Abschätzung räumlich-zeitlicher Muster von Grundwasser-Oberflächenwasseraustausch an der Aa, Belgien

Christian Anibas1, Uwe Schneidewind2
1 Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel (VUB)
2 Department of Engineering Geology and Hydrogeology, RWTH Aachen University

P 9.17 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Während der letzten fünfzehn Jahre hat eine stetige Weiterentwicklung der analytischen und numerischen Verfahren stattgefunden, die zur Quantifizierung von Grundwasser-Oberflächenwasseraustauschraten genutzt werden. Eine dabei immer häufiger benutzte Methode ist die Verwendung von natürlicher Wärme als Tracer (Vandersteen et al., 2015, Anibas et al., 2016, Schneidewind et al., 2016). Hier untersuchen wir die räumliche und zeitliche Verteilung der Austauschraten durch Verwendung von Flussbetttemperaturprofilen und Flusswassertemperaturzeitreihen aus der Aa in Belgien.

Die Aa ist ein typischer flämischer Tieflandfluss mit niedrigem Gefälle, teilweise geführt in künstlichem Gerinne und hat ein fein- bis mittelsandiges Flussbett mit variablem Anteil an organischem Material. Die Flussbettsedimente der Aa sind typischerweise kompakter an den Uferbänken, als in der Flussmitte.

Temperaturen in der Aa wurden zu verschiedenen Zeitpunkten zwischen August 2004 und Februar 2007 an 26 Messpunkten entlang des Flusslaufes von 1425 m Länge unter Zuhilfenahme einer selbstentwickelten Temperaturlanze (Anibas et al., 2011) gemessen. Außerdem wurden Flusswassertemperaturen und hydraulische Gradienten aus Piezometernestern kontinuierlich als Zeitreihen gespeichert.

Vertikale Austauschraten wurden mit Hilfe des numerischen Finite-Differenzen Codes STRIVE (Anibas et al, 2009) quantifiziert. Um für den gemessenen Datensatz eine zeitliche Auflösung der modellierten Austauschraten zu erreichen, wurde die Zeitreihe der Flusswassertemperatur dabei als obere Randbedingung verwendet, welche die gemessenen Temperaturprofile zeitlich verbindet. Die daraus resultierende instationäre Modellierung erlaubt eine saisonal unabhängige Berechnung der Austauschraten und des Weiteren auch die Quantifizierung des RMS-Fehlers.

Die modellierten Austauschraten erreichten im Herbst und im Winter Werte von bis zu -90 mmd-1, während sie im Frühling und Frühsommer nur -42 mmd-1 erreichten. Es wurde hauptsächlich exfiltrierendes Wasser beobachtet, an einigen Stellen treten jedoch zeitlich veränderliche Fließrichtungen auf, wobei dieses ökologisch wichtige Phänomen besonders im Frühjahr zu beobachten ist. Für den stromaufwärts liegenden Teil des Flussabschnittes wurden generell höhere Austauschraten ermittelt, während im unteren Flussabschnitt die Austauschraten zeitlich stärker variierten (Anibas et al., 2017). Die Austauschraten in Ufernähe waren bis 3-mal größer als in Flussmitte. Der Grundwasser-Oberflächenwasseraustausch an den Flussufern scheint mehr durch kleinräumige, lokale Grundwasserströmung angetrieben zu werden, während das Zentrum des Flusses von tieferen und konstanteren regionalen Grundwasserströmen dominiert wird.

Die räumliche und zeitliche Variabilität der Austauschraten zeigt die Bedeutung von Langzeituntersuchungen in der hyporheischen Zone auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen hin.



Anibas, C., Fleckenstein, J.H., Volze, N., Buis, K., Verhoeven, R., Meire, P., Batelaan, O. (2009): Transient or steady-state? Using vertical temperature profiles to quantify groundwater-surface water exchange. Hydrol. Process., 23(15), 2165-2177, doi: 10.1002/Hyp.7289.

Anibas, C., Buis, K., Verhoeven, R., Meire, P., Batelaan, O. (2011): A simple thermal mapping method for seasonal spatial patterns of groundwater–surface water interaction, J. Hydrol., 397(1-2), 93-104.

Vandersteen, G., Schneidewind, U., Anibas, C., Schmidt, C., Seuntjens, P., Batelaan, O. (2015): Determining groundwater-surface water exchange from temperature time series: Combining a local polynomial method with a maximum likelihood estimator. Water Resources Research, 51(2), 922-939, doi: 10.1002/2014WR01599            .

Anibas, C., Schneidewind, U., Vandersteen, G., Joris, I., Seuntjens, P., Batelaan, O. (2016): From streambed temperature measurements to spatial-temporal flux quantification: Using the LPML method to study groundwater-surface water interaction. Hydrological Processes, 30,203-216, doi: 10.1002/hyp.10588.

Schneidewind, U., van Berkel, M., Anibas, C., Vandersteen, G., Schmidt, C., Joris, I., Seuntjens, P., Batelaan, O., Zwart, H.J. (2016): LPMLE3 - A novel 1D approach to study water flow in streambeds using heat as a tracer. Water Resources Research 52(8), 6596-6610, doi: 10.1002/2015WR017453.

Anibas, C., A.D. Tolche, G. Ghysels, J.Nossent, U. Schneidewind, M. Huysmans, O. Batelaan (2017): Delineation of spatial-temporal patterns of groundwater-surface water interaction along a river reach with transient thermal modeling, Hydrogeology Journal, accepted for publication.