Kopplung zwischen Oberflächengewässer und Grundwasser: Modellierung und Analyse von Umwelttracern
Ziel dieser Arbeit war es, die Kopplung zwischen Grund- und Oberflächenwasser am Willersinnweiher bei Ludwigshafen zu untersuchen. Dazu wurde die regionale Grundwasserströmung im Großraum Ludwigshafen mit Hilfe eines Grundwasserströmungsmodells simuliert und die daraus für den Nahbereich des Willersinnweihers ermittelten Strömungsrichtungen anhand von Messungen der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium aus der Wassersäule des Willersinnweihers und Grundwassermessstellen in der Umgebung des Sees verifiziert. Die Unsicherheit in der Höhe des berechneten Grundwasserzustroms zum Willersinnweiher wurde anschließend in einer Sensitivitätsstudie ermittelt. Die hohe Grundwasserentnahme aus dem Mittleren Grundwasserleiter Ludwigshafens von ca. 32 Mio m^3/a wirkt sich maßgeblich auf die Grundwasserströmung im Oberen Grundwasserleiter des Untersuchungsgebietes aus. Daher wurde zur Modellierung der regionalen Grundwasserströmung ein vierschichtiges Grundwassermodell für das Stadtgebiet Ludwigshafen konstruiert, welches neben dem Oberen Grundwasserleiter mit dem dort situierten Willersinnweiher auch den Mittleren Grundwasserleiter und den dazwischen liegenden Oberen Zwischenhorizont als Grundwassergeringleiter umfasst. Die regionale Grundwasserströmung im Stadtgebiet Ludwigshafens konnte gut durch das kalibrierte Grundwassermodell reproduziert werden. Der Willersinnweiher wird dabei aus südwestlicher Richtung vom Grundwasser angeströmt, wobei ein Großteil dieses Wassers zuvor einen von drei im Anstrom liegenden Baggerseen passiert hat. Das Hauptabstromgebiet des Willersinnweihers liegt am nordöstlichen Seeufer. Die berechneten Grundwasserströmungsgeschwindigkeiten im Uferbereich des Willersinnweihers sind mit Fließgeschwindigkeiten zwischen 10^-3 und 0,45 m/d sehr gering. Mit Hilfe der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 aus Grund- und Oberflächenwasser konnte die lokale Grundwasserströmung in der näheren Umgebung des Willersinnweihers unabhängig vom Strömungsmodell überprüft werden. Der Vergleich der Ergebnisse des Strömungsmodells und der Isotopenuntersuchungen zeigte eine gute Übereinstimmung in der Lage der Zu- und Abstromgebiete, wobei anhand der stabilen Isotope eine mehr südliche Zustromrichtung zum Willersinnweiher festgestellt werden konnte. Zur Bestimmung der Unsicherheit der mit dem regionalen Modell ermittelten Grundwasserströmungsrichtung und -zuflussmenge zum Willersinnweiher wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Dabei wurde sowohl der Einfluss einzelner, im Modell stark vereinfachter oder vernachlässigter Parameter sowie die Wirkung zufallsgenerierter räumlicher Heterogenitäten im k_f-Wert des Oberen Grundwasserleiters auf die Höhe und Richtung des Grundwasserzustroms zum Willersinnweiher untersucht. Die Studie ergab, dass die Vernachlässigung des Zwischenhorizontes ZH1, die Sickerung von Grundwasser durch den Unteren Zwischenhorizont UZH und die Sickerung von Oberflächenwasser durch die Rheinsedimente keinen nennenswerten Einfluss auf die Grundwasserstände im Modellgebiet sowie die Zuflussmenge und den Wasserstand des Willersinnweihers haben. Ein maßgeblicher Einfluss auf die Höhe des Grundwasserzustroms konnte hingegen für die hydraulische Leitfähigkeit der Seesedimente sowie für räumliche Heterogenitäten im k_f-Wert des Grundwasserleitermaterials festgestellt werden. Die Simulationen mit heterogenem Durchlässigkeitsbeiwert ergaben einen in seiner Höhe stark variablen Grundwasserzustrom zum Willersinnweiher in Höhe von 681 bis 1726 m^3/d, welcher zu einer theoretischen Austauschzeit des Seewassers zwischen 2,1 und 5,2 Jahren führt. Die simulierten Hauptgebiete des Grundwasserzustroms und -abstroms bleiben dabei weitgehend erhalten. Der berechnete Grundwasserzustrom kann unter Berücksichtigung der Seesedimente allerdings mehr als halbiert werden. Insgesamt sind die aus dem regionalen Strömungsmodell bestimmten Grundwasserzuflussraten zum Willersinnweiher und Transportrichtungen in der nahen Umgebung des Sees trotz einer vergleichsweise hohen Datendichte und präzisen Kalibrierung des Strömungsmodells noch mit einer sehr großen Unsicherheit behaftet. Für die auf dieser Skala interessanten Fragestellungen des Stofftransports und lokaler Prozesse ist eine deutlich feinere Auflösung der Variabilität der hydraulischen Parameter notwendig, um im Nahbereich des Sees stattfindende Prozesse präziser vorhersagen zu können. Die Modellierung dieser Prozesse könnte über ein geschachteltes Modell mit kontinuierlich zunehmender Auflösung erfolgen, wobei die erforderliche hohe Informationsdichte z.B. aus geophysikalischen Messungen erhalten werden könnte.
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