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Limnologische Untersuchungen der Baggerseen Haltern Ost und Haltern West

Veranlassung: Die Förderung von Kiesen und Sanden in Kiesgruben oder Baggerseen hat eine drastische Veränderung des Landschaftsbildes zur Folge. Die Ausbildung neuer Seen- und Freizeitgebiete wird hierbei im allgemeinen eher als positiver Effekt gewertet. Aufgrund des Förderbetriebs kann es jedoch zu Veränderungen der Wassergüte der betroffenen Oberflächengewässer und zu einer Beeinträchtigung des abstromigen Grundwassers kommen. Um mögliche zeitliche Veränderungen der Gewässergüte - etwa durch Freisetzung von Pflanzennährstoffen (Eutrophierung) - erfassen zu können, findet eine regelmäßige limnologische Überwachung der Baggerseen Haltern Ost und West statt, die von der Quarzwerke Haltern GmbH für die Förderung von Sand genutzt werden. Parallel werden das zu- und abfließende Grundwasser an den beiden Seen untersucht, um eine Beeinflussung des unterirdischen Wassers durch die bis zu 30 m tiefen Seen erkennen und bewerten zu können. Diese Untersuchungen finden seit 1982 im zweijährigen Abstand statt. Vorgehen: Die Probenahmen erfolgen jeweils am Ende der Sommerperiode, wenn die Herbstzirkulation, die eine Vermischung des Wassers bis in tiefe Schichten bedingt, noch nicht eingesetzt hat. Zu diesem Zeitpunkt muss die Belastung der Seen mit Nährstoffen saisonal bedingt als am höchsten eingeschätzt werden. Für die Beurteilung des limnologischen Zustandes der beiden Baggerseen und der Grundwasserbeschaffenheit in dem jeweils zu- und abfließenden Grundwasserstrom werden die in einer Tabelle aufgeführten Parameter bestimmt. Ergebnisse: Beide Baggerseen können aufgrund ihrer Nitrat- und Phosphatgehalte sowie der Planktondichte und -zusammensetzung als mesotrophe, wenig belastete Gewässer klassifiziert werden. Die Sprungschicht liegt etwa in 6-10 m Tiefe. Auch die tieferen Schichten im Hypolimnion der Seen weisen noch eine gute Versorgung mit Sauerstoff auf. Im See West ist es seit 1982 durch den Förderbetrieb sogar eher zu einer Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Hypolimnion gekommen. Das zulaufende Grundwasser für diesen See zeichnet sich durch einen niedrigen pH-Wert, hohe Nitratwerte und einen hohen Gehalt biologisch schwer abbaubarer Kohlenstoffverbindungen aus. Nach dem Durchtritt durch den See West liegen im ablaufenden Grundwasser dagegen verbesserte Bedingungen mit niedrigen DOC- und Nitratwerten vor. Hier treten jedoch zum Teil sehr niedrige Sauerstoffgehalte auf, was auf biologische Abbauprozesse während der Passage durch den See schließen lässt. Die Situation sowohl in den Baggerseen als auch im Grundwasserbereich kann trotz leichter Schwankungen im Nährstoff- und Sauerstoffgehalt seit Beginn der Messungen in den letzten Jahren als stabil angesehen werden. Teilweise hat sogar eine Verbesserung, insbesondere der Sauerstoffsituation in den Seen stattgefunden.

