch die Wasserbilanz des gesamten Aquifers dar. Formatiert: Einzug: Links: 0.95", Keine Aufzählungen oder Nummerierungen Hinweise: Viel Erfolg! Verwenden Sie für das Grundgerüst der Feldstudie Zellgrößen von 50x50 und verkleinern Sie die Zellen in direkter Nähe des Brunnens eigenständig. Die Längen- und Abstandsangaben in dieser Aufgabenstellung sind demnach nur Richtwerte, je nach Dimensionierung des Gitters um den Brunnen herum. Verwenden Sie den SSOR Solver (Models MODFLOW Solvers SSOR) und variieren Sie den ACCL Parameter zwischen 1,75 und 1,9. bis der Wasserbilanzfehler minimal ist (etwa < 0,1%). Die Wasserbilanz können Sie nach der Simulation im Dateiordner unter output.dat kontrollieren (Vgl. Chiang&Kinzelbach, 1998, S.19). Für den instationären Fall sollten nicht 12 Time Steps, sondern 12 (Stress) Periods à Sekunden (=30Tage) definiert werden, damit Parameter (hier: Recharge) angepasst werden können (ParametersTime) (s. Chiang & Kinzelbach, 1998, S. 63). Achtung: Falls Simulation Time Unit umgestellt wird (z.b. secondsdays) müssen auch alle anderen Parameter umgerechnet und neu angegeben werden z.b. (m³/s m³/day)