Grundwasserströmungs- und Transportmodellierung im Werra-Kaligebiet

Christian Zimmermann1, Jörn Geletneky2, Christoph König1
1 delta h Ingenieurgesellschaft mbH, Witten
2 Thüringer Landesamt für Umwelt, Bergbau und Naturschutz und Geologie (TLUBN)

V 3.3 in Grundwasserversalzung – Ursachen, Herausforderungen und Ausblicke

24.03.2022, 14:45-15:00, HS 2

Im Auftrag des Thüringer Landesamtes für Umwelt, Bergbau und Naturschutz und Geologie (TLUBN, ehemals TLUG) wurde durch delta h im Jahr 2019 ein instationäres, dichteabhängiges, dreidimensionales numerisches Grundwasserströmungs- und Transportmodell für das Werra-Kaligebiet erstellt, das unabhängig nutzbar und prognosefähig ist. Künftige hydraulische und hydrochemische (dichteabhängige) Auswirkungen der ehemaligen und derzeitigen Salzabwasserversenkung auf das Grundwassersystem im Thüringer Teil des Werra-Kaligebiets können mit dem Modell nachgebildet und prognostiziert werden.
Die numerische Stabilität des Modells ist sehr hoch, da bei der Diskretisierung mit der Einhaltung der Stabilitätskriterien bewusst auf eine gute Kondition der Koeffizientenmatrix des numerischen Gleichungssystems hingearbeitet wurde. Geologisch auslaufende Schichten wurden auch numerisch nicht mitgeführt. Das Grundwassermodell Werra besteht somit aus ca. 1,2 Mio. Modellknoten mit 60 vertikalen Schichten und wird über einen Zeitraum von 95 Jahren mit 72.000 Zeitschritten gerechnet. Die Rechenzeiten betragen auf einem Computer mit Intel Core I7- 4790K-Prozessor 84 Stunden. Dabei wird in jedem Zeitschritt die nichtlineare Vorflutbedingung 5-mal iteriert.
Zur detaillierten Abbildung des oberflächennahen Grundwasserleiters und der freien Oberfläche wurden Hangquellen und das Strömen in der ungesättigten Zone (Richardsgleichung) berücksichtigt. Mithilfe der Methode RUBINFLUX wurde die instationäre Neubildungsrate berechnet. Auf diese Weise wurde das Modell auch für Fragestellungen, welche die Grundwasserleiter Quartär und den Buntsandstein betreffen, zusätzlich qualifiziert.
Alle instationären Berechnungen erfordern die Definition eines Anfangszustands. Da die Versenkung vor fast 100 Jahren begann, ist die Messdatenlage des Anfangszustands äußerst spärlich und nur indirekt aus späteren Messdaten ermittelbar. Aus diesem Grund wurde für die Ermittlung der Anfangssalzverteilung und den Grundwasserzustand vor Beginn der Versenkung eine langjährige Simulation durchgeführt, die die geogene Salzverteilung aus den geologischen Salzquellen ermittelte. Dieser Zustand dient allen weiteren Simulationen des Versenkungszeitraums als Anfangsbedingung.
Zur Berücksichtigung der im Modellgebiet befindlichen Salzhalden wurden Detailmodelle erstellt, welche die dynamischen Haldengeometrien sowie die Fließwege im Haldenumfeld innerhalb einer standortbezogenen Modellskala abbilden. Das Stofftransport- und Strömungsmodell Werra lieferte für die Detailbetrachtungen die Modellrandbedingungen. Die Ergebnisse dieser Betrachtungen wurden anschließend bilanziell wieder mit dem Großraummodell gekoppelt.
Die Qualität die Stoffausbreitungsberechnung von 1925 bis Ende 2020 konnte somit weiter erhöht werden. Mit dem aktualisierten Modell wurden Prognoseszenarien berechnet, welche Aufschluss über die weitere Entwicklung der Salzausbreitung im Werra-Kaligebiet geben.

Vertikalschnitt mit Konvektionszellen
Vertikalschnitt mit Konvektionszellen



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