Computergestützter Ansatz zur Kalibrierung und Validierung mathematischer Modelle für Strömungen im Untergrund - COMPU-FLOW

Vorhersagen im Untergrund (z.B. Grundwasserströmung oder Schadstofftransport) leiden unter hohen Unsicherheiten. Diese entstehen vor allem durch die Heterogenität von geologischen Materialien, die unmöglich im Detail erfasst werden kann. Die Auflösung der Struktur kann jedoch durch neue Arten von Daten verbessert und die verbleibende Unsicherheit verringert werden, indem Strömungs- und Transportmodelle auf gemessene Werte von Zustandsvariablen kalibriert werden. Um die verbleibende Unsicherheit zu quantifizieren, müssen stochastisch-inverse Techniken anstelle konventioneller Kalibrierungsmethoden verwendet werden. Tatsächlich gibt es viele verschiedene (stochastisch-)inverse Methoden in der Literatur. Jedoch fehlt bislang eine schlüssige und überzeugende Gegenüberstellung ihrer gegenseitigen Vor- und Nachteile, und dies behindert massiv die aktuelle Forschung an verbesserten inversen Methoden. Vor Allem fehlen wohldefinierte Benchmark-Szenarios für Vergleiche unter standardisierten, kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen. Das beantragte Projekt wird dieses Problem lösen indem eine Auswahl an Benchmarks mit hochakkuraten Referenzlösungen erstellt wird. Darauf aufbauend wird eine gemeinschaftliche Vergleichsstudie durchgeführt. Die Benchmarks, Referenzlösungen und Vergleichslösungen werden öffentlich langfristig zur Verfügung gestellt, um auch jenseits des beantragten Projekts eingesetzt zu werden. Die Benchmarks erstrecken sich auf vollgesättigte, transiente Grundwasserströmung, schwache und starke Heterogenität sowie multi-Gauß'sche und nicht-multi-Gauß'sche Strukturtypen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Genauigkeit der Referenzlösungen. Diese werden mit spezialisiert weiterentwickelten Versionen des 'preconditioned Crank-Nicholson Markov Chain Monte Carlo' erstellt, ausgerüstet mit adaptiven Sprungverteilungen, multi-temperierten parallelen Ketten, stochastischen Gradientensuchen und Erweiterungen für nicht-multi-Gauß'sche Fälle. Die Algorithmen werden zum hochparallelisierten Einsatz auf den Großrechenanlagen in Jülich angepasst. Die Community der inversen Modellierung wird über einen Workshop eingebunden, in dem die genaue Strategie, Kriterien und Logistik für die Vergleichsstudie festgesetzt werden. Weltweit haben bereits 12 namhafte Forschungsgruppen zugesagt, am Workshop und an der Vergleichsstudie teilzunehmen. Insgesamt ist dieser Antrag eine einzigartige Initiative, um die internationale Community der inversen Grundwassermodellierung zusammenzubringen, wichtige Erkenntnisse zu gewinnen und inverse Methoden weiter zu verbessern.

Auswirkung des Oberflächenwassermanagement auf die Grundwassermischung in alpinen Einzugsgebieten

