GIS-Unterst tzung f r die Grundwassermodellierung

1. GIS-Unterst�tzung f�r die Grundwassermodellierung Josef F�rst

2. Lernziele In diesem Kapitel werden folgende Kenntnisse vermittelt: �berblick �ber den aktuellen Stand der Unterst�tzung von numerischen Grundwassermodellen durch GIS, �berblick �ber den Aufwand, die Vor- und Nachteile verschiedener Ans�tze f�r die Kopplung von GIS und Grundwassermodellen.

3. Gliederung Einleitung Modellierung der regionalen Grundwasserstr�mung Mathematische Modelle der Grundwasserstr�mung Parameter und Randbedingungen Grundwassermodelle als Elemente eines Entscheidungshilfesystems Erstellung und Verwaltung der raumbezogenen Daten im GIS Grundwassermodellierung im GIS Kopplung numerischer Modelle mittels Pr�- und Postprozessoren Lose Kopplung Anwendungsbeispiel: Ausweisung von Brunnenstandorten durch N�herungsl�sungen mittels Superposition im GIS Zusammenfassung

4. Einleitung Regionale Grundwasserwirtschaft ben�tigt Grundwasserstr�mungsmodelle, um die Auswirkungen von Entscheidungen vorherzusagen Mathematische Modellle basieren h�ufig auf partiellen DGL zur Beschreibung von Grundwasserst�nden, bei gegebenen Aquiferparametern, Anfangs- und Randbedingungen K�nnen mit GIS effizient unterst�tzt werden

5. Einleitung 2 Phasen: Entwicklung des konzeptionellen, hydrogeologischen Modells (Daten, Interpolation, ...) STATISCH ? GIS Simulation der Grundwasserstr�mungzeitanh�ngig , DYNAMISCH, begrenzte GIS F�higkeiten ? GIS untert�tzt Preprocessing der Inputs, Postprocessing der Ergebnisse, Visualisierung Kopplung von GIS und Grundwassermodelllen

6. Modellierung der regionalen Grundwasserstr�mung KonzeptionellesModell:

7. Modellierung der regionalen Grundwasserstr�mung. Einfl�sse auf die GW-Str�mung: Entnahmen f�r Trinkwasserversorgung, Landwirtschaft, Industrie: Management Problem: Lage von Brunnen, Ertrag, Qualit�t, wasserrechtliche und �kologische Einschr�nkungen, Wasserkraftwerke, Flussbau, Verkehrswege, Tunnels (Entkopplung von Oberfl�chen- und Grundwasser): Grundwasser steht nicht im Mittelpunkt Management Problem: Suche nach Ausgleichs- oder Sanierungma�nahmen zur Minimierung negativer Auswirkungen

8. Mathematische Modelle der Grundwasserstr�mung PDE (partielle Differentialgleichungen) verlangen r�umliche und zeitliche Kontinuit�t E.g. 2D instation�re, ungespannte Str�mung: Analytische L�sung nur f�r einfache F�lle (Brunnenformeln) Numerische L�sungen: Finite Elemente, Finite Differenzen

9. Mathematische Modelle der Grundwasserstr�mung Diskretisierung in Raum und Zeit

10. Parameter und Randbedingungen F�r jedes Element (Rasterzelle) F�r Str�mungsprobleme: Stauerkote, M�chtigkeit, kf-Wert, Speicherkoeffizient Entlang der R�nder: Spiegellagen oder Durchfl�sse

11. Daten Numerische Grundwassermodellle erfordern eine umfangreiche Datenbasis hydrogeologischer Information und beobachtete historische Grundwasseraufzeichnungen zur Modellkalibrierung Daten sind aus verschiedenen Quellen mit unterschiedlicher Qualit�t und Raumbezug (e.g. Pumpversuche, Laboranalysen, geophysikalische Methoden) ? Interpolation ist eine kritische Frage (GEOSTATISTIK)

12. Grundwassermodelle als Elemente eines Entscheidungshilfesystems Umweltbezogene Entscheidungen sind nicht nur ein technisches Problem Wasserwirtschaftliche Entscheidungen erfordern integrierte technische, �konomische und �kologische Betrachtung computerbasierte DSS unterst�tzen komplexe, aber schwach strukturierte Probleme durch Szenarienanalysie Datenbasis, Modelle, user interface Die meisten Daten sind raumbezogen ? GIS

13. Erstellung und Verwaltung der raumbezogenen Daten im GIS Abbildung des Grundwassersystems in einem abstrakten Datenmodell in GIS

14. Erstellung und Verwaltung der raumbezogenen Daten im GIS Problem: Inkompatibilit�t zwischen kontinuierlichem mathematischem Modell und diskreter GIS Datenstruktur

15. Grundwassermodellierung IM GIS L�sung eines numerischen GW-Modells im GIS scheint naheliegend (Str�mungsbilanz einer Rasterzelle), ist allerdings numerisch zu anspruchsvoll (nur einige Beispiele in der Lietratur) GIS overlay: z.B. Auswertung von Brunnenformeln f�r lokale Aquiferparameter und konstante Entnahme

