Quaternary Science Journal - Einsatz eines Grundwasserströmungsmodells bei der Grundwassergewin... by Geozon Science Media

Eiszeitalter

Gegenwart

87—100 8 Abb., 2 T a b .

Hannover

1993

Einsatz eines Gnindwasserströmungsmodells bei der Grundwassergewinnung im Xantener Stauchmoränenbogen (Niederrheinische Tiefebene) H O R S T LOSEN & CHRISTOPI I TRESKATIS*) G r o u n d w a t e r in a p u s h m o r a i n e , g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n s , p r o t e c t i o n o f d r i n k i n g w a t e r , d r i n k w a t e r r e w i n n i n g in u n c l a i m e d areas, L o w e r R h i n e E m b a y m e n t

den

l e a d to c o n f l i c t s o f utilization. B e c a u s e o f existing s t a i c -

Trinkwasserschutz, die z u n e h m e n d e Zersiedelung und die

tures o f u s e , s u c h a s gravel e x c a v a t i o n s a n d c o m m e r c i a l

landwirtschaftliche Nutzung w e i t e r T e i l e d e r N i e d e r r h e i n i

sites h a v e r e d u c e d t h e a r e a s w h i c h g a r a n t e e a p r o t e c t e d

s c h e n Bucht führen

g r o u n d w a t e r e x t r a c t i o n , it h a s b e c o m e i n e v i t a b l e for drink-

Kurzfassung:

Die

modernen

Anforderungen

i m m e r h ä u f i g e r zu

ten. Da die e i n m a l v o r h a n d e n e n

Nutzungskonflik-

Nutzungsstrukturen w i e

N a ß a b g r a b u n g e n u n d G e w e r b e g e b i e t e die F l ä c h e n für e i ne

schutzfähige

Grundwassergewinnung

b l e i b t oft nur d i e V e r l a g e n i n g d e r

reduzieren,

Trinkwassergewinnung

in z u v o r nicht b e a n s p r u c h t e G e b i e t e .

i n g w a t e r to b e p u m p e d in o n c e still u n c l a i m e d areas. Using t h e e x a m p l e o f a p r o g n o s i s for t h e d i s p l a c e m e n t o f a n w a t e r w e l l g a l l e r y o u t o f t h e c a t c h m e n t z o n e with c o m mercial a n d r a w material e x c a v a t i o n a l u s e in t h e r e g i o n o f X a n t e n , it c a n b e s h o w n , that o n t h e b a s i s o f q u a t e r n a r i e

einer

g e o l o g i c a l data a n d n u m e r i c g r o u n d w a t e r flow s i m u l a t i o n s

E n t n a h m e g a l e r i e a u s e i n e r Z o n e mit g e w e r b l i c h e r u n d la-

an o p t i m i z a t i o n o f a site for g r o u n d w a t e r e x t r a c t i o n c a n b e

A m B e i s p i e l e i n e r P r o g n o s e für d i e V e r s c h i e b u n g gerstättentechnischer

Nutzung im

Umfeld des

Xantener

S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s kann gezeigt werden, d a ß a u f der Grundlage quartärgeologischer Grundlagendaten

und ei

nes numerischen Gnindwasserströmungsmodells eine Op timierung

der

O r t s l a g e für e i n e

durchgeführt w e r d e n

Trinkwassergewinnung

determined. T h e o v e r i m p r i n t i n g o f vast a r e a s o f t h e g r o u n d w a t e r

sys

t e m o f the p u s h m o r a i n e arc n e a r X a n t e n in t h e P l e i s t o c e n e resulted in n o m e r o u s h y d r o g e o l o g i c a l restrictions for t h e o p t i m i z a t i o n o f a w a t e r well gallery.

kann. W i t h h e l p o f field investigations a n d n u m e r i c c a l c u l a t i o n s

D i e eiszeitliche tJberprägung weiter Teile des h y d r o g e o l o g i s c h e n G r u n d w a s s e r l e i t e r s y s t e m s im X a n t e n e r B o g e n b e

various n e w w e l l p o s i t i o n s w e r e s i m u l a t e d a n d a c c e s s e d in regard o f e c o l o g i c a l a n d h y d r o g e o l o g i c a l restrictions.

d i n g t e z a h l r e i c h e Restriktionen für d i e O p t i m i e m n g e i n e s T h e c a l c u l a t i o n s a l l o w already in t h e p l a n i n g stage, for a

Grundwassergewinnungsbereichs.

prediction to b e m a d e o n the e f f e c t i v n e s s a n d t h e feasibili Mit Hilfe d e r G e l ä n d e a u f n a h m e n

und der Modellrechnun

g e n wurden verschiedene neue Brunnenstandorte

ty o f a d i s p l a c e m e n t o f the original w a t e r w e l l s .

simu

liert und h i n s i c h t l i c h d e r ö k o l o g i s c h e n und h y d r o g c o l o g i -

T h e results s h o w h o w e v e r a l s o that an e v a s i o n o f g r o u n d w a t e r e x t r a c t i o n in favour o f o t h e r areal u s a g e , c a n

s c h e n Restriktionen bewertet.

b o u n d with n e w restrictions at t h e n e w l o c a t i o n a n d m u s t Die M o d e l l r e c h n u n g e n e r m ö g l i c h t e n bereits im P l a n u n g s stadium e i n e V o r a u s s c h a u a u f d i e A u s w i r k u n g e n u n d Nutzen einer Verlagerung der ursprünglichen

therefore b e e x a m i n e d c l o s e l y for e a c h c a s e .

den

Entnahme-

schwerpunkte. Die Ergebnisse zeigen aber auch, d a ß ein Ausweichen der Trinkwassergewinnung zugunsten

ande

rer F l ä c h e n n u t z u n g e n mit n e u e n Restriktionen a m

neuen

Standort v e r b u n d e n sein k a n n u n d s o m i t in j e d e m E i n z e l fall zu ü b e r p r ü f e n ist.

[ E m p l o y m e n t o f a g r o u n d w a t e r flow m o d e l in determining the position o f production w a t e r wells in t h e p u s h m o r a i n e a r c o f X a n t e n ( L o w e r Rhine Basin, W e s t G e r m a n y ) ] A b s t r a c t : M o d e r n r e q u i r e m e n t s for t h e p r o t e c t i o n o f drink i n g w a t e r , t h e m o r e increasing h o u s i n g d e v e l o p m e n t

and

agricultural u s e o f vast areas o f t h e L o w e r R h i n e B a s i n h a v e

*) Anschriften d e r Verfasser: Dr. C. TRESKATIS, I n g . - B ü r o B i e s k e u n d P a r t n e r , Im P e s c h 7 9 , 5 3 7 9 7 L o h m a r 1; D i p l G e o l . Dr. H. LOSEN; W i l h e l m s t r a ß e 4 5 , 5 0 9 9 6 K ö l n 5 0

