GrundwasseruntersuchunGrundwasseruntersuchung und Modellierung g und Modellierung

WalgauWalgauAbschlusspräsentation 17. Mai

2010

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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Datengrundlagen - Hydrologie

• Grundwasserdaten:– 107 amtliche Grundwasserpegel– Datenreihen 1997 bis 2004– Messintervall hauptsächlich wöchentlich

• Abflussdaten Ill• Niederschlagsdaten

– 5 amtliche Messstellen– Datenreihen 2000 bis 2006

• Grundwassernutzungen– Bewilligte Konsensmengen– Tatsächlich entnommene Mengen als Tages-, Wochen-

Monats- oder Jahreswerte

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Datengrundlagen - Landnutzung

• Flächennutzung und Flächenwidmung• Gefährdungspotentiale

– Autobahn, Bahntrasse– Tankstellen– Deponien und Altstandorte

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Datengrundlagen - Landnutzung

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Grundlagen – Hydrogeologische Verhältnisse

• Fläche: ca. 50 km²• Geologisch: Flyschzone und nördliche

Kalkalpen• Felssohle bis 150 m unter Talniveau• zusammenhängender Grundwasserkörper• durch Felsrippen in drei Becken unterteilt

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Grundwassermodell Walgau Geologie

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Grundwassermodell Walgau Modellaufbau

• Regional zweidimensional-horizontales Modell:- variable Parameter horizontal- vertikale Inhomogenitäten gemittelt

• Hydraulische Simulation mit SPRING (2008), Finite Elemente- ca. 17.500 Knoten und 19.400 Elemente- Automatische (inverse) Kalibrierung - Gemessene Grundwasserstände und

In-/Exfiltration- Anpassung k-Werte und Leakagekoeff.

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Grundwassermodell Walgau – Randbedingungen I

• Direkte Grundwasserneubildung– aus Niederschlag, Verdunstung,

Oberflächenabfluss und Flurabstand

• Randzufluss (Absprache mit Dr. Bertle)– Abschätzung aufgrund Größe, Höhe und

Geologie Einzugsgebiet – Anpassung während Kalibrierung

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Grundwassermodell Walgau – Randbedingungen II

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Grundwassermodell Walgau – Randbedingungen III

• Oberflächengewässer– Großer Einfluss Ill / Giessenbäche auf

Grundwasserspiegel – Wasserstände instationär modelliert

• Grundwassernutzung– Vorhandene Entnahme- und

Versickerungsdaten berücksichtigt

• Baggerseen

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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Kalibrierung

• stationäre Kalibrierung

• instationäre Kalibrierung

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stationäre Kalibrierung

• Hydrologie sehr variabel

• kein stationärer Zustand

• 11. März 2002 als stationärer Zustand– Mittlerer Wasserstand– Messdaten bei vielen Pegeln -> bessere

Kalibrierungsergebnisse

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stationäre Kalibrierung Ergebnisse

• Mittlerer Fehler Pegelstände: 21 cm• Giessenbäche gut modelliert

• k-Werte zwischen 10-4 bis 10-2 m/s

Messpunkt Modell [l/s] Messung [l/s] Sägenbach oben 290 300 Sägenbach unten 1293 1250

Frastanz Giessenbach oben 92 75

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stationäre Kalibrierung - Ergebnisse

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instationäre Kalibrierung

• Kalibrierungsperiode: 11.03.2002 – 31.12.2003

• Anfangs hohe Grundwasserstände• niedrige Grundwasserstände am Ende

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instationäre Kalibrierung - Ergebnisse

• Mittlere Abweichung Pegel: 20 cm

• Probleme Pegel Modellrand Baggerseen

• k-Werte 5x10-4 bis 5x10-3 m/s

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instationäre Kalibrierung - Ergebnisse

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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Validierung

• neuer Datensatz (Jahr)• kalibrierte Parameter

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Validierung

Pegel 04.38.03

Links Kalibrierung, rechts Validierungblau: beobachtete Werte, rot: modellierte Werte

