BMBF-Projekt Flussgebietsmanagement Unstrut

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1 BMBF-Projekt Flussgebietsmanagement Erstellung eines Management-Tools zur Wasserbewirtschaftung unter den Bedingungen bergbaubedingter salinarer Einträge der oberen und mittleren Modellkopplung Thomas Sommer, Mike Müller Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.v. Bernd Pfützner, Büro für Angewandte Hydrologie, Berlin

2 Raumgliederung Flussgebietsmanagement Projektkoordination: DGFZ TP1 GW-Modell DGFZ TP 2 N-A-Modell PIK Potsdam TP 3 Verweilzeitmodellierung TU DD TP 4 Stoffeintrag K-UTEC GmbH

3 Gliederung Ausgangspunkt und Zielstellung Grundlagen Kopplungsgrößen Räumliche Kopplung Zeitliche Kopplung Vorgehen im Projekt Ergebnisse Zusammenfassung

4 Ausgangspunkt SHELL start end GW-Anstrom in die Gewässer NA-Modell K GN K NG Wasserstand im Gewässer GW-Modell GW-Flurabstand Sickerwasser (+/-) aus Wurzelzone K GN K NG GW-Stand Grundwasserneubildung Kopplungsarbeiten im Rahmen des BMBF-Projektes GLOWA K GT Datenkonvertierung, durch die Shell gesteuert Ein-/Ausgabedateien (ascii) Datenflüsse Steuerimpulse Ziel: Rückkopplung GWN - GWFA in Niederungsgebieten Einzugsgebiet Pegel Nägelstedt Strategie mit Kopplungs-Shell

5 Zielstellung mesoskalige Abbildung lateraler Prozesse Nutzung eines prognosefähigen Grundwassermodells zur Untersetzung der Abflussmodellierung für Festgesteins-Regionen Grundwassermodellierung als Baustein komplexer Flussgebietsmodellierung Nutzung des N-A-Modells zur Quantifizierung zeitabhängiger Randbedingungen (GWN) Quantifizierung der Abflusskomponenten Darstellung der GW-Komponente im Rahmen modellgestützer Salzlaststeuerung

6 Kopplungsgrößen Raumgliederung Elementarflächen (NA-Modell) 12 Aufteilungsoperator aus DIFGA abgeleitet RG2 = f(q, t) RG1 = f(q, t) Abfluss [m³/s] / / / / / /1999 GWabfluss qgw Summe hypoderm. Abflüsse qh Direktabfluss qd Niederschlags-Abfluss-Modell Transferzonenmodul Grundwasserflurabstand GWN Flusswasserspiegel Grundwasserneubildung QhGW Q hd Q D Wsp. Grundwassermodell Q GW Grundwasserabfluss

7 Kopplungsstrategie NAM (ArcEGMO) initexchange Dimensionen, EFLs, Koordinaten return GWM (MODFLOW) gwlib.lib (kompilierte C-Bibliothek) Umwandlung der Datenstrukturen Zeitschrittschleife ArcEGMO- Rechnung exchange Sickerwasser (GWN), Flußwasserstand (H Fl ), Bilanzen, Zeitschritt (dt) Grundwasserstand (h GW ), Flußzu/abfluss aus GW (Q Fl ) return GWN, h Fl, dt, Bilanzen Python-Programm - schreiben und lesen der netcdf-dateien - starten von MODFLOW - Auswertung der Bilanzen - GWN-Zeit-Verzögerung GWN, h Fl, dt h GW und Q Fl netcdf-datei h GW und Q Fl End modifiziertes MODFLOW

8 Räumlich Diskretisierung

9 Räumlich Kopplung Räumliche Zuweisung der Kopplungsgröß ößen NA-Modell (ArcEGMO) Gewässerabschnitt (gekoppelt) EFL Gewässerabschnitt (gekoppelt) h Fl ΣQ GWN Q GW Bilineare Interpolation GW-Modell (MODFLOW) Rasterelement h GW

10 Räumlich Kopplung Bilineare Interpolation x 4,y 4,z 4 (x i,y i,z i ) x 3,y 3,z 3 t = ( x ) i x1,4 ( x x ) 2,3 1,4 = a A B b x 2,y 2,z 2 u = ( y ) i y1,2 b = ( y y ) B 3,4 1,2 x 1, y 1, z 1 y x a A z i = (1 t)(1 u)z 1 + t(1 u)z2 + t u z3 + (1 t)u z4 nach: PRESS et al. (1992): Numerical Recipes in FORTRAN, S. 116f

11 Zeitliche Kopplung Zeitliche Zuweisung der Kopplungsgröß ößen START NA-Modell (ArcEGMO) GW-Modell Δt NA ΣQ GWN, t0 t n h Fl,tn (MODFLOW) t 0 t n t n+1 Δt GW ΣQ GW, t0 t h n GW,tn Kopplungsgrößen: Q GWN Grundwasserneubildung h Fl Flusswasserspiegel Q GW Grundwasserabfluss Grundwasserspiegel h GW start end END

12 Vorgehen im Projekt NA-Modell Aufbereitung Datenmodell Eichung Datenmodell Anpassung Datenmodell Modellläufe Kalibrierungszeitraum Gekoppelte Modellierung GW-Modell recherchierte GWFA Mittlere GWN GWFA kalibriert Dynamische GWN Aufbau Hydrogeologisches Strukturmodell Stationäre Kalibrierung Instationäre Kalibrierung (Kopplungsstufe 1) Gekoppelte Modellierung Gebietsanalyse Grundwasser

13 Gebietskonkrete Kopplung Pegel Hachelbich Pegel Oldisleben Modellraum 1 Modellraum 2 Einzugsgebiet Pegel Hachelbich

14 Gebietskonkrete Kopplung Elementarflächen und Rasterelemente Gekoppelte Gewässerabschnitte 866 hierarchisierte Gewässerabschnitte 502 Flussrandbedingungs-Zellen

15 Bilanzen Teilmodell Bilanzgleichung 0 = Abflussbildung + N - ET - GWN A ± S Boden - R hyp - R o_ Abf Gewässermodell ± S Gew + R hyp + R o_ Gew + Q ext + Q GW Transferzonenmodul + GWN A - GWN G ± S Tr Grundwassermodell + GWN G ± S GW - Q Br - Q Fl ± Q Rand N ET GWN A GWN G S Boden S Gew S Tr S GW R hyp Ro_Abf Ro_Gew Qext Q GW Q FL Q Br Q Rand Niederschlag Verdunstung Grundwasserneubildung ( RG2 ) im Abflussbildungsmodell Grundwasserneubildung im Grundwassermodell als Ergebnis des Transferzonenmoduls Speicheränderung im Boden und oberhalb der Bodenzone Speicheränderung im Gewässermodell Speicheränderung in der Transferzone Speicheränderung im Grundwassermodell hypodermischer Abfluss ( RG1 )...oberirdischer Abfluss aus Abflussbildung...oberirdischer Abfluss aus Gewässern externe Zuflüsse ins Gewässernetz Grundwasserzufluss ins Gewässer im NA-Modell (entspr. -Q FL im GW-Modell) Grundwasserabfluss ins Gewässer im GW-Modell (entspr. Q GW im NA-Modell) Grundwasser-Entnahmen Randzuflüsse/-abflüsse im Grundwassermodell

16 Ergebnisse Abfluss [m³/s] Grundwasserabfluss qgw [m³/s] Grundwasserspiegel [m u Gel.] Summe qh_ungekopp. NA-Modell Summe qh_kopplung qges_messwerte Pegel Hachelbich Grundwasserabfluss EZG Pegel Hachelbich Grundwasserganglinie

17 Resümee Modellkopplung Gegenüberstellung der GW-Dynamik zur Dynamik des langsamen GW-Abflusses bringt plausible Ergebnisse Kopplung NA-Modell / GW-Modell ermöglicht die zeitliche und räumliche Differenzierung von Abflussanteilen Nutzung für Stoffstrom-Analysen Gebietsbezogene Kopplung komplexes Modellystem Nutzung als operatives Modell eingeschränkt Gekoppeltes Modellsystem für Szenarienrechnungen geeignet Methodische Erkenntnisse Modellkopplung Weiterentwicklung / Optimierung des Pre-Processings Bilanzierung des Gesamtraumes ArcEGMO-Gewässerabschnitte ArcEGMO-Gewässerabschnitt 1 Q Q GW,1 hfl,1 GW,2 hfl,2 Q hfl,2 GW,3 Q hfl,3 GW,4 hfl,4 h Fl,1 ΣQ GW,1..4 1:1 n:1 h Fl,1 h Fl,1 h Fl, h FL [m ü Sohle) Flusssohle [mhn] Flusslauf h FL [m ü Sohle) Flusssohle [mhn] Flusslauf MODFLOW-river zones MODFLOW-river zones

18 Zusammenfassung Modellkopplung des NA-Modells ArcEGMO mit MODFLOW Untersuchungsraum II (EZG Wipper) Kopplungsgrößen: Grundwasserstand; Grundwasserneubildung; Flusswasserstand und Grundwasserzufluss zum Gewässer Kopplungs-Datenformat: netcdf Modifizierung des ArcEGMO Elementarflächen-Modell Implementierung Transferzone (SlowComp-Ansatz) Modifizierung MODFLOW Einlesen dynamischer Randbedingungen Ergebnisse: zeitliche und räumliche Differenzierung von Abflussanteilen Nutzung für Stoffstrom-Analysen geeignet für Szenarienrechnungen Nutzung als operatives Modell eingeschränkt Methodische Erkenntnisse für Weiterentwicklungen