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Modellierung der Interaktion zwischen Fluss und
GrundwasserZwei Beispiele aus der Region Zürich
Fritz STAUFFER, Tobias DOPPLER und Harrie-Jan HENDRICKS FRANSSEN
IfUInstitut für Umweltingenieurwissenschaften
Tagung Numerische GrundwassermodellierungGraz, 24.-25. Juni 2008
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Charakteristika
• Praktisch jeder Grundwassermodellierer ist mit der Interaktion Fluss-Grundwasser konfrontiert.
• Infiltration/Exfiltration, Austauschrate• Austauschrate hängt ab von:
- Hydrogeologischer Situation unter dem/beim Fluss,- Hydraulischen Eigenschaften unter dem/beim Fluss,- Räumlicher Verteilung der hydraulischen Eigen-
schaften, Inhomogenitäten, Schichten, Linsen,- Eigenschaften der hyporheischen Zone,- Geometrie Flussbett, zeitabhängig,
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Charakteristika• Austauschrate hängt ab von:
- Ausbildung schwach-durchlässiger Schicht im Flussbett, Kolmatierung inf. Sedimentation/ phys./chem./biol. Prozesse, zeitabhängig.
- Räumlich variabler Kolmatierung, kann von Infiltrations/ Exfiltrationsbedingungen abhängig sein.
- Gesättigten und/oder ungesättigten Bedingungenunter dem Flussbett, zeitabhängig,
- Naher Vegetation, - …
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Charakteristika
• Eingestaute / nicht-eingestaute Flussabschnitte.• Häufig lineare Beziehung zwischen
Austauschrate und Wasserspiegeldifferenzzwischen Fluss und Grundwasser angenommen.
• Wasserspiegeldifferenz schliesst Effekt von vertikalen Flusskomponenten ein.
• Beziehung kann nicht-linear sein (z.B. Rushton & Tomlinson, 1979).
• Dupuit-Annahmen in 2D-Modellen.
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Charakteristika• Temperatureinfluss auf Austauschrate (z.B.
Constantz et al., 1994).• Austauschrate kann lokal gemessen werden (z.B.
Kaleris, 1998); schwierig, räumlich variabel.• Austauschrate kann durch Messung des
Durchflusses über einen Flussabschnitt abgeschätzt werden; nicht immer machbar.
• Gewöhnlich werden Austauschparameter durch Modellkalibrierung bestimmt.
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Austauschrate
( )Leakage Leakage Fluss Grundwasser/Q L k h h= ⋅ −
Austauschrate Qleakage pro Längeneinheit Fluss:
L: Länge des Flussabschnitts [L]
kLeakage: Leakagekoeffizient für Linienquelle [L T-1]
hFluss: Wasserstand Fluss [L]
hGrundwasser: Piezometerhöhe Grundwasser [L]
e.g., Rushton and Tomlinson, 1979
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Austauschrate
( ) ( )Flussbett Fluss GrundwasserLeakage Leakage Fluss Grundwasser
Flussbett
K h hq l h h
d⋅ −
= = ⋅ −
Austauschrate pro Flächeneinheit Flussbett (hor.):
z.B. MODFLOW, 1984
KFlussbett: Hydraulische Leitfähigkeit Flussbett [L T-1]
dFliussbett: Mächtigkeit Flussbett [L]
lLeakage: Leakagekoeffizient f. Flächenquelle [T-1]
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Austauschrate
( )Leakage Leakage Fluss Flusssohleq l h z= ⋅ −
Austauschrate für ungesättigte Bedingungen:
zFlusssohle: Kote Flusssohle [L]
z.B., MODFLOW, 1984
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Ziel
• Wie zuverlässig sind Standardmodelle für die Interaktion zwischen Fluss und Grundwasser?
