Beitrag zur Grundwassermengen- und Wärmebewirtschaftung unter dem Aspekt sich verändernder anthropogener und natürlicher Randbedingungen am Beispiel des Dresdner Elbtals

Veränderungen des Klimas, zunehmende Grundwassernutzungen sowie die Verdichtung der städtischen Strukturen wirken sich auf Temperaturen, Mengenbilanzen und den Wasserspiegel des Grundwassers aus. Schon heute lassen sich anthropogene Einflüsse wie tief liegende Gebäudestrukturen und Einleitungen von Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf das Temperaturniveau des Grundwassers nachweisen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen dieser natürlichen und anthropogenen Effekte in Dresden und die Aufstellung von Ansätzen eines Grundwasser-Temperaturmanagements. Auf der Grundlage aktueller Daten zu Grundwassernutzung und zur Grundwasserneubildung wurden Ist-Zustands-Berechnungen sowie Projektionen künftiger Systemzustände mit dem Grundwassermodell Dresden realisiert. Aufgrund des von TESCH (2013) in Szenarienberechnungen projizierten Rückgangs der Grundwasserneubildung um ca. zwei Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist ein deutlich geringeres Grundwasserdargebot zu erwarten. Defizite in der Grundwasserbilanz werden jedoch durch einen höheren Anteil an Uferfiltrat zum Teil ausgeglichen. Wesentlich ist, dass in den Szenarienberechnungen die maximale Entnahmemenge einen größeren Einfluss auf die Grundwasserbilanzen ausübt als der projizierte Rückgang der Grundwasserneubildung. Die Gewinnung von ausreichend Grundwasser für die Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs von Bevölkerung, Gewerbe und Industrie scheint auch künftig sicher. Wärmeeinträge in das Grundwasser wurden anhand von Daten aus Stichtagsmessungen der Jahre 2009 und 2011 (FUGRO HGN; 2009 und SCHOLZ UND LEVIS, 2011) identifiziert. Hierbei konnte eine Reihe von Temperaturanomalien im Stadtgebiet den Quellen eindeutig zugeordnet werden. Anhand der Untersuchung von drei Teilgebieten zeigte sich, dass das Temperaturniveau des Grundwassers im Stadtzentrum (Teilgebiet Altstadt) gegenüber den anderen untersuchten Teilgebieten (Elbbogen Übigau und Johannstadt/Striesen) erhöht ist, was zuerst auf die Vielzahl von Bauwerken zurück geführt wird, die bis in das Grundwasser reichen. Des Weiteren zeigte sich ein deutlicher Zusammenhang von Messstellendichte und Ergebnisqualität. Während in der Altstadt die Identifikation von Wärmequellen gut möglich war, sind die Ergebnisse zu anderen Teilgebieten aufgrund der deutlich geringeren Messstellendichte weniger belastbar. Temperaturen im Boden und in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle in der Dresdner Altstadt wurden über einen Zeitraum von ca. 2 Jahren ausgewertet. Die Untersuchungen belegen die Durchprägung des Jahresgangs der Lufttemperatur bis zum Grundwasser mit einer zeitlichen Verzögerung des Eintreffens der Extremwerte von ca. drei Monaten. Mit den Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das gleichzeitig angewendete Verfahren der Messung von Temperaturen in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle zur Identifizierung der vertikalen Temperaturverteilung im Boden praktisch anwendbar ist. Der Wärmetransport im Boden wurde mit dem Programm HYDRUS 1-D für den Ist-Zustand auf Basis der Bodentemperaturmesswerte und für die Zukunftsszenarien auf der Basis von WETTREG 2010-Daten abgebildet. Die Berechnungen ergaben im Vergleich zum Ist-Zustand erhöhte Bodentemperaturen. Besonders interessant ist, dass die Änderungssignale der Bodentemperaturen für alle berechneten Tiefen bei den Minima deutlicher ausfallen als bei den Maxima. Des Weiteren zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Berechnungsergebnissen der beiden untersuchten Zeitscheiben (2021 bis 2050 und 2071 bis 2100). Die höheren Bodentemperaturen im Winter bieten gegebenenfalls Ansatzpunkte zur Nutzung dieses Wärmeangebots, die erhöhten Temperaturen im Sommer können gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Temperaturen