„Erstellung eines Management-Tools zur ...FGM Unstrut Erfurt, TMLNU, 22.11.2005 „Erstellung...

FGM

Unstrut

Erfurt, TMLNU, 22.11.2005

„Erstellung eines Management-Tools zur Wasserbewirtschaftung unter den Bedingungen

bergbaubedingter salinarer Einträgeder oberen und mittleren Unstrut“

Modellkopplung

Thomas Sommer, Mike MüllerDresdner Grundwasserforschungszentrum e.V.

Bernd Pfützner, Büro für Angewandte Hydrologie, Berlin

BMBF-Projekt „Flussgebietsmanagement Unstrut“

FGM

Unstrut


Raumgliederung

TP 4Stoffeintrag

K-UTEC GmbH

TP 3Verweilzeit-

modellierungTU DD

TP 2N-A-ModellPIK Potsdam

Flussgebietsmanagement Unstrut

Projektkoordination: DGFZ

TP1GW-Modell

DGFZ

FGM

Unstrut


Gliederung

Ausgangspunkt und ZielstellungGrundlagen

KopplungsgrößenRäumliche KopplungZeitliche Kopplung

Vorgehen im ProjektErgebnisseZusammenfassung

FGM

Unstrut


Ausgangspunkt

SHELL

NA-Modell GW-Modell

GW-Anstrom in die Gewässer

Wasserstand im Gewässer

KGN

Sickerwasser (+/-) ausWurzelzone

GW-Stand

K GT Datenkonvertierung, durch die Shell gesteuert

Ein-/Ausgabedateien (ascii)

Datenflüsse

Steuerimpulse

KNG

end

star

t

KNG

KGN

Grundwasserneubildung

GW-Flurabstand

Kopplungsarbeiten im Rahmen des BMBF-Projektes GLOWA

Ziel: Rückkopplung GWN - GWFA in Niederungsgebieten

Einzugsgebiet Pegel Nägelstedt

Strategie mit Kopplungs-Shell

FGM

Unstrut


Zielstellung

• mesoskalige Abbildung lateraler Prozesse• Nutzung eines prognosefähigen Grundwassermodells zur Untersetzung

der Abflussmodellierung für Festgesteins-Regionen• Grundwassermodellierung als Baustein komplexer

Flussgebietsmodellierung• Nutzung des N-A-Modells zur Quantifizierung zeitabhängiger

Randbedingungen (GWN)• Quantifizierung der Abflusskomponenten• Darstellung der GW-Komponente im Rahmen modellgestützer

Salzlaststeuerung

FGM

Unstrut


Niederschlags-Abfluss-Modell

Grundwassermodell

QD

GWNQhDQhGW

Grundwasserabfluss

Grundwasserflurabstand

QGW

Grundwasserneubildung Wsp.

Flusswasserspiegel

0

2

4

6

8

10

12

11/1994 11/1995 11/1996 11/1997 11/1998 11/1999

Abf

luss

[m³/s

]

GWabfluss qgw Summe hypoderm. Abflüsse qh Direktabfluss qd

Kopplungsgrößen

Transferzonenmodul

RG2 = f(Q, t) RG1 = f(Q, t)

RaumgliederungElementarflächen

(NA-Modell)

Aufteilungsoperatoraus DIFGA abgeleitet

FGM

Unstrut


Kopplungsstrategie

NAM (ArcEGMO)

initExchange

ArcEGMO-Rechnung

exchange

End

Zeits

chrit

tsch

leife

Dimensionen,EFLs, Koordinaten GWM (MODFLOW)

Umwandlung der Datenstrukturen

Python-Programm- schreiben und lesen der netCDF-Dateien- starten von MODFLOW- Auswertung der Bilanzen- GWN-Zeit-Verzögerung

modifiziertes MODFLOW

netCDF-Datei

hGW und QFlGWN, hFl, dt

hGW und QFlGWN, hFl, dt,

Bilanzen

return

return

Sickerwasser (GWN),Flußwasserstand (HFl),Bilanzen, Zeitschritt (dt)

