Modellierungsansätze

Grundwasser-Bodenmodell

Als Grundlage für die Entwicklung von Managementwerkzeuge für Nachhaltiges Grundwassermanagement bedarf es eines Modells des Grundwasserleiters und der ungesättigten Zone. Auch der Einfluss der Vegetation und des Bodens müssen mit einbezogen werden. Für solche deterministischen Modelle werden umfangreiche Datensätze benötigt, die jedoch in vielen Gebieten, besonders im mediterranen Klimaraum, häufig nicht zur Verfügung stehen. Um das Potential statistischer Ansätze in Gebieten mit Datenknappheit zu untersuchen werden für das Modell des Western Mountain Aquifer (WMA) sowohl deterministische als auch statistischen Ansätze verfolgt und die Ergebnisse vergleichen.

Deterministischer Ansatz: Doppelkontinuummodel in HydroGeoSphere

Diskretisierung des HGS Modells

Für den deterministischen Ansatz wird ein Doppelkontinuummodel in HydroGeoSphere (HGS) erstellt. Das Model umfasst die gekoppelte Berechnung des Oberflächenabflusses und der Infiltration durch die ungesättigte Zone sowie die gesättigte Zone. Die Strömungsberechnung erfolgt durch das lösen einer modifizierte Richards‘ Gleichung für ein primäre und sekundäre Medium. Das primäre Medium repräsentiert die Gesteinsmatrix, das sekundäre Medium das Röhrensystem. Der Austausch zwischen der Matrix und den Röhren wird mit Hilfe eines Austausch-Terms berechnet.

Stochastischer Ansatz: Einzelkontinuummodel in MODFLOW mit Stochastic Karst Simulator (SKS)

Einzelkontinuum MODFLOW Modell mit in den Stochastic Karst Simulatior implementierten Karstnetzwerk

Ein zweites Model der WMA wird für ein Kontinuum in MODFLOW erstellt. Die unterschiedliche Permeabilität des Röhrensystems und der Matrix werden dabei nicht beachtet. Statt dessen werden Zonen im WMA mit einer stärkeren Verkarstung stochastisch ermittelt. Die Berechnung der Grundwasserneubildung erfolgt an Hand von analytischen Funktionen.

Die Parametrisierung des MODFLOW Models erfolgt mit Hilfe eines Stochastic Karst Simulator (SKS) (Borghi, 2012). Die Lage und Parametrisierung des Karst Netzwerks erfolgt dabei durch Wahrscheinlichkeitsfunktionen (PDF). Anhand eines geologischen Modells und Informationen zur Karststruktur werden mögliche Karströhrensysteme ermittelt, welche den Einlass mit dem Auslass verbinden. Der SKS Algorithmus folgt dabei dem Weg des geringsten Wiederstandes. Das stochastisch simulierte Karstnetz wird in das MODFLOW Modell implementiert um Zellen mit höherer (Karstleitungen) und niedrigerer (Matrix) hydraulischer Leitfähigkeit zu definieren.

Stochastisch ermitteltes Karstnetzwerk des WMA

Erste Ergebnisse

HGS Modell: Simulierter vs. beobachteter Grundwasserspiegel

Das HGS-Doppelkontinuummodel wurde zunächst für ein Kontinuum kalibriert. Während der Pre-Development Phase waren die einzigen Outlets des Aquifers die Taninim und Yarkon Quelle. Die stationäre Simulation des Models wurde so konfiguriert, dass sie den Grundwasserspiegel des WMA und die Quellschüttung der beiden Brunnen wiedergibt. Das kalibrierte Model ist in der Lage die Quellschüttung der Yarkon und Taninim Quelle abzubilden. Im Jahr 1991/92 wurde die Yarkon Quelle nach einem sehr nassen Jahr wieder aktiviert. Dieses Ereignis wird im Model reproduziert.

Die simulierten Grundwasserstände des WMA haben im gespannten Bereich des Aquifers eine gute Übereinstimmung mit den beobachteten Werten, im ungespannten Bereich in der bergigen Region gibt es Abweichungen.

HGS Modell: Simulierte und beobachtete Quellschüttung an der Taninim und Yarkon Quelle
MODFLOW Modell: Simulierter vs. beobachteter Grundwasserspiegel

Das Einzelkontinuummodel in MODFLOW wurde in einer Basisversion ohne SKS kalibriert. Die erneute Quellschüttung der Yarkon Quelle nach dem nassen Jahr 1991/92 konnte ebenfalls simuliert werden. Die Güte der simulierten Wasserstände liegt allerdings hinter der Güte es HGS Modells.

MODFLOW Modell: Simulierte und beobachtete Quellschüttung an der Taninim und Yarkon Quelle