Transnational Science and Policy Panel
Das Hydrogeologische Modell Konzeptionelles Standortmodell – aktueller Sachstand und Bedeutung für das Projekt Wolfgang Ufrecht 07. April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
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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.
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Erhebung bestehender Daten • • • •
Schichtenverzeichnisse, Ausbaupläne Messwerte (Klimadaten, GW-Stände…) Karten, Lagepläne usw. Stoffparameter (Schadstoffe, Milieucharakterisierung
Urbane Räume, gute Datenlage, hier: 8.500 Bohrungen 1.500 GWM 1000 Pumpversuche Ca. 25.000 Analysen
Verarbeitung von Daten (Raum und Zeit) • •
Interpretation von Zusammenhängen Beschreibung der Systemeigenschaften und Wirkungsmechanismen Abstrahierung, a priori Wissen!
Hydrogeologische Modellvorstellung
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Iterativer Prozess: Modellierung ist dynamisch Vorläufig verfügbare Daten
Bohrungen Pumpversuche Stichtagsmessungen Stichtagsbeprobungen
Zunahme an Information
Bestmögliches qualitatives und semiquantitatives HGM
Naturnahe und verlässliche Systemcharakterisierung
Plausibilität, Quantifizierung
Modellwerkzeuge einsatzfähig 07. April 2011
Erste Schritte Numerisches Modell
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Numerisches ! Modell
Entwicklung numerisches Modell
Iterativer Prozess
Einfaches HGM, qualitativ
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BOISS Bohrdaten-Informationssystem Stuttgart Datenmanagement: Erfassung von Stammdaten, geologischen Schichtdaten, Messstellenausbaudaten....... 219,71 m NN
Höhe [m+ NN]
Aufs atzrohr DN 200
219, 71
220, 00
1,35
Anthropogene Aufs chüttung
218, 00
216, 00
222, 21
3,30 4,00
217, 91
Schieber
217, 01
Schieber
Auenlehm Altwass ersedimente
214, 00
Ta lsc hotte r 212, 00
8,20
208, 00
quel lendes Mate rial Zementier ung
Gipskeu per Grundgips schichten
210, 00
11,10 12,05
Grenzd olomit
207, 21
Sperrohr D N 550 Niet-Bohrrohr e von 19 28, DN 1000 , zer fress en
206, 00
Niet-Bohrrohre von 1928, DN 550, zerfressen
Kies 204, 00
Compactonit
202, 00
Aufs atzrohre Edelstah l DN 350 Aufs atzrohr DN 200 200, 00
199, 20
Un terkeuper
198, 00
197, 74
195, 66
196, 00
194, 00
192, 00
190, 00
30,55 187, 89
188, 00
Lippenpac ker
186, 64 186, 00
Oberer Mus chelk alk Filterkies m ittel 184, 00
Filterrohr DN 350 Filterrohr DN 200
182, 00
38,20
181, 74 181, 54
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Schichtenfolge und Ausbau der Inselquelle
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BOISS Bohrdaten-Informationssystem Stuttgart ......und wasserwirtschaftlichen Daten (Abstich, Hydrochemie, Schadstoffe…..) 10 0
0 10
2+
+
60
Ca
C
60
Cl
80
80
NO
3
Piper-Diagramm
4
SO
20
20
G
20
20 3
60
2 4
HC O
+
K
40
Kationen
meq - %
20 0 80
60
20
40
0
20
40
60
80
0 10
Ca 2+
0
80
80
20
10 0
2+
80
SO
F
+
Mg
100
+
Na
60
40
Messen
0
D
100
0
Na - Cl
A
Ca - HCO3 0
80
2+
40
E
Mg
2
+
+
40
B
Cl + NO 3
Auswerten
Anionen
Grundwassertypen nach LANGGUTH & FURTAK Normal erdalkalische Süßwässer A: überw iegen d hyd rog enkarbo natisch B: hydrogenka rbonatisch – sulfatisch C: überwiegend sulfatisch Erdalkalische Süßwässer mit höherem Alkaligehalt D: überwiegend hydrogen karbonatisch E: überw iegen d sulfatisch, überwiege nd chloridisch Alkalische Süßwässer F: überwiegen d (hydrogen-)karbonatisch G: überw. s ulfat. – überw. ch lorid.; überw. chlorid.