des Wassers in Abschnitten des Trinkwassernetzes mit zeitweise größeren Aufenthaltsdauern führen. Die gefundenen Ergebnisse implizieren zudem künftig höhere Grundwassertemperaturen. Die Auswirkungen von Wärmeeinträgen auf das Grundwasser wurden mit Hilfe von MODFLOW/SEAWAT-Konzeptmodellen untersucht. Für den Ist-Zustand berücksichtigen diese Konzeptmodelle bereits Wärmeeinträge durch Gebäude und thermische Grundwassernutzungen (MIX, 2013). In den Szenarienberechnungen wurden projizierte erhöhte mittlere Lufttemperaturen aufgeprägt und weitere, zum Teil fiktive Nutzungen und Wärmeeinträge durch Gebäude implementiert. Die mit dem Anstieg der Lufttemperatur erwartete Erhöhung der mittleren Grundwassertemperatur und somit die Wirkung der natürlichen Anteile der Wärmeeinträge wird für die weniger anthropogen beeinflussten Grundwasserleiterabschnitte am deutlichsten. Die Modellergebnisse zeigen, dass unter den angenommenen Voraussetzungen mittlere Grundwassertemperaturen über 20°C nicht erreicht werden und modellgestützte Managementmaßnahmen für größere Grundwasserleiterabschnitte hinsichtlich der Bewertung energetischer Nutzungen des Grundwassers zielführend sind. Aufgrund des heutigen Standes der Forschungen zur Auswirkung von Wärmeeinträgen auf die Grundwasserqualität kann noch kein Handlungszwang abgeleitet werden, gleichsam fehlt ohne verbindliche Temperaturrichtwerte ein rechtlicher Rahmen. In der Klärung dieser Fragen, der verstärkten Wärmerückgewinnung aus dem Grundwasser und dem modellgestützten Grundwasserwärmemanagement sind zukünftige Aufgabenfelder der Grundwasserbewirtschaftung erkennbar.:1 EINLEITUNG 1 1.1 Rezente und erwartete künftige Grundwasserhaushaltssituation 1 1.2 Mögliche Auswirkungen natürlicher und anthropogener Wärmeeinträge auf die zukünftige Grundwassernutzung 2 2 ZIEL UND STRUKTUR DER ARBEIT 3 2.1 Zielstellung der Arbeit 3 2.2 Struktur der Arbeit 3 3 STAND DER FORSCHUNG 5 4 THEORETISCHE GRUNDLAGEN, RELEVANTE BEGRIFFE UND GLEICHUNGEN 9 4.1 Ungesättigte Bodenzone 9 4.2 Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer 9 4.3 Grundwasser 9 4.4 Wasserbewegung in der ungesättigten Zone 10 4.5 Grundwasserströmung in Porengrundwasserleitern 10 4.6 Grundwasserbewirtschaftung 12 4.7 Grundwasservorsorge und Grundwasserschutz 13 4.8 Grundwassernutzungen 13 4.9 Modell 13 4.10 Quellen und Senken 15 4.11 Kalibrierung und Validierung 16 4.12 Epignose, Prognose und Projektion 18 4.13 Temperaturanomalie im Grundwasser 18 4.14 Grundlagen des Wärmetransports in porösen Medien 19 5 METHODIK DER BEARBEITUNG 23 5.1 Auswertung von rezenten Daten zur Grundwassertemperatur 23 5.2 Messtechnische Erfassung von Bodentemperaturen 23 5.2.1 Messstellenauswahl – Methodik der Standortanalyse 23 5.2.2 Konzept der Pilotmessstelle 25 5.3 Szenarioberechnungen mit dem Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1 Grundwassermodell und Konzeption der modelltechnischen Arbeiten 27 5.3.1.1 Das Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1.2 Ergänzung der Methodik zur Ausweisung zukünftiger Grundwasserüberschuss-, gleichgewichts und defizitgebiete 29 5.3.1.3 Bilanzierung der Grundwasservolumenströme 35 5.3.1.4 Berechnung maximaler Grundwasserflurabstände 36 5.3.2 Beschreibung der Szenarien 36 5.4 Modellierung des Wärmetransports in der Aerationszone 36 5.4.1 Modellvorstellung 36 5.4.2 Beschreibung der Szenarien 38 5.5 Konzeptmodelle zur Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 38 5.6 Untersuchungsgebiet 39 5.6.1 Geologische und hydrogeologische Einordnung 39 5.6.2 Überblick zur urbanen Grundwassernutzung 40 5.6.2.1 Trink- und Brauchwassernutzung 40 5.6.2.2 Energetische Grundwassernutzung 40 6 GRUNDWASSER- UND BODENTEMPERATUREN 43 6.1 Temperaturbezogene großräumige Grundwasserüberwachung 43 6.2 Grundwassertemperaturen und Temperaturanomalien 45 6.2.1 Grundwassertemperaturen 45 6.2.2 Ursachen von Temperaturunterschieden und -anomalien 46 6.2.2.1 Temperaturunterschiede in der Innenstadt und am