SPRINGAuswertung SITRA GANGLINIE KNOTEN-NR. : 5675

04.38.03

BEZUGSDATUM T=0 : 10. 3.2002

ZEIT IN TAGEN

Potentiale

SPRINGAuswertung SITRA GANGLINIE KNOTEN-NR. : 5675

04.38.03

BEZUGSDATUM T=0 : 31.12.1997

ZEIT IN TAGEN

Potentiale

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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Bilanzierung

• Randzuflüsse ca. 3x so groß wie direkte Neubildung

• aus Oberflächengewässer ca. 5.000 l/s• aus Ill ca. 3.000 l/s

• Abfluss Walgau zu 90 % als Oberflächenwasser

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BilanzierungBilanz der Zu- und Wegflusse

1'031 (10.1%)

2'283 (22.3%)

1'913 (18.7%)

Wegfluss Felsenau: 8 (0.1%)

3'019 (29.4%)

5'395 (52.6%)

1925 (18.8%)

4'229 (41.3%)

66 (0.6%) 619 (6.0%)

Speicheränderung: 14 (0.1%)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Zufluss Wegfluss

Was

serm

eng

en [

l/s]

Direkte Neubildung Randzufluss Zufluss Klostertal/ Wegfluss FelsenauIll übrige Oberflächengewässer Versickerungs- und PumpmengenSpeicheränderung

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Bilanzierung

Feb-Sep 1999

[l/s] 2001 [l/s]

2003 [l/s]

Zufluss gesamt 12.602 11.166 9.361 Direkte Neubildung 2.337 1.684 660 Randzufluss 2.819 2.129 1.929 Zufluss Klostertal 2.671 2.405 1.640 Infiltration Ill 2.892 2.989 3.100 Infiltration übrige Oberflächengewässer 1.858 1.894 1.964 Versickerung 65 65 68 Wegfluss gesamt 12.287 11.096 9.586 Wegfluss Felsenau 6 7 8 Exfiltration Ill 6.086 5.701 5.102 Exfiltration übrige Oberflächengewässer 5.445 4.638 3.843 Entnahme 750 750 633 Speicheränderung 315 70 -225

Große Unterschiede zwischen trockenen und nassen Jahren bei der direkten Neubildung und bei Randzuflüssen.

1999 ... Nasses Jahr2001 ... Charakteristisches Jahr 2003 ... Trockenes Jahr

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Bilanzierung – zeitlicher Verlauf der Zu- und

Abflüsse

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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TrinkwasserversorgungAufgabe

• Analyse potentieller Entnahmen an bestehenden Brunnenstandorten ohne/mit Schongebiete

• Potential bestehende Schongebiete• Berücksichtigung

Gefährdungspotentiale• Auswirkungen auf GW-Spiegel,

Giessenbäche und Anströmbereich der Brunnen

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TrinkwasserversorgungMethoden

• BahnlinienBewegung eines Wasserteilchens über die Fließzeit

• Transport unter invertierter StrömungWahrscheinlichkeit, dass ein Wasserteilchen innerhalb der gewählten Zeit den Brunnen erreicht, wird ermittelt, Dispersion wird berücksichtigt

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Trinkwasserversorgung – Schutz- und Schongebiete

• Kriterien für minimale Fließzeit:– Schutzgebiet Zone II: 60 Tage– Schutzgebiet Zone III: 6 Monate– Schongebiet: 6 Monate

• Schongebiete im Walgau:– Schongebiet Felsenau 0,76 km²– Schongebiet Satteinser Au 2,03 km²– Schongebiet Untere Lutz 7,56 km²– Schongebiet Tschalenga Au 2,56 km²– Fläche Walgau 76 km²

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Trinkwasserversorgung – potentielle Entnahme

