English Title: Coupling between surface water and groundwater: Modeling and analysis of environmental tracers

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Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Kopplung zwischen Grund- und Oberflächenwasser am Willersinnweiher bei Ludwigshafen zu untersuchen. Dazu wurde die regionale Grundwasserströmung im Großraum Ludwigshafen mit Hilfe eines Grundwasserströmungsmodells simuliert und die daraus für den Nahbereich des Willersinnweihers ermittelten Strömungsrichtungen anhand von Messungen der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium aus der Wassersäule des Willersinnweihers und Grundwassermessstellen in der Umgebung des Sees verifiziert. Die Unsicherheit in der Höhe des berechneten Grundwasserzustroms zum Willersinnweiher wurde anschließend in einer Sensitivitätsstudie ermittelt. Die hohe Grundwasserentnahme aus dem Mittleren Grundwasserleiter Ludwigshafens von ca. 32 Mio m^3/a wirkt sich maßgeblich auf die Grundwasserströmung im Oberen Grundwasserleiter des Untersuchungsgebietes aus. Daher wurde zur Modellierung der regionalen Grundwasserströmung ein vierschichtiges Grundwassermodell für das Stadtgebiet Ludwigshafen konstruiert, welches neben dem Oberen Grundwasserleiter mit dem dort situierten Willersinnweiher auch den Mittleren Grundwasserleiter und den dazwischen liegenden Oberen Zwischenhorizont als Grundwassergeringleiter umfasst. Die regionale Grundwasserströmung im Stadtgebiet Ludwigshafens konnte gut durch das kalibrierte Grundwassermodell reproduziert werden. Der Willersinnweiher wird dabei aus südwestlicher Richtung vom Grundwasser angeströmt, wobei ein Großteil dieses Wassers zuvor einen von drei im Anstrom liegenden Baggerseen passiert hat. Das Hauptabstromgebiet des Willersinnweihers liegt am nordöstlichen Seeufer. Die berechneten Grundwasserströmungsgeschwindigkeiten im Uferbereich des Willersinnweihers sind mit Fließgeschwindigkeiten zwischen 10^-3 und 0,45 m/d sehr gering. Mit Hilfe der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 aus Grund- und Oberflächenwasser konnte die lokale Grundwasserströmung in der näheren Umgebung des Willersinnweihers unabhängig vom Strömungsmodell überprüft werden. Der Vergleich der Ergebnisse des Strömungsmodells und der Isotopenuntersuchungen zeigte eine gute Übereinstimmung in der Lage der Zu- und Abstromgebiete, wobei anhand der stabilen Isotope eine mehr südliche Zustromrichtung zum Willersinnweiher festgestellt werden konnte. Zur Bestimmung der Unsicherheit der mit dem regionalen Modell ermittelten Grundwasserströmungsrichtung und -zuflussmenge zum Willersinnweiher wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Dabei wurde sowohl der Einfluss einzelner, im Modell stark vereinfachter oder vernachlässigter Parameter sowie die Wirkung zufallsgenerierter räumlicher Heterogenitäten im k_f-Wert des Oberen Grundwasserleiters auf die Höhe und Richtung des Grundwasserzustroms zum Willersinnweiher untersucht. Die Studie ergab, dass die Vernachlässigung des Zwischenhorizontes ZH1, die Sickerung von Grundwasser durch den Unteren Zwischenhorizont UZH und die Sickerung von Oberflächenwasser durch die Rheinsedimente keinen nennenswerten Einfluss auf die Grundwasserstände im Modellgebiet sowie die Zuflussmenge und den Wasserstand des Willersinnweihers haben. Ein maßgeblicher Einfluss auf die Höhe des Grundwasserzustroms konnte hingegen für die hydraulische Leitfähigkeit der Seesedimente sowie für räumliche Heterogenitäten im k_f-Wert des Grundwasserleitermaterials festgestellt werden. Die Simulationen mit heterogenem Durchlässigkeitsbeiwert ergaben einen in seiner Höhe stark variablen Grundwasserzustrom zum Willersinnweiher in Höhe von 681 bis 1726 m^3/d, welcher zu einer theoretischen Austauschzeit des Seewassers zwischen 2,1 und 5,2 Jahren führt. Die simulierten Hauptgebiete des Grundwasserzustroms und -abstroms bleiben dabei weitgehend erhalten. Der berechnete Grundwasserzustrom kann unter Berücksichtigung der Seesedimente allerdings mehr als halbiert werden. Insgesamt sind die aus dem regionalen Strömungsmodell bestimmten Grundwasserzuflussraten zum Willersinnweiher und Transportrichtungen in der nahen Umgebung des Sees trotz einer vergleichsweise hohen Datendichte und präzisen Kalibrierung des Strömungsmodells noch mit einer sehr großen Unsicherheit behaftet. Für die auf dieser Skala interessanten Fragestellungen des Stofftransports und lokaler Prozesse ist eine deutlich feinere Auflösung der Variabilität der hydraulischen Parameter notwendig, um im Nahbereich des Sees stattfindende Prozesse präziser vorhersagen zu können. Die Modellierung dieser Prozesse könnte über ein geschachteltes Modell mit kontinuierlich zunehmender Auflösung erfolgen, wobei die erforderliche hohe Informationsdichte z.B. aus geophysikalischen Messungen erhalten werden könnte.