1 Einführung D e r X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n liegt in e i n e r der grundwasserreichsten Landschaften der B u n d e s republik D e u t s c h l a n d . D i e G r u n d w a s s e r v o r k o m m e n sind h i e r an die e r g i e b i g e n kiesig-sandigen quartären L o c k e r g e s t e i n e d e s n i e d e r r h e i n i s c h e n Tieflandes g e b u n d e n (s. A b b . 1 ) . Die G r u n d w a s s e r g e w i n n u n g erfolgt v o r w i e g e n d im Verbreitungsgebiet der quartären T e r r a s s e n s e d i mente, d e r e n Kies- und S a n d v o r k o m m e n in d e r Rheinaue a u c h in zahlreichen N a ß a b g r a b u n g e n g e wonnen werden. Die k o n k u r r i e r e n d e n A n s p r ü c h e d e s K i e s a b b a u s s o wie des G r u n d w a s s e r s c h u t z e s treffen im Raum X a n ten w i e in vielen anderen, ähnlich strukturierten G e -

H O R S T LOSEN & CHRISTOPH TRESKATIS

Holozän

Pleistozan

Temar

Trias

Karnon uno teilweise Pprm

20 Oberdevon

Mineidevon

Abh. 1: G e o g r a p h i s c h e L a g e X a n t e n s i n n e r h a l b d e s N i e d e r r h e i n g e b i e t e s . A u s KLOSTERMANN ( 1 9 8 9 a : 1 1 ) .

bieten entlang des Rheins i m m e r härter aufeinander. Zusätzlich entsteht durch die z u n e h m e n d e Urbani sierung e h e m a l s ländlicher R e g i o n e n und durch die A u s w e i s u n g von G e w e r b e - und Industrieflächen ein weiterer Nutzungskonflikt, d e r die i m m e r k l e i n e r w e r d e n d e n Flächen für e i n e G r u n d w a s s e r g e w i n nung w e i t e r reduziert. Wird d e r Schutz der weitflächigen Grundwasservork o m m e n im Rheintal durch städtebauliche M a ß n a h m e n u n d voranschreitenden Lagerstättenabbau w e i ter b e d r o h t , bleibt b e s o n d e r s für die T r i n k w a s s e r g e w i n n u n g oft nur die Aufgabe der gefährdeten Brun nen. Im X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n wurde mit Hilfe m o d e r n e r h y d r o g e o l o g i s c h e r u n d g e o l o g i s c h e r Er k u n d u n g s m e t h o d e n s o w i e durch detaillierte M o d e l l r e c h n u n g e n versucht, die Auswirkungen d e r m ö g l i c h e n Gefährdungspotentiale durch V e r l a g e rung e i n e r G r u n d w a s s e r e n t n a h m e g a l e r i e zu mini mieren. Die V e r l a g e n i n g einer b i s h e r hydraulisch e i n w a n d frei funktionierenden Gewinnungsanlage stößt durch die "Neuerschließung" bisher u n g e n u t z t e r

und vielfach - im Sinne des Trinkwasserschutzes ungeschützter G r u n d w a s s e r l e i t e r b e r e i c h e oft an li mitierende g e o l o g i s c h e R a n d b e d i n g u n g e n s o w i e an die G r e n z e n t e c h n i s c h e r und wirtschaftlicher Durch führbarkeit. Im Verlauf d e r Untersuchungen zeigte sich, d a ß z. B . durch die Verlagerung der T e i l e i n z u g s g e b i e t e d e r B r u n n e n V e r ä n d e r u n g e n im R o h w a s s e r c h e m i s m u s auftreten k ö n n e n . D a n e b e n w e r d e n durch die Verlagerung der förder b e d i n g t e n Absenkungstrichter v o r h e r unbeeinflußte G e b i e t e betroffen, in d e n e n sich z. B . grundwass e r a b h ä n g i g e F l i e ß g e w ä s s e r mit e n t s p r e c h e n d e r Fauna und Flora entwickelt h a b e n . Vor d i e s e m Hintergrund e n t s t e h e n n e u e Anforde rungen an die klassischen M e t h o d e n der G r u n d w a s sererschließung, die nur a u f d e r Grundlage m ö g lichst e x a k t e r q u a r t ä r g e o l o g i s c h e r Daten und Karten erfüllt w e r d e n k ö n n e n . Durch h y d r o l o g i s c h e M o d e l l r e c h n u n g e n , die a u f der Basis v o n G e l ä n d e m e s s u n g e n aus d e m X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n aufgebaut wurden, k ö n n e n die verlagerungsbedingten P r o b l e m e erkannt u n d

Einsatz eines

Abb.

Grundwasserströmungsmodells

2: I n l a n d e i s v o r s t o ß d e r Saale-Kaltzeit in d e r U m g e b u n g v o n X a n t e n (letzte P h a s e X A u s KLOSTERMANN ( 1 9 8 9 a : 2 1 ) .

deren Auswirkungen auf den Grundwasserhaushalt prognostiziert und quantifiziert werden. Die letztendliche Beurteilung der M o d e l l e r g e b n i s s e darf a b e r nicht nur vor d e m Hintergnind der t e c h n i s c h e n Durchführbarkeit g e s e h e n werden, s o n d e r n m u ß a u c h Überlegtingen über die langfristigen güteund wasserwirtschaftlichen K o n s e q u e n z e n e i n e r Aufgabe bisher genutzter R e g i o n e n zugunsten e i n e r z u n e h m e n d e n Flächenversiegelung beinhalten. 2 Geologie und Hydrogeologie des X a n t e n e r Raumes

rassenbereich mit G e l ä n d e h ö h e n u m NN +22 m ab h e b e n . Das flachwellige Relief der Niederterrasse in n e r h a l b des M o r ä n e n b o g e n s wird gelegentlich von bis zu 8 m aufragenden Dünen u n t e r b r o c h e n . D e r westliche Niederterrassenbereich wird von ei n e m weit verzweigten G e w ä s s e r s y s t e m durchzo g e n , während zum R h e i n hin K i e s a b g r a b u n g e n und verlandete Altarme die Landschaft p r ä g e n .

2.2 G e o l o g i s c h e r R a h m e n d e r Grundwasservorkommen

2.1 L a g e u n d M o r p h o l o g i e Das Modellgebiet umfaßt den s o g e n a n n t e n X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n in der näheren U m g e b u n g des Stadtgebietes Xanten. Im Osten bildet d e r Rhein tind im W e s t e n der H ö h e n z u g des H o c h w a l d e s und des B a l b e r g e r Waldes die G e b i e t s g r e n z e (vgl. A b b . 2 ) . Z w i s c h e n der Ortschaft M a r i e n b a u m u n d d e m Rhein verläuft die nördliche G r e n z e d e s Modellgebietes, w ä h r e n d im Süden der Rand zum S t a u c h r ü c k e n der H e e s die G e b i e t s g r e n z e markiert. Der B a l b e r g e r Wald, der H o c h w a l d und die H e e s g e h ö r e n zum Bereich der Stauchmoränen, die sich als b o g e n f ö r m i g e r H ö h e n z u g mit H ö h e n v o n NN +70 bis +85 m morphologisch deutlich von d e m T e r

D i e Landschaftselemente des M o d e l l g e b i e t e s beste h e n aus k ä n o z o i s c h e n A b l a g e n i n g e n , die zu ver s c h i e d e n e n Zeiten entstanden sind tind ihre Entste h u n g jeweils a n d e r e n g e o l o g i s c h e n Vorgängen zu v e r d a n k e n h a b e n (KI.OSTERMANN 1 9 8 9 a ) . Großräumig g e s e h e n liegt das U n t e r s u c h u n g s g e b i e t im Niederrheinischen Tiefland, das ein Teilgebiet d e r Niederrheinischen B u c h t ist. In d e n seit dem frühen Oligozän sich a b s e n k e n d e n Niederrhein drang in mehreren P h a s e n die tertiär zeitliche Nordsee n a c h Süden vor u n d hinterließ ei n e n mächtigen Sedimentstapel flachmariner Fein s e d i m e n t e (s. T a b . 1 ) .