Geophysikalische Strömungen sind gewöhnlich durch komplexes räumliches und zeitliches dynamisches Verhalten charakterisiert, das die Ausbreitung von gelösten Stoffen, deren Verdünnung und reaktives Vermischen bestimmt. Ineffizientes Vermischen, charakteristisch für Strömungen mit geringer Reynoldszahl wie bei Grundwasserströmungen, kann die effektive Reaktionsrate im System wesentlich verringern. Das Vermischen ist insbesondere im Zusammenhang mit der Verschmutzung von Grundwasserkörpern relevant, da es hierbei den Schadstoffabbau hemmen kann. In Anbetracht von geringer Vermischung spielen die Topologie der Strömung und kinetische Prozesse wie das Ausdehnen und Falten bei zahlreichen räumlichen und zeitlichen Skalen eine zentrale Rolle in der Quantifizierung und im Verständnis von Verbleib und Verhalten der Schadstoffe. Unsere Hypothese dieses Projektes ist, dass die dynamische Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser eine zentrale Bedeutung für die exakte Quantifizierung der Vermischung in porösen Grundwasserleitern hat. Insbesondere beabsichtigen wir zu untersuchen, wie das Oberflächenwassermanagement in alpinen Einzugsgebieten, welche von starken anthropogenen Einflüssen beeinträchtigt sind (Schwall-/ Sunkbetrieb bei Wasserkraftwerken), Mischungsprozesse bei zahlreichen zeitlichen Skalen (mehrstündlich, täglich, wöchentlich, saisonal) steuert. Das Projekt zielt darauf ab, geeignete topologische und kinematische Maße zu entwickeln und anzuwenden. Diese können als Prädiktoren für Mischungen, für die Entwicklung von neuen numerischen Ansätzen zur Lösung inverser Probleme unter solch komplexen und transienten Bedingungen und für das Abschätzen von Parameterunsicherheiten verwendet werden. Neben numerischen Simulationen werden die in diesem Projekt entwickelten Methoden in einer echten Fallstudie (Etsch-Grundwasserleiter in Trient, Italien) geprüft. Die Neuheit des beabsichtigten Forschungsvorhabens liegt in der Untersuchung i) des Einflusses von Oberflächenmanagement in alpinen Einzugsgebieten auf Grundwasserströmung in alluvialen Grundwasserleitern (d.h. jenseits der hyporheischen Zone); ii) des Einflusses von stark transienten Grenzflächenübertragungsbedingungen auf die Topologie von zweidimensionalen und dreidimensionalen Grundwasserströmungen; iii) der Entwicklung von präzisen numerischen Inversion-Algorithmen zur Lösung von Grundwasserströmung unten stark transienten Randbedingungen; iv) der Quantifizierung der Unsicherheit im Zusammenhang mit Modellvorhersagen unter Berücksichtigung von hydrogeologischen Parameterunsicherheiten sowie Unsicherheiten, die die transienten Grenzflächenbedingungen betreffen.

Endlagerprojekt Gorleben: Isotopendatierung des Grundwassers im Deckgebirge ueber dem Salzstock

Tritium und hoch14C-Datierung des Grundwassers, Identifikation konvektionszellenartiger Stroemungen der tiefen Salzlaugen ueber dem Salzstock anhand von Salz- und Helium-Vertikalprofilen.

Mittlere Wärmeleitfähigkeiten des Untergrundes für den Tiefenbereich 0-50m

Für die Erstellung der Potentialkarte wurden die Schichtenverzeichnisse von insgesamt 28742 Bohrungen verwendet. Den einzelnen Schichten wurden die oben genannten Wärmeleitfähigkeitswerte für die wassergesättigte und trockene bzw. teilgesättigte Zone unter Berücksichtigung des Grundwasserflurabstandes zugeordnet. Mit Hilfe rechnerischer Verfahren wurden die effektiven Wärmeleitfähigkeitswerte für die Tiefenabschnitte 0m - 50m und 0m - 100m gewichtet ermittelt und zwischen den Bohrungen interpoliert. Die Darstellung der Wärmeleitfähigkeiten erfolgt daher auf zwei Karten. Die verwendeten Werte der Wärmeleitfähigkeiten wurden konservativ angesetzt, um die Gefahr einer Unterdimensionierung von Erdwärmesonden zu vermeiden. Zusätzliche Effekte z.B. durch Grundwasserströmung wurden nicht berücksichtigt. Daher können die aus Geothermal Response Tests abgeleiteten Werte zur Wärmeleitfähigkeit höher liegen.

Hydrogeologische Übersichtskarte von Niedersachsen 1 : 500 000 - Grundwasserleitertypen der oberflächennahen Gesteine

