Der Austausch zwischen Grundwasser und Kanalnetz kann in die Prozesse der Grundwasserinfiltration in Kanalnetze und der Abwasserexfiltration aus Kanalnetzen unterteilt werden. Generell entstehen durch die In- und Exfiltration (I/E) erhöhte Kosten der Abwasserentsorgung und eine Belastung für Boden, Grundwasser und Oberflächenwasser. Für Einschätzungen zur Dynamik und Quantität der In- und Exfiltration ist die Nutzung von Modellen sinnvoll, da zahlreiche Einflussfaktoren in die Betrachtungen einfließen können und dadurch eine komplexe Erfassung der Prozessmechanismen ermöglicht wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden physikalisch basierte Modelle zur Abbildung der In- und Exfiltrationsprozesse hinsichtlich erforderlicher Parameter und Randbedingungen analysiert und angewandt. Anhand detaillierter 3D-Modelle, kleintechnischer Versuche, Datenanalysen und statistischer Verfahren erfolgte die Modifizierung und Entwicklung von I/E-Modellen sowie die Parameteridentifikation zur Abbildung der In- und Exfiltration. Des Weiteren wurden die entwickelten Modellansätze mit einem hydrodynamischen Kanalnetzmodell verknüpft und großräumige Langzeitsimulationen durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen bezüglich der Infiltration von Grundwasser in das Kanalnetz, dass eine physikalisch basierte Prozessmodellierung einer Abstraktion bedarf, um die 3-Dimensionalität des Prozesses in einem 1D-Modell wieder zu geben und dadurch die Anbindung an ein Kanalnetzmodell zu ermöglichen. Anhand von Simulationsrechnungen wurde festgestellt, dass die quantitative Betrachtung der Infiltration auf Einzugsgebietsebene keine hydrodynamische Modellierung erfordert. Signifikante quantitative Änderungen der Grundwasserinfiltration aufgrund der Wasserstandsschwankungen in den Kanälen sind nur lokal oder temporär von Bedeutung. Die Grundwasserinfiltration kann jedoch deutliche Auswirkungen auf die Ergebnisse der hydrodynamischen Simulation haben. Anhand von Datenanalysen im Einzugsgebiet Dresden konnte des Weiteren ein signifikanter Zusammenhang zwischen Infiltrationsparametern und Kanalzustand ermittelt werden. Der Exfiltrationsprozess kann durch ein 1D-Modell gut abgebildet werden, wobei der Prozess der Bodenkolmation anhand eines zeit- und potenzialabhängigen Modells implementiert werden kann. Ferner konnte durch die Verknüpfung mit Infiltrationsanalysen eine Ableitung der Schadensfläche erfolgen, die als Parameter in die Exfiltrationsmodellierung eingeht. Die hydrodynamischen Berechnungen zeigen, dass für die Exfiltrationsmodellierung eine möglichst exakte Berechnung der Wasserstände in Kanalnetzen essentiell ist. / The water exchange between groundwater and sewer system can be characterized by the processes of groundwater infiltration and sewerage exfiltration. Infiltration and exfiltration (I/E) cause an increase of the costs of sewerage management and a deterioration of soil, groundwater and the receiving surface water. In order to assess the dynamics and quantities of I/E, model applications can be used in order to include influencing factors and to afford a complex consideration of the process mechanisms. Within this work I/E-approaches were analyzed and modified in order to assess parameters and boundary conditions. The parameter identification and model development was realised according to the application of a detailed 3D-model, the realization of experiments, data analyses and the application of statistical methods. Furthermore the developed and modified approaches were coupled with a hydrodynamic sewer network model and long term simulations were performed. It was found that a physical based description of the infiltration process requires the implementation of the 3-dimensionality of the process. A hydrodynamic modelling of the sewer flow processes is not necessary to quantify infiltration rates on catchment scale, but the results of hydrodynamic modelling can be influenced significantly by groundwater infiltration. Furthermore data analyses of data of Dresden show a significant relationship between infiltration parameters and the condition class of the sewer pipes. The exfiltration process can be described by a 1D-model, whereat the processes of soil clogging are simulated by a time and potential based approach. Using the infiltration analyses it was possible to calculate the leak area, which is an important parameter of the exfiltration modelling. Hydrodynamic simulations show that the exfiltration modelling requires an accurate calculation of water levels in sewers.

