Workshop Flutpolder Eltheim und Wörthhof HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Konzept Erstellung Grundwassermodell 01.12.2015 Christian Gmünder Bild: WSA Regensburg Bietergemeinschaft Simultec - tewag Simultec AG, Hardturmstrasse 261, 8005 Zürich, www.simultec.ch tewag GmbH, Blumenstrasse 24, 93055 Regensburg, www.tewag.de Grundwassermodell Flutpolder 1 Bietergemeinschaft HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Simultec AG 01.12.2015 – 1987 gegründet, Sitz in Zürich – Team aus Ingenieuren und Naturwissenschaftlern (7 Mitarbeiter / innen) – International tätig – Schwerpunkt Grundwassermodellierung tewag GmbH – 2006 gegründet – Niederlassungen in Regensburg und Starzag – Team aus Geologen und Ingenieuren (12 Mitarbeiter / innen) – Schwerpunkte Altlasten und Erdwärmenutzung Grundwassermodell Flutpolder 2 Was ist Grundwassersimulation? HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Grundwassermodellierung bedeutet: – Zusammenstellung des vorhandenen Wissens über den Grundwasserleiter und die hydrologische Wasserbilanz – Verknüpfung über bekannte physikalische Gesetze – Strömung ist proportional zum hydraulischen Gradienten und zur Durchlässigkeit des Untergrunds (Darcy-Gesetz) Die Masse bleibt erhalten (Massenerhaltungsgesetz) Lösung der damit formulierten Gleichungen mit der Methode der Finiten Elemente 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 3 4 Finite-Elemente-Methode Wie erfolgt die Verknüpfung? HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 – Lösung von physikalischen Gleichungen im Raum durch Unterteilung des Untersuchungsbereiches in kleine Zellen (sogenannte Finite Elemente oder Finite Differenzen) 01.12.2015 ⎛ ⎛ p ⎞⎞ ∂S ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ ∇ ⋅ ⎜ K ( S ) ⋅ ∇⎜ z + =n ⎟ ⎟ ρ ⋅ g ⎠⎠ ∂t ⎝ ⎝ Differenzialgleichng der Strömung Grundwassermodell Flutpolder Henry Darcy: Darcy-Gesetz Boris Galerkin: Finite-Elemente-Methode Konrad Zuse: Erste Computer 1789 1856 1915 1941 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 1988 Modelle mit 10 Mio Elementen auf PC Erste Modelle der Simultec (100 El.) Antoine de Lavoisier: Massenerhaltung HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Entwicklung der Grundwassersimulation 5 2015 Örtliche Besonderheiten der Modellierung Das Projekt wird von der Öffentlichkeit kritisch beachtet Projektanalyse HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 → Transparente Darlegung von Modellannahmen → Gute Abbildung bestehender Verhältnisse schafft Vertrauen in Prognosefähigkeit → Kritische Begleitung durch Experten Grosse Bedeutung der Interaktion Gewässer – Grundwasser → Zeitabhängige Kalibrierung der Sohlendurchlässigkeiten vor und nach dem Donauausbau → Validierung an Abflüssen der Binnenentwässerung (Schöpfwerke) Einsatz für Beurteilung von Projektvarianten → Quantifizierung von Unsicherheiten (Sensitivitäten) → Gewicht auf mögliche Fehlstellen → Robuste Lösungen entwickeln 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 6 7 Vorgehen, Schritt 1 Datenauswertung: HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Geologie, Klima, Gewässer, Brunnen Pegeldaten Geologisches Modell Interpolation von Schichtgrenzen Interpolation von Mächtigkeiten Fehlstellen? Randbedingungsmodelle Hydrologische Wasserbilanz Gewässermodelle Frühjahr 2016 Datenauswertung Geolog. Modell Modellkonzepte 01.12.2015 Herbst 2016 Modellaufbau Kalibrierung Validierung Grundwassermodell Flutpolder Frühjahr 2017 Szenarien Sensitivität Optimierung 8 Datensichtung Pegeldaten HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Umfangreiche Datenbasis zum Grundwasserspiegel vorhanden Heute leider nur noch wenige Messstellen in Betrieb → Einbau von weiteren Pegelloggern geplant → Durchführung einer Stichtagsmessung 01.12.2015 März 1996 Grundwassermodell Flutpolder 9 Vorgehen, Schritt 2 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Modellaufbau: Geologisches Modell in numerisches Modell umsetzen Randbedingungen anwenden Kalibrierung Wahl Kalibrierungszeitraum Variation unbekannter Modellparameter Vergleich mit Grundwasserspiegel-Messungen Validierung Stimmt das Modell auch für andere Zeiträume? Stimmt das Modell auch für Drainagemengen? Frühjahr 2016 Datenauswertung Geolog. Modell Modellkonzepte 01.12.2015 Herbst 2016 Modellaufbau Kalibrierung Validierung Grundwassermodell Flutpolder Frühjahr 2017 Szenarien Sensitivität Optimierung Kalibrierung an Grundwasserständen HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Kalibrierung 01.12.2015 Validierung Grundwassermodell Flutpolder 10 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Validierung anhand von Abflussdaten Ziel: Vertrauen gewinnen, dass das Modell die physikalischen Zusammenhänge richtig abbildet → nur dann ist Prognose möglich! 