Grundwasserstand (hGW),Flußzu/abfluss aus GW (QFl)

gwlib.lib (kompilierte C-Bibliothek)

FGM

Unstrut


Räumlich Diskretisierung

FGM

Unstrut


Räumlich Kopplung

RasterelementhGW

Bilineare Interpolation

EFL

ΣQGWN

Gewässerabschnitt (gekoppelt)

hFl

Gewässerabschnitt (gekoppelt)

QGW

NA-Modell(ArcEGMO)

GW-Modell(MODFLOW)

RRääumliche Zuweisung der Kopplungsgrumliche Zuweisung der Kopplungsgrößößenen

FGM

Unstrut


Räumlich Kopplung

( )( )

( )( ) B

byy

yyu

Aa

xxxx

t

1,23,4

1,2i

1,42,3

1,4i

=−−

=

=−−

=

nach: PRESS et al. (1992): Numerical Recipes in FORTRAN, S. 116f

4321 zt)u(1zutu)zt(1u)zt)(1(1 ⋅−+⋅⋅+−+−−=zi

x2,y2,z2

(xi,yi,zi)x3,y3,z3x4,y4,z4

a

A

bB

x1,y1,z1

x

yBilineareBilineare InterpolationInterpolation

FGM

Unstrut


Zeitliche Kopplung

ΣQGW

N, t 0t n

...

...

NA-Modell(ArcEGMO)

GW-Modell(MODFLOW) t0 tn tn+1

ΔtNA

ΔtGW

STARTSTART

ENDENDstart end

h Fl,t n h G

W,t n

ΣQG

W, t

0t n Kopplungsgrößen:

QGWN GrundwasserneubildunghFl FlusswasserspiegelQGW GrundwasserabflusshGW Grundwasserspiegel

Zeitliche Zuweisung der KopplungsgrZeitliche Zuweisung der Kopplungsgrößößenen

FGM

Unstrut


Vorgehen im Projekt

Aufbereitung Datenmodell

Aufbau Hydrogeologisches

Strukturmodell

GebietsanalyseGrundwasser

NA-Modell

GW-Modell

EichungDatenmodell

recherchierteGWFA

StationäreKalibrierung

Anpassung DatenmodellModellläufe

Kalibrierungszeitraum

Mitt

lere

GW

NInstationäreKalibrierung

(Kopplungsstufe 1)

Dyn

amis

che

GW

N

GekoppelteModellierung

GekoppelteModellierung

GW

FA k

alib

riert

FGM

Unstrut


Gebietskonkrete Kopplung

Pegel OldislebenPegel Hachelbich

Einzugsgebiet Pegel Hachelbich

Modellraum 1

Modellraum 2

FGM

Unstrut


Gebietskonkrete Kopplung

ElementarflElementarfläächen und chen und RasterelementeRasterelemente Gekoppelte GewGekoppelte Gewäässerabschnittesserabschnitte

502 Flussrandbedingungs-Zellen866 hierarchisierte Gewässerabschnitte

FGM

Unstrut


Bilanzen

Teilmodell Bilanzgleichung

0 =

Abflussbildung + N - ET - GWNA ± SBoden - Rhyp - Ro_Abf

Gewässermodell ± SGew + Rhyp + Ro_Gew + Qext + QGW

Transferzonenmodul + GWNA - GWNG ± STr

Grundwassermodell + GWNG ± SGW - QBr - QFl ± QRand

N …NiederschlagET …VerdunstungGWNA …Grundwasserneubildung (“RG2”) im AbflussbildungsmodellGWNG …Grundwasserneubildung im Grundwassermodell als Ergebnis des