T a b . 1: G l i e d e r u n g d e s Terti채rs. Aus KLOSTERMANN ( 1 9 8 9 a : 1 2 ) .

Einsatz e i n e s

Grundwasserströmungsmodells

Die tertiären M e e r e s a b l a g e r u n g e n reichen aufgrund glazialer Vorgänge d e s Eiszeitalters im U m f e l d und innerhalb der H ö h e n r ü c k e n des H o c h w a l d e s , Balb e r g e r W a l d e s , der H e e s u n d des F ü r s t e n b e r g e s bis n a h e a n die G e l ä n d e o b e r f l ä c h e heran (KLOSTERMANN

1 9 8 9 a ) . O b e r o l i g o z ä n e Schichten d e s Chatt (Graf e n b e r g e r Schichten) h a b e n im tieferen Untergrund d e s Modellgebietes die größte Verbreitung. Sie b e s t e h e n aus einer W e c h s e l f o l g e von grauen, schluffigfeinsandigen T o n e n o d e r Schlurfen mit graugrünen,

T a b . 2: G l i e d e r u n g d e s Q u a r t ä r s . Aus KLOSTERMANN ( 1 9 8 9 a : 1 5 ) .

c 3 o >

2° -

t o Z t v

rN O " ) o c " F r ; S

Nordwestdeutschland

OJ^TLJ

ifc 3

X OL

Niederrhein

tu kicno <*l

Spätglazial

1-18 000 Weichsel-Kaltzeit - 73 000

Hochglazial

Jüngere Niederterrasse Ältere Niederterrasse

Frühglazial

-110 000 5e

Eem-Warmzeit

•127 000 Warthe-Stadium 7a

Treene-Warmzeit?

Schichten von Weeze Untere Mittelterrasse 4 (Krefelder Mittelterrasse) Vorselaer Schichten? Untere Mittelterrasse 3

7b 7c

2 Inlandeisvorstoß Drenthe-Stadium

Jüngere Untere Mittelterrasse 2 1. Inlandeisvorstoß Ältere Untere Mittelterrasse 2

240 000

Holstein II 10

-330 000

Holstein-Warmzeit

Holstein I

11 -400 000

-570 000

- 6 9 0 000

900 000

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Untere Mittelterrasse 1

Rinnenschotter Elster-Kaltzeit

Obere Mittelterrassen

Cromer-Komplex Jüngere Hauptterrassen

Menap-Kaltzeit Waal-Warmzeit Eburon-Kaltzeit Tegelen-Komplex

Ältere Kalt- und Warmzeiten 2,4 Mio.

Tegelen-Schichten

Ältere Hauptterrassen

H O R S T LOSEN & CHRISTOPH TRESKATIS

zum Teil schluffigen Feinsanden (KLOSTERMANN 1989 b ) . D a r ü b e r lagern m i o z ä n e und, im Norden u n d Nord w e s t e n d e s Untersuchungsraumes, a u c h o b e r m i o zäne Feinsedimente. Die o b e r f l ä c h e n n a h a n s t e h e n d e n G e s t e i n e d e s X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s b e s t e h e n aus pleistoz ä n e n u n d h o l o z ä n e n A b l a g e r u n g e n (s. T a b . 2 ) . D i e Gesteinsausbildung reicht von l o c k e r e n Kiesen, Sanden, Schluffen u n d T o n e n bis zu Torfen. Die S t a u c h m o r ä n e n r ü c k e n d e s X a n t e n e r B o g e n s b e s t e h e n aus K e r n s t a u c h m o r ä n e n , die ü b e r w i e g e n d w ä h r e n d des zweiten saaleeiszeitlichen Eisvor s t o ß e s aufgepreßt w u r d e n (vgl. Abb. 2, KLOSTERMANN 1990). Sie b e s t e h e n aus e i n e m festgelagerten F e i n s a n d k e r n aus o b e r m i o z ä n e n S e d i m e n t e n , die aufgrund v o n D m c k u n t e r s c h i e d e n an d e r G l e t s c h e r z u n g e als hart gefrorene Platten entlang v o n S c h w ä c h e z o n e n vor der Eisfront aufgestaucht und z u s a m m e n g e p r e ß t wurden.

v o m saaleeiszeitlichen Inlandeisvorstoß ebenfalls überprägt, s o d a ß Rinnenschotter u n d d i e HolsteinT o n e in gestörter u n d schuppenartiger Lagerung an zutreffen sind. D e r j ü n g e r e Teil der U n t e r e n Mittel terrasse 2 liegt ungestört vor. In der folgenden Eem-Warmzeit w u r d e in d e m nord w e s t l i c h e n Teilbereich d e s M o d e l l g e b i e t e s ein bis zu 2 m mächtiger Ton-/Torfhorizont u n d in der an s c h l i e ß e n d e n Weichsel-Kaltzeit die bis zu 8 m mäch tigen kiesig-sandigen S e d i m e n t e der Niederterrasse abgelagert. Die jüngsten T e r r a s s e n des Rheins s t a m m e n aus d e m Holozän. D a b e i handelt es sich um die fluviatilen G r o b s e d i m e n t e d e r rund 10 m m ä c h t i g e n Rei henterrassen des R h e i n s . Die Reihenterrassen 1 bis 4 bildeten sich im Bereich der Niederterrasse d e s Rheins, die v o n Auensanden u n d - l e h m e n s o w i e Uferwallsedimenten überdeckt werden.

Mit d e n o b e r m i o z ä n e n Feinsanden w u r d e n die ebenfalls gefrorenen pleistozänen D e c k s c h i c h t e n h o c h g e p r e ß t , s o d a ß die Einhüllende d e r tertiären F e i n s a n d e und die h e u t i g e Erdoberfläche b e z i e h u n g s w e i s e die O b e r f l ä c h e der kiesig-sandigen T e r rassenablagerungen nahezu parallel verlaufen (KLOSTERMANN 1 9 9 0 ) .

Äolische Sedimente u n d Torfe entstanden als junge D e c k s c h i c h t e n auf d e n Stauchmoränen u n d in den flachen Talungen d e s X a n t e n e r B o g e n s . Am häufig sten treten Flugsande, L ö ß und S a n d l ö ß im Umfeld d e r Stauchrücken auf. D ü n e n und Niedermoorabla g e r u n g e n lassen sich in den ausgeprägten Mäander schleifen der k l e i n e n Fließgewässer z w i s c h e n Lab b e c k u n d Marienbaum nachweisen.

Die quartäre Schichtenfolge erreicht in d e n v o m Inlandeis nur wenig b e a n s p r u c h t e n Z o n e n Mächtig keiten von bis zu 25 m, w ä h r e n d in den gestauchten G e b i e t e n durch S c h i c h t v e r d o p p l u n g Mächtigkeiten bis zu 7 0 m auftreten k ö n n e n .

