Numerische Simulation zeitweise trockenfallender Gewässer unter Berücksichtigung des Abflussdargebots im Einzugsgebiet eines Mühlenteichs

Christoph König1, Jens Tielker1, Martin Becker1
1 delta h Ingenieurgesellschaft mbH

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

Der Borbach in Witten mündet in die Ruhr und wird auf diesem Weg durch ein Wehr an einem ehemaligen Mühlenteich aufgestaut. Das Einzugsgebiet ist mit 6,9 km² relativ kleinräumig. Mit Beginn des industriellen Zeitalters im Ruhrgebiet wurde 1722 der Mühlenteich zum Betrieb des Hammerwerks einer Großschmiede errichtet. Nachdem die Industrialisierung das Ruhrtal in Richtung Norden verlassen hatte, wurde der Teich zur Speicherung von Trink und Brauchwasser genutzt und im Jahr 1924 zum Freizeit- und Ausflugsziel umgebaut. Der natürliche Sedimenttransport führte zu einer fortschreitenden Verlandung des Stillgewässers. Um den Charakter des Gewässers zu erhalten, soll mit einem Saugschiff die Sedimentfracht in die Ruhr gepumpt werden. Die Machbarkeit dieser Maßnahme hängt von den Zuflüssen aus Grundwasser und Oberflächenwasser zum Teich ab. Daher wurde ein instationäres Grundwassermodell mit Oberflächengewässerinteraktion aufgebaut. Die Modellierung erfolgte mit der Software SPRING. 

Das Trockenjahr 2018 führte zu einem mehrwöchigen Trockenfallen des Borbachs. Zur modelltechnischen Abbildung solcher Phasen ist neben dem Ansatz instationärer Grundwasserneubildungs- und Direktabflussraten eine Limitierung der über die Gewässerabschnitte potenziell versickerbaren Wassermengen in Abhängigkeit vom tatsächlichen Abflussdargebot im Gewässer erforderlich.

Die instationären Grundwasserneubildungs- und Direktabflussraten wurden nach der Methode RUBINFLUX [1] ermittelt und als instationäre Modellrandbedingung angesetzt. 

Zur Berücksichtigung der Interaktion zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser wurden die Gewässer im Modell zunächst abschnittsweise mithilfe der allgemein üblichen Leakage-Randbedingung, die den hydraulischen Widerstand der Gewässersohle (Kolmation) beschreibt, abgebildet. Die eingesetzte Modellierungssoftware SPRING ermöglicht zudem eine fließrichtungsbezogene Vernetzung der das Gewässersystem beschreibenden Modellknoten. Hierdurch erfolgt während der Strömungsberechnung für jeden Gewässerknoten in Fließrichtung des Gewässers eine Bilanzierung der jeweils oberstromig zugeflossenen Wassermengen unter Berücksichtigung der mit dem Grundwasser ausgetauschten Mengen. Somit ist auf infiltrierenden Gewässerabschnitten die Begrenzung der versickerbaren Wassermengen aus dem Gewässer automatisch zu jedem Zeitschritt auf das abflussbedingte Dargebot sichergestellt. 



[1]        Zepp et al., Implizite Berechnung der Grundwasserneubildung (RUBINFLUX) im instationären Grundwasserströmungsmodell SPRING. Eine neue Methodik für regionale, räumlich hochaufgelöste Anwendungen, Grundwasser- Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2017) 22:113-126