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Räumlich differenzierte Modellierung der Grundwasserströmung alluvialer Aquifere für mesoskalige Einzugsgebiete
(2006) Wolf, Jens; Kobus, Helmut (Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h.)
Physikalisch basierte Grundwassermodelle auf Einzugsgebietsebene sind als ein wesentlicher Bestandteil räumlich verteilter hydrologischer Modelle ein unverzichtbares Werkzeug der Global Change Forschung geworden. Dabei erfordert die Größe der Einzugsgebiete in der Regel eine sehr grobe Diskretisierung, um Gesamtmodelle mit akzeptablen Laufzeiten und Speicheranforderungen zu erhalten. Aber selbst bei fortschreitender Computerentwicklung verhindert die Datenlage eine genauere Auflösung, die der Heterogenität des Untergrundes gerecht wird. Als wesentliche Fragestellung folgt daraus, wie sich die Geometrie von Aquiferen auf einem groben Raster darstellen lässt und inwieweit diese Geometrie und die eingesetzten Parameter der letztendlich entwickelten Modelle mit den vorhandenen Messungen in Verbindung gebracht werden können. Die Beschreibung des Modellraumes (Aquifergeometrien, Flussläufe usw.) auf einem groben Raster wird besonders schwierig, wenn Strukturen abgebildet werden müssen, deren durchschnittliche Ausdehnung in der Größenordnung der Rasterweite liegt. Im Einzugsgebiet der Oberen Donau (78.000 km2 bis zum Pegel Passau-Achleiten), das ein Untersuchungsschwerpunkt des BMBF-Projektverbundes GLOWA ist, wurde ein Quadratkilometerraster als Grundlage der Modellierung gewählt. Dort existieren allerdings einige hydrologisch wichtige alluviale Aquifere, deren Ausdehnung im Bereich von einigen 100 Metern bis zu ein oder zwei Kilometern reicht. Diese Aquifere müssen abgebildet werden, da ohne sie der Wassertransfer aus den alpinen Bereichen zur Donau nicht gewährleistet ist. Für die Anpassung von hydrogeologisch wirksamen Grenzflächen, insbesondere der Aquiferbasis der alluvialen Grundwasserleiter, bietet sich eine Berechnung von klar definierten Gradienten auf diesen Grenzflächen an. Damit ist - analog zu den Fließrichtungen auf einem DGM - gewährleistet, dass das Grundwasser bis zum Auslass des Einzugsgebietes akkumuliert werden kann. Desweiteren können nicht plausible Modellergebnisse aufgrund von Interpolationsfehlern oder fehlerhafter Ausgangsdaten mit diesem Ansatz verhindert werden. Dieser neu entwickelte Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit auf das Einzugsgebiet der Oberen Donau angewendet und getestet. Als numerischer Code wurde hierfür das Programm MODFLOW gewählt. Um den Einfluss der Diskretisierung auf die Modellergebnisse zu untersuchen, wurden für ein kleineres Einzugsgebiet (Einzugsgebiet der Ammer, 709 km2 bis zum Pegel Fischen am Ammersee) innerhalb des Gesamteinzugsgebiets zwei weitere Grundwassermodelle auf unterschiedlichen Skalen (100 bzw. 1000 m entwickelt. Das 100 m-Modell wurde als Referenzmodell kalibriert und validiert. Danach wurden diverse Upscaling-Techniken angewandt, um Durchlässigkeiten und Speicherkoeffizienten für das grobe Modell auf Basis des Referenzmodells zu optimieren. Letztendlich werden mit diesem Vergleich die Einsatzmöglichkeiten grob diskretisierter Modelle (z.B. in der Global Change Forschung) untersucht und diskutiert.