• Maximale Menge jedes Brunnens einzeln untersucht

• übrige Brunnen aktuelle Fördermenge

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Trinkwasserversorgung – potentielle Entnahme

Absenkung in 500m Entfernung vom Brunnen

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 500 1000 1500 2000 2500

Pumpmenge [l/s]

GW

-Ab

sen

kun

g [

m]

Brunnenfeld

Bürs

Schöpfwerk I

Schöpfwerk II

Sonnenheim

Satteins

Schildried

Gais

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Trinkwasserversorgung – potentielle Entnahme

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Trinkwasserversorgung – Potential der Schongebiete

• Maximale Entnahmemenge • optimale Brunnenstandorte• Rahmenbedingungen:

– max. Absenkung: 1 – 1,5 m bei gleichzeitigem Betrieb

– 6 Monats-Kriterium für Schongebietsgrenzen

– Gefährdungspotentiale berücksichtigt– Gute Verteilung der Standorte

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Trinkwasserversorgung – Potential der Schongebiete (Bsp.

Untere Lutz)

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Trinkwasserversorgung – Potential der Schongebiete

Schongebiet Konsensmenge derzeit

Potential

Untere Lutz 55 l/s 1.400 l/s

Tschalenga Au

0 l/s 250 l/s

Satteiner Au 90 l/s 800 l/s

Frastanz 280 l/s 380 l/s

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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KühlwassereinleitungAufgabe

• Analyse der Auswirkung thermischer Einleitung in den Grundwasserkörper am Beispiel der Fa. Rauch

• Anlage der Fa. Rauch– 5 Entnahmebrunnen– 2 Versickerungsschächte– 20 Messstellen, an denen die Temperatur

täglich gemessen wird

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KühlwassereinleitungAnlage Fa. Rauch

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KühlwassereinleitungModellierung

• Für Berechnung des Energiemodells ist 3d-Modell erforderlich -> Umwandlung des 2d Modells in ein 3d Modell

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KühlwassereinleitungRandbedingungen I

• Strömungsberechnung:– Stationäre Randbedingungen und

Modellparameter des 2d Modells werden verwendet

– Vertikale k-Werte 10-mal kleiner als horizontale angenommen

– Entnahme- und Versickerungswerte der Fa. Rauch ab 2004

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KühlwassereinleitungRandbedingungen II

• Wärmetransport:– Konstante Wassertemperatur bei allen

Modellzuflüssen10°C bei Randzuflüssen und

Neubildung, 8°C in Vorflutern

– Rückgabewasser Fa. Rauch: tatsächliche Pumpmenge und tatsächlicher Temperaturverlauf

Temperaturverlauf des Rückgabewasser Fa Rauch

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Jan 04 Apr 04 Jul 04 Okt 04 Jan 05 Apr 05 Jul 05 Okt 05

Datum

Tem

per

atu

r [°

C]

v

Entnahme- und Versickerungsmenge Fa Rauch

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Jan 04 Apr 04 Jul 04 Okt 04 Jan 05 Apr 05 Jul 05 Okt 05

Datum

Men

ge

[l/s

]

Entnahme B1&B2 Entnahme TB3&TB4&TB5 Versickerung 1&2

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KühlwassereinleitungErgebnisse

Temperaturvergleich Modell - Messung

10

11

12

13

14

15

16

Jan 04 Apr 04 Jul 04 Okt 04 Jan 05 Apr 05 Jul 05 Okt 05

Datum

Tem

per

atu

r [°

C]

P15 Modell P16 Modell P15 Messung P16 Messung

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KühlwassereinleitungErgebnisse

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KühlwassereinleitungErgebnisse

• Gemessene Werte tendenziell tiefer als modellierte (Messung erfolgt in Bohrloch, Mischtemperatur wird gemessen)

• Tendenzen erkennbar, Rückgang Ende 2005 mit Zeitverschiebung abgebildet

• Grundwassertemperatur reagiert sehr schnell auf veränderte Versickerungsmengen

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KühlwassereinleitungSchlussfolgerungen

• großer Einfluss im Nahbereich der Versickerungsschächte auf GW-Temperatur

• Temperaturerhöhung beschränkt sich auf den oberen Bereich

• Veränderung der Kühlwassermenge wirkt sich schnell auf die GW-Temperatur aus

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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NassbaggerungenAufgabe

• Einfluss Baggerseen auf Grundwasserkörper

• Wärmeaustausch Grundwasser / Baggersee mittels 2d und 3d Modellierung

• Änderungen im Grundwasserfluss durch Verfüllung von Baggerseen

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NassbaggerungenBaggerseen

Baggersee Fläche [ha]

Tiefe [m]

Volumen [m³]

Satteinsersee 2,0 10-13 150.000

Galinasee 5,3 7-20 550.000

Gr. Beschlingersee

5,1 30-35 1.000.000

Kl. Beschlingersee

1,25 13 150.000

Hilti & Jehle See 5,4 28-32 500.000

Tschalenga See 7,4 43-50 1.500.000

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NassbaggerungenErgebnis 2D Modellierung

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Nassbaggerungen3D-Modellierung

• Einführung von Randbedingungen für– Strömungsberechnung– Wärmetransport

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NassbaggerungenErgebnis 3D Modellierung –

Wasseraustausch

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NassbaggerungenErgebnis 3D Modellierung –

JahresverlaufJänner

Februar

März

April

Mai

Juni

Juli

August

September

Oktober

November

Dezember

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Grundwasseruntersuchung und Modellierung Walgau

• Grundlagen• Kalibrierung• Validierung• Bilanzierung• Modellanwendung

– Trinkwasserversorgung– Kühlwassereinleitungen– Nassbaggerungen– Retentionsflächen

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RetentionsflächenAufgabe

• Im BA03 des Ill Ausbauprojektes ergeben Retentionsflächen Auswirkungen auf GW-Verhältnisse

• Auswirkungen darstellen • bewerten• Vergleich HQ100 Projekt / HW 1999

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Retentionsflächen Ausbauprojekt Ill (Werner Consult)

• Dotation eines Retentionsbeckens bei HQ100

• Verbreiterung Ill

• Höhenlage der Sohle soll verändert werden

• Wasserspiegel der Ill aus hydrodyn. 2d-Modell als Eingangswerte für das Grundwassermodell

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RetentionsflächenAusbauprojekt Ill (Werner Consult)

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Retentionsflächen

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Retentionsflächen

• In Retentionsflächen bei HQ100– zusätzliche Versickerung – erhöhte Grundwasserneubildung

• Planungszustand:– Verbreiterung der Ill– Grundwasserspiegel sinkt

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Retentionsflächen

Wasserspiegellagen HQ100-Welle

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

0 6 12 18 24 30 36 42 48

Zeit [h]

Dif

fere

nz

WS

-GO

K [

m]

WS_Ill_Zufluss

WS_Ausleitung

WS_Eichwald

GWSp_Eichwald

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RetentionsflächenErgebnisse

• Nahbereich Retentionsbecken:– Grundwasserstand 1 m höher als 1999– In 500 m Entfernung GW Spiegel bis zu

0,75 m höher als 1999

• Nach wenigen Tagen GW wie 1999• Bereich Giessenbäche GW hoch

– höhere Wasserführung in Giessenbächen

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RetentionsflächenErgebnis

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Zusammenfassung

• Schongebiete im Walgau sind bedeutendes Potential für die Trinkwasserversorgung, lokale Auswirkungen auf Grundwasserstand und Oberflächengewässer können nicht ausgeschlossen werden

• Kühlwasserversickerungen und Nassbaggerungen sind immer im Einzelfall zu beurteilen

• Im Nahbereich von Retentionsflächen Anstieg des GW-Spiegels, Auswirkungen zeitlich begrenzt

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit