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Studium
Zusammenfassung der Diplomarbeit
"Grundwassermodellierung und Grundwasserneubildung
im zentralen Teil des Westhavellands" -
137 Seiten, 66 Abbildungen, 24 Tabellen.
vorgelegt von:
Oliver Walenciak (120406) im Fachbereich 09
betreut durch:
Prof. Dr. rer. nat. Tröger
Das Diplomarbeitsgebiet befindet sich innerhalb des Bundeslandes Brandenburg, zwischen den Orten Semlin und Rathenow in den Niederungen der Unterhavel, die sich in einem ca. 5 bis 10 km breiten Streifen beidseitig der Havel zwischen Brandenburg im Südosten und Havelberg im Nordwesten erstreckt. Die vorliegenden Rechts- und Hochwerte des Diplomarbeitsgebietes sind 5828,0 bis 5838,0 bzw. 4521,0 bis 4532,2.
Das Modellierungsgebiet liegt großräumig gesehen im Norddeutschen Flachland und ist damit Teil eines sich seit dem Mesozoikum einsenkenden Beckens.
Die untere Havelniederung ist mit den angrenzenden großen Luchgebieten Teil des größten zusammenhängenden Binnenfeuchtgebietes im westlichen Mitteleuropa.
Auf 57 km Länge durchfließt die hier noch mäandrierende Havel den mit 1.315 km2 größten Naturpark Brandenburgs, den Naturpark Westhavelland.
Das Klima im Modellgebiet ist geprägt von niedrigen Jahresniederschlägen (600 mm/a) bei relativ hoher potentieller Evapotranspiration (650 mm/a), die für den nordöstlichen Teil Deutschlands typisch ist.
Im Modellgebiet sind hydrologisch drei Grundwasserleiter zu unterscheiden, wobei der obere Grundwasserleiter aus quartären, die unteren Grundwasserleiter aus quartären und tertiären Sedimenten aufgebaut sind. Die dazwischen befindlichen Grundwassergeringleiterkomplexe werden von mehreren unterschiedlich mächtigen Geschiebemergeln aufgebaut, die von Sanden durchsetzt sind.
Das Gebiet wird in Ost-West-Richtung, etwa entlang dem Trassenverlauf der Eisenbahnstrecke Berlin-Stendal, von einer Wasserscheide durchzogen, die natürliche Grundwasserfließrichtung darstellt. Ohne wasserwirtschaftliche Einflüsse würde für das Modellgebiet nach Westen (zur Havel) gerichtet sein. Im Norden des Modellgebietes dreht sich der Grundwasserstrom durch den Einfluß des Hohennauener und des Ferchesarer Sees auf des Fließgeschehen in Richtung Norden. Alle großräumigen Grundwassergleichenpläne zeigen den Abfluss des Grundwassers von Ost nach West. Das natürliche Fließgeschehen wird seit mehreren Jahrzehnten anthropogen überprägt.
Die Flurabstände innerhalb des Modellgebietes sind > 2 m.
Der betrachtete Grundwasserleiter ist im gesamten Modellgebiet frei (unbedeckt) und weist Mächtigkeiten von 11 m bis 40 m auf. Die Aquifermächtigkeit ist im Gegensatz zur horizontalen Ausdehnung des Aquifers gering. Die Aquiferbasis verläuft relativ flach und zeigt ein schwaches Einfallen von Süden nach Norden auf (in Richtung des Vorfluters).
In der vorliegende Diplomarbeit wurde, ausgehend von den geologischen, hydrogeologischen, hydrologischen und klimatischen Gegebenheiten, ein 2D-Finite-Differenzen Grundwassermodell für den unbedeckten oberen, quartären Grundwasserleiter des sich im zentralen Teil des Naturparks Westhavelland befindlichen Modellierungsgebietes erstellt.
Nachdem ein Modellkonzept für das Grundwassermodell entwickelt und mit "ASM 6.0" die geeignete Software ausgesucht war, erfolgte eine Datenrecherche bei verschiedenen Behörden und Institutionen (u.a. Wasser- und Abwasseramt Rathenow, LVA, LUA, DWD, LfGRB, ZGI). Anschließend wurde das Modellgebiet und die Randbedingungen des Grundwassermodells festgelegt.
