Spektrale Induzierte Polarisation zur Unterstützung der Parametrisierung von Modellen mit Fluss-Grundwasser-Interaktion

Philipp Höhn1, Adrián Flores-Orozco2, Thilo Hofmann1
1 Umweltgeowissenschaften EDGE, Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft, Universität Wien
2 Forschungsgruppe Geophysik, Department für Geodäsie und Geoinformation, Technische Universität Wien

3.1 in Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen - vom Flussabschnitt zum Einzugsgebiet

Numerische Modellierung ist eines der am häufigsten genutzten Werkzeuge zur nachhaltigen Bewirtschaftung von Grundwasserressourcen. Die Reduzierung von Vorhersage-Unsicherheiten ist essentiell um den Nutzen numerischer Grundwassermodelle zu erhöhen und robuste Vorhersagen zu treffen (Schilling, Cook, & Brunner, 2019). Dies kann z.B. durch die Einschränkung der Parameterwerte während der Modellkalibrierung mithilfe prozessverwandter Informationen aus Feldmessungen erzielt werden. Heterogen verteilte Austauschraten zwischen dem Grundwasserleiter und Fluss sind dabei schwierig zu quantifizieren (Naganna, Deka, Ch, & Hansen, 2017). Gleichzeitig ist dies aufgrund des oft starken Einflusses auf die Vorhersagen der Modelle nötig. In den vorgestellten Untersuchungen wurde die Spektral Induzierte Polarisation (multifrequente Impedanzmessungen, SIP) entlang des Flussbetts (1607 m, 61 % der gesamten Flusslänge) in einem subalpinen Einzugsgebiet vorgenommen. Ziel war dabei insgesamt die Präzisierung der Vorhersage eines numerischen Strömungsmodells des Grundwassersystems. Die geoelektrischen Eigenschaften des Flussbetts – darunter der Phasenwinkel (φ) – wurden abgebildet um sie der hydraulischen Flussbettdurchlässigkeit (ksb) gegenüberzustellen. An einem ausgewählten Flussabschnitt wurde der geoelektrische Datensatz entsprechend durch 325 Messungen der hydraulischen Flussbett-Durchlässigkeit (ksb) aus tiefenorientierten instationären Auffüllversuchen ergänzt. Dies ermöglichte lokal eine empirische Beziehung zwischen φ (bei 7,5 Hz) und ksb mit log-linearer Regression (R2: 0.39) zu beobachten. Darauf basierend wurden die Bildpunkte der φ-Daten in longitudinale Verteilungen geschätzter ksb-Werte konvertiert und genutzt um den Wertebereich der Leakagekoeffizienten der Cauchy-Randbedingungen während der Kalibrierung des Strömungsmodells einzuschränken. Die Nullraum Monte-Carlo Methode wurde verwendet um ein Ensemble an 200 kalibrierten Modellrealisierungen auf Basis derselben Zustandsbeobachtungen zu generieren, einmal für den Fall eingeschränkten Cauchy-Randbedingungen sowie den uneingeschränkten Fall als Referenz. Für beide Fälle wurde die Vorhersageunsicherheit des Modellensembles exemplarisch in Form der Standardabweichung der gesamten Fluss-Grundwasser-Austauschrate quantifiziert. Dabei war die Unsicherheit der SIP-eingeschränkten Vorhersage deutlich kleiner. Im Gegensatz zum uneingeschränkten Fall war sie im Mittel in Übereinstimmung mit existierenden Messungen der Abflussdifferenz. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass SIP-Messungen im Flussbett Grundwassermodellierung unterstützen können – indem sie helfen Wertbereiche abzuschätzen um die Vorhersage-Unsicherheit zu reduzieren.



Naganna, S. R., Deka, P. C., Ch, S., & Hansen, W. F. (2017). Factors influencing streambed hydraulic conductivity and their implications on stream–aquifer interaction: a conceptual review. Environmental Science and Pollution Research. http://doi.org/10.1007/s11356-017-0393-4

Schilling, O. S., Cook, P. G., & Brunner, P. (2019). Beyond classical observations in hydrogeology: The advantages of including exchange flux, temperature, tracer concentration, residence time and soil moisture observations in groundwater model calibration. Reviews of Geophysics, 0–3. http://doi.org/10.1029/2018RG000619