2.3 H y d r o g e o l o g i s c h e R a n d b e d i n g u n g e n für die G r u n d w a s s e r g e w i n n u n g

Im Pleistozän e n t w i c k e l t e sich im X a n t e n e r B o g e n ein verschachteltes Flußsystem, d e s s e n fluviatile G r o b s e d i m e n t e vereinzelt durch warmzeitliche T o ne und Torfe des Eem-Interglazials untergliedert werden. Im Modellgebiet lassen sich nach KLOSTERMANN (1989 b ) drei T e r r a s s e n k ö r p e r unterscheiden, die für die h y d r o g e o l o g i s c h e Entwicklung v o n B e d e u t u n g sind: - Untere Mittelterrasse 2 - Niederterrasse - Reihenterrassen 1 bis 4 Die U n t e r e Mittelterrasse 2 wird aus kiesig-sandigen S e d i m e n t e n aus der Saale-Kaltzeit mit Mächtigkeiten bis zu 2 0 m gebildet (vgl. Abb. 3 ) . D i e s e Terras s e n k ö r p e r lagern unmittelbar auf den tonig-schluffig e n B e c k e n s c h l u f f e n d e r Saale-Kaltzeit, die weit g e h e n d durch die E i n w i r k u n g e n der G l e t s c h e r v o r s t ö ß e überprüft w u r d e n . I n n e r h a l b der Unteren Mittelterrasse 2 unterscheidet man e i n e n älteren u n d einen j ü n g e r e n Terras s e n k ö r p e r . Die ältere U n t e r e Mittelterrasse 2 wurde

Die Terrassenlandschaft des X a n t e n e r Stauchmorä nenbogens beherbergt ein grundwasserreiches Aquifersystem, das d u r c h die saalekaltzeitlichen Überprägungen in drei Z o n e n gegliedert werden kann: - K e r n s t a u c h m o r ä n e n mit gering wasserdurchlässi g e m Feinsandkern u n d einer Hülle gut bis sehr gut durchlässiger fluviatiler Ablagerungen. - Pleistozäner Terrassenaquifer (Niederterrasse und U n t e r e Mittelterrasse 2 ) des inneren Stauchmorä n e n b o g e n s mit lokal eingelagertem Grundwasser stauer ( T o n e und T o r f e des E e m ) . - H o l o z ä n e r Reihenterrassenaquifer d e r Rheinniede rung mit unterlagernder Unteren Mittelterrasse 2. Die G r u n d w a s s e r v o r k o m m e n in d e n Stauchmorä n e n des X a n t e n e r B o g e n s wurden aufgrund der k o m p l e x e n V e r s c h a c h t e l u n g unterschiedlich gut wasserdurchlässiger S e d i m e n t e in d e r Vergangen heit k a u m genutzt. Die Erschließung d i e s e r V o r k o m m e n , w i e z. B . im Norden des H o c h w a l d e s bei Marienbaum, steht erst am

Anfang (s.

TRESKATIS 1 9 9 0 ) .

KLOSTERMANN & TRESKATIS 1 9 8 9

und

80 mu NN

R-2532570 H 5729000 500

Legende

1000

1500

Stm Staucnmorane {Sand u

A Au fschüttung o • o • o • o • o • P . O . o

TL Tatlenm

Schluff)

UMT U n t e r e M i t t e t - t e r r a s s e (Mr t t e l - u Grobsand, k i e s i g , t e i l weise m T o n - u S c h l u f f l i n s e n ) Ho H o l s t e i n - S c h i c h t e n {Ton, schluffig, f e i n s a n d i g )

TS Tal sand RT Reihenrerrasse

2000

( M i t t e l - u Grobsand, kiesig, t e i l w e i s e m i t Ton-u. Schlufflinsen)

Grundwasserspiegel

FS F l u g s a n d oberirdisches L

Schichtgrenze

NT N i e d e r t e r r a s s e ( M i t t e i - u Grobsand, kiesig, t e i l w e i s e mit Ton-u. S c h l u f f l i n s e n } Ee Eem - Schi c h t e n (.Torf u Ton, f e i n s andig ) o • o ' • o. - o • o • o . o -. o

Gewässer

Löß

Sfm S t a u c h m o r a n e ( K i e s u. S a n d l

A b b . 3 : H y d r o g e o l o g i s c h e s Profil S W - NE

Bohrungen d u r c h g e z o g e n e L i n i e n : B o h r u n g e n , die a u f o d e r d i c h t n e b e n den P r o f i l l i n t e n l i e g e n g e s t r i c h e l t e L i n i e n B o h r u n g e n im A b s t a n d b i s z u 5 00 m von der P r o f i l L i n i e , a u f d i e s e p r o j i z i e r t

H O R S T LOSEN & CHRISTOPH TRESKATIS

Eine Nutzung im U m f a n g e d e r bisherigen G e w i n nung v o n Trinkwasser aus d e n quartären T e r r a s s e n s e d i m e n t e n wird w e g e n d e r b e g r e n z e n d e n hydrog e o l o g i s c h e n R a n d b e d i n g u n g e n in den M o r ä n e n nicht zu erwarten sein. Im I n n e r e n des X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s wird das lokal in einen g e s p a n n t e n und in e i n e n frei en Grundwasserleiter g e g l i e d e r t e o b e r e G r u n d w a s s e r s t o c k w e r k von d e n saalekaltzeitlichen B e c k e n schluffen unterlagen. D i e g e r i n g e r e Durchlässigkeit der B e c k e n s c h l u f f e wirkt als hydraulische Barriere z w i s c h e n d e n sehr gut wasserdurchlässigen pleistozänen F l u ß s e d i m e n t e n u n d d e n m i o z ä n e n Flach m e e r a b l a g e r u n g e n im L i e g e n d e n der quartären Schichtenfolge (s. Abb. 3 ) . Der Grundwasserabfluß a u s d e n m o r p h o l o g i s c h hervortretenden S t a u c h m o r ä n e n erfolgt im I n n e r e n des M o r ä n e n b o g e n s d a h e r im w e s e n t l i c h e n ü b e r den p l e i s t o z ä n e n T e r r a s s e n a q u i f e r zur R h e i n n i e d e rung. Ein ausgeprägtes Vorflutersystem nimmt b e reits a m F u ß der H ö h e n r ü c k e n einen Teil des unter irdischen Abflusses aus d e n Hüllschichten d e r M o r ä nen auf. Die glaziale Überprügung d e r B e c k e n s c h l u f f e s o w i e die g e r i n g e n Durchflußquerschnitte der T e r r a s s e n k ö r p e r begünstigen d a b e i d e n Abtransport d e s Überschußwassers über Fließgewässer.

3 Grundwasserströmungsmodell Für die zuverlässige Prognostizierung d e r Auswir k u n g e n e i n e r Verlagerung v o n F ö r d e r b r u n n e n a u f d e n Grundwasserstand und a u f das Abflußverhalten der im Modellgebiet g e l e g e n e n Vorfluter w u r d e für d e n X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n ein instationä res h o r i z o n t a l - e b e n e s G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o dell installiert.

