3D Modellierung des Wärmetransports in einem seichtliegendem Grundwasserleiter in Österreich

Hans Kupfersberger1, Gerhard Rock1
1 JR-AquaConSol GmbH

O 4.6 in Geothermische Nutzung im Grundwasser: Auswirkungen, Qualitätssicherung, neue Techniken

22.03.2018, 14:00-14:15, 2

Für einen seichtliegenden regionalen Grundwasserleiter (45 km²) in Südostösterreich wurde der 3D Wärmetransport im Zeitraum 1993 - 2015 modelliert. Bei der oberen thermischen Randbedingung wurde zwischen unterschiedlichen Landnutzungen differenziert. Die oberflächennahe Bodentemperatur wurde über eine Regressionsbeziehung aus der Lufttemperatur abgeleitet, welche in Kupfersberger et al. (2017) im Detail beschrieben ist. Der Wärmeaustausch von Einbauten (beheizte Keller, Abwasserleitungen) mit dem Untergrund wurde mit dem 1D vertikalen Wärmekonduktionsmodul SoilTemp (Kupfersberger et al., 2017) berechnet. SoilTemp wurde mit dem Wärmetransportmodell FEFLOW auf Zeitschrittebene gekoppelt, indem Grundwasserspiegel und –temperatur bzw. der Wärmefluss als jeweilige Randbedingungen zwischen den beiden Modellen flächendifferenziert ausgetauscht werden.

Die Anpassung zwischen gemessenen und berechneten Grundwassertemperaturganglinien an 11 Messstellen im Zuge der Modellkalibration ergab NSE-Werte zwischen 0,41 und 0,92. Die konstante Verwendung der jetzigen Landnutzung während der gesamten Simulationsperiode führt nicht zu einer nachteiligen Beeinflussung der Modellqualität. Die Auswertung der Verteilung der 3D Grundwassertemperaturen wurde in Form von (i) über die Tiefe gemittelten Grundwassertemperaturen zu einem bestimmten Stichtag oder zu einem konkreten statistischen Zustand, (ii) Zeit-Tiefen Diagrammen für Punkte von Interesse und (iii) Zeit-Tiefen Diagrammen für ein repräsentatives Jahr (gemittelt über den gesamten Simulationszeitraum) durchgeführt. Aufgrund der seichten Lage des Aquifers stellt sich eine tiefenabhängige Änderung der Grundwassertemperatur ein. Man kann deutlich zwischen Aquiferregionen unterscheiden, in denen der Flurabstand bzw. die Landnutzung überwiegend die Grundwassertemperaturen bestimmen. Die typische Nutzung einer Grundwasserwärmepumpe (d.h. Kühlung im Sommer bzw. Heizung im Winter) verstärkt die vertikale Verteilung der Grundwassertemperaturen. Zwischen dem bestmöglichen thermischen Potential des Grundwasserleiters und dem anthropogenen Nutzungsbedarf besteht ein mehrmonatiger Versatz. Im Bereich der Stadt Leibnitz lässt sich wegen der geringen Einwohnerzahl (12.000) keine Zunahme der Grundwassertemperatur feststellen.

Somit wurde für Verwaltung und Planer ein Managementinstrument geschaffen, um (i) das geothermische Nutzungspotential eines Grundwasserleiters zu evaluieren, (ii) die Auswirkungen von anthropogenen Nutzungen auf die Grundwassertemperaturen zu prognostizieren, (iii) Gunst- und Verbotszonen für geothermische Nutzungen auszuweisen sowie (iv) die Positionierung von anthropogenen Nutzungen zu optimieren. Im Sinne einer konservativen Bewertung empfehlen wir für die Beurteilung von Kühlzwecken die Verwendung der 97,5 % Perzentile und von Heizzwecken die 2,5 % Perzentile der Grundwassertemperaturen.

Verteilung der 2,5% Perzentile (Grafik links oben) und der 97,5% Perzentile (Grafik rechts oben) der Grundwassertemperaturen im Aquifer westliches Leibnitzer Feld sowie gemitteltes Zeit-Tiefen Diagramm der Grundwassertemperatur an der Messstelle Wagna (untere Grafik)
Verteilung der 2,5% Perzentile (Grafik links oben) und der 97,5% Perzentile (Grafik rechts oben) der Grundwassertemperaturen im Aquifer westliches Leibnitzer Feld sowie gemitteltes Zeit-Tiefen Diagramm der Grundwassertemperatur an der Messstelle Wagna (untere Grafik)



KUPFERSBERGER, H., ROCK, G. & DRAXLER, J.C. (2017): Inferring near surface soil temperature time series from different land uses to quantify the variation of heat fluxes into a shallow aquifer in Austria. J. Hydrol. 552, 564-577. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.07.030



Export as iCal: Export iCal