Original paper

Flächenhafter Wärmeeintrag in Aquifere als Tracer und Indikator für das Kontaminations-Gefährdungspotential Modelle und Geländebeispiele SW-Deutschlands

[Surficial Heat Influx into Aquifers as Tracer and Indicator for the Contamination Potential -- Modells and Field Examples of SW-Germany]

Bundschuh, Jochen

Kurzfassung

Stoff- und Wärmetransport sind analoge Mechanismen. Wird die Wärme als eine Art Tracer verwendet, der den Wärmetransport zwischen der Erdoberfläche und einem Aquifer beschreibt, so sind Rückschlüsse auf Verbindungen zwischen Erdoberfläche und Aquifer -- als mögliche Transportwege für Schadstoffe -- möglich. Grundwassertemperaturfelder und deren zeitlichen Änderungen können somit als Indikator für das Gefährdungspotential oberflächennaher Aquifere gegenüber Kontaminationen dienen. Dazu sind zunächst grundlegende Untersuchungen zum Wärmetransport im Untergrund notwendig, die durchzuführen Aufgabe dieser Studie war. Hierfür wurden für verschiedene Typen von Aquifersystemen numerische Simulationen von Grund- und Quellwassertemperaturen durchgeführt und mit Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen entsprechender Geländebeispiele verglichen. Die Amplitude A der jährlichen Temperaturschwankung und die Phasendifferenz Deltaphi gegenüber der Erdoberflächentemperatur wurden zur Charakterisierung der jährlichen Temperaturschwankungen im Untergrund verwendet. Werden periodische Änderungen der Erdoberfläche (Amplitude A0) durch vertikalen konduktiven Wärmetransport in den Untergrund transponiert, dann gilt -- unabhängig von Aquiferparametern -- zwischen A und Deltaphi die Beziehung: A = A0 exp(-Deltaphi). Bei ausschließlich flächiger Grundwasserneubildung und keinem weiteren Grundwasserzustrom, zeigen Aquifere mit einer erdoberflächenparallelen Grundwasserströmung dieselbe Abhängigkeit. Zusätzlich seitlich mit konstanter Temperatur in das Aquifersystem zuströmendes Grundwasser beeinflußt die jährlichen Temperaturänderungen der Grund- und Quellwässer durch Verringerung der Amplitude. Damit kann die Mischung von Wässern mit verschiedenen Werten von A und Deltaphi nachgewiesen werden und -- wenn weitere Informationen vorliegen -- das Mischungsverhältnis bestimmt werden. Ein seitlicher Grundwasserzustrom mit variabler Temperatur kann zum Nachweis und zur Beschreibung von Uferfiltrationen dienen.

Abstract

Solute- and heat transport are analogous processes. Using the heat as tracer, which describes the heat transport from the earth's surface into an aquifer, information on connections -- as possible path ways for example for contaminants -- between earth's surface and aquifer can be derived. So ground-water temperature fields and their temporal variations may be used as indicator for the contamination potential of shallow aquifers. Therefor first of all fundamental investigations of the heat transport in the subsurface are necessary, which to carry out was task of this study. For that purpose for different types of idealized aquifer systems springand groundwater temperatures were simulated by modelling the coupled groundwater flow and heat transport. Simulated annual spring temperature changes obtained from the different model systems were compared with each other and with respect to temperature and conductivity measurements of corresponding natural systems. Annual amplitude A and phase difference Deltaphi with respect to the earth's surface temperature were used to characterize the annual temperature fluctuations within the subsurface. When periodical surface temperature variations with the amplitude A. are transported by vertical conductive heat flux, then a direct interdependence obtains between A and Deltaphi: A = A0 exp (-Deltaphi). This relation is independent of material properties or other parameters. Given only uniform surficial recharge, aquifers with groundwater flow parallel to the earth's surface may exhibit the same inter-dependence. A constant-temperature lateral groundwater influx influences annual variations in spring- and groundwater temperatures by lowering A. Mixing of waters with different values of A and Deltaphi can be identified and, given supplemental information, the mixture ratio can be determined. Lateral influx of groundwater from a source with annual periodic temperature changes occurs in nature in, for example alluvial aquifers characterized by bank filtration.

Keywords

Aquiferheat influxtraceraquifer vulnerabilitycontaminationnumerical simulationcase studiestemperature transferrecharge Southwest German Hills (Neckar ValleyMain Valley)Baden-WürttembergBavaria