Das Modellgebiet hat eine Fläche von ca. 60 km2. Die maximale Ausdehnung in Nord-Süd-Richtung beträgt hierbei 8,2 km, in Ost-West-Richtung 9,7 km. Aus modelltechnischen Gründen wurde das unregelmäßige Modellgebiet in ein rechteckiges Netz von 100x105 Zellen diskreditiert, wobei jede Zelle 100x100 m groß ist.
Die Oberfläche des Grundwassermodells und damit des oberen Grundwasserleiters ist die Geländeoberkante. Die Morphologie innerhalb des Modellgebietes weist Höhen von 28,58 m bis 31,16 m ü. NN auf. Die Morphologie steigt außerhalb des Modellgebietes, im Osten, auf bis zu 100 m ü. NN an. Die maximale Höhe der Aquiferbasis liegt bei +16,0 m, die minimale Höhe bei -30,3 m über dem Bezugshorizont.
über die Kalibrierung der Modellparameter wurde eine Anpassung an die natürlichen Gegebenheiten des Modellgebietes vorgenommen. Aufgrund der Datenlage und der Zielstellung erfolgte eine stationäre Kalibrierung. Anschließend wurde eine Validierung des kalibrierten Modells vorgenommen, die dokumentiert und bewertet wurde.
Die kf-Werte innerhalb des Modellgebietes weisen eine Variationsbreite von kf=1*10-5 m/s bis kf=2,1*10-4 m/s auf. Der Wert für die effektive Porosität wurde anhand der im Modellgebiet ermittelten Werte auf 12 %=0,12 festgelegt. Die Grundwasserneubildung wurde als feste größe festgelegt. Diese mittlere jährliche Grundwasserspende beträgt 3,03 l/s*km2.
Grundwasserzuflüsse aus angrenzenden Aquiferen sind im Osten des Modellgebietes bekannt. Der Ostrand des Modellgebietes wurde als Leakage-Boundary modelliert (Randbedingung 2. Art), da hier Grundwasser aus dem angrenzenden Aquifer zuströmt. Der hier modellierte Grundwasserzustrom von 4*10-4 m3/s wurde aus der Grundwasserneubildung des Aquifers über die Fläche des Einzugsgebietes abgeschätzt, wobei hierbei von einer Gleichverteilung des Randzuflusses ausgegangen wird. Die Ostgrenze des Modellgebietes bildet die Havel, deren Oberflächenwasserstand/-durchfluss durch mehrere Schleusen reguliert wird. Die Oberflächenwasserstände der Havel steigen von Norden nach Süden an.
Die allgemeine Fließrichtung des Grundwassers verläuft in Richtung der Havel als Vorfluter. Das mittlere Grundwassergefälle weist einen durchschnittlichen Wert von 0,01 bis 0,001 % auf und ist somit relativ flach. Die Nordgrenze des Modellgebietes stellt der Hohennauener See dar, die Südgrenze wird durch den Wolzensee gebildet. Im Osten ist die Havel die natürliche Grenze des Modellgebietes.
Die maximale natürliche Grundwasserhöhe würde ohne die im Modellgebiet stattfindenden Entnahmen und Randzuflüsse bei einer mittleren Durchlässigkeit von kf=5*10-4 m/s und einer Grundwasserspende von G=3,03 l/s*km2 28,4 m betragen und die Grundwasserscheide bei einer durch Grundwasserentnahmen und Randzuflüsse unbeeinflussten Situation damit ca. 500 m vom Mittelpunkt des Modellgebietes nach Süden verschoben in Ost-West-Richtung durch das Modellgebiet verlaufen. Der mit dem Programm "ASM 6.0" berechnete Grundwassergleichenplan zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit diesen Berechnungen.
Bei einer Profillänge des Modellgebietes von 7637 m wurde ein natürlicher Gradient von i=0,001 für das gesamte Modellgebiet berechnet.
Bei der Kalibrierung der Stichtagsmessung im März 1990, bei der Messwerte von 41 Grundwassermessstellen zur Berechnung einbezogen wurden, liegt die mittlere Abweichung bei ca. 0,2 cm, Die Güte der Anpassung zwischen gemessener und berechneter Grundwasserhöhen in Form der mittleren quadratischen Abweichung beträgt ca. 0,1 m.
