Grundwassermodelle
Grundlage für die Berechnung von Grundwasserströmungen 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) mittlerweile ein geeignetes Standardinstrumentarium dar. Numerische Grundwasserströmungsmodelle werden verwendet zur:
- Ermittlung der Auswirkung von Maßnahmen an Wasserstraßen auf die großräumigen Grundwasserverhältnisse,
- Durchführung von Variantenuntersuchungen zur Minimierung unerwünschter Auswirkungen von Baumaßnahmen auf das Grundwasser,
- 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 Komplexität (vertikal-eben, dreidimensional, stationär - instationär, gesättigt - ungesättigt).
Vertikal-ebene Berechnungen eignen sich für Grundwasserströmungen, die durch lang gestreckte Bauwerke mit gleichen hydraulischen Randbedingungen dominiert werden und bei denen die Strömung senkrecht zu der Berechnungsebene als vernachlässigbar angenommen werden kann (z. B. Dammdurchströmung). Bei Strömungen mit freier Grundwasseroberfläche, bei denen der wassergesättigte Modellbereich vorab nicht bekannt ist, ist bei vertikal-ebener Modellierung i. A. eine gesättigt-ungesättigte numerische Strömungsberechnung unter Berücksichtigung der im ungesättigten Bereich verminderten hydraulischen Durchlässigkeit und von Grundwasseraustrittsbereichen an der Modelloberfläche durchzuführen. Stationäre Berechnungen von ausschließlich wassergesättigten Strömungen sind i. A. problemlos mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbar. Dagegen erfordern gesättigt-ungesättigte Berechnungen insbesondere für instationäre Strömungen (z. B. zur Ermittlung der Auswirkungen von Hochwasser oder schnellen Wasserspiegelschwankungen auf die Dammdurchströmung) einen erheblichen Modellierungs- und Berechnungsaufwand.
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 ausreichend abgebildet werden kann. Dies ist z. B. bei der Grundwassermodellierung von Bauwerksumströmungen zur Ermittlung der aus Grundwasserdruck- und -strömung resultierenden Kräfte meist der Fall. Auch bei der dreidimensionalen Modellierung ist insbesondere die numerische Berechnung gesättigt-ungesättigter Strömungen mit freier Grundwasseroberfläche sowie instationärer Grundwasserströmungen mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Sie erfordert vertiefte Kenntnisse der Grundwasserhydraulik und der zugrunde liegenden numerischen Berechnungsmethoden sowie umfangreiche Erfahrung in der Modellierung.
Kontakt: geotechnik@baw.de