• Fallstudie Rheinau (Zürich)
• Fallstudie Hardhof (Zürich)
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Fallstudie RheinauRhein
Wehr
Aquifer
Brunnen k1-8
Brunnen
Brunnen
G11
Aquifer-Grenze
N
G10
G101
D
D
D
6
11
Fallstudie Rheinau
12
Fallstudie Rheinau
352
353
354
355
356
357
358
359
360
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Year
Hea
d [m
]
G11RhineWell k1-8
Daten AWELund WV Winterthur
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Fallstudie Rheinau
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
Year
Rel
. lea
kage
coe
ff. [-
]
G11
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Fallstudie Hardhof Zürich
8
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Fallstudie Hardhof Zürich
Limmat
AWEL
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2D Strömungsmodell Hardhof
Limmat
Seitliche Zuflüsse
Anreicherung aus Niederschlag
Hardhof
Sihl
Fix-potential-Rand
Aquifer
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2D Strömungsmodell Hardhof
Uferfiltratbrunnen
Horizontalfilterbrunnen
Anreicherungsbrunnen
Anreicherungsbecken
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2D Strömungsmodell Hardhof
• Hydraulische Leitfähigkeit K(x) durch Modellkalibrierung
K-Werte (m/s)
5.00 *10 -4 - 7.50 *10 -4
7.50 *10 -4 - 1.00 *10 -3
1.00 *10 -3 - 2.50 *10 -3
2.50 *10 -3 - 5.00 *10 -3
5.00 *10 -3 - 7.50 *10 -3
7.50 *10 -3 - 1.00 *10 -2
1.00 *10 -2 - 2.50 *10 -2
Hardhof
K [m s-1]
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2D Strömungsmodell Hardhof
• Leakagekoeffizient: Flussabschnitte:
• Kalibrierperiode:– Mai – Juni 2004– Juli – August 2005
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Strömungsmodell HardhofMittlere Residuen der Piezometerhöhe (berechnet – gemessen)
AB
C
11
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Test Hardhof 1992-2005
393.5
394
394.5
395
395.5
396
396.5
397
397.530
.11.
1992
30.0
5.19
93
30.1
1.19
93
30.0
5.19
94
30.1
1.19
94
30.0
5.19
95
30.1
1.19
95
30.0
5.19
96
30.1
1.19
96
30.0
5.19
97
30.1
1.19
97
30.0
5.19
98
30.1
1.19
98
30.0
5.19
99
30.1
1.19
99
30.0
5.20
00
30.1
1.20
00
30.0
5.20
01
30.1
1.20
01
30.0
5.20
02
30.1
1.20
02
30.0
5.20
03
30.1
1.20
03
30.0
5.20
04
30.1
1.20
04
30.0
5.20
05
m.ü
.M
Piezometer C
Kal.Kal.
Doppler et al, 2007
berechnet
gemessen
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Fluss-Aquifer-Interaktion Hardhof
Doppler, 2006
Cal.
Residuen der Piezometerhöhe nahe Limmat im eingestauten Abschnitt aus Kalibrierung(Piezometer A)
Kal. Kal.
Doppler et al, 2007
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Hochwasser Limmat Mai 1999
• Grösstes Jahreshochwasser der Periode 1938 - 2006
• Abflussspitze am 22. Mai 1999: 590 m3/s
• Mittelwert in Periode 1938 – 2006: 329 m3/s
Bundesamt für Umwelt Abt. Hydrologie
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Fluss-Aquifer-Interaktion HardhofResiduen der Piezometerhöhe nahe Limmatunterhalb Wehr aus Kalibrierung (Piezometer B)
Doppler et al, 2007
Kal. Kal.
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Fluss-Aquifer-Interaktion Hardhof
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Änderung Residuen durch Hochwasser vom Mai 1999
Differenz in cm
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Amplitude der jährlichen Residuenvariation
Amplitude in m
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Fluss-Aquifer-Interaktion Hardhof
• Hochwasserereignis im Mai 1999 hatte plötzlichen und bleibenden Einfluss.
• Saisonale Schwankungen der Flusswassertemperatur beeinflusst Austauschrate.
• Leakagekoeffizient kann eine Funktion des Wasserstands im Fluss sein.
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3D zeitabhängige Simulation Hardhof
Tiefer Grundwasserstand15 Sep. 2004
Hoher Grundwassersstand31 Aug. 2005
Hendricks Franssen
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Schlussfolgerungen• Fallstudien über Fluss-Grundwasser- Interaktion:• Leakagekoeffizient kann zeitabhängig sein und
einen zeitlichen Trend aufweisen.• Leakagekoeffizient abhängig von Temperatur
und Sedimentations-/Erosionszyklen.• Leakagekoeffizient kann von Wasserstand im
Fluss abhängig sein (Flussprofil).• Periodische Überprüfung and Rekalibrierung
notwendig.