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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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
Raumgliederung
TP 4Stoffeintrag
K-UTEC GmbH
TP 3Verweilzeit-
modellierungTU DD
TP 2N-A-ModellPIK Potsdam
Flussgebietsmanagement Unstrut
Projektkoordination: DGFZ
TP1GW-Modell
DGFZ
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
Gliederung
Ausgangspunkt und ZielstellungGrundlagen
KopplungsgrößenRäumliche KopplungZeitliche Kopplung
Vorgehen im ProjektErgebnisseZusammenfassung
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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)
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Räumlich Diskretisierung
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
Gebietskonkrete Kopplung
Pegel OldislebenPegel Hachelbich
Einzugsgebiet Pegel Hachelbich
Modellraum 1
Modellraum 2
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
Gebietskonkrete Kopplung
ElementarflElementarfläächen und chen und RasterelementeRasterelemente Gekoppelte GewGekoppelte Gewäässerabschnittesserabschnitte
502 Flussrandbedingungs-Zellen866 hierarchisierte Gewässerabschnitte
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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
Flusssohle [mHN]hFL [m ü Sohle)
Flusslauf
QGW,4 hFl,4QGW,4 hFl,4
ArcEGMO-Gewässerabschnitte
MODFLOW-river zones
1 2 3 4
1 2 3 4
QGW,3 hFl,3QGW,3 hFl,3
QGW,1 hFl,1QGW,1 hFl,1
QGW,2 hFl,2QGW,2 hFl,2
Flusssohle [mHN]hFL [m ü Sohle)
Flusslauf
hFl,1
ArcEGMO-Gewässerabschnitt
MODFLOW-river zones
1 2 3 4
hFl,1
ΣQGW,1..4
hFl,1 hFl,1
1
Flusssohle [mHN]hFL [m ü Sohle)
Flusslauf
hFl,1
ArcEGMO-Gewässerabschnitt
MODFLOW-river zones
1 2 3 4
hFl,1
ΣQGW,1..4
hFl,1 hFl,1
1
hFL [m ü Sohle)
Flusslauf
hFl,1
ArcEGMO-Gewässerabschnitt
MODFLOW-river zones
1 2 3 4
hFl,1
ΣQGW,1..4
hFl,1 hFl,1
1
1:1 n:1
FGM
Unstrut
Erfurt, TMLNU, 22.11.2005
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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