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

Demmel, Thomas Georg; Rüde, Thomas R.

doi:3315

Interaktion kommunizierender Grundwasserleiter am Beispiel des numerischen Grundwassermodells 'Aachener Weg - Viersen' = Interaction of multiple aquifers using the example of the numerical groundwater model 'Aachener Weg - Viersen'

Demmel, Thomas Georg (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Georg Demmel

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangX, 161 Bl. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-06-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33153
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63167/files/3315.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Angewandte Hydrogeologie (Genormte SW) ; Hydrogeologie (Genormte SW) ; Grundwasserverschmutzung (Genormte SW) ; Numerisches Modell (Genormte SW) ; Niederrheinisches Tiefland (Genormte SW) ; Viersen <Kreis> (Genormte SW) ; Nitration (Genormte SW) ; Denitrifikation (Genormte SW) ; Störung <Geologie> (Genormte SW) ; Niers <Fluss> (Genormte SW) ; Grundwasserbildung (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; hydrogeology (frei) ; groundwater model (frei) ; nitrate degradation (frei) ; Niederrheinisches Tiefland (frei) ; Viersen (frei) ; numerical model (frei) ; Niers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

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.

This study aimed at analyzing the hydraulic conditions and especially the interaction of multiple aquifers at a waterworks site of the city of Viersen (waterworks Aachener Weg) in the Niederrheinischen Tiefland. Thus a high resolution hydrogeological model was set up in cooperation with the NiederrheinWasser GmbH. Based on that, a numerical aquifer simulation was developed to verify the hydrogeological model representation and to assess the tasks of this study. The investigation area includes parts of the Venloe block and the Krefeld block with a heterogeneous lithology. The most important tectonic element is the "Viersener Sprung", a fault zone with a displacement of several hundreds of meters. Parallel fault zones show displacements up to 50 m. This results in a complex hydrogeological situation, which is highly affected by the tectonic displacements and the heterogeneous lithology with hydraulic shortcuts. Special attention was paid to the parameterization of the fault zones highly influencing the groundwater flow. The following hydrostratigraphic units were derived from the interpretation of available drilling profiles: miocene and oligocene sands (GwL2b), clays of the Hauptrotton (GwGl2) and Oberer Rotton (GwGl2b), gravels/sands of the Hauptkies-Serie and Reuver-Serie (GwL2), clays of the ReuverB (GwGl1) and ReuverC (GwGl1b) and quaternary terrace sediments (GwL1). The lignite seam Frimmersdorf was set as lower model boundary. The transient numerical model was built on the base of the hydrogeological model as a Finite Elements Model (FEM) for a given period of eleven years (1996-2006). The model discretization was done with 18 layers consisting of 163,368 nodes (305,354 cells) in total. Natural boundary conditions were set at the water divide between Nette and Niers in the west and the Niers as receiving stream in the north. As further boundaries, a constant hydraulic head in the south and a constructed no-flow boundary in the east were chosen. The seepage rate was calculated with the soil water balance model Theseus spatially distributed in monthly resolution. Due to the depth to groundwater table, the seepage water reaches the groundwater with delay and damped amplitudes of annual fluctuations. A moving average was applied to the seepage hydrograph curve to simulate time shift and damping. The calibration was done by varying the hydraulic conductivity as the most uncertain parameter. An average RMSE of 0.35 m in the upper aquifer (GwL1) and of 0.44 m in the second aquifer (GwL2/2B) could be achieved. The RMSE inside the area of interest (water works and upstream area) was even smaller. Thus, the hydraulic conductivities could be determined with good degree of accuracy. For the fault zones, a vertical as well as a horizontal differentiation of hydraulic conductivities could be obtained. This led to new insights into the hydraulic conditions in the working area. In a sensitivity analysis, the main fault zones (Dülkener Sprung and Viersener Sprung) as well as GwL2b were identified as the most sensitive model elements. High nitrate concentrations in the shallow aquifer forced the water extraction to proceed to the second aquifer. Actually, nitrate concentrations have been rising also in this aquifer for some years. With the help of a transport model, the existing conditions were simulated to reconstruct the development of the nitrate concentrations over the given period and to investigate the processes responsible for nitrate spreading on field-scale. The transport of nitrate in GwL2 was simulated in a transient model under simplified assumptions. It was assumed that the input in GwL1 is 130 mg/L on average (input under agricultural area and model influx) and that the initial concentration in GwL2 is 0.1 mg/L. The scenarios were simulated with different degradation rates. In the simulation, a zoning of microbial degradation in GwL2 without changes in time was assumed. The model area was separated into one area with degradation and one without. With the help of the scenarios, a range for the degradation rate lambda (first order decay reaction) could be determined on a field scale. The assumption of ongoing denitrification has shown to be necessary for the successful fitting of simulated and measured concentrations. Thus, the conducted simulations corroborate the assumptions of nitrate degradation zonings, taken in the hydrogeological model. The potential hazard of a planned commercial area on the water supply in the west of Viersen was investigated. In a path line based scenario analysis, the influx from the quaternary aquifer through hydraulic window structures in the area of the waterworks Viersen into the Tertiary wells was studied. The scenario analysis was realized with a steady-state model derived from the transient model for October 2004. In different scenarios, the influence of pumping rates of the Tertiary wells on the oncoming flow was analyzed.

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