Das Grundwasser in städtischen Gebieten wird durch verschiedene anthropogene und natürliche Faktoren beeinflusst, z. B. geologische und hydrogeologische Eigenschaften, sowie durch anthropogene Infrastruktur wie beheizte Keller, Tiefgaragen und Bahntunnel. Ein gutes Verständnis von Grundwasserströmung und Wärmetransportprozessen in komplexen städtischen Gebieten ist nicht nur für die Planung von thermischen und hydraulischen Nutzung essentiell, sondern auch für den ökologischen Schutz und die nachhaltige Bewirtschaftung städtischer Grundwasserleiter. Darüber hinaus hilft die Kenntnis der wichtigsten hydrogeologischen und anthropogenen Faktoren, die thermischen Bedingungen im Untergrund beeinflussen, bei Entscheidungsprozessen für ein nachhaltiges Bewirtschaftung. Physikalische numerische Modelle eignen sich hervorragend für die Simulation von Strömungs- und Wärmetransportprozessen unter Berücksichtigung verschiedener Annahmen und Randbedingungen. Eine realistische 3D-Untergrundsimulation in einem komplexen städtischen Gebiet erfordert jedoch einen effizienten Rechenansatz, da für Managementzwecke iterative Simulationen verschiedener Nutzungsszenarien erforderlich sind.

Das Ziel dieser Studie ist es den thermischen Zustand des Untergrunds in Berlin in 3D zu ermitteln, um Archetypen für das Grundwasser und geothermische Nutzungen zu identifizieren. Zu diesem Zweck wird ein detailliertes 3D Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell für Berlin entwickelt. Um die Rechenzeit zu reduzieren, wird der Modellbereich in Blöcke gleicher Größe (500 × 500 × 50 m) unterteilt, wobei jeder Block die hydrogeologischen und anthropogenen Faktoren des jeweiligen Gebiets repräsentiert. Danach werden Simulationen mit verschiedenen Kombinationen hydrogeologischer und anthropogener Faktoren für alle Blöcke durchgeführt, um Input-Output Beziehungen zwischen den Einflussfaktoren und der Grundwassertemperatur herzustellen. Die resultierenden Input-Output Paare werden dann verwendet, um die Blöcke mithilfe eines regressionsbasierten Entscheidungsbaums in Grundwasser-Archetypen zu clustern. Schließlich werden die identifizierten Grundwasser-Archetypen anhand vereinfachter Kriterien in geothermische Archetypen klassifiziert.

Die Modellergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen simulierten und großräumig interpolierten Grundwassertemperaturen. Darüber hinaus erfassen die Blockmodelle thermische Anomalien, die in den interpolierten Karten nicht zu erkennen sind. Mithilfe der regressionsbasierten Entscheidungsbäume wurden 38 Grundwasser-Archetypen für die oberflächennahe, anthropogen beeinflusste Schicht der Blockmodelle, und 21 Archetypen für tiefere Schichten (> 50 m) identifiziert. Beheizte Keller und lokale Grundwassergradienten tragen am stärksten zur Einteilung der Archetypen für die oberflächennahe Schicht der Blöcke bei, während die untere Temperaturrandbedingung die Auswahl der Archetypen in tieferen Schichten dominiert. Anhand geologischer und thermischer Kriterien, z. B. Archetypen mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1.5 W/m·K und einer Bodentemperatur von über 13 °C, wurden 10 der identifizierten Grundwasserarchetypen weiter in geothermische Archetypen unterteilt, die verschiedenen Abstufungen für die Eignung für Erdwärmesondenanlagen ausweisen. Der Archetypenansatz kann daneben auch erweitert werden, um andere Formen der Untergrundnutzung abzudecken, z. B. die Trinkwassernutzung oder den Schutz ökologischer Lebensräume.