3-1 M o d e l l a u f b a u u n d R a n d b e d i n g u n g e n Das Modellgebiet ist durch ein q u a d r a t i s c h e s Raster netz mit 2 0 0 m Knotenabstand u n d i n s g e s a m t 1 1 1 3 K n o t e n p u n k t e n in diskrete T e i l b e r e i c h e eingeteilt (vgl. A b b . 4 ) . V o r der Diskretisierung u n d d e r Kali brierung des Modells m ü s s e n a n h a n d d e s verfüg baren Datenmaterials der h y d r o g e o l o g i s c h e Aufbau des Modells u n d die R a n d b e d i n g u n g e n ermittelt w e r d e n . D i e wichtigsten R a n d b e d i n g u n g e n sind: -

Aquiferaufbau u n d Aquifersohle Grundwasserentnahmen Grundwasserströmung Grundwasserneubildung Vorflutereinfluß a u f d a s G r u n d w a s s e r Durchlässigkeit im Aquifer Modellränder.

Die ergiebigsten Grundwasserleitergesteine d e s M o dellgebietes schließen sich östlich der Pistley in der Rheinniederung an. Die bis zu m e h r als 25 m m ä c h tigen S c h i c h t e n der h o l o z ä n e n Reihenterrassen u n d der U n t e r e n Mittelterrasse z ä h l e n zu den wichtigsten G e b i e t e n für die G r u n d w a s s e r g e w i n n u n g . Die h o h e Durchlässigkeit s o w i e die g e g e n ü b e r d e m Inneren d e s S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s mächtige W a s sererfüllung der T e r r a s s e n s e d i m e n t e sorgen für ei nen o p t i m a l e n W a s s e r a n d r a n g im Umfeld d e r F ö r d e r b m n n e n . D i e E i n z u g s g e b i e t e der B r u n n e n w e r den häufig landwirtschaftlich intensiv genutzt o d e r w e r d e n v o n d e n a n l i e g e n d e n K o m m u n e n städte baulich verplant. Bei d e r Ausweisung e i n e s d e n m o d e r n e n Anforde rungen e n t s p r e c h e n d e n T r i n k w a s s e r s c h u t z g e b i e t e s kann e s für e i n e n W a s s e r w e r k s b e t r e i b e r n o t w e n d i g werden, n a c h Möglichkeiten zur Minimierung u n d Einstellung der Gefährdungspotentiale zu s u c h e n . Dabei k a n n a u c h die V e r l a g e r u n g des E n t n a h m e s c h w e r p u n k t e s einer B r u n n e n g a l e r i e in Betracht g e zogen w e r d e n , falls die örtlichen G e g e b e n h e i t e n , wie z. B . N a ß a b g r a b u n g e n o d e r a u s g e w i e s e n e G e w e r b e f l ä c h e n , mit d e n Ausweisungskriterien für die Festlegung e i n e r T r i n k w a s s e r s c h u t z z o n e kollidie ren.

Abb. 4 : Modelldiskretisierung

Die Installation v o n G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o d e l len bedingt e i n e intensive E r k u n d u n g der h y d r o g e o l o g i s c h e n u n d wasserwirtschaftlichen V e r h ä l t nisse im Modellgebiet und d e s s e n n ä h e r e r U m g e -

Einsatz eines

Grundwasserströmungsmodells

bung. Der U m f a n g und die Qualität der System- u n d R a n d b e d i n g u n g e n b e s t i m m e n die Genauigkeit d e r Kalibrierung u n d der P r o g n o s e r e c h n u n g e n . Für die Diskretisierung d e s v o r l i e g e n d e n Grundwasserströ m u n g s m o d e l l s m u ß t e n die b e s t e h e n d e n h y d r o g e o logischen D a t e n durch u m f a n g r e i c h e Feldarbeiten (Einrichtung v o n zahlreichen n e u e n Grundwasser meßstellen zur Grundwasserstandsmessung, P u m p versuche, M e s s u n g des Vorfluterabflusses in A b h ä n gigkeit d e s G r u n d w a s s e r s t a n d e s , Ermittlung d e r Sohlendurchlässigkeit der Vorfluter u n d L e a k a g e raten der E e m - S c h i c h t e n ) ergänzt werden.

3.1-1

Aquiferaufbau u n d Aquifersohle

Innerhalb d e s M o d e l l g e b i e t e s stellen die ü b e r w i e g e n d kiesig-sandigen S e d i m e n t e der Reihen-, N i e der- und U n t e r e n Mittelterrasse den Hauptaquifer dar (vgl. A b b . 3 ) . D i e Durchlässigkeiten des Aquifers liegen n a c h P u m p v e r s u c h s e r g e b n i s s e n im Mittel b e i 2 • 1 0 m / s u n d stimmen gut mit den b e r e c h n e t e n m o d e l l w i r k s a m e n Durchlässigkeiten überein. In d e n S e d i m e n t e n der U n t e r e n Mittelterrasse s i n d schuppenartige Strukturen d e r tonig-schluffigen Holstein-Schichten eingelagert mit Durchlässigkei ten zwischen 10" und 10"' m / s . 3

Im Nordosten d e s M o d e l l g e b i e t e s ist zwischen d e r Unteren Mittelterrasse u n d d e r Niederterrasse e i n e 0,8 bis 2 m m ä c h t i g e Torf- u n d Tonschicht der E e m Warmzeit mit Durchlässigkeiten kleiner als D 1 0 * m / s eingelagert. Aufgrund d e r geringen D u r c h l ä s sigkeit der E e m - S e d i m e n t e liegt hier ein partieller G r u n d w a s s e r s t o c k w e r k s b a u mit gespannten G r u n d wasserverhältnissen im B e r e i c h der Unteren Mittel terrasse vor. Die Aquifersohle wird von d e n eiszeitlich ü b e r p r ä g ten schluffig-feinsandigen B e c k e n c h l u f f e n g e b i l d e t . Nach KLOSTERMANN (1989 b ) liegt die Durchlässigkeit bei 4 • 1 0 m / s . D i e O b e r f l ä c h e der Aquiferbasis im Modellgebiet zeigt ein b e w e g t e s Relief mit übertief ten Rinnenstrukturen sowie T i e f e n l a g e n von NN - 2 0 m und H o c h b e r e i c h e n mit H ö h e n l a g e n z w i s c h e n NN +10 u n d + 1 5 m. D e m e n t s p r e c h e n d s c h w a n k t die grundwassererfüllte Mächtigkeit des Hauptaquifers zwischen 4 u n d 4 2 m. 5

3.1.2

Grundwasserentnahmen und Grundwasserströmung

Die Gntndwasserentnahmen für die öffentliche Trinkwasserversorgung erfolgt mittels G r u n d w a s serförderbrunnen aus d e m B e r e i c h der h o l o z ä n e n Reihenterrassen. D a s Einzugsgebiet dieser B r u n n e n liegt im S ü d w e s t e n und S ü d e n des M o d e l l g e b i e t e s (vgl. Abb. 5 ) .