Stadtrand 46 6.2.2.2 Natürliche Temperaturanomalien 47 6.2.2.3 Anthropogene Temperaturanomalien 47 6.2.3 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 55 6.3 Messtechnische Erfassung der Wärmemigration in der Aerationszone 56 6.3.1 Zielstellung der Messungen 56 6.3.2 Auswahl des Messstellenstandortes 57 6.3.3 Durchführung der Messungen 58 6.3.4 Ergebnisse der Messungen 59 6.3.5 Vergleichbarkeit der Messergebnisse in Boden und Luftsäule 66 6.3.6 Weitere Messungen an Grundwassermessstellen 67 6.3.7 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 70 7 MODELLIERUNG DER WASSERSTRÖMUNG UND DES WÄRMETRANSPORTS 71 7.1 Zielsetzung der modelltechnischen Arbeiten 71 7.2 Modellierung der Grundwasserströmung 71 7.2.1 Grundwassernutzung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.2 Aktualisierung der Eingangsgröße Grundwasserneubildung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.3 Ableitung der Größe rezenter und künftiger Randzuflüsse aus der Grundwasserneubildung 74 7.2.4 Rohrnetzverluste 74 7.2.5 Fließgewässer 75 7.2.6 Simulation der Grundwasserströmung mit dem Grundwassermodell 76 7.2.7 Güte der Modellanpassung 77 7.2.8 Ergebnisse der Szenarienberechnung 78 7.2.8.1 Abgrenzung von Grundwasserbilanzgebieten 78 7.2.8.2 Grundwasserbilanzen 79 7.2.8.3 Grundwasserflurabstände 82 7.2.9 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 85 7.3 Modellierung des Wärmetransports 86 7.3.1 Teilmodellansatz 86 7.3.2 Berechnung des vertikalen Wärmetransports in der Aerationszone mit HYDRUS 1D 86 7.3.2.1 Epignose 86 7.3.3 Projektionen 91 7.3.3.1 Datenbasis der Modellierung 91 7.3.3.2 Ergebnisse 94 7.3.4 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 96 7.4 Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 97 7.4.1 MODFLOW/SEAWAT – Konzeptmodelle 97 7.4.1.1 Szenarienberechnung 100 7.4.1.2 Konzeptmodell „Altstadt“ 100 7.4.1.3 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 102 7.4.1.4 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 102 7.4.2 Ergebnisse der Modellierung 103 7.4.2.1 Konzeptmodell „Altstadt“ 103 7.4.2.2 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 106 7.4.2.3 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 107 7.4.3 Bewertung der Ergebnisse 108 7.4.3.1 Einschätzung der Ergebnisse und Nutzung der Modelle 108 7.4.3.2 Beschränkungen der Modellaussagen und Schritte zum Detailmodell 109 8 MÖGLICHE MAßNAHMEN UND ANPASSUNGSOPTIONEN 110 8.1 Grundwassermenge 110 8.2 Grundwasserwärmehaushalt 110 8.3 Grundwasserwärmemanagement 111 9 ZUSAMMENFASSUNG 112 10 LITERATURVERZEICHNIS 114Climate change, the rise of energetic groundwater use and the compact city structures cause an impact to the groundwater temperatures, groundwater quantity balance and the groundwater table. Today impacts of anthropogenic influences like deep basements of big buildings and the infiltration of heated or cooled water from groundwater using heat pumps were already detected. The target of this dissertation has been the investigation of these natural and anthropogenic effects in Dresden and planning steps for a groundwater temperature management. Basing on existing data of groundwater use and recharge in Dresden, a modelling of the recent and future system status scenarios with the three-dimensional model has been done. According to the latest results of the regional climate model WETTREG 2010 and a work by Tesch about the groundwater recharge until the end of the 21st Century, a significant reduction in resources are expected. Partly the balance deficit will be regulated by bank filtration. It is an important fact that the maximum discharge rate, which is larger than the permitted real use, has a bigger influence in the balance than the lower groundwater recharge. The water catchment to supply inhabitants and industrial units seems to be secure in the future. Heat impacts to the groundwater were detected by measurements in 2011 and 2012. With the results of these measurements anomalies of the temperature field and