Design und Optimierung von Grundwasserstandsmessnetzen

Marc Ohmer1, Tanja Liesch1, Nico Goldscheider1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Abt. Hydrogeologie, Karlsruher Institut für Technologie

6.13 in Hydrogeologie in der Praxis

Grundwassermessnetze sind wichtige Werkzeuge für das Verständnis von Dynamik und Qualität hydrogeologischer Systeme sowie für deren nachhaltige Bewirtschaftung. Wegen der Unzugänglichkeit von Grundwasser können systematische Daten nur punktuell an Grundwassermessstellen erhoben werden. Aus diesen punktuellen Messwerten werden dabei meist flächenhafte Informationen wie Grundwasseroberflächen generiert. Diese dienen wiederum als Grundlage für verschiedene Fragestellungen hinsichtlich Grundwasserfließrichtungen, -geschwindigkeiten und hydraulischer Gradienten, z.B. für die Ausweisung von Schutzzonen oder als Eingangsdaten für numerische Modelle.Die Messnetzoptimierung beschäftigt sich mit der bestmöglichen Anzahl und Platzierung von Messstellen. Ziel dabei ist ein optimaler Kompromiss zwischen maximalem Informationsgewinn und Wirtschaftlichkeit. Die vorliegende Studie untersucht den Einfluss von sechs Design-Strategien für Grundwasserstandsmessnetze mit unterschiedlichen Messdichten auf die Genauigkeit von räumlich interpolierten Grundwasseroberflächen.

Um räumlich kontinuierliche Vorhersagefehler zu quantifizieren, haben wir neun potentiometrische Grundwasseroberflächen aus regionalen Grundwasserströmungsmodellen als a priori Referenzen verwendet. Die Idee hinter diesem Ansatz ist, die interpolierte mit einer "realen" Grundwasseroberfläche zu vergleichen und dabei neben dem Kreuzvalidierungsfehler auch den "realen" Fehler zu berechnen. Numerisch modellierte Grundwasseroberflächen, stellen daher hinsichtlich Variabilität, Gradienten, usw. eine gute Referenz dar. Damit konnte ein räumlich kontinuierlicher tatsächlicher generiert werden, an Hand dessen die aus den unterschiedlichen Designs resultierenden Interpolationsfehler verglichen wurden. Weiterhin konnte durch den APE die Eignung häufig verwendeter Kreuzvalidierungsfehlerstatistiken qualitativ und quantitativ bestimmt werden.

Zusätzlich haben wir obere und untere Schwellenwerte für eine adäquate räumliche Dichte von Grundwassermessnetzen definiert. Unterhalb der unteren Schwelle erscheint die Dichte unzureichend, und zusätzliche Messstellen führen zu einem deutlichen Informationsgewinn. Oberhalb der oberen Schwelle führen zusätzliche Messstellen zu nur sehr geringen und daher ineffizienten Verbesserungen. Laut dem APE führen Gitteranordnungen zu den besten Ergebnissen, sind aber aufgrund ihrer begrenzten Erweiterbarkeit oft nicht für Grundwassermessnetze geeignet. Geostatistische und Spatial-Coverage Strategien sind sehr gute Alternativen, die sowohl erweiterbar sind, als auch reproduzierbare und gleichmäßige Abdeckungen ermöglichen. Globalen Kreuzvalidierungsfehlerstatistiken sind ungeeignet, um die Güte unterschiedlicher Design-Strategien miteinander zu vergleichen, lassen jedoch grobe Rückschlüsse auf die Qualität des Messnetzes zu.



Ohmer, M; Liesch, T; Goldscheider, N; 2019:On the Optimal Spatial Design for Groundwater Level Monitoring Networks, Water Resources Research, DOI: 10.5445/IR/1000100286