Die Karte zeigt die Grundwasserleitertypen der oberflächennahen Gesteine im Maßstab 1:500 000. Die Gesteinseinheiten der Geologischen Übersichtskarte sind in drei Klassen eingeteilt worden, die die wesentlichen Leitereigenschaften beschreiben: Porengrundwasserleiter, Kluftgrundwasserleiter und Grundwassergeringleiter. - Porengrundwasserleiter Diese nicht verfestigten Sedimentgesteine bestehen überwiegend aus den gröberen Kornkomponenten Kies und Sand und weisen ein zusammenhängendes Hohlraumvolumen auf, das je nach konkreter Zusammensetzung zwischen 10 und 35 % des Gesteinsvolumens beträgt. Das Grundwasser kann sich in diesen Gesteinen gut bewegen, ist relativ gleichmäßig verteilt und bildet eine deutlich ausgeprägte Grundwasseroberfläche aus, die durch Bohrungen gut erschlossen werden kann. - Grundwassergeringleiter Gesteine mit sehr geringen effektiven Hohlraumanteilen und dichten Gesteinsmassen können Grundwasser nur in geringem Maße speichern oder weiterleiten. Als solche Grundwassergeringleiter wirken die feinkörnigen Locker- und Festgesteine (tonig, schluffig), aber auch die kaum geklüfteten dichten Vulkanite und Magmatite. Die tonigen Gesteine weisen zwar eine hohe primäre Porosität von über 30% auf, diese steht aber wegen der in ihnen wirkenden kapillaren Kräfte für die Grundwasserbewegung nicht zur Verfügung. - Kluftgrundwasserleiter Diese verfestigten kompakten Gesteine, die überwiegend durch Diagenese von Sedimenten entstanden sind, sind nachträglich durch tektonische Beanspruchung in unterschiedlichem Maße geklüftet und gestört worden. Dieses sekundäre Hohlraumvolumen nimmt nur einen geringen Teil (wenige %) des gesamten Gesteinsvolumens ein, kann aber eine relativ schnelle Bewegung des Grundwassers begünstigen. Das primäre Hohlraumvolumen ist in diesen Gesteinen durch die Diageneseprozesse erheblich reduziert worden. Die hier vorliegende Karte entstand durch eine Umattributierung der Inhalte der "Geologischen Übersichtskarte von Niedersachsen 1 : 500 000" und berücksichtigt somit in der Regel nur einen Tiefenbereich von ca. 2 m unter Geländeoberkante. Informationen über die Eigenschaften tieferliegender Gesteinsschichten sind aus dieser Karte nicht zu entnehmen.

WFS - Grundwasserdynamik 2021

Die Darstellung der Grundwasserdynamik beinhaltet verschiedene Layer: Stützstellen, die Grundwasserdynamik (Hydroisohypsen) in 1-m Auflösung und 5-m-Auflösung und den Grundwasserflurabstand. Datengrundlage bilden dabei die sachsenweit durchgeführten Grundwasserstichtagsmessungen vom Herbst 2021 im oberen Hauptgrundwasserleiter (Porengrundwasserleiter). Die Höhenangaben der Hydroisohypsen beziehen sich auf Meter über NHN. Im Lockergesteinsbereich erfolgt die Darstellung der Hydroisohypsen im 1 m-Abstand. Im Lössgebiet, Randpleistozän und der Vorerzgebirgssenke werden die Hydroisohypsen im 5 m-Abstand dargestellt. Die Hydroisohypsen sind zwar im Lössgebiet darstellbar, allerdings kann durch die unsichere Mächtigkeit der Lössauflage innerhalb eines Gebietes auch das Abflussverhalten von Grundwasser nicht eindeutig bestimmt werden. Diese daraus resultierenden Unsicherheiten sollten bei der Betrachtung der Hydroisohypsen im Lössgebiet beachtet werden. Hinzufügbar sind ebenso die für die Erstellung der Grundwasseroberfläche verwendeten Stützstellen. Diese repräsentieren die im Rahmen der Stichtagsmessung erhobenen Messwerte des Grundwasserstandes in Meter über NHN. Die Grundwasserflurabstände werden in Meter unter Gelände mit einer Auflösung von 8 m x 8 m angegeben. Diesbezüglich erfolgte die Erstellung der Grundwasserflurabstände durch Verschnitt des Rasters der Geländeoberkante (DGM) mit dem vormals ermittelten Raster der Grundwasserdynamik. Die durch den Bergbau beeinflussten Gebiete haben eine gestörte Grundwasserdynamik bzw. komplexe hydrodynamische Verhältnisse, sodass eine Darstellung der Hydroisohypsen und Grundwasserflurabstände mit hinreichender Genauigkeit nicht gewährleistet werden kann. WICHTIGE FACHLICHE HINWEISE Die Darstellungen der Hydroisohypsen und Grundwasserflurabstände geben den momentanen Zustand der Grundwasserverhältnisse zur Stichtagsmessung wieder. Die Grundwasseroberfläche ist jedoch in ständiger Veränderung. Eine Kartendarstellung kann daher immer nur die Situation zu einem bestimmten Zeitpunkt abbilden. Um eine umfassendere und präzisere Aussage über die Grundwasserverhältnisse an einem bestimmten Punkt zu treffen, ist es ratsam, auch die Messwerte und Ganglinienverläufe benachbarter Grundwassermessstellen zu betrachten. Methodisch bedingt sind grundstücks- oder flurstücksbezogene Aussagen jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Für die Ableitung eines höchsten zu erwartenden Grundwasserstandes (Bemessungsgrundwasserstand) oder einer kleinräumigen Grundwasserstandsermittlung wird die Hinzuziehung von weiteren Daten oder Fachleuten bzw. Gutachtern empfohlen.