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 11 12 Vorgehen, Schritt 3 Szenarien HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Einbau der Polderprojekte in das Modell Prognose der Auswirkungen, d.h. Differenz Prognose mit Projekt zur Nachbildung ohne Projekt Unsicherheiten Wie wirken sich die Annahmen auf die Resultate aus? Welche Variante ist robust gegen Unsicherheiten der Annahmen? → Sensitivitätsuntersuchungen, Optimierung des Projekts Frühjahr 2016 Datenauswertung Geolog. Modell Modellkonzepte 01.12.2015 Herbst 2016 Modellaufbau Kalibrierung Validierung Grundwassermodell Flutpolder Frühjahr 2017 Szenarien Sensitivität Optimierung 13 Iteratives Vorgehen HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Geologiemodell Modellkonzepte Datenlage ausreichend ja Datenerhebung Numerisches Modell Kalibrierung Validierung ja Planung der Massnahmen Anpassung erforderlich nein Projektraum Kalibrierungsdaten Projekt Modellresultate Anpassung erforderlich nein Variantenrechnung Sensitivität Negative Auswirkung ausgeschlossen 01.12.2015 nein Feedback ja Grundwassermodell Flutpolder Datenlage ausreichend ja Was kann das Modell? Ziele des Modells HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 – Verstehen der Zusammenhänge im Grundwasserleiter – Entwicklung von robusten Lösungen für Polderprojekt Stärken eines Grundwassermodells – Es kann vergangene Zustände gut nachbilden – Mit dem Modell können die unterschiedlichen Wirkungen verschiedener Projektvarianten aufgezeigt werden Zu erwartende Resultate – Angaben über Notwendigkeit von Massnahmen, die erforderlich sind, um ein vorgegebenes Ziel zu erreichen, z.B. - Polderausdehnung - Dichtwände - Binnenentwässerung oder Brunnen 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 14 Was kann das Modell nicht? Grenzen des Grundwassermodells HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 – Für die Prognose des Polderprojekts müssen Annahmen über die Wirkung der gewählten Massnahmen getroffen werden – Annahmen sind mit Unsicherheiten verbunden Konsequenzen – Es soll eine Projektvariante gewählt werden, welche mit möglichst wenig Unsicherheiten verbunden ist – Die Unsicherheiten der Prognose müssen durch technische Massnahmen aufgefangen werden Bewertung der Varianten – Das Modell kann eine Projektvariante nur dann bewerten, wenn vorher die Ziele klar definiert wurden, z.B. - Maximal zu erreichender Grundwasserstand - Maximal zu bewältigende Wassermenge in Binnengewässern 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 15 Beispiel 1: Hochwasserschutz Alpenrhein Auftraggeber: Internationale Rheinregulierung Referenzprojekte HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Modell: – Fläche 344 km2 – Instationäres Modell 2008 – 2013 Projekt: – Variantenstudium Hochwasserschutz Aufgaben: – Kontrolle Grundwasserspiegel – Begleitgewässer erhalten – Schutz der Trinkwasserfassungen 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 16 17 Beispiel 1: Fragestellungen Referenzprojekte HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Beeinflussung Grundwasserspiegel? → Dammerhöhung bewirkt Sohlenabsenkung → Grundwasserspiegelsenkung → Lösung: Gerinneaufweitung und Geschiebebewirtschaftung Beeinflussung Trinkwasserbrunnen? → Verkürzung Fliesszeit → Lösung: Verschiebung von Brunnen mit heute schon schlechter Qualität 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder Lustenau Referenzprojekte HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 Beispiel 2: Hochwasserschutz Thurtal Auftraggeber: Amt für Umwelt Kanton Thurgau Modell: – Fläche 64 km2 – Instationäres Modell 1995 – 2013 Projekt: – Hochwasserschutzprojekt mit Rückhaltebecken (Polder) – Gerinneaufweitung gesamte Tallänge 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 18 Beispiel 2: Steigt der Grundwasserspiegel an? Örtliche Besonderheiten: Referenzprojekte HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 – Im Bereich des Rückhaltebeckens befindet sich eine Schotterrinne – Der Grundwasserspiegel liegt tiefer als die Thursohle – Das Grundwasser wird erst 10 km weiter unten wieder drainiert → Das Projekt führt zu einem Grundwasseranstieg → Lösung: Gerinneaufweitung im unterliegenden Bereich 01.12.2015 Grundwassermodell Flutpolder 19 Beispiel 2: Ändert sich Sohlendurchlässigkeit? 90 1000 Leakage Thur daily max 900 80 800 70 700 60 600 50 500 40 400 30 300 20 200 10 100 0 1.1.97 01.12.2015 0 1.1.98 1.1.99 1.1.00 1.1.01 1.1.02 1.1.03 Renaturation period Grundwassermodell Flutpolder 1.1.04 1.1.05 1.1.06 max. daily flow rate [m3/s] HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SEleakage 16 2005 [1/d] 100 20 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Diplomarbeit NDS SE 16 2005 21 01.12.2015 Danke für die Aufmerksamkeit Fragen Diskussion das Projektteam Bietergemeinschaft Simultec - tewag Grundwassermodell Flutpolder
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