the emission points of heat inputs were distinctly located. Based on the investigation of three subareas, a higher level of groundwater temperatures in the city center (subarea Altstadt) compared to the other subareas (Übigau and Jogannstadt/Striesen) was detected. The reason of this fact is the multitude of big buildings which are reaching the aquifer. The investigation has also showed the relationship between the quantity of the measuring points and the quality of the results. In the subarea Altstadt an identification of heat inputs could be very well found. The results in the other subareas with a lower amount of sampling points have not the same level of validity. Information from time series over two years about soil and air column temperatures of a close-by groundwater measurement point were analyzed. The research documents the heat transport from the air to the groundwater with a retardation of the extreme values along about three months. With this analysis, the method of measurement air column temperatures in groundwater measurement points aiming to identify the vertical soil temperature distribution could be attested. The measured heat transport in the unsaturated soil was reproduced with the HYDRUS 1-D program. After this, future scenarios on the basic of WETTREG 2010 results were computed. The findings are higher soil temperature levels in the future with higher alteration signals in the minimum than in the maximum values. The modeling results have also showed a significant difference in the investigated time series (2021 - 2050 and 2071 - 2100). The higher temperatures in winter could be a chance to use this heat. In the summer it could partly affect parts of the water supply. Furthermore the findings implicate higher ground water temperatures in the future. To investigate heat impacts to the ground water concept, models of MIX (2013) were used for the heat transport in the aquifer which combines the heat impact of buildings and heat pumps with the natural air temperature rise. The WETTREG2010 result (air temperatures), heat inputs and possible new energetic groundwater use systems were implemented in the conceptual models. Results of the modeling has showed that the expected rise of the ground water temperature will be more significant for the less anthropogenic influenced parts of the urban aquifer than the parts with high initial level of heat pollution. In the model results, the temperatures do not reach mean values of 20°C (LAWA guideline). An important finding is also that these models could be used for a more efficient groundwater heat management and for the evaluation of energetic groundwater projects of its use. Because of the recent stand of research on the impacts of higher ground water temperatures to the ground water quality, a need for action can’t be indicated at the moment. At present there are no guideline values neither standard of law for the energetic use of groundwater. This facts and the question of heat recycling from the urban aquifer are fields for the groundwater management in the future.:1 EINLEITUNG 1 1.1 Rezente und erwartete künftige Grundwasserhaushaltssituation 1 1.2 Mögliche Auswirkungen natürlicher und anthropogener Wärmeeinträge auf die zukünftige Grundwassernutzung 2 2 ZIEL UND STRUKTUR DER ARBEIT 3 2.1 Zielstellung der Arbeit 3 2.2 Struktur der Arbeit 3 3 STAND DER FORSCHUNG 5 4 THEORETISCHE GRUNDLAGEN, RELEVANTE BEGRIFFE UND GLEICHUNGEN 9 4.1 Ungesättigte Bodenzone 9 4.2 Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer 9 4.3 Grundwasser 9 4.4 Wasserbewegung in der ungesättigten Zone 10 4.5 Grundwasserströmung in Porengrundwasserleitern 10 4.6 Grundwasserbewirtschaftung 12 4.7 Grundwasservorsorge und Grundwasserschutz 13 4.8 Grundwassernutzungen 13 4.9 Modell 13 4.10 Quellen und Senken 15 4.11 Kalibrierung und Validierung 16 4.12 Epignose, Prognose und Projektion 18 4.13 Temperaturanomalie im Grundwasser 18 4.14 Grundlagen des Wärmetransports in porösen Medien 19 5 METHODIK