Grundwasser­modelle

Grundlage für die Berechnung von Grundwasser- und Sickerwasserströmungen ist ihre Beschreibung mit Hilfe mathematischer Modelle. Zur Bearbeitung komplexer geohydraulischer Fragestellungen stellen numerische Berechnungsverfahren auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) oder der Finite-Differenzen-Methode (FDM) ein geeignetes Instrumentarium dar. Mit diesen numerischen Modellen lassen sich die räumliche Variabilität des Baugrunds und der äußeren Zuflüsse sowie die Änderung der Wassersättigungsverhältnisse berücksichtigen. Numerische Grundwasserströmungsmodelle werden zur Untersuchung unterschiedlicher Fragestellungen verwendet, z. B. zur:

  • Ermittlung der Auswirkung von Maßnahmen an Wasserstraßen auf die großräumigen Grundwasserverhältnisse,
  • Durchführung von Variantenuntersuchungen zur Minimierung unerwünschter Auswirkungen von Baumaßnahmen auf das bestehende Grundwasserregime,
  • Ermittlung der aus der Grundwasserströmung auf den Baugrund und das Bauwerk resultierenden Kräfte und
  • Untersuchung geeigneter Grundwasserhaltungs- oder -entspannungsmaßnahmen zur Reduzierung der Einwirkungen.

Je nach Fragestellung und Datengrundlage erfolgt die Untersuchung der Grundwasserströmung auf Grundlage numerischer Modelle unterschiedlicher räumlicher Auflösung (eindimensional, zweidimensional horizontal- oder vertikal-eben, dreidimensional) und Komplexität (stationär - instationär, gesättigt - ungesättigt).

Vertikal-ebene Berechnungen eignen sich für Grundwasserströmungen, die bei lang gestreckten Bauwerken mit wenig veränderlichen hydraulischen Randbedingungen auftreten und bei denen die Strömungskomponente senkrecht zu der Berechnungsebene vernachlässigbar ist (z. B. Dammdurchströmung). Bei Strömungen mit freier Grundwasseroberfläche, bei denen der wassergesättigte Modellbereich vorab nicht bekannt ist oder sich im Verlauf des betrachteten Zeitabschnittes verändert, erfolgt eine gesättigt-ungesättigte numerische Strömungsberechnung (z. B. zur Ermittlung der Auswirkungen von Hochwasser oder schnellen Wasserspiegelschwankungen auf die Dammdurchströmung). Im ungesättigten Bereich ist der funktionale Zusammenhang zwischen Porenwasserdruck, Sättigungsgrad und hydraulischer Durchlässigkeit zu berücksichtigen. Aufgrund der Nichtlinearität dieser bodenhydraulischen Beziehungen ist die numerische Berechnung deutlich aufwendiger als bei vollständig wassergesättigten Strömungen.

Eine dreidimensionale, numerische Berechnung der Grundwasserströmung ist erforderlich, wenn sich aufgrund der geometrischen Verhältnisse oder der hydraulischen Randbedingungen ein ausgeprägt dreidimensionales Strömungsfeld einstellt, das durch vereinfachte Grundwassermodelle nicht adäquat abgebildet werden kann. Dies ist zum Beispiel bei der Grundwassermodellierung von Bauwerksumströmungen zur Ermittlung der aus Grundwasserdruck- und -strömung resultierenden Kräfte meist der Fall. Dreidimensionale Modellierungen, insbesondere unter Berücksichtigung gesättigt-ungesättigter Strömungen, erfordern vertiefte geohydraulische Kenntnisse und der zugrunde liegenden numerischen Berechnungsmethoden sowie Erfahrung in der Modellierung.

Numerische Verfahren