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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]

10

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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.