Veränderungen des Klimas, zunehmende Grundwassernutzungen sowie die Verdichtung der städtischen Strukturen wirken sich auf Temperaturen, Mengenbilanzen und den Wasserspiegel des Grundwassers aus. Schon heute lassen sich anthropogene Einflüsse wie tief liegende Gebäudestrukturen und Einleitungen von Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf das Temperaturniveau des Grundwassers nachweisen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen dieser natürlichen und anthropogenen Effekte in Dresden und die Aufstellung von Ansätzen eines Grundwasser-Temperaturmanagements. Auf der Grundlage aktueller Daten zu Grundwassernutzung und zur Grundwasserneubildung wurden Ist-Zustands-Berechnungen sowie Projektionen künftiger Systemzustände mit dem Grundwassermodell Dresden realisiert. Aufgrund des von TESCH (2013) in Szenarienberechnungen projizierten Rückgangs der Grundwasserneubildung um ca. zwei Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist ein deutlich geringeres Grundwasserdargebot zu erwarten. Defizite in der Grundwasserbilanz werden jedoch durch einen höheren Anteil an Uferfiltrat zum Teil ausgeglichen. Wesentlich ist, dass in den Szenarienberechnungen die maximale Entnahmemenge einen größeren Einfluss auf die Grundwasserbilanzen ausübt als der projizierte Rückgang der Grundwasserneubildung. Die Gewinnung von ausreichend Grundwasser für die Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs von Bevölkerung, Gewerbe und Industrie scheint auch künftig sicher. Wärmeeinträge in das Grundwasser wurden anhand von Daten aus Stichtagsmessungen der Jahre 2009 und 2011 (FUGRO HGN; 2009 und SCHOLZ UND LEVIS, 2011) identifiziert. Hierbei konnte eine Reihe von Temperaturanomalien im Stadtgebiet den Quellen eindeutig zugeordnet werden. Anhand der Untersuchung von drei Teilgebieten zeigte sich, dass das Temperaturniveau des Grundwassers im Stadtzentrum (Teilgebiet Altstadt) gegenüber den anderen untersuchten Teilgebieten (Elbbogen Übigau und Johannstadt/Striesen) erhöht ist, was zuerst auf die Vielzahl von Bauwerken zurück geführt wird, die bis in das Grundwasser reichen. Des Weiteren zeigte sich ein deutlicher Zusammenhang von Messstellendichte und Ergebnisqualität. Während in der Altstadt die Identifikation von Wärmequellen gut möglich war, sind die Ergebnisse zu anderen Teilgebieten aufgrund der deutlich geringeren Messstellendichte weniger belastbar. Temperaturen im Boden und in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle in der Dresdner Altstadt wurden über einen Zeitraum von ca. 2 Jahren ausgewertet. Die Untersuchungen belegen die Durchprägung des Jahresgangs der Lufttemperatur bis zum Grundwasser mit einer zeitlichen Verzögerung des Eintreffens der Extremwerte von ca. drei Monaten. Mit den Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das gleichzeitig angewendete Verfahren der Messung von Temperaturen in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle zur Identifizierung der vertikalen Temperaturverteilung im Boden praktisch anwendbar ist. Der Wärmetransport im Boden wurde mit dem Programm HYDRUS 1-D für den Ist-Zustand auf Basis der Bodentemperaturmesswerte und für die Zukunftsszenarien auf der Basis von WETTREG 2010-Daten abgebildet. Die Berechnungen ergaben im Vergleich zum Ist-Zustand erhöhte Bodentemperaturen. Besonders interessant ist, dass die Änderungssignale der Bodentemperaturen für alle berechneten Tiefen bei den Minima deutlicher ausfallen als bei den Maxima. Des Weiteren zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Berechnungsergebnissen der beiden untersuchten Zeitscheiben (2021 bis 2050 und 2071 bis 2100). Die höheren Bodentemperaturen im Winter bieten gegebenenfalls Ansatzpunkte zur Nutzung dieses Wärmeangebots, die erhöhten Temperaturen im Sommer können gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Temperaturen des Wassers in Abschnitten des Trinkwassernetzes mit zeitweise größeren Aufenthaltsdauern führen. Die gefundenen