Interaktion kommunizierender Grundwasserleiter am Beispiel des numerischen Grundwassermodells 'Aachener Weg - Viersen'

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010) [Doktorarbeit]

Seite(n): X, 161 Bl. : Ill., graph. Darst., Kt.

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der hydraulischen Verhältnisse und insbesondere der Interaktion der Grundwasserleiter an einem Wasserwerksstandort der Stadt Viersen (Wasserwerk Aachener Weg) im Niederrheinischen Tiefland. Dazu wurde in Kooperation mit der NiederrheinWasser GmbH ein hochaufgelöstes hydrogeologisches Modell und darauf basierend eine numerische Aquifersimulation erstellt, um damit die hydrogeologischen Modellvorstellungen zu überprüfen und konkrete Fragestellungen zu beantworten. Das Arbeitsgebiet erstreckt sich von der Venloer Scholle auf die Krefelder Scholle und umfasst eine heterogene Sedimentabfolge. Das tektonische Hauptelement stellt der Viersener Sprung mit einem Versatz von mehreren Hundert Metern dar. Parallel verlaufende Störungen zeigen Versatzbeträge bis zu 50 m. Die Verstellung an den Störungen und die heterogene Lithologie mit hydraulischen Fensterstrukturen führen zu einem komplexen hydrogeologischen System. Ein besonderes Augenmerk galt der Parametrisierung der Störungszonen, die einen erheblichen Einfluss auf das Fließregime zeigen. Aus der Interpretation der vorliegenden Bohrprofile wurden die folgenden hydrostratigraphischen Einheiten abgeleitet: Miozäne bzw. Oligozäne Sande (GwL2b), Hauptrotton (GwGl2) und Oberer Rotton (GwGl2b), Hauptkies-Serie und Kiessande/Sandkiese der Reuver-Serie (GwL2), ReuverB-Ton (GwGl1) und ReuverC-Ton (GwGl1b), Quartäre Terrassenablagerungen (GwL1). Als Modellbasis wurde das Flöz Frimmersdorf gesetzt. Auf Grundlage des hydrogeologischen Modells erfolgte der Aufbau des instationären numerischen Modells (FEM) über einen Betrachtungszeitraum von elf Jahren (1996-2006). Die Modellumsetzung erfolgte mit 18 Modellschichten mit insgesamt 163.368 Knoten (305.354 Zellen). Als natürliche Modellgrenzen wurden die Wasserscheide zwischen Nette und Niers im Westen und die Niers als Vorfluter im Norden gewählt. Im Süden wurde der Zustrom über eine Randbedingung mit konstanten Druckhöhen gesetzt, im Osten über eine konstruierte Trennstromlinie. Die Sickerwasserrate wurde mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell Theseus flächendifferenziert in monatlicher Auflösung berechnet. Durch den Flurabstand geht das Sickerwasser dem Grundwasser verzögert und mit gedämpften Amplituden zu, was über die Anwendung eines gleitenden Mittels auf die Sickerwasserganglinie umgesetzt wurde. Die Kalibrierung erfolgte über die Variation der kf-Werte als unsicherstem Parameter. Dabei ergab sich ein durchschnittlicher RMS-Fehler von 0,35 m in GwL1 und 0,44 m in GwL2/2b. Im Aussagegebiet (Wasserwerk Viersen und Anstrombereich) konnten noch geringere Abweichungen erzielt werden und die kf-Werte somit im Rahmen der Modellgenauigkeit ermittelt werden. Mit der Modellkalibrierung konnten sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Differenzierung der Durchlässigkeitsbeiwerte der Störungszonen ermittelt und so neue Erkenntnisse zu den hydraulischen Verhältnissen gewonnen werden. In einer Sensitivitätsanalyse wurden primär die Hauptstörungen (Dülkener Sprung und Viersener Sprung) sowie GwL2b als hydraulisch sensitive Modellelemente identifiziert. Die hohen Nitratgehalte im oberflächennahen Grundwasserleiter führen seit längerer Zeit zu einer Verlagerung der Wassergewinnung in den zweiten Grundwasserleiter. Seit einigen Jahren steigen die Nitratgehalte auch dort. Mit einem Transportmodell sollten die vorliegenden Verhältnisse simuliert werden, um die Entwicklung der Nitratkonzentrationen im Betrachtungszeitraum nachzuvollziehen und die im Geländemaßstab für die Nitratverbreitung ablaufenden Prozesse zu untersuchen. Dazu wurde der Transport von Nitrat in GwL2 vereinfacht simuliert. Unter der Annahme eines Nitrateintrags von 130 mg/L unter landwirtschaftlichen Flächen und im Zustrom sowie einer initialen Konzentration von 0,1 mg/L in GwL2, wurden Szenarien mit unterschiedlichen Abbaukoeffizienten in GwL2 gerechnet. Die Simulation erfolgte mit einer Zonierung des Abbaupotentials in einen Bereich mit und einen ohne Nitratabbau ohne zeitliche Variation des Abbaukoeffizienten. Anhand der Szenarien konnte im Geländemaßstab eine Spanne für den Abbaukoeffizienten lambda (Abbaureaktion 1. Ordnung) ermittelt werden. Die Annahme einer Denitrifikation erwies sich als notwendig für die Anpassung der simulierten an die gemessenen Konzentrationen. Damit belegt die Simulation die im hydrogeologischen Modell getroffenen Annahmen einer Zonierung des Nitratabbaus. Ein geplantes Gewerbegebiet westlich von Viersen warf Fragen zur Gefährdung der Wassergewinnung auf. Anhand einer Pfadlinienanalyse wurde der Zustrom aus dem quartären Grundwasserleiter über eine hydraulische Fensterstruktur im Bereich des Wasserwerks in die Tertiärbrunnen untersucht. Die Szenarienanalyse wurde mit einem aus dem instationären Modell ausgekoppelten stationären Modell für Oktober 2004 durchgeführt. Anhand verschiedener Szenarien wurde der Einfluss der Förderraten der Tertiärbrunnen auf die Anströmung untersucht.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Demmel, Thomas Georg

Gutachterinnen und Gutachter

Rüde, Thomas R.

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33153
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-124621