Grundwassermodell

Grundwassermodelle sind Werkzeuge zur Simulation von

• Strömungsvorgängen im ungesättigten oder gesättigten Bodenbereich,
• dem Transport von gelösten Wasserinhaltsstoffen und der
• Wärmeausbreitung

in einem Aquifer.

Ein Grundwasserströmungsmodell besteht im Wesentlichen aus einer Kombination der Darcy-Gleichung mit einer Bilanzbeziehung. Ein Stofftransportmodell baut auf diesem berechneten Strömungsfeld auf und verwendet die Advektions-Dispersionsgleichung, eine Kombination des Dispersionsansatzes und einer Bilanzbeziehung, um die Ausbreitung der Wasserinhaltsstoffe zu berechnen. Alternativ kann die Berechnung der Wärmeausbreitung auf dem Strömungsfeld mittels der Wärmeleitungsgleichung erfolgen.

Zwingend für den Einsatz eines Stofftransport- oder Wärmeausbreitungsmodells ist also immer die vorausgehende Berechnung des Strömungsfeldes.

Neben analytischen Lösungsansätzen wie dem Strömungsnetz, die meist von sehr einfachen (eindimensionalen oder zweidimensionalen) Modellvorstellungen mit einfachen geometrischen Randbedingungen und homogenen Verhältnissen im Modellgebiet ausgehen, existieren numerische Modelle zur Lösung dieser Gleichungen.

Numerische Modelle sind nur approximativ lösbar, ermöglichen aber die Simulation heterogener und anisotroper, dreidimensionaler Systeme.

Die Lösung erfolgt seitens der Numerik entweder mit sog. Eulerschen Ansätzen wie dem Finite-Differenzen-Verfahren, Finite-Volumen-Verfahren oder der Finite-Elemente-Methode oder durch Lagrangsche Ansätze wie dem Particle-Tracking und der Random-Walk-Methode.

Das Grundwassermodell berücksichtigt die geologischen und hydrogeologischen Kenntnisse über das Modellgebiet (Konzeptmodell) bzw. die Vorgaben eines Versuchsaufbaus. Bestandteil einer numerischen Grundwassermodellierung ist die Kalibrierung des Modells und die Durchführung einer Sensitivitätsanalyse.

Die Kalibrierung stellt die Überprüfung des vom Modell berechneten Ergebnisses mit den vorgegebenen (in der Praxis: den im Feld gemessenen Grundwasserständen, Stoffkonzentrationen oder Temperaturen) Ergebnissen dar. Die Differenz der gemessenen zu den berechneten Ergebnissen als auch die Grundwasserbilanz des Modells, die möglichst ausgeglichen sein soll, ist ein Maß für die Güte der Kalibrierung, die stationär, d.h. zeitunabhängig, oder instationär, d.h. zeitabhängig, erfolgen kann.

Da die dem Modell zugrundeliegenden (hydro)geologischen Erkenntnisse (beispielsweise der hydraulische Durchlässigkeitsbeiwert) oft nicht eindeutig und vor allem nicht flächendeckend durch Feldversuche quantifiziert werden können, bietet es sich an, diese Parameter im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse zu variieren und somit deren Einfluss auf das Modellergebnis abzuschätzen.

Anhand des kalibrierten Grundwassermodells können gegebene Zustände und Modellvorstellungen überprüft oder durch die geeignete Anpassung der (zeitabhängigen) Randbedingungen (beispielsweise der Grundwasserneubildung) zukünftige Entwicklungen sowie die Auswirkungen geplanter anthropogener Eingriffe simuliert werden.

Literatur

Chiang, W.H., Kinzelbach, W., Rausch, R. (1998): Aquifer Simulation Model for WINdows - Groundwater flow and transport modeling, an integrated program. - 137 p., 115 fig., 2 tab., 1 CD-ROM; Berlin, Stuttgart (Borntraeger).

Kinzelbach, W. & Rausch, R. (1995): Grundwassermodellierung - Eine Einführung mit Übungen. - 284 S., 223 Abb., 15 Tab., 2 Disketten; Berlin, Stuttgart (Borntraeger).

Rausch, R., Schäfer, W., Wagner, C. (2002): Einführung in die Transportmodellierung im Grundwasser. - 193 S.; Berlin, Stuttgart (Borntraeger).

Rausch, R., Schäfer, W., Therrien, R., Wagner, C. (2005): Solute Transport Modelling - An Introduction to Models and Solution Strategies. - 205 p.; Berlin, Stuttgart (Borntraeger).