TransferzonenmodulsSBoden …Speicheränderung im Boden und oberhalb der BodenzoneSGew …Speicheränderung im GewässermodellSTr …Speicheränderung in der TransferzoneSGW …Speicheränderung im GrundwassermodellRhyp …hypodermischer Abfluss (“RG1”)Ro_Abf ...oberirdischer Abfluss aus AbflussbildungRo_Gew ...oberirdischer Abfluss aus GewässernQext …externe Zuflüsse ins GewässernetzQGW …Grundwasserzufluss ins Gewässer im NA-Modell (entspr. -QFL im GW-Modell)QFL …Grundwasserabfluss ins Gewässer im GW-Modell (entspr. –QGW im NA-Modell)QBr …Grundwasser-EntnahmenQRand …Randzuflüsse/-abflüsse im Grundwassermodell

FGM

Unstrut


Ergebnisse

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

01.11.1996 01.11.1997 01.11.1998 01.11.1999 31.10.2000

Gru

ndw

asse

rabf

luss

qgw

[m³/s

]

8.0

11.0

14.0

17.0

20.0

Grundw

asserspiegel [m u G

el.]

Grundwasserabfluss EZG Pegel Hachelbich Grundwasserganglinie

0.0

4.0

8.0

12.0

16.0

20.0

01.11.1996 01.11.1997 01.11.1998 01.11.1999 31.10.2000

Abf

luss

[m³/s

]

Summe qh_ungekopp. NA-Modell Summe qh_Kopplungqges_Messwerte Pegel Hachelbich

FGM

Unstrut


Resümee Modellkopplung

• Gegenüberstellung der GW-Dynamik zur Dynamik des langsamen GW-Abflusses bringt plausible Ergebnisse

• Kopplung NA-Modell / GW-Modell ermöglicht die zeitliche und räumliche Differenzierung von Abflussanteilen Nutzung für Stoffstrom-Analysen

• Gebietsbezogene Kopplung komplexes ModellystemNutzung als operatives Modell eingeschränkt

• Gekoppeltes Modellsystem für Szenarienrechnungen geeignet• Methodische Erkenntnisse Modellkopplung

Weiterentwicklung / Optimierung des Pre-ProcessingsBilanzierung des Gesamtraumes

Flusssohle [mHN]hFL [m ü Sohle)

Flusslauf

QGW,4 hFl,4

ArcEGMO-Gewässerabschnitte

MODFLOW-river zones

1 2 3 4

1 2 3 4

QGW,3 hFl,3QGW,1 hFl,1

QGW,2 hFl,2


Flusslauf


ArcEGMO-Gewässerabschnitte

MODFLOW-river zones

1 2 3 4

1 2 3 4





Flusslauf

hFl,1

ArcEGMO-Gewässerabschnitt

MODFLOW-river zones

1 2 3 4

hFl,1

ΣQGW,1..4

hFl,1 hFl,1

1


Flusslauf

hFl,1


MODFLOW-river zones

1 2 3 4

hFl,1

ΣQGW,1..4

hFl,1 hFl,1

1

hFL [m ü Sohle)

Flusslauf

hFl,1


MODFLOW-river zones

1 2 3 4

hFl,1

ΣQGW,1..4

hFl,1 hFl,1

1

1:1 n:1

FGM

Unstrut


Zusammenfassung

• Modellkopplung des NA-Modells ArcEGMO mit MODFLOW• Untersuchungsraum II (EZG Wipper)• Kopplungsgrößen: Grundwasserstand; Grundwasserneubildung;

Flusswasserstand und Grundwasserzufluss zum Gewässer• Kopplungs-Datenformat: netCDF• Modifizierung des ArcEGMO

Elementarflächen-ModellImplementierung Transferzone (SlowComp-Ansatz)

• Modifizierung MODFLOW Einlesen dynamischer Randbedingungen• Ergebnisse:

– zeitliche und räumliche Differenzierung von Abflussanteilen– Nutzung für Stoffstrom-Analysen– geeignet für Szenarienrechnungen– Nutzung als operatives Modell eingeschränkt

• Methodische Erkenntnisse für Weiterentwicklungen

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