Das Temperaturregime des urbanen Grundwassers wird durch natürliche und anthropogene Faktoren beeinflusst. Darunter sind insbesondere Wechselwirkungen mit der Atmosphäre, mit geothermischen Systemen, zwischen Flüssen und Grundwasser, sowie mit der unterirdischen Infrastruktur (z.B. Fernwärme, Abwassernetze, beheizte Gebäude, Tunnel, Tiefgaragen). In zahlreichen Regionen weltweit werden in diesem Zusammenhang erhöhte urbane Grundwassertemperaturen beobachtet. Diese unterirdischen urbanen Wärmeinseln weichen dabei signifikant von natürlichen thermischen Verhältnissen ab.

Dieser Beitrag richtet den Fokus auf das kontinuierliche Fortschreiten des Wärmeinseleffektes am Standort „Basel-Stadt, Schweiz“ im Laufe der 2010er Jahre. Hierzu erfolgt eine Analyse der Temperaturentwicklung des Grundwassers basierend auf Messwerten des konventionellen Überwachungsnetzwerks und von sieben hochauflösenden Multi-Level-Systemen. In diesem Rahmen wurden räumlich begrenzte Temperatur-Hotspots im Grundwasser mit Werten bis zu 20 °C beobachtet. Bereiche mit erhöhten Temperaturen breiten sich in nahezu allen Quartieren aus und der thermische Einfluss der Urbanisierung ist quantifizierbar.

Zwecks weiterer Untersuchung des Wärmeinseleffektes wurden dreidimensionale Thermo-Hydraulik-Modelle (3D-TH) erarbeitet. Die 3D-TH-Modelle, umgesetzt in FEFLOW, bilden das hydraulische und thermische Grundwasserregime der vier Grundwasserkörper im Basler Stadtgebiet ab (Kleinbasel, Kleinhüningen, Grossbasel-Nordwest sowie Grossbasel-Südost). Bisher basieren die Modelle auf einer einjährigen Kalibrierung (Jahr 2010). Im Rahmen einer Modellaktualisierung wurden umfangreiche Datensätze verschiedener Herkunft – darunter Grundwasserstände und -temperaturen, Oberflächengewässertemperaturen und -pegel, klimatische Parameter sowie Informationen zu Grundwassernutzungen – zusammengeführt, qualitätsgeprüft und in das Modell integriert. Die aktualisierten Modelle basieren nun auf einer erweiterten Kalibrierungsperiode von sechs Jahren (2010–2015) und einer anschließenden Validierungsperiode von fünf Jahren (2016–2020). Auf dieser Grundlage lässt sich die langfristige Dynamik des Basler Grundwassersystems, einschließlich des unterirdischen urbanen Wärmeinseleffekts, konsistent und realitätsnah abbilden.

Parallel dazu erfolgte die Entwicklung eines Konvertierungstools durch die hydrocomputing GmbH & Co. KG. Dieses Werkzeug kann hochauflösende FEFLOW-Modelle semi-automatisiert in MODFLOW-6-Modelle überführen. Diese Ersatzmodelle sind zum Teil schneller ausführbar und daher besonders für Tests, fortgeschrittene Auswertungen wie z.B. Unsicherheitsanalysen oder als Grundlage für KI-Modelle von großer Bedeutung. Die Entwicklung einer thermischen Cauchy-Randbedingung für das neue MODFLOW-6-Energietransportmodul mittels pymf6 ermöglicht es die diesbezüglichen Fähigkeiten von FEFLOW abzubilden. Diese Randbedingung wurde am Beispiel des großen Vorfluters Rhein getestet.

Die Arbeiten unterstreichen die besondere Bedeutung von kombinierten Monitoring-Modellierungs-Ansätzen als sehr robuste Instrumente für das thermische Management urbaner Grundwasserressourcen. Diese Instrumente bilden die Grundlage für eine nachhaltige Nutzung der oberflächennahen Geothermie und für die Formulierung von Strategien zur Minderung der Wärmeinseleffekte.