Ergebnisse implizieren zudem künftig höhere Grundwassertemperaturen. Die Auswirkungen von Wärmeeinträgen auf das Grundwasser wurden mit Hilfe von MODFLOW/SEAWAT-Konzeptmodellen untersucht. Für den Ist-Zustand berücksichtigen diese Konzeptmodelle bereits Wärmeeinträge durch Gebäude und thermische Grundwassernutzungen (MIX, 2013). In den Szenarienberechnungen wurden projizierte erhöhte mittlere Lufttemperaturen aufgeprägt und weitere, zum Teil fiktive Nutzungen und Wärmeeinträge durch Gebäude implementiert. Die mit dem Anstieg der Lufttemperatur erwartete Erhöhung der mittleren Grundwassertemperatur und somit die Wirkung der natürlichen Anteile der Wärmeeinträge wird für die weniger anthropogen beeinflussten Grundwasserleiterabschnitte am deutlichsten. Die Modellergebnisse zeigen, dass unter den angenommenen Voraussetzungen mittlere Grundwassertemperaturen über 20°C nicht erreicht werden und modellgestützte Managementmaßnahmen für größere Grundwasserleiterabschnitte hinsichtlich der Bewertung energetischer Nutzungen des Grundwassers zielführend sind. Aufgrund des heutigen Standes der Forschungen zur Auswirkung von Wärmeeinträgen auf die Grundwasserqualität kann noch kein Handlungszwang abgeleitet werden, gleichsam fehlt ohne verbindliche Temperaturrichtwerte ein rechtlicher Rahmen. In der Klärung dieser Fragen, der verstärkten Wärmerückgewinnung aus dem Grundwasser und dem modellgestützten Grundwasserwärmemanagement sind zukünftige Aufgabenfelder der Grundwasserbewirtschaftung erkennbar. / Climate change, the rise of energetic groundwater use and the compact city structures cause an impact to the groundwater temperatures, groundwater quantity balance and the groundwater table. Today impacts of anthropogenic influences like deep basements of big buildings and the infiltration of heated or cooled water from groundwater using heat pumps were already detected. The target of this dissertation has been the investigation of these natural and anthropogenic effects in Dresden and planning steps for a groundwater temperature management. Basing on existing data of groundwater use and recharge in Dresden, a modelling of the recent and future system status scenarios with the three-dimensional model has been done. According to the latest results of the regional climate model WETTREG 2010 and a work by Tesch about the groundwater recharge until the end of the 21st Century, a significant reduction in resources are expected. Partly the balance deficit will be regulated by bank filtration. It is an important fact that the maximum discharge rate, which is larger than the permitted real use, has a bigger influence in the balance than the lower groundwater recharge. The water catchment to supply inhabitants and industrial units seems to be secure in the future. Heat impacts to the groundwater were detected by measurements in 2011 and 2012. With the results of these measurements anomalies of the temperature field and the emission points of heat inputs were distinctly located. Based on the investigation of three subareas, a higher level of groundwater temperatures in the city center (subarea Altstadt) compared to the other subareas (Übigau and Jogannstadt/Striesen) was detected. The reason of this fact is the multitude of big buildings which are reaching the aquifer. The investigation has also showed the relationship between the quantity of the measuring points and the quality of the results. In the subarea Altstadt an identification of heat inputs could be very well found. The results in the other subareas with a lower amount of sampling points have not the same level of validity. Information from time series over two years about soil and air column temperatures of a close-by groundwater measurement point were analyzed. The research documents the heat transport from the air to the groundwater with a retardation of the extreme values along about three months. With this analysis, the method of measurement air column temperatures in groundwater measurement points aiming to identify the vertical soil temperature distribution could be attested. The measured heat transport in the unsaturated soil was reproduced with the HYDRUS 1-D program. After this, future scenarios on the basic of WETTREG 2010 results were computed. The findings are higher soil temperature levels in the future with higher alteration signals in the minimum than in the maximum values. The modeling results have also showed a significant difference in the investigated time series (2021 - 2050 and 2071 - 2100). The higher temperatures in winter could be a chance to use this heat. In the summer it could partly affect parts of the water supply. Furthermore the findings implicate higher ground water temperatures in the future. To investigate heat impacts to the ground water concept, models of MIX (2013) were used for the heat transport in the aquifer which combines the heat impact of buildings and heat pumps with the natural air temperature rise. The WETTREG2010 result (air temperatures), heat inputs and possible new energetic groundwater use systems were implemented in the conceptual models. Results of the modeling has showed that the expected rise of the ground water temperature will be more significant for the less anthropogenic influenced parts of the urban aquifer than the parts with high initial level of heat pollution. In the model results, the temperatures do not reach mean values of 20°C (LAWA guideline). An important finding is also that these models could be used for a more efficient groundwater heat management and for the evaluation of energetic groundwater projects of its use. Because of the recent stand of research on the impacts of higher ground water temperatures to the ground water quality, a need for action can’t be indicated at the moment. At present there are no guideline values neither standard of law for the energetic use of groundwater. This facts and the question of heat recycling from the urban aquifer are fields for the groundwater management in the future.

Karst aquifers can be conceptualized as dual flow systems comprised of a low-conductive matrix with embedded high-conductive conduits / preferential flow zones. Discharge in conduits ranges from low-velocity laminar flow to high-velocity transitional and turbulent flow. Commonly employed continuum models do not account for the specific behavior of transitional and turbulent flow. In response to this limitation, enhancements have been made to MODFLOW, a commonly used groundwater flow model, by adding a discrete conduit network to the matrix continuum (hybrid model). The Conduit Flow Process (CFP) package is the latest realization of this model approach. CFP Mode 1 (CFPM1) computes laminar and turbulent flow in discrete conduits that are coupled to the laminar continuum model. CFP Mode 2 (CFPM2) accounts for turbulent flow in preferential flow layers by adapting the continuum model. Therefore, laminar hydraulic conduc-tivities are converted into turbulent hydraulic conductivities. CFPM2 was further modified to consider steady turbulent pipe flow. Karst models based on CFPM2 require potentially less input data and computational efforts than karst models based on CFPM1. Furthermore, CFPM2 integrates more easily into MODFLOW versions including e.g. transport models. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrates that continuum models with turbulent flow representation and an additional flow barrier between conduits and matrix can represent karst systems similar to hybrid models. For simulation of highly transient flow processes in karst conduit systems, i.e. during flood events, it is crucial to consider dynamics such as free-surface flow, wave propagation, and changes between pressurized and non-pressurized conduit flow. The coupled overland- and groundwater flow model MODBRANCH was therefore enhanced to consider unsteady and non-uniform flow processes in karst conduits. Flow in discrete conduits is simulated using the Saint-Venant-equations for free-surface flow. Contrary to overland flow, the cross sectional area of karst conduits is finite. Accordingly, both pressurized and non-pressurized flow may occur within conduits. To simulate pressurized flow, a hypothetical, narrow, open-top slot (Preissmann slot) is added to the conduit crown, which allows the use of the free-surface flow equations for fully filled conduits. Beyond this, the model features a variable time step to consider wave speed variations, for example due to the transition from free-surface to pressurized flow. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrate the significance of free-surface flow representation for variably filled conduits. / Karstgrundwasserleiter können als duale Fließsysteme konzeptionalisiert werden, bestehend aus einer geringdurchlässigen Matrix mit eingebundenen hochdurchlässigen Bereichen, z. B. Karströhren. Der Abfluss in den hochdurchlässigen Bereichen reicht von langsamer laminarer Strömung bis zu schneller turbulenter Strömung. Herkömmliche numerische Grundwasser-strömungsmodelle berücksichtigen nicht die spezifischen Eigenschaften von nicht-laminarer Strömung (Übergangsbereich laminar-turbulent bzw. turbulente Verhältnisse). Ein Ansatz um diese Einschränkung zu umgehen, ist die Erweiterung des laminaren Kontinuums um ein dis-kretes Röhrenmodell, das zustandsabhängig laminare und turbulente Strömung berücksichtigt (Hybridmodell). Eine aktuelle Umsetzung dieses Ansatzes ist Conduit Flow Process (CFP), ein Modul für das weitverbreitete Grundwasserströmungsmodell MODFLOW. CFP Mode 1 (CFPM1) berechnet laminare und turbulente Strömung in diskreten, mit dem Kontinuummodell gekoppelten Röhren. CFP Mode 2 (CFPM2) berücksichtigt nicht-laminare Strömung in hochdurchlässigen Schichten mit einer angepassten hydraulischen Leitfähigkeit des Kontinuummodells. CFPM2 wurde weiter modifiziert, so dass auch turbulente Strömung in Karströhren berechnet werden kann. Dadurch kann möglicherweise der Parameterbedarf sowie der Rechenaufwand gegenüber Hybrid¬modellen reduziert werden. CFPM2 lässt sich einfach in vorhandene MODFLOW Modelle einbinden, z. B. zur Berechnung von Transportprozessen. Parameterstudien für ein idealisiertes Karsteinzugsgebiet zeigen, dass Kontinuummodelle bei Berücksichtigung der turbulenten Strömung sowie des zusätzlichen hydraulischen Widerstand zwischen Röhren und Matrix, Karstsysteme ähnlich wie Hybridmodelle darstellen. Zur Simulation von instationären Prozessen in Karströhren, z. B. ausgeprägte Abflusssignale infolge pulsförmiger Grundwasserneubildung, ist es notwendig, dynamische Prozesse infolge Freispiegelabfluss, Wellenausbreitung sowie Wechsel zwischen Abfluss in teil- und vollgefüllten Röhren zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das numerische Modell MODBRANCH, welches ein diskretes Oberflächenwassermodell mit einem Kontinuummodell koppelt, so angepasst, dass instationäre und nichtgleichförmige Abflussprozesse in Karströhren berücksichtigt werden können. Der Abfluss in diskreten Röhren wird dabei mit den Saint-Venant-Gleichungen für Freispiegelabfluss berechnet. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern ist der für den Abfluss zur Verfügung stehende Querschnitt in Karströhren limitiert, so dass sowohl Freispiegel- als auch Druckabfluss innerhalb der Röhren auftreten kann. Druckabfluss wird mit Hilfe eines schmalen virtuellen Schlitzes an der Röhrenoberkante simuliert (Preissmann Schlitz), der auch im Fall vollgefüllter Röhren die Anwendung der Gleichungen für Freispiegelabfluss erlaubt. Durch die Verwendung eines variablen Zeitschrittes kann die geänderte Dynamik beim Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss berücksichtigt werden. Parameterstudien für idealisierte, synthetische Karsteinzugsgebiete demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von Freispiegelabfluss in teilgefüllter Röhren.