Original paper

Der Abkühlungsvorgang bei anthropogen verursachten, positiven Temperaturanomalien im erdoberflächennahen Grundwasser

[The cooling process of human-caused positive temperature anomalies in near-surface groundwater]

Balke, Klaus-Dieter; Werner, Dietrich

Kurzfassung

Die Einleitung von warmen Wässern in das oberste Grundwasserstockwerk führt dort zu Temperaturerhöhungen. Zur Berechnung der Entstehung, der maximalen Ausdehnung und des Abbaus der artiger Temperaturanomalien wurde ein zweidimensionales, mathematisches Modell entwickelt. Das Modell konnte mittels eines Temperaturmeßprogrammes überprüft werden, bei dem die Abkühlung einer durch die Einleitung von warmem Abwasser verursachten Temperaturanomalie knapp drei Jahre lang verfolgt wurde. Der Vergleich der Modelltemperaturen und der wahren Werte ergab gute Übereinstimmungen. Es zeigte sich, daß eine durch Warmwassereinleitungen verursachte Temperaturanomalie relativ schnell aufgebaut wird. Zur Erdoberfläche und in Grundwasserfließrichtung stellt sich dann ein stationärer Zustand ein, der im wesentlichen durch die Menge und Temperatur des eingeleiteten Wassers sowie die hydrogeologischen Verhältnisse, insbesondere die Grundwasserfließgeschwindigkeit, bestimmt wird. Zur Tiefe hin baut sich die Anomalie langzeitig mit sehr geringen Temperaturerhöhungen weiter aus. Der Temperaturabbau nach Beendigung der Warmwassereinleitung erfolgt durch Wärmeabfluß zur Erdoberfläche. Besonders starke Abkühlungseffekte treten im Zuströmungsbereich des normal temperierten Grundwassers auf sowie an den Rändern der Anomalie infolge Wärmeabgabe an den angrenzenden, thermisch unbeeinflußten Bereich. Änderungen der Grundwasserfließrichtung, hoher Wassergehalt in der ungesättigten Zone und eine hohe Grundwasserneubildung verstärken den Abbau der Temperaturanomalie.

Abstract

The infiltration of warm water into the uppermost multiaquifer formation leads to a rise in temperature at that level. For calculating the origin, the maximum expansion and the reduction of such temperature anomalies, a two-dimensional mathematical model has been developed. The model could be tested by means of a program to measure temperature. This program consisted of following up, for nearly three years, the cooling of a temperature anomaly which was caused by the infiltration of waste water. A comparison between the temperatures calculated from the model and those actually measured provided far-reaching agreement. It could be demonstrated that a temperature anomaly caused by infiltration of warm water is produced relatively quickly. Towards the earth's surface and in the flow direction of the groundwater an equilibrium is reached which is mainly governed by the amount and temperature of infiltrated water as well as general hydrogeological conditions. With depth the anomaly gradually grows with minimal temperature increases. Decrease in temperature with cessation of warm water infiltration results from losses of warmth to the earth surface. In areas where ground waters of normal temperature flow in colling phenomena are very marked. The same is true for the margins of an anomaly, this being due here to loss of warmth to the surroundings which are thermically uneffected. Directional changes in the groundwater flow, increased water content in the unsaturated zone and a pronounced groundwater recharge intensify the reduction of the temperature anomaly.

Keywords

Mathematical modelpit sectionriver terracewarm waterinfiltrationground wateranomalyisothermhydrostatical levelin-situ teststatistics (1972-1974) Rhenish-Westphalian Basin (Silbersee)