Modellierung des regionalen Wärmetransports: Fallbeispiele Kaltwassereinleitung Aefligen und Emmeinfiltration Kirchberg

Abstract

Im Emmental wurden vom Kanton Bern/Schweiz in einem hydrothermischen Versuchsfeld die Möglichkeiten einer thermischen Nutzung des Grundwassers untersucht. Bei Aefligen wurde Kaltwasser über einen Schluckbrunnen infiltriert, die hieraus resultierende Temperaturanomalie meßtechnisch verfolgt und sodann mit dem in Kapitel 3 beschriebenen vertikal-ebenen Stromstreifenmodell verglichen. Dabei hat sich gezeigt, daß bei detaillierter Berücksichtigung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung dispersionsfreie Modellrechnungen für praktische Zwecke hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Hingegen müssen bei Zugrundelegung einer tiefengemittelten Geschwindigkeit fließwegabhängige dispersive Effekte berücksichtigt werden. Im Testareal Kirchberg wurde mit flächendeckenden Feldmessungen die großräumige Temperaturanomalie aufgrund einer starken Infiltration von Flußwasser untersucht. Für die numerische Modellierung kam gemäß Kapitel 3 sowohl das vertikal-ebene Stromstreifenmodell entlang zweier ausgewählter Längsschnitte zum Einsatz als auch das horizontal-ebene Mehrschichtenmodell zur Erfassung der regionalen Auswirkungen. Die Modelleingabeparameter wurden in beiden Fällen direkt - ohne Anpassung in einer Modelleichung- aus den hydrothermischen Felddaten abgeleitet. Beide Modelle liefern eine gute Beschreibung der in der Natur beobachteten Temperaturverhältnisse. Bei der horizontal-ebenen Modellierung ist eine Diskretisierung des gesättigten Grundwasserbereichs in wenigstens zwei Modellschichten unerläßlich, da ein tiefenintegriertes Modell die Einschichtung des Emmesickerwassers im Grundwasserstrom nicht berücksichtigen kann. Bei größeren Flurabständen genügt es, mit dem Jahresmittelwert der Lufttemperaturen zu rechnen, während bei Flurabständen von wenigen Metern auch Lufttemperaturschwankungen berücksichtigt werden müssen. Die Auswirkungen der emmeinduzierten Temperaturabweichungen machen sich über eine Länge von ca. 1,5 bis 2 km bemerkbar. Für die Anwendung der Wärmetransportmodelle bedarf es neben der Kenntnis von integralen hydraulischen Feldgrößen insbesondere der Information über die Verteilung der Durchlässigkeiten im Untersuchungsgebiet sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Die Verfügbarkeit gesicherter Felddaten und deren Umsetzung in die entsprechenden Modelleingabeparameter ist für die praktische Anwendung von primärer Bedeutung.

In the Emmental in Switzerland, the canton Bern has investigated the possibilities of a thermal use of groundwater in a hydrothermal test field. Near Aefligen, cold water was infiltrated through an injection well, the resulting temperature anomaly was closely observed and then compared with calculations with a numerical model for a vertical cut along a stream tube as described in Chapter 3. The comparison has shown that with a detailed consideration of the vertical velocity distribution, model calculations without dispersion yield results which are accurate enough for practical purposes. However, if depth-averaged velocities are used in the calculations, dispersive effects have to be considered which are dependent upon the flow length (distance). In the test area Kirchberg, large scale field measurements have been made to investigate the regional temperature anomaly due to a substantial infiltration of river water. For numerical modelling in accordance with Chapter 3, the vertical-cut stream tube model has been applied along two selected longitudinal cuts (figure 8.6), as well as the horizontal-plane multi layer model for describing the regional effects. In both cases, the model input parameters have been derived directly from the hydrothermal field data, without adaption in a fitting procedure. Both models provide a good description of the temperature distributions found in nature (figures 8.9 to 8.11). For the horizontal-plane modelling, a description of the saturated aquifer by at least two model layers is indispensable, because a depth-integrated model would not be capable to reproduce the layering between Emme infiltration water and the base groundwater flow (figure 8.8). At large distances between groundwater table and ground surface, it is sufficient to use annual mean values of the airtemperaturein the calculations, whereas at shallow groundwater tables ( distances of only a few meters below ground) seasonal air temperature variations have tobe considered (figure 8.15). The effects of the temperature anomaly due to the Emme infiltration are noticeable over a length of about 1.5 to 2.0 km (figure 8.12). For the application of heat transport models, it is necessary to know not only the mean hydraulic parameters, but also to have information on the distribution of permeabilities in the model area, both in horizontal and in vertical direction. The availability of good field data and their transformation into the corresponding model input parameters is of primary importance for practical applications.