Abb. 5: Mittlerer B e z u g s w a s s e r s p i e g e l im quartären G r u n d wasserleiter

Das Grundwasserströmungsbild im M o d e l l g e b i e t weist n a c h G r u n d w a s s e r g a n g l i n i e n a n a l y s e n durch schnittlich a n m e h r als 3 0 0 T a g e n im J a h r w e i t g e h e n d stationäre Grundwasserströmungsverhältnisse auf. Z w i s c h e n Rhein und H o h e Ley ist eine Grund w a s s e r s c h e i d e ausgebildet, die sich nur b e i H o c h w a s s e r e r e i g n i s s e n im Rhein kurzfristig geringfügig verlagern kann. In Abbildung 5 ist ein repräsentati ver mittlerer Grundwasserstand dargestellt, d e r die Abstromverhältnisse im S t a u c h m o r ä n e n b o g e n u n d in d e n a n g r e n z e n d e n T e r r a s s e n k ö r p e r n verdeut licht. 3.1.3

Grundwasserneubildung und Wasserhaushalt

Die Grundwasserneubildung ist die a m schwierig sten zu b e s t i m m e n d e R a n d b e d i n g u n g für das G r u n d w a s s e r m o d e l l . Für die M o d e l l r e c h n u n g w e r den die mittlere langfristige (für die P r o g n o s e r e c h n u n g e n ) u n d die modellrelevante G r u n d w a s s e r n e u bildungsrate für d e n Kalibrierungszeitraum im S o m merhalbjahr 1 9 9 0 benötigt. Die langfristige G r u n d w a s s e r n e u b i l d u n g für das M o dellgebiet w u r d e mittels der Wasserhaushaltsglei chung berechnet: Au

= N - V - Ao

mit Au N V Ao

= Grundwasserneubildung (mm/a); = Niederschlag ( m m / a ) ; = Verdunstung ( m m / a ) ; = oberirdischer Abfluß ( m m / a ) .

H O R S T LOSEN & CHRISTOPH TRESKATIS

S p e i c h e r ä n d e n i n g e n im G r u n d w a s s e r r a u m b l e i b e n dabei unberücksichtigt, d a sie sich ü b e r l ä n g e r e Zeiträume ausgleichen. Für das Modellgebiet k o n n te e i n e mittlere langfristige G m n d w a s s e r n e u b i l dungsrate v o n 2 2 9 m m / a ( - 7,3 V [s • k m ] ) b e r e c h net w e r d e n . D i e kurzfristige G m n d w a s s e r n e u b i l dungsrate für d e n Kalibriemngszeitraum i m Früh j a h r / S o m m e r 1990 w u r d e a n h a n d einer V e r g l e i c h s r e c h n u n g z w i s c h e n d e m tatsächlichen Niederschlag und d e n K e n n w e r t e n d e r mittleren monatlichen Ver 2

d u n s t u n g s r a t e n (KELLER 1 9 7 8 ; MINISTER FÜR UMWELT, RAUMORDNUNG

UND LANDWIRTSCHAFE N W

1989 und

ERFTVERBAND 1 9 8 3 ) e r r e c h n e t .

3.1.4 Vorflutereinfluß auf das Grundwasser Zur Betirteilung des Einflusses d e r kleineren Vorflu ter a u f d a s Grundwasser sind im Modellgebiet d i e H o h e u n d Niedere Ley, d i e T a c k e Ley u n d d e r Un terlauf d e r Willichsche Ley diskretisiert w o r d e n . D e r Wasseraustausch zwischen Oberflächengewässer und G r u n d w a s s e r wird n a c h d e m Leaky-AquiferPrinzip ermittelt: Ai = F • k • h / m

Darin b e d e u t e n : A . = Aus- b z w . Zusickerungsrate des Vorfluters (mVs); 2

F = F l ä c h e der Vorflutersohle ( m ) ; k = Durchlässigkeit d e r Vorflutersohle ( m / s ) ; h = Potentialdifferenz z w i s c h e n Wasserstand im Vorfluter u n d Grundwasserstand ( m ) m = Mächtigkeit der Vorflutersohle ( m ) . Die o. g. Formel gilt n u r für gesättigte B e r e i c h e . F ü r die Ermittlung der Leakageraten zwischen Vorfluter und G r u n d w a s s e r s t a n d e n zahlreiche A b f l u ß m e s s u n g e n u n d U n t e r s u c h u n g e n der Durchlässigkeit e i n z e l n e r B a c h s o h l e n b e r e i c h e zur Verfügung. D i e P o t e n t i a l h ö h e n z w i s c h e n Grundwasserstand u n d W a s s e r s t a n d im Vorfluter w u r d e n durch parallel zu den G r u n d w a s s e r s t a n d s m e s s u n g e n durchgeführten Nivellements der Vorfluter ermittelt.

4 Kalibrierung des Grundwasser strömungsmodells Ziel d e r Kalibrierung d e s G r u n d w a s s e r m o d e l l s ist die Anpassung d e r Modellparameter an d i e hydrog e o l o g i s c h e n G e g e b e n h e i t e n . Zur G e w ä h r l e i s t u n g einer m ö g l i c h s t g e n a u e n Kalibrierung w u r d e d a s Gmndwassermodell deshalb anhand von 5 Grund w a s s e r s t ä n d e n i m Frühjahr/Herbst 1 9 9 0 kalibriert. Für j e d e n dieser Zeitschritte w u r d e n die Randbedin g u n g e n m o d e l l u n a b h ä n g i g b e r e c h n e t u n d für d i e M o d e l l r e c h n u n g diskretisiert. A n s c h l i e ß e n d w u r d e n die Durchlässigkeiten u n d d a s speichernutzbare P o r e n v o l u m e n in e i n e m instationären und h a l b a u t o m a t i s c h e n R e c h e n v e r f a h r e n für sämtliche Zeitschrit te optimiert. Innerhalb d e r m ö g l i c h e n F e h l e r g r e n zen w u r d e n d i e R a n d b e d i n g u n g e n variiert, u m d i e Sensitivität des Modells zu testen.

4.1 Ergebnisse d e r Modellkalibrierung Ein M a ß für die Qualität d e r Kalibrierung unter B e r ü c k s i c h t i g u n g der B e s c h a f f e n h e i t d e r R a n d b e dingungen stellt der Vergleich z w i s c h e n b e r e c h n e ten und g e m e s s e n e n Grundwasserständen dar. Lie g e n dabei die A b w e i c h u n g e n z w i s c h e n g e m e s s e n e n und b e r e c h n e t e n G r u n d w a s s e r s t ä n d e n ü b e r sämtli c h e Zeitabschnitte innerhalb d e r zu e r w a r t e n d e n Fehlergrenzen, s o ist die Kalibrierung erfolgreich a b g e s c h l o s s e n . In der Abbildung 6 sind die g e m e s s e nen und d i e b e r e c h n e t e n G r u n d w a s s e r s t ä n d e für den 1 6 . Mai 1990 beispielhaft dargestellt. Es zeigt sich, d a ß insgesamt e i n e gute Übereinstimmung b e i der Kalibrierung erzielt w e r d e n konnte. Im B e r e i c h der k l e i n e n landseitigen Vorfluter liegt d i e durch schnittliche A b w e i c h u n g z w i s c h e n g e m e s s e n e n u n d b e r e c h n e t e n G r u n d w a s s e r s t ä n d e n im Durchschnitt bei rund 1,5 dm. Für die Beurteilung d e r zeitlichen Entwicklung d e r Grundwasserstände sind in d e r Abbildung 7 d i e g e messenen u n d berechneten Grundwasserganglinien der i m Modellgebiet g e l e g e n e n G r u n d w a s s e r m e ß stellen 1 8 0 1 , 2 0 0 2 2 2 u n d 2 0 0 7 2 6 dargestellt. Zwi s c h e n g e m e s s e n e n und b e r e c h n e t e n G r u n d w a s s e r ständen ist e i n e gute Übereinstimmung zu e r k e n n e n .

