Original paper

Zur Abschätzung gewinnbarer Grundwassermengen aufgrund mathematischer Analysen von Grundwasserganglinien in Teilgebieten von Berlin (W)

[On the Evaluation of the Exploitable Quantity of Groundwater by Mathematical Analysis of Groundwater Hydrographs in Selected Areas of Berlin (West)]

Brühl, Hanskarl; Bütow, Eckart; Preller, Christian

Kurzfassung

Bisher liegen für das Gebiet von West-Berlin nur relativ grob geschätzte Zahlen zur Grundwassererneuerung vor. Bilanzwerte vom Grundwasserhaushalt lassen sich hier in hergebrachter Form, z. B. über Abflußbeobachtungen, nicht ermitteln. Das Ziel der Untersuchungen besteht darin, die Grundwassererneuerung bzw. die nutzbaren Grundwassermengen unter den gegebenen Bedingungen feiner und differenzierter abzuschätzen. Schlüsseldaten sind die langjährigen Grundwasserstandsaufzeichnungen von zahlreichen Meßstellen, die Klimawerte sowie die vorliegenden Schichtprofile der jungpleistozänen und holozänen Ablagerungen. Zur exakten Analyse der Meßreihen (Ganglinien) boten sich Methoden der Zeitreihenanalyse an (i. w. über Kovarianzfunktionen, verbessert durch Gewichts- oder Ausgleichsfunktionen). Folgende Aspekte werden an Einzelpegeln oder Gruppen in relativ homogenen Teilgebieten mit unterschiedlichen geologischen Gegebenheiten untersucht: 1. Aufbau und Eigenheiten der einzelnen Ganglinie; 2. Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen Ganglinien; 3. Korrelationen von lokalen Klimawerten mit verschiedenen Ganglinien eines jeden Teilgebietes; 4. Unterschiede im Grundwasserverhalten der einzelnen Gebiete; 5. Ursachen signifikanter Unterschiede; 6. Vorhandene Trends und deren Charakteristik; 7. Korrelation von Trendfunktion und Ursachen. Ergebnisse der Zeitreihenanalyse sind die Grundlage für die Beschreibung des Grundwasserverhaltens in den betrachteten Gebieten. Bei einer der weiter verarbeitenden Methoden werden einem Drei-Zonen-Aufbau in der Vertikalen (Bodenzone, ungesättigte Z. und gesättigte Z.) zur Simulation einer Ganglinie drei Variable (Monatswerte der Niederschlagssumme, mittleren Lufttemperatur und des mittleren Dampfdrucks) und neun Parameter für jeden Einzelschritt als feste Werte zugeordnet. Durch schrittweise Änderung bestimmter Parameter wird im Simulationsprozeß eine Typkongruenz zur natürlichen Ganglinie angestrebt. Dabei werden die Glieder näherungsweise ermittelt, welche maßgebend sind für den Niederschlagsanteil, der zum Grundwasser gelangt, und für das zeitabhängige. Maß der Grundwasserstandsänderung. Ein Anwendungsbeispiel für einen Aquifer unter Grundmoränenbedeckung im Süden von Berlin (W) zeigt aus den Parametern einer simulierten Ganglinie u. a., daß dem Grundwasser im Mittel 12,1% des Jahresniederschlages (d. h. etwa 70 mm) zusickern.

Abstract

Up to now there exist only roughly estimated data for the natural groundwater recharge in the area of Berlin (West). It is not possible, to determine a groundwater budget in the traditional way here, e. g. with the discharge Separation of baseflow. The purpose of these investigations is a more exact evaluation of the groundwater recharge and the usable quantity of groundwater. Key data are the longterm hydrographs from numerous groundwater gauges, meteorological data and columnar sections of the upper pleistocene and holocene layers. For an exact analysis of the variations of groundwater hydrographs we used the methods of timeseries analysis (essentially the covarianzfunction, corrected by weighting and smoothing functions). The following aspects are investigated for single or groups of groundwater-gauges in relative homogeneous intake areas with different geological conditions: 1. Configurarion and characteristics of the single hydrograph; 2. Similarities and differences between various hydrographs; 3. Correlarion of local climate with various hydrographs of each area; 4. Differences in the behaviour of groundwater in the selected areas; 5. Reasons for evident differences; 6. Existent trends and their characteristics; 7. Correlation of trend-functions and reasons. The results of time-series analysis are the basis for the description of the groundwater behaviour in the tested areas. By an additional procedure a hydrograph is simulated for a vertical three zone body (soil zone, unsaturated zone, saturated zone) by using three variables (monthly depths of precipitations, monthly means of air temperature and of vapor pressure) and nine fixed parameters for each step. By step by step variation of certain parameters the synthetic hydrograph is tested for correspondence with the measured values. The parameters are determined approximately which are important for the part of precipitation reaching the groundwater and for the time depending levels of groundwater. A computed example for an aquifer under a leaky ground moraine in the South of Berlin (West) demonstrates, that in the mean 12% (=^ 70 mm) of annual precipitation percolates to groundwater recharge.

Keywords

Groundwater budgetgroundwater hydrographsrechargeatmospheric precipitationtime-series analysis NE-German Lowland (Westberlin) TK 25: 334534453545