Die Optimierung der kf-Werte durch das Programmmodul "ASMOPTI" ergab hierbei folgende optimierte kf-Wert-Zonen für das Modellgebietes: Zone 1: kf=3,9*10-4 m/s, Zone 2: kf=4,1*10-4 m/s, Zone 3: kf=7,4*10-4 m/s und Zone 4: kf=8,1*10-4 m/s.
Den Grundwasserentnahmen von 10.601 m3/d steht laut der Wasserbilanz eine Grundwasserneubildung von ca. 15.867 m3/d gegenüber. Über die Modellrandbedingungen der 1. Art (Havel, Wolzensee, Hohennauener See) fließen der Bilanz 14.915 m3/d ab. Die aus dem Osten des Modellgebietes zufließende Grundwassermenge hat ein Volumen von 3.007 m3. Die Differenz zwischen Zu- und Abfluss von -1 m3/d ist auf die Rundung bei der Darstellung der Ergebnisse zurückzuführen. Der Austausch zwischen oberem und unterem Grundwasserleiter, der durch eventuell vorhandene Fehlstellen im Geschiebemergel des gSII-Horizonts möglich wäre, wurden hierbei nicht berücksichtigt.
Die Sensitivitätsanalyse ergab, dass der kf-Wert den Grundwasserfluss im Modellgebiet am stärksten beeinflusst. Die Festlegung der Durchlässigkeitsparameter ist vor allem an den Entnahmebrunnen problematisch. Eine engere Diskreditierung des Modellnetzes würde hier das Ergebnis der Bestimmung der Durchlässigkeiten verbessern.
Zur Verifizierung des kalibrierten Grundwassermodells wurden die am 08. Oktober 1990 im Modellgebiet durchgeführten Stichtagsmessungen herangezogen. Die mittlere Abweichung der gemessenen zu den berechneten Grundwasserhöhen an den Grundwassermessstellen im Modellgebiet liegt im Oktober 1990 bei 6 cm, bei 54 % der Messstellen waren die Differenzen kleiner als 0,25 m. Hierbei wurden die Messwerte von 35 Grundwassermessstellen einbezogen.
Im Rahmen der Modellanwendung wurden abschließend die Auswirkungen von fiktiven punktuellen Entnahmen aus dem oberen Grundwasserleiter auf die hydrologischen Verhältnisse des gesamten Modellgebietes untersucht.
Die Berechnung der Grundwasserneubildung nach der Wasserhaushaltsgleichung ergab für das Modellgebiet einen Wert von 123 mm/a bei einem Niederschlag von 600 mm/a.
Bezogen auf die größe des Untersuchungsgebietes von 60 km2 ergibt sich für das Modellgebiet eine Grundwasserneubildungsrate von 7,38*106 m3/a, was einer Grundwasserspende von 3,9 l/s*km2 entspricht.
Die Berechnung der Grundwasserneubildungsrate aufgrund der durchschnittlichen Fördermengen der Jahre 1975 bis 1992 ergibt eine durchschnittliche Grundwasserneubildung von 1,96 l/s*km2. Da jedoch in den Jahren 1975 bis 1985 erheblich höhere durchschnittliche Grundwassermengen ohne gleichzeitiges Absinken des Grundwasserspiegels gefördert wurden, ist davon auszugehen, dass für die mittlere Grundwasserneubildung ein wesentlich höherer Wert anzusetzen ist, was auch die über die Wasserhaushaltsgleichung berechnete Grundwasserneubildung vermuten lässt.
Die Verteilung des Grundwasserneubildungsrate, die Verteilung des langjährigen Mittels der realen Verdunstung und die Verteilung des Gesamtabflusses im Modellgebiet wurden im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe des Computerprogramms "Surfer for Windows" mit dem Kriging-Verfahren für die Fläche des Modellgebietes ausgewertet und graphisch dargestellt.
Berlin, 01. Dezember 2000
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Letzte Aktualisierung: 04.12.2009
URL: http://www.diplomgeologe.de/studium/diplomarbeit.shtml