16. Grundwassermodellierung IM GIS Vergleich FD-Modell -- Brunnenformelauswertung

17. Grundwassermodellierung IM GIS DARCYFLOW Funktionen in Arc/Info Grid: eher erweitertes Postprocessing

18. Grundwassermodellierung IM GIS DSS Module, Postprocessing von FE-Modell

19. Grundwassermodellierung IM GIS DSS Module, Postprocessing von FE-Modell

20. Kopplung numerischer Modelle mittels Pr�- und Postprozessoren Komponenten: User interface Datenbasis Pre-processor f�r Datenerfassung, graphisch-interaktiver Entwurf eines FD-Rasters oder FE-Netzes mit Kopplung an die GIS Daten, formatieren des Inputs f�r numerisches Modell Post-processor zur Auswahl von Modellergebnissen, Transfer ins GIS,Interpretation, Analyse, Visualisierung IM GIS

21. Kopplung numerischer Modelle mittels Pr�- und Postprozessoren Kopplung eines 2D FD Modells mit Arc/Info

22. Kopplung numerischer Modelle mittels Pr�- und Postprozessoren Modulare Toolbox

23. Preprocessor eines 2D FD Modells

24. Postprocessor eines 2D FD Modells

25. Lose Kopplung GIS und numerisches Modell bleiben separat GIS Funktionen als Toolbox Vorbereitung der Inputdaten Visualisierung und Analyse der Ergebnisse Prozedur: Generiere GIS-Datensatz (e.g. polygon shape) �quivalent zum FD- oder FE-Netz des numerischen Modells Datenaustausch �ber ASCII Tabellen, die mit der Attributtabelle des shapefiles verkn�pft werden (join)

26. Beispiel: ArcView zur Visualisierung eines 2D Grundwassermodells

27. Example: Application of Desktop GIS for Decision Support in Groundwater Management Groundwater management of regional aquifers: hydrogeological and hydrological database tools for modelling flow and transport Decision support by scenario analysis integrated modelling packages (PMWIN, Visual Modflow, GMS, ...)focused on groundwater hydrology GIS coupled packages (IHSI)analysis of related spatial criteria modeller and decision maker use the same system

28. Approximate GIS based solution by superposition Numerical modelling requires deeper insight into hydraulic and hydrological processes, numerical problems and pitfalls set-up and calibration is complex and time consuming: decision maker may only formulate and evaluate different management scenarios split (2-phase) DSS Initial phase: set-up and calibration, basic management scenariosFmodel specialist uses tools of choice Scenario analysis: FSuperposition in Desktop GIS by decision makers

29. Approximate GIS based Solution by Superposition contd. Problem class: optimal location of wells, where drawdown is main hydrological criterion, approximate solution by superposition is acceptable (linear problem) other complex criteria, like accessibility of well locations, land ownership, protected areas, ... Case study: regional water supply downstream of Vienna Among several criteria, only drawdown requires flow model, other criteria can be studied by GIS analysis and visualisation

30. Approximate GIS based Solution by Superposition contd. 2-D FD model with square grid zones of similar response to pumping for each zone: compute drawdowns of a typical well save drawdowns of neighbourhood in table Arcview Avenue with Dialog extension: guided generation and simulation of scenarios

31. GIS-based superposition

32. User interface

33. Information on parameters

34. Interpretation of results

35. Cross sections

36. Conclusions Thorough study of the groundwater flow with a well-proven numerical groundwater flow model by a �groundwater specialist�. The accuracy and validity of the approximate solution can be assessed and the constraints easily implemented. decision maker can consider not only groundwater related, but also environmental and economic criteria, can do a �safe� scenario analysis in one convenient GIS environment with only the subset of groundwater hydraulics needed. He will not be overwhelmed by the full catalogue of options in a groundwater modelling package. Implementation in standard ArcView document types using the Avenue language

37. Zusammenfassung Aufwand f�r die Erfassung und Verwaltung der ben�tigten Daten reduziert ? zuverl�ssigere Datenbasis. direkte Modellierung in GIS stark vereinfachend Kopplung von GIS und externer Modellsoftware Kopplung �ber Pr�- und Postprozessoren mit gemeinsamer Benutzeroberfl�che lose Kopplung mittels Austausch von Dateien Desktop-GIS als integrative Software-Plattform f�r verschiedene Disziplinen f�r verschiedene Modelle Visualisierungsaufgaben der Grundwassermodellierung k�nnen vor allem bei regionalen, 2D-Str�mungsproblemen fast zur G�nze im GIS gel�st werden

38. Zusammenfassung Nachteile: Diskrete Datenstrukturen f�r kontinuierliche Felder sind teilweise im Widerspruch zu den Modellannahmen GIS sind im Vergleich zu Grundwassermodellen sehr gro�e, manchmal auch teure Softwaresysteme mit einem gro�en Einarbeitungsbedarf Gefahr der sch�nen Bilder � wer �berpr�ft G�ltigkeit und Genauigkeit?