DER BEARBEITUNG 23 5.1 Auswertung von rezenten Daten zur Grundwassertemperatur 23 5.2 Messtechnische Erfassung von Bodentemperaturen 23 5.2.1 Messstellenauswahl – Methodik der Standortanalyse 23 5.2.2 Konzept der Pilotmessstelle 25 5.3 Szenarioberechnungen mit dem Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1 Grundwassermodell und Konzeption der modelltechnischen Arbeiten 27 5.3.1.1 Das Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1.2 Ergänzung der Methodik zur Ausweisung zukünftiger Grundwasserüberschuss-, gleichgewichts und defizitgebiete 29 5.3.1.3 Bilanzierung der Grundwasservolumenströme 35 5.3.1.4 Berechnung maximaler Grundwasserflurabstände 36 5.3.2 Beschreibung der Szenarien 36 5.4 Modellierung des Wärmetransports in der Aerationszone 36 5.4.1 Modellvorstellung 36 5.4.2 Beschreibung der Szenarien 38 5.5 Konzeptmodelle zur Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 38 5.6 Untersuchungsgebiet 39 5.6.1 Geologische und hydrogeologische Einordnung 39 5.6.2 Überblick zur urbanen Grundwassernutzung 40 5.6.2.1 Trink- und Brauchwassernutzung 40 5.6.2.2 Energetische Grundwassernutzung 40 6 GRUNDWASSER- UND BODENTEMPERATUREN 43 6.1 Temperaturbezogene großräumige Grundwasserüberwachung 43 6.2 Grundwassertemperaturen und Temperaturanomalien 45 6.2.1 Grundwassertemperaturen 45 6.2.2 Ursachen von Temperaturunterschieden und -anomalien 46 6.2.2.1 Temperaturunterschiede in der Innenstadt und am Stadtrand 46 6.2.2.2 Natürliche Temperaturanomalien 47 6.2.2.3 Anthropogene Temperaturanomalien 47 6.2.3 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 55 6.3 Messtechnische Erfassung der Wärmemigration in der Aerationszone 56 6.3.1 Zielstellung der Messungen 56 6.3.2 Auswahl des Messstellenstandortes 57 6.3.3 Durchführung der Messungen 58 6.3.4 Ergebnisse der Messungen 59 6.3.5 Vergleichbarkeit der Messergebnisse in Boden und Luftsäule 66 6.3.6 Weitere Messungen an Grundwassermessstellen 67 6.3.7 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 70 7 MODELLIERUNG DER WASSERSTRÖMUNG UND DES WÄRMETRANSPORTS 71 7.1 Zielsetzung der modelltechnischen Arbeiten 71 7.2 Modellierung der Grundwasserströmung 71 7.2.1 Grundwassernutzung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.2 Aktualisierung der Eingangsgröße Grundwasserneubildung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.3 Ableitung der Größe rezenter und künftiger Randzuflüsse aus der Grundwasserneubildung 74 7.2.4 Rohrnetzverluste 74 7.2.5 Fließgewässer 75 7.2.6 Simulation der Grundwasserströmung mit dem Grundwassermodell 76 7.2.7 Güte der Modellanpassung 77 7.2.8 Ergebnisse der Szenarienberechnung 78 7.2.8.1 Abgrenzung von Grundwasserbilanzgebieten 78 7.2.8.2 Grundwasserbilanzen 79 7.2.8.3 Grundwasserflurabstände 82 7.2.9 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 85 7.3 Modellierung des Wärmetransports 86 7.3.1 Teilmodellansatz 86 7.3.2 Berechnung des vertikalen Wärmetransports in der Aerationszone mit HYDRUS 1D 86 7.3.2.1 Epignose 86 7.3.3 Projektionen 91 7.3.3.1 Datenbasis der Modellierung 91 7.3.3.2 Ergebnisse 94 7.3.4 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 96 7.4 Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 97 7.4.1 MODFLOW/SEAWAT – Konzeptmodelle 97 7.4.1.1 Szenarienberechnung 100 7.4.1.2 Konzeptmodell „Altstadt“ 100 7.4.1.3 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 102 7.4.1.4 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 102 7.4.2 Ergebnisse der Modellierung 103 7.4.2.1 Konzeptmodell „Altstadt“ 103 7.4.2.2 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 106 7.4.2.3 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 107 7.4.3 Bewertung der Ergebnisse 108 7.4.3.1 Einschätzung der Ergebnisse und Nutzung der Modelle 108 7.4.3.2 Beschränkungen der Modellaussagen und Schritte zum Detailmodell 109 8 MÖGLICHE MAßNAHMEN UND ANPASSUNGSOPTIONEN 110 8.1 Grundwassermenge 110 8.2 Grundwasserwärmehaushalt 110 8.3 Grundwasserwärmemanagement 111 9 ZUSAMMENFASSUNG 112 10 LITERATURVERZEICHNIS 11