Erfassen Dokumentieren 07. April 2011
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ISAS InformationsSystem-Altlasten Stuttgart Verwaltung kontaminierter Flächen, Bearbeitungsstand Altlasten, Daten
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Der Modellraum: Stuttgarter Talkessel Digitales Höhenmodell Baden-Württemberg
Lä n
gs
sc h
ni tt
Relief Geologie Tektonik Grundwasser Funktionsraum Mineral- und Heilquellen
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Keuper: Aquifergeometrie:
Schluff-Tonsteine in Wechsellagerung Mit Dolomitsteinbänken und Sulfatgesteinen
Oberer Muschelkalk: Kalkstein mit einzelnen Tonmergelsteinlagen
Strukturierung, Hydrostratigraphie
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Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie: Aquifergenese: Subrosion GW-Neubildung
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Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie Zweiteilung: Oberflächennahe und tiefe Stockwerke
Gipskeuper mit Teilstockwerken
Gipsauslaugungsfront
Gipsauslaugungsfront
Grundwasser-Neubildung LCKW GW-Neubildung
Unterkeuper
Oberer Muschelkalk
Systemcharakterisierung, Prozesse erkennen und verstehen 07. April 2011
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Hydrostratigraphie und Aquifergeometrie: Verwerfungen
Hydraulische Wirksamkeit ?
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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 ! 07. April 2011
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Erstellung GW-Gleichen: Interpolation über potentiell wirksame hydraulische Ränder hinweg ?
Kenntnis der Strukturen Hypothese entwickeln, überprüfen ! >> Erfordert Zusatzinformationen !
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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
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Aquifergeometrie bestimmt Grundwasser-Hydraulik
Gipskeuper teilausgelaugt (Gipskarst)
r t e p ug u ke el a s p sg i G au un
Senke
Gipsk
eupe
r una
usge la
ugt
Grundwasserströmung Verknüpfung Aquifergeometrie mit Hydraulik: >> geologische Randbedingungen; natürliche Grenzen im System, >> hydraulische Randbedingungen (z.B. Senken).
Grundgipsschichten des Gipskeupers
Gipskeuper ganz ausgelaugt (hydraul. Fenster) 07. April 2011
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Grundwasserbeschaffenheit Visualisierung bzw. Quantifizierung von GW-Austausch (vertikale Stockwerksverbindungen, teilausgelaugt
Hydraulisches Fenster
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Vertikale LCKWVerlagerung
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Adäquate Erkundungsmethoden Hydraulik / Transportparameter Aquifercharakteristikum: Doppelporosität
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Aquiferdiagnose Hydraul. Eigenschaften, räumliche Verteilung 10.
Spitzberg / BoSS-Consult
Absenkung (m)
10.
Doppelporosität Matrix reagiert T = 3E-08 m²/s S = 1E-01
Druckdaten
1.
Ableitung Radiale Strömung in Kluftzone T = 2E-04 m²/s S = 4E-04
0.1 1. 07. April 2011
10.
100.
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1000. Zeit (sec)
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6 21
Aquiferdiagnose: Kenntnisse zum hydraulischen Verhalten des Aquifers Röhre – Kluft - Poren
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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
18
16
14
12
Werte in µg/l
Trichlorethen 10
8
Tetrachlorethen
6
4
2
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0
23 1.1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Werte vom 1.1.1984 bis 31.12.2009
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Zusammenhänge erkennen: Konsistenz Hydraulik und Stoffausbreitung, Abgrenzung von Fahnen (Frigene, SF6 als Tracer)
Herd 1
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Herd 2
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Spitzberg / BoSS-Consult
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Folgerungen
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•
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.
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