Translation of abstract (English)

The aim of this work was to investigate the coupling between surface water and groundwater at the Willersinnweiher quarry pond, Ludwigshafen, Germany. The regional groundwater flow in the area of Ludwigshafen was simulated with MODFLOW. The calculated flow directions in the immediate neighborhood of the lake were verified by measurements of the stable isotopes oxygen-18 and deuterium from the water column of the lake and from the adjoining groundwater. Finally, the uncertainty in the calculated inflow into Willersinnweiher was investigated with a sensitivity analysis. The large groundwater withdrawal from the deeper aquifers in the city of Ludwigshafen of about 32 · 10^6 m^3/a has a significant influence on the groundwater flow directions within the upper aquifer of the study area. Hence, a four-layer groundwater model was set up for the modeling of the regional groundwater flow in the urban area of Ludwigshafen. It consists of the upper aquifer with the Willersinnweiher, the medium aquifer, and the less conductive upper intermediate horizon between them. The regional groundwater flow in the area of Ludwigshafen was well reproduced by the calibrated groundwater model. Inflow into Willersinnweiher occurs from the southwestern direction. A significant fraction of this water has passed at least one of three quarry ponds situated upstream. The main area of lake water outflow is at the northeastern banks of the quarry pond. The calculated groundwater flow velocities at the banks of Willersinnweiher are very low with flow velocities that range between 10^-3 and 0.45 m/d. Using measurements of the stable isotopes deuterium and oxygen-18 from ground- and surface waters the local groundwater flow directions in the surroundings of Willersinnweiher could be verified independently from the flow model. Comparison of the results of these two independent methods shows a good agreement of the position of the in- and outflow areas, with a slightly more southern direction of groundwater inflow deduced from the stable isotope measurements. To determine the uncertainty of the simulated flow directions and amount of inflow into Willersinnweiher from the regional flow model, a sensitivity analysis was performed. Within this study, the influence of single parameters which were simplified or neglected in the flow model as well as the impact of random generated spatial heterogeneities in the hydraulic conductivity of the upper aquifer on the amount and direction of groundwater inflow to Willersinnweiher was investigated. The study shows that neglecting the intermediate horizon ZH1, the leakage of groundwater through the lower intermediate horizon UZH, and the leakage of surface water through the Rhine sediments have no appreciable influence on groundwater levels in the model area, amount of groundwater inflow, or water level of Willersinnweiher. A significant influence on the amount of groundwater inflow into Willersinnweiher was found for the hydraulic conductivity of the lake sediments as well as for spatial heterogeneities in the hydraulic conductivity of the aquifer material. The simulations with a heterogeneous hydraulic conductivity lead to a large variability in the amount of groundwater inflow to Willersinnweiher of 681 to 1726 m^3/d. This results in a theoretical residence time of the lake water between 2.1 and 5.2 years. The simulated main areas of groundwater in- and outflow at Willersinnweiher remain thereby quite stable. Taking into account the lower hydraulic conductivity of the lake sediments, the calculated amount of groundwater inflow may be reduced at least by a factor of 2. Overall, despite a rather large amount of data and precise calibration of the flow model, the amount of groundwater inflow and the transport directions in the near surroundings of the lake which are determined from the regional flow model are quite uncertain. For problems of solute transport and local processes that are interesting at this scale, a significantly finer resolution of the variability of the hydraulical parameters is essential in order to be able to predict processes in the direct vicinity of the lake with a larger precision. The modeling of these processes could be done by using a nested model with continuously increasing resolution. The required large amount of information could, e.g., be obtained from geophysical measurements.