3.1.5 Modellränder 5 B e r e c h n u n g d e r Fallbeispiele Bei d e r Diskretisierung d e r Modellränder w u r d e n B e r e i c h e mit Festspotentialen und B e r e i c h e mit fest en E i n - / A b s t r o m m e n g e n abgegrenzt. B e d i n g t d u r c h instationäre Grundwasserströmungsverhältnisse a m Rhein und im Übergangsbereich zwischen S t a u c h m o r ä n e und T e r r a s s e n b e r e i c h w u r d e n d i e s e Modellränder mit Festpotentialen belegt. D i e restli c h e n Modellränder w u r d e n w e i t g e h e n d als E i n - / A b stromrand definiert.

Nach d e r intensiven h y d r o g e o l o g i s c h e n E r k u n d u n g des M o d e l l g e b i e t e s u n d n a c h d e m erfolgreichen A b schluß d e r Modellkalibrierung k ö n n e n mit d e m G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o d e l l Fallbeispiele für e i n e mögliche Verlagemng der Brunnengalerie durchge führt w e r d e n . Für e i n e Optimierung der B r u n n e n standorte mittels d e s G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o dells w a r e n folgende Restriktionen zu b e a c h t e n :

Einsatz eines

Langfristige G r u n d w a s s e r g a n g l i n i e n a n a l y s e n zei g e n , d a ß die Grundwasserstände v o m S o m m e r 1 9 9 0 als niedrig einzustufen waren. Für die Beurteilung d e r Auswirkung der Verlagerung der B r u n n e n a u f d e n Grundwasserstand wurde aufgrund fehlender Grundwasserstandsdaten aus der V e r g a n g e n h e i t für das g e s a m t e Modellgebiet zunächst ein B e z u g s w a s serspiegel ( A b b . 5 ) berechnet, der e i n e n mittleren repräsentativen Grundwasserstand darstellt. An s c h l i e ß e n d w u r d e n v e r s c h i e d e n e Fallbeispiele mit

1. D a s südlich der h e u t i g e n Brunnenstandorte g e l e g e n e G e w e r b e g e b i e t und die in Richtung Rhein g e l e g e n e n K i e s s e e n müssen a u ß e r h a l b des Ein zugsgebietes der zu verlagernden Trinkwasser brunnenstandorte liegen (vgl. A b b . 5 ) . 2. D i e Wasserführung der im X a n t e n e r Stauchmorä n e n b o g e n g e l e g e n e n kleinen Vorfluter darf durch die Verlagerung der Brunnenstandorte nicht n e gativ beeinflußt w e r d e n .

10 II 12 13

Grundwasserströmungsmodells

A b b . 6: Kalibrierung d e s G n m d w a s s e r s t a n d e s für den Z e i t p u n k t 1 6 . 5 . 9 0

H O R S T LOSEN & CHRISTOPH TRESKATIS

unterschiedlichen Ortslagen der B r u n n e n u n d Ent n a h m e m e n g e n b e r e c h n e t u n d deren A u s w i r k u n g e n g e g e n ü b e r dem B e z u g s w a s s e r s t a n d analysiert. All g e m e i n w u r d e n für s ä m t l i c h e Fallbeispiele d a b e i die R a n d b e d i n g u n g e n aus d e n Ergebnissen d e r Kalib r i e n i n g s r e c h n u n g e n (vgl. Abschnitt 3 und 4) über n o m m e n . B e r e c h n e t w u r d e n die hydraulischen Aus w i r k u n g e n der zu verlagernden Trinkwasserbrun nen ü b e r einen Zeitraum v o n einem J a h r b e i e i n e r mittleren Grundwasserneubildungsrate von 229 mm/a.

5.1 B e z u g s w a s s e r s p i e g e l Als B e z u g s w a s s e r s p i e g e l für die Beurteilung der Fallbeispiele wurden mit den R a n d b e d i n g u n g e n v o m 16. Mai 1990 u n d der mittleren langjährigen G r u n d w a s s e r n e u b i l d u n g v o n 2 2 9 m m / a die Grund w a s s e r s t a n d s e n t w i c k l u n g für 365 T a g e b e r e c h n e t . Die E n t n a h m e m e n g e aus d e n b e s t e h e n d e n Förder b r u n n e n wurde mit 2,7 Mio. mVa eingesetzt. Ein V e r g l e i c h des Bezugswasserspiegels mit d e n Grund wasserständen und W a s s e r b i l a n z e n aus d e m S o m mer 1 9 9 0 zeigt einen u m rund 1 m h ö h e r e n Grund wasserstand für den B e z u g s w a s s e r s p i e g e l . D i e Aussickerungsraten aus d e m Aquifer in den Vorfluter liegen b e i dem b e r e c h n e t e n B e z u g s w a s s e r s p i e g e l g e g e n ü b e r den Grundwasserständen v o m Frühjahr 1990 u m rund 25 % h ö h e r .

5.2 Fallbeispiele In der N ä h e der heutigen B r u n n e n s t a n d o r t e u n d im S ü d w e s t e n des M o d e l l g e b i e t e s z w i s c h e n H o h e Ley und T a c k e Ley wurden insgesamt 4 m ö g l i c h e Stand orte unter Berücksichtigung der o. g. Restriktionen mit d e m Grundwassermodell untersucht. Brunnenstandorte im B e r e i c h d e s s ü d w e s t l i c h e n Modellgebietes würden innerhalb des S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s eine Abflußminderung in d e n Vorflutern T a c k e Ley und H o h e Ley e r g e b e n . Z u s a m m e n mit den K o s t e n für die Verlagerung des g e s a m t e n W a s s e r w e r k e s e r s c h e i n e n d i e s e vorfluternahen Stand orte nur bedingt für die Verlagerung der Förder b r u n n e n geeignet. Als wasserwirtschaftlich und ö k o l o g i s c h günstigster Standort für die n e u e n T r i n k w a s s e r b r u n n e n k o n n t e ein B e r e i c h rund 500 m nordwestlich der b e s t e h e n den B m n n e n a n l a g e ermittelt werden. An d e n g e planten 3 n e u e n B r u n n e n w u r d e e i n e G r u n d w a s s e r e n t n a h m e von 1,5 Mio. m V a u n d an den alten Brun n e n e i n e Entnahme v o n 1 Mio. mVa simuliert. Die E r g e b n i s s e der Simulationsrechnungen sind in d e m G r u n d w a s s e r g l e i c h e n p l a n der Abbildung 8 darge stellt. D a s Einzugsgebiet der n e u e n B r u n n e n verla gert sich u m rund 2 0 0 m n a c h Osten, w o b e i die der zeitigen K i e s s e e n bei stationären Grundwasserströ-

berechnet gemessen.