Mittlere Wärmeleitfähigkeiten des Untergrundes für den Tiefenbereich 0-100m

Für die Erstellung der Potentialkarte wurden die Schichtenverzeichnisse von insgesamt 28742 Bohrungen verwendet. Den einzelnen Schichten wurden die oben genannten Wärmeleitfähigkeitswerte für die wassergesättigte und trockene bzw. teilgesättigte Zone unter Berücksichtigung des Grundwasserflurabstandes zugeordnet. Mit Hilfe rechnerischer Verfahren wurden die effektiven Wärmeleitfähigkeitswerte für die Tiefenabschnitte 0m - 50m und 0m - 100m gewichtet ermittelt und zwischen den Bohrungen interpoliert. Die Darstellung der Wärmeleitfähigkeiten erfolgt daher auf zwei Karten. Die verwendeten Werte der Wärmeleitfähigkeiten wurden konservativ angesetzt, um die Gefahr einer Unterdimensionierung von Erdwärmesonden zu vermeiden. Zusätzliche Effekte z.B. durch Grundwasserströmung wurden nicht berücksichtigt. Daher können die aus Geothermal Response Tests abgeleiteten Werte zur Wärmeleitfähigkeit höher liegen.

WMS - Grundwassermessnetze LfULG

Es werden alle Grundwassermessstellen dargestellt, welche sich in aktuellen Grundwassermessnetzen (Grundwasserstand/Grundwasserbeschaffenheit) des LfULG befinden. Die dargestellten Messstellen werden vorrangig durch die Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft (BfUL) im Auftrag des LfULG betrieben. Die Grundwasserbeschaffenheit wird in der Regel ein bis zweimal jährlich untersucht, der Grundwasserstand wird je nach Messstelle monatlich bis täglich gemessen.

WMS - Grundwasserstände und Quellschüttungen

Bei der Darstellung der Messstellen mit aktuellen Messwerten wird unterschieden zwischen Trend (letzter Wert im Vergleich zum Vorwochenwert) und letzter Wasserstand bzw. prozentuale Quellschüttung im Vergleich zum langjährigen Monatsmittelwert. Die Trenddarstellung erfolgt nur dann, wenn der letzte Messwert nicht älter als 8 Tage und der vorletzte Wert nicht älter als 15 Tage ist, die Darstellung im Vergleich zum langj. Monatsmittelwert, wenn mehr als 10 vollständige Abflussjahre vorliegen.

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