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Bestimmung von vertikalen Grundwasser-Oberflächenwasseraustauschraten mittels Temperaturzeitreihenanalyse am Beispiel des Slootbeek

Uwe Schneidewind1, Christian Anibas2, Gerd Vandersteen3, Ingeborg Joris1, Okke Batelaan4, Christian Schmidt5
1 Environmental Modeling Unit, Flemish Institute for Technological Research (VITO)
2 Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel
3 Department of Fundamental Electricity and Instrumentation, Vrije Universiteit Brussel
4 School of the Environment, Flinders University
5 Department Hydrogeologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)

O 6.13 in Groundwater, soil and surface water interactions

30.05.2014, 17:20-17:40, H19, NW II

Die zuverlässige Quantifizierung von Grundwasser-Oberflächenwasseraustauschraten zwischen Fließgewässern und den mit ihnen in Verbindung stehenden  Grundwasserleitern spielt eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Strömungs- und Transportprozessen in der hyporheischen Zone. Dabei sind Austauschraten zwischen beiden Kompartimenten abhängig von einer Reihe von Faktoren, wie z.B. den Eigenschaften des Fließgewässers (Flussbettmorphologie, Fluss-laufgeometrie, hydraulische Eigenschaften des Flussbettsediments), des Grundwasserleiters als auch von äußeren natürlichen und antropogenen Faktoren.

Die Quantifizierung von Austauschraten kann dabei direkt durch Seepagemetermessungen erfolgen oder indirekt z.B. durch den Gebrauch von Wärme als Tracer (Anderson, 2005). Dabei werden gewöhnlich die räumlichen und zeitlichen Temperaturveränderungen in verschiedenen Tiefen des Flussbettes gemessen, diese Zeitreihen dann mittels numerischer oder analytischer Verfahren analysiert und zur Bestimmung der Austauschraten verwendet.

Wir haben für einen Abschnitt des Slootbeeks, eines belgischen Tieflandflusses über mehrere Monate kontinuierlich Flussbetttemperaturen an sieben verschiedenen Punkten und jeweils sieben Tiefen gemessen. In einer ersten Analyse haben wir einen Teil der Temperaturzeitreihen mit dem numerischen Model STRIVE (Anibas et al., 2009) sowie der analytischen Methode nach Keery et al., (2007), welche in der Software VFLUX (Gordon et al., 2012) eingebunden ist, untersucht. Zusätzlich haben wir ein neues, ebenfalls auf der 1D Wärmetransportgleichung beruhendes Verfahren entwickelt und mit den anderen Methoden verglichen. Dieses Verfahren, LPML genannt, gebraucht eine lokale Polynomgleichung zur Bestimmung der Frequenz-Antwort des Systems und einen Maximum-Likelihood Estimator zur Bestimmung und Optimierung der Austauschrate. LPML bietet gegenüber anderen analytischen 1D Verfahren die Vorteile, dass sowohl Model- als auch die Parameterunsicherheiten auf einfache Weise bestimmt und je nach Struktur der Zeitreihe auch Frequenzbereiche simultan gebraucht werden können, die nicht nur den Tag-Nacht-Zyklus beschreiben.

In einer zweiten Analyse haben wir die räumliche Verteilung der Austauschraten im Slootbeek untersucht und dabei festgestellt, das diese zwischen -19,3 und -648,3 mmd-1 variieren. Diese Resultate stimmem grindsätzlich gut mit denen von durchgeführten Seepgagmetermessungen überein und beruhen auf dem heterogenen Aufbau des Flussbettsediment (Kies und Sand mit variierendem organischen Anteil). 



Anderson, M.P. (2005): Heat as a Groundwater Tracer. Ground Water 43 (6): 951-968.

Anibas, C., Fleckenstein, J.H., Volze, N., Buits, K., Verhoeven, R., Meire, P., Batelaan, O. (2009): Transient or steady-state? Using vertical temperature profiles to quantify groundwater-surface water exchange. Hydrological Processes 23(15) 2165-2177.

Gordon, R.P., Lautz, L.K., Briggs, M.A., McKenzie, J.M. (2012): Automated calculation of vertical pore-water flux from field temperature time series using the VFLUX method and computer program. Journal of Hydrology 420-421: 142-158.

Keery, J., Binley, A., Crook, N., Smith, J.W.N. (2007): Temporal and spatial variability of groundwater-surface water fluxes: Development and application of an analytical method using temperature time series. Journal of Hydrology 336 (1-2): 1-16.



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last modified 2014-03-24