29.03

16.05

06.06 Kalenderjahr

02.08

28.08

09.10

1990

A b b . 7: B e r e c h n e t e u n d g e m e s s e n e G r u n d w a s s e r g a n g l i n i e n d e r E i c h m e ß s t e l l e n ( O r t s l a g e n d e r G r u n d w a s s e r m e ß s t e l l e n in A b b . 7 )

Einsatz e i n e s G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o d e l l s

mungsverhältnissen a u ß e r h a l b des E i n z u g s g e b i e t e s d e r n e u e n B r u n n e n liegen. Das bereits e r w ä h n t e G e w e r b e g e b i e t w ü r d e a u ß e r h a l b des E i n z u g s g e b i e t e s d e r n e u e n B r u n n e n liegen. D i e Leakageraten an d e n landseitigen Vorflutern b l e i b e n von d i e s e r V e r ä n d e rung der B r u n n e n s t a n d o r t e unbeeinflußt.

6 Zusammenfassung G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o d e l l e e i g n e n sich gut für die Optimierung v o n Standorten für T r i n k w a s s e r b r u n n e n hinsichtlich ö k o l o g i s c h e r u n d h y d r o g e o l o g i s c h e r Restriktionen. Voraussetzung für d e n erfolg r e i c h e n Einsatz von G r u n d w a s s e r s t r ö m u n g s m o d e l len ist eine umfassende Erkundung d e r h y d r o g e o l o -

JStaue

g i s c h e n u n d wasserwirtschaftlichen Verhältnisse im M o d e l l g e b i e t u n d d e s s e n näherer U m g e b u n g . Nach erfolgreicher Kalibrierung des M o d e l l s lassen sich a n s c h l i e ß e n d vertrauenswürdige P r o g n o s e r e c h n u n g e n mit u n t e r s c h i e d l i c h e n R a n d b e d i n g u n g e n durch führen. Im E i n z u g s g e b i e t e i n e r G r u n d w a s s e r g e w i n n u n g s a n l a g e im B e r e i c h d e s X a n t e n e r S t a u c h m o r ä n e n b o g e n s w u r d e ein instationäres Grundwasserströ m u n g s m o d e l l mit 1 1 1 3 M o d e l l k n o t e n u n d 2 0 0 m K n o t e n a b s t a n d installiert. A n h a n d zahlreicher Feld m e s s u n g e n u n d d e r e n A u s w e r t u n g s e r g e b n i s s e wur d e n die m o d e l l r e l e v a n t e n Beeinflussungsgrößen ( w i e z. B . Aquiferaufbau und -durchlässigkeit, A b hängigkeit d e s Vorfluterabflusses v o m Grundwas serstand, A u s w i r k u n g e n von r h e i n n a h e n Auskie-

inzugsgebiet die neuen

hmoräne

BALBERGER

WALD

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und

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V o r f l u t e r

M o d e l l k n o t e n

für Brunnen Kiesseen mit

Grundwasser i n m +

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A b b . 8: G e r e c h n e t e r G r u n d w a s s e r s t a n d für n e u e u n d alte B r u n n e n s t a n d o r t e

100

H O R S T L O S E N & CHRISTOPH TRESKATIS

sungsbetrieben

und

standsentwicklung)

langfristige

a n a l y s i e r t und

Grundwasser für

das

Modell

( 1 9 8 9 b ) : Erläuterungen z u Blatt 4 3 0 4 X a n t e n . - G e o l . K a r t e v o n N o r d r h e i n - W e s t f a l e n 1:25 0 0 0 : 1 5 3 S., 14 Abb., 1 3 Tab., 3 T a f ; Krefeld (Geologisches Landesamt).

( 1 9 9 0 ) : Saalezeitliche S t a u c h m o r ä n e n t y p e n a m Niederr h e i n u n d ihre E n t s t e h u n g . - N. J b . G e o l . P a l ä o n t . A b h . 1 8 1 ( 1 - 3 ) : S. 4 5 5 - 4 7 0 , 7 A b b . , 1 T a b . ; Stuttgart (Schweitzerbart'sche Verlagsbuchhandlung).

& TRESKATIS, C. ( 1 9 8 9 ) : H y d r o g e o l o g i e d e r S t a u c h m o r ä n e H o c h w a l d - B a l b e r g e r W a l d im X a n t e n e r L o b u s . - Natur a m Niederrhern (N. F . ) 4 ( 1 ) : S. 1 - 10, 6 A b b . , 1 T a b . ; Krefeld.

kalibriert. Anschließend schiedliche

wurden

F a l l b e i s p i e l e für

Brunnenstandorte

und

unter

Entnahmemen

g e n b e r e c h n e t und mit e i n e m simulierten

repräsen

tativen B e z u g s w a s s e r s t a n d v e r g l i c h e n . Als o p t i m a l e r S t a n d o r t für die n e u e n T r i n k w a s s e r b r u n n e n ein

B e r e i c h rund 5 0 0 m nördlich der

konnte

bestehenden

B r u n n e n a n l a g e n ermittelt w e r d e n , der s ä m t l i c h e R e striktionen

hinsichtlich

Grundwasserschutz

und

Ö k o l o g i e erfüllt.

7 Schriftenverzeichnis ERFTVERBAND ( 1 9 8 3 ) : W a s s e r v e r s o r g u n g im V e r b a n d s g e b i e t . - 1 9 1 S., 9 9 Abb.; B e r g h e i m . KELLER, R. ( 1 9 7 8 ) : H y d r o l o g i s c h e r Atlas d e r B u n d e s r e p u b l i k Deutschland. - Deutsche Forschungsgemeinschaft: 28 S., 7 1 Karten; B o p p a r d ( B o l d t ) . KLOSTERMANN, J . ( 1 9 8 9 a ) : D i e E n t s t e h u n g s g e s c h i c h t e d e r X a n t e n e r Landschaft. - S p u r e n l e s e - B e i t r ä g e z u r G e s c h i c h t e d e s X a n t e n e r R a u m s : S. 11 - 3 6 , 1 0 A b b . , 3 T a b . , 4 T a f ; Köln ( R h e i n l a n d - V e r l a g ) .

MINISTER FÜR UMWELT, RAUMORDNUNG UND LANDWIRTSCHAFT ( M U R L ) ( H e r a u s g e b e r ) ( 1 9 8 9 ) : Klima-Atlas v o n Nord r h e i n - W e s t f a l e n . - 6 5 S., 2 2 A b b . , 17 T a b . , 5 1 Karten; Düsseldorf. TRESKATIS, C. ( 1 9 9 0 ) : H y d r o g e o l o g i s c h e Standortunter.suc h u n g e n bei der Verlagerung der Trinkwassergewin n u n g a u s d e r N i e d e r t e r r a s s e d e s R h e i n s in d i e S t a u c h m o r ä n e d e s Staatsforstes Marienbaum-Xanten. Mitt. I n g . - u. H y d r o g e o l o g i e 3 6 : S. 177 - 2 0 7 , 11 A b b . ; Aachen (RWTH).

Manuskript eingegangen a m 20.7.1992