Hintergrund

Auf wasserwirtschaftliche Probleme im Norden Chinas, speziell auch in Peking, wurde wiederholt in WASY Aktuell eingegangen (z. B. WASY Aktuell 04 / 2004). Als eine Möglichkeit, die Wassermangelprobleme zu mindern, wird die Versickerung von Regenwasser zur Grundwasseranreicherung gesehen. Dabei ist zu beachten, dass klimatisch bedingt Regen in der Regel als kurzzeitiger Starkregen, konzentriert auf die Sommermonate, fällt.

Im Forschungsprojekt „Nachhaltiges Wassermanagement-Konzept für den Olympischen Park, Beijing 2008“ (s. WASY Aktuell 01 / 2005) wurden u. a. Möglichkeiten der künstlichen Grundwasseranreicherung exemplarisch geprüft und diskutiert. Im Folgenden werden einige Ergebnisse dieser Untersuchungen dargestellt. Eine Planungsvariante beinhaltete die Grundwasseranreicherung mittels Injektionsbrunnen. Sollte der Untergrund eine zufriedenstellende Versickerungsrate erlauben, würde ein entsprechendes Konzept entwickelt werden. Das zu versickernde Wasser sollte aus Starkniederschlagsereignissen stammen, die in den Monaten Juli und August während der Olympischen Spiele häufig vorkommen.

Der erste Bearbeitungsschritt beinhaltete die Entwicklung eines hydrogeologischