Transnational Science and Policy Panel. Das Hydrogeologische Modell

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Katja Schäfer
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1 Transnational Science and Policy Panel Das Hydrogeologische Modell Konzeptionelles Standortmodell aktueller Sachstand und Bedeutung für f r das Projekt Wolfgang Ufrecht 1

Hydrogeologisches Modell Litho- Hydro-Stratigraphie Instrument zur Beschreibung der hydrogeologischen Gegebenheiten in einem Betrachtungsraum (Strukturierung, Abstrahierung, wesentliche

2 Hydrogeologisches Modell Litho- Hydro-Stratigraphie Instrument zur Beschreibung der hydrogeologischen Gegebenheiten in einem Betrachtungsraum (Strukturierung, Abstrahierung, wesentliche Wirkungsmechanismen), Inhalt: Hydrostratigraphie, Aquifergeometrie, GW-Hydraulik Grundwasserhaushalt. Systemvorstellung: Festlegung des Modellgebiets mit hydraulisch definierten Grenzen (Bilanzraum). Voraussetzung für eine zielorientierte Untersuchung, Grundlage für ein numerisches Modell. 3

Erhebung bestehender Daten Schichtenverzeichnisse,

Räume, gute Datenlage, hier: 8.500 Bohrungen 1.

000 Analysen Verarbeitung von Daten (Raum und Zeit)

3 Erhebung bestehender Daten Schichtenverzeichnisse, Ausbaupläne Messwerte (Klimadaten, GW-Stände ) Karten, Lagepläne usw. Stoffparameter (Schadstoffe, Milieucharakterisierung Urbane Räume, gute Datenlage, hier: Bohrungen GWM 1000 Pumpversuche Ca Analysen Verarbeitung von Daten (Raum und Zeit) Interpretation von Zusammenhängen Beschreibung der Systemeigenschaften und Wirkungsmechanismen Abstrahierung, a priori Wissen! Hydrogeologische Modellvorstellung 5

4 Iterativer Prozess: Modellierung ist dynamisch Einfaches HGM, qualitativ Iterativer Prozess Bestmögliches qualitatives und semiquantitatives HGM Vorläufig verfügbare Daten Bohrungen Pumpversuche Stichtagsmessungen Stichtagsbeprobungen Zunahme an Information Naturnahe und verlässliche Systemcharakterisierung Plausibilität, Quantifizierung Modellwerkzeuge einsatzfähig! Erste Schritte Numerisches Modell Numerisches Modell Entwicklung numerisches Modell 6

5 BOISS Bohrdaten-Informationssystem Stuttgart Datenmanagement: Erfassung von Stammdaten, geologischen Schichtdaten, Messstellenausbaudaten... Höhe [m+nn] 220, , , 00 1,35 3,30 4,00 219,71 m NN Anthropogene Aufschüttung Auenlehm Altwassersedimente 222, , , , 01 Aufsatzrohr DN 200 Schieber Schieber 214, 00 Ta lsc hotte r 212, 00 8,20 quellendes Material 210, , , 00 11,10 12,05 Gipskeu per Grundgipsschichten Grenzd olomit 207, 21 Zementier ung Sperrohr D N 550 Niet-Bohrrohr e von 19 28, DN 1000, zerfressen Niet-Bohrrohre von 1928, DN 550, zerfressen Kies 204, , 00 Compactonit Aufsatzrohre Edelstah l DN 350 Aufsatzrohr DN , , , 00 Un terkeuper 197, , , , , , 00 30,55 188, , 89 Lippenpac ker 186, , 00 Oberer Muschelkalk Filterkies m ittel 184, 00 Filterrohr DN 350 Filterrohr DN , 00 38,20 181, , 54 Schichtenfolge und Ausbau der Inselquelle 7

BOISS Bohrdaten-Informationssystem Stuttgart...und wasserwirtschaftlichen Daten (Abstich, Hydrochemie, Schadstoffe.

2+ 60 Na + K + + F HCO 3 60 SO 4 2 40 40 Messen 0 100 20 80 Kationen 60 Ca 2+ 40 0 20 80 0 80 meq - % 20 40 60 80 100 20 Cl + NO 3 Anionen 0

hydrogenkarbonatisch sulfatisch C: überwiegend sulfatisch Erdalkalische Süßwässer mit höherem Alkaligehalt D: überwiegend hydrogen

6 BOISS Bohrdaten-Informationssystem Stuttgart...und wasserwirtschaftlichen Daten (Abstich, Hydrochemie, Schadstoffe..) Piper-Diagramm Ca - HCO 3 A G 100 D SO + Cl + NO B C E 60 Ca + Mg Na - Cl Mg Na + K + + F HCO 3 60 SO Messen Kationen 60 Ca meq - % Cl + NO 3 Anionen 0 Auswerten Grundwassertypen nach LANGGUTH & FURTAK Normal erdalkalische Süßwässer A: überwiegen d hyd rogenkarbo natisch B: hydrogenkarbonatisch sulfatisch C: überwiegend sulfatisch Erdalkalische Süßwässer mit höherem Alkaligehalt D: überwiegend hydrogen karbonatisch E: überwiegen d sulfatisch, überwiegend chloridisch Erfassen Dokumentieren Alkalische Süßwässer F: überwiegen d (hydrogen-)karbonatisch G: überw. sulfat. überw. ch lorid.; überw. chlorid. 8

7 ISAS InformationsSystem-Altlasten Stuttgart Verwaltung kontaminierter Flächen, Bearbeitungsstand Altlasten, Daten 9

8 Der Modellraum: Stuttgarter Talkessel Digitales Höhenmodell Baden-Württemberg Längsschnitt Relief Geologie Tektonik Grundwasser Funktionsraum Mineral- und Heilquellen 10

9 Keuper: Aquifergeometrie: Schluff-Tonsteine in Wechsellagerung Mit Dolomitsteinbänken und Sulfatgesteinen Oberer Muschelkalk: Kalkstein mit einzelnen Tonmergelsteinlagen Strukturierung, Hydrostratigraphie 11

10 Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie: Aquifergenese: Subrosion GW-Neubildung 12

11 Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie Zweiteilung: Oberflächennahe und tiefe Stockwerke Grundwasser-Neubildung LCKW GW-Neubildung Gipsauslaugungsfront Gipskeuper mit Teilstockwerken Gipsauslaugungsfront Unterkeuper Oberer Muschelkalk Systemcharakterisierung, Prozesse erkennen und verstehen 13

12 Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie: Verwerfungen Hydraulische Wirksamkeit? 14

Festgesteinssysteme: Werkzeugkasten Untersuchungsmethoden Isotopie, Hydrochemie: Verteilungsmuster Visualisierung, Quantifizierung von Zusammenhängen (Wechselwirkungen zwischen

13 Festgesteinssysteme: Werkzeugkasten Untersuchungsmethoden Isotopie, Hydrochemie: Verteilungsmuster Visualisierung, Quantifizierung von Zusammenhängen (Wechselwirkungen zwischen Aquiferen), Ursachen von Stoffminderungen (Verdünnung, Mischung, Abbau), Erkennen und Quantifizieren von Prozessen, Liefert Zusatzinformationen, schränkt Freiheitsgraden ein! 15

14 Erstellung GW-Gleichen: Interpolation über potentiell wirksame hydraulische Ränder hinweg? Kenntnis der Strukturen Hypothese entwickeln, überprüfen! >> Erfordert Zusatzinformationen! 16

15 Einengen von Freiheitsgraden: weitere Felduntersuchungen (weitere Bohrungen, zusätzliche Parameter) -8,8 o /oo -9,0 o /oo -9,2 o /oo -9,4 o /oo 17

Aquifergeometrie bestimmt Grundwasser-Hydraulik Gipskeuper teilausgelaugt (Gipskarst) Gipskeuper unausgelaugt Senke Gipskeuper unausgelaugt Grundwasserströmung Verknüpfung Aquifergeometrie mit

16 Aquifergeometrie bestimmt Grundwasser-Hydraulik Gipskeuper teilausgelaugt (Gipskarst) Gipskeuper unausgelaugt Senke Gipskeuper unausgelaugt Grundwasserströmung Verknüpfung Aquifergeometrie mit Hydraulik: >> geologische Randbedingungen; natürliche Grenzen im System, >> hydraulische Randbedingungen (z.b. Senken). Grundgipsschichten des Gipskeupers Gipskeuper ganz ausgelaugt (hydraul. Fenster) 18

17 Grundwasserbeschaffenheit Visualisierung bzw. Quantifizierung von GW-Austausch (vertikale Stockwerksverbindungen, teilausgelaugt Hydraulisches Fenster Vertikale LCKW- Verlagerung 19

18 Adäquate Erkundungsmethoden Hydraulik / Transportparameter Aquifercharakteristikum: Doppelporosität 20

19 Aquiferdiagnose Hydraul. Eigenschaften, räumliche Verteilung 10. Spitzberg / BoSS-Consult 10. Absenkung (m) Druckdaten Doppelporosität Matrix reagiert T = 3E-08 m²/s S = 1E Ableitung Radiale Strömung in Kluftzone T = 2E-04 m²/s S = 4E E+4 1.0E+5 1.0E+6 Zeit (sec) 21

20 Aquiferdiagnose: Kenntnisse zum hydraulischen Verhalten des Aquifers Röhre Kluft - Poren 22

$Schadstoffspezies (Einzelstoffe), Kenntnisse über laterale und vertikale Ausbreitung, Bisherige Herdentfrachtung (Austrag), Kenntnisse über$ Abbauvorgänge, Milieucharakterisierung. Schollenberger / BoSS-Consult 18 16 14 12 Trichlorethen Werte in µg/l 10 8 6 Tetrachlorethen 4 2 23 0 1.

Abbauvorgänge, Milieucharakterisierung. Schollenberger / BoSS-Consult 18 16 14 12 Trichlorethen Werte in µg/l 10 8 6 Tetrachlorethen 4 2 23 0 1.

21 System- und Prozessverständnis: Konzeptionelles Schadstoffmodell Bestandteil des Hydrogeologischen Modells Lage und Größe von Schadensherden, Schadstoffspezies (Einzelstoffe), Kenntnisse über laterale und vertikale Ausbreitung, Bisherige Herdentfrachtung (Austrag), Kenntnisse über Abbauvorgänge, Milieucharakterisierung. Schollenberger / BoSS-Consult Trichlorethen Werte in µg/l Tetrachlorethen Werte vom bis

22 Zusammenhänge erkennen: Konsistenz Hydraulik und Stoffausbreitung, Abgrenzung von Fahnen (Frigene, SF6 als Tracer) Herd 1 Herd 2 Spitzberg / BoSS-Consult 24

23 Folgerungen Hydrogeologisches Modell (HGM) ist notwendiges Werkzeug und Grundlage für Standortcharakterisierung und darauf aufbauende numerische Modellierung, HGM liefert interpretierte Grunddaten, Mit HGM wird System- und Prozessverständnis entwickelt (Modellvorstellung), Zur Überprüfung hypothetischer Ansätze sind spezielle Methoden (ggf. gezielt angesetzte Untersuchungen mit speziellen Parametern) anzusetzen: neue Erkenntnisse, Verknüpfung von Informationen (z.b. Hydraulik <> Beschaffenheit) >> Einengen von Freiheitsgraden, vermittelt höhere Belastbarkeit der Modellergebnisse, HGM beinhaltet Systemmodell und Schadstoffmodell, Synopsis System- und Prozessverständnis. 25

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