Stationär oder instationär? Verwendung vertikaler Temperaturprofile zur Quantifizierung von Oberflächen-Grundwasseraustausch

Abstract

Wärme als natürlicher Tracer findet zu¬neh¬mend Verwendung bei der Quanti¬fizie¬rung von Austauschflüssen zwischen Ober¬flächen- und Grundwasser (STONESTROM und CONSTANTZ 2002). Vor allem in Fluss-Grund¬wasser¬syste¬men sind Temperaturmessungen zur Cha¬rak¬ter¬isierung und Quantifizierung des Aus¬tausches sowohl qualitativ als auch quantitativ eingesetzt worden (CONANT 2004, SCHMIDT ET AL. 2006). Ein Ansatz zur Quanti¬fizierung der Austauschflüsse ist die Bestimmung des kon¬¬¬vek¬tiven Wärmetransports aus einer in¬ver¬sen Simulation gemessener, vertikaler Tem¬peratur¬¬profile. Unter der Annahme quasi-stationärer Rand¬bedingungen stehen für die inverse An¬passung ana¬lytische Lösungen der Wärme¬transport¬glei¬ch¬ung zur Verfügung, die auch für Fluss-Grund¬wasser¬systeme erfolg¬reich ein¬gesetzt wurden (CONANT 2004, SCHMIDT ET AL. 2006). Für viele Oberflächen-Grund¬wasser¬¬systeme ist die Annahme quasi-stationärer Rand¬¬bedingungen jedoch nur ein¬ge¬schränkt gültig und eine instationäre Lösung der Wärme¬transport¬gleichung ist erforderlich. In dieser Studie werden verschiedene Ansätze zur inversen Simulation vertikaler Temperatur¬profile für mehrere Ober¬flächen-Grund¬wasser¬systeme verglichen. Dabei kommen einfache, analy¬tische Lösungen (z.B. STALLMANN 1965, SCHMIDT ET AL. 2006), instationäre Wärme¬bilanz¬modelle auf der Basis der Modell¬plattform FEMME sowie die numerische Simu¬¬lation des gekoppelten Wasser- und Wärme¬flusses mit dem USGS-Code VS2DH zum Einsatz. Das Modell FEMME (Flexible Environment for Mathematically Modeling the Environ¬ment, SOETAERT ET AL.. 2002), ist eine auf FORTRAN basierende Simulations¬umgebung. FEMME wurde entwickelt um ökologische Systeme auf analytischer Basis zu simulieren. In das bestehende Modellsystem wurde in ein vertikales, auf ana¬lytischen Lö¬sun¬gen von STALLMANN (1965) und LAPHAM (1989) basierendes 1D Wärme¬transport Modell integriert. Für die Vergleichsstudie wurden Temperatur¬profile der hyporheischen Zone verwendet, die in Fluss- und See-Grund¬wasser¬systemen ge¬mes¬sen wurden. Bei der Simulation der Temperaturprofile und der dabei erfolgenden Inversion der Austauschraten wurde vor Allem der Frage nachgegangen, unter welchen Bedingungen eine einfache stationäre und wann eine instationäre Simulation erforderlich sind, um verlässliche Austauschraten bestim¬men zu können.status: publishe