Die Grundwasserströmung in Küstennähe ist von komplexen, dichteabhängigen Strömungsprozessen und hochdynamischen Einflüssen, wie Gezeiten und Wellen, beeinflusst. Deren Darstellung erfordert in der Regel die Verwendung eines dichteabhängigen Grundwasserströmungs- und -transportmodells sowie aufwändig gestaltete Modellrandbedingungen. Dies geht mit hohen Anforderungen an die räumliche und zeitliche Modellauflösung einher und erfordert meist eine hohe Rechenleistung.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) erstellt derzeit ein landesweites Strömungsmodell (STELLAR) für Niedersachsen. Etwa die Hälfte der nördlichen Modellgrenze liegt dabei an der Nordseeküste. Dies erfordert die Berücksichtigung von ozeanischen Einflüssen in Form einer Randbedingung im Strömungsmodell sowie die Definition einer Küstenlinie, welche dieser Randbedingung gerecht wird. Eine Herausforderung stellt dabei dar, dass STELLAR auf Grund der Größe des Modellgebiets als Modell mit konstanter Dichte erstellt wird.

Für die Konzipierung der Randbedingung wurde ein Prinzipmodell eines typischen Küstengrundwasserleiters in Niedersachsen erstellt (Feseker, 2007). Hierbei wurde eine dichteabhängige Variante in SEAWAT implementiert. Dieses Modell diente als Grundlage für Vergleiche mit verschiedenen Konzepten zur Implementierung der Randbedingung in einem dichteunabhängigen Modell mit MODFLOW 6. Ziel war es zu testen (i) wie relevant die Berücksichtigung der küstennahen Salzwasserintrusionen, z.B. als no-flow Randbedingung, ist und (ii) ob die Berücksichtigung von Dichteeffekte in Form von freshwater heads vorteilhaft ist. Für den Vergleich der Modelle wurde die räumliche Verteilung der hydraulischen Potenziale (freshwater heads) herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die beste Annäherung der Potenzialverteilung des dichteabhängigen Modells durch das dichteunabhängige Modell erzielt werden kann, wenn eine möglichst genaue Abbildung der Salz-/Süßwassergrenze in Form einer no-flow Randbedingung vorliegt. Eine vereinfachte Darstellung der Grenze in linearer Form resultiert in zu hohen hydraulischen Potenzialen in Küstennähe, da die effektive Transmissivität des Süßwasserkörpers unterschätzt wird. Weniger große Auswirkungen auf die Potenziale hat die Vereinfachung der Salz-/Süßwassergrenze als vertikale Dirichlet-Randbedingung entlang der Linie des mittleren Meeresspiegels. Hierbei hat sich die Verwendung von freshwater heads zur Berücksichtigung des mit der Tiefe zunehmenden Dichteeffekts als vorteilhaft erwiesen.

Auf Grundlage der Ergebnisse des Prinzipmodells wurde die vertikale Dirichlet-Randbedingung mit freshwater heads als Randbedingung für STELLAR gewählt und der Verlauf der Modellgrenze im Küstenbereich entsprechend angepasst. Die typische Salzwasserdichte im Küstenvorfeld für die Definition der freshwater heads erfolgte basierend auf Daten der WSV.

Literatur

Feseker, T., 2007. Numerical studies on saltwater intrusion in a coastal aquifer in northwestern Germany. Hydrogeol Journal 15, 267–279. https://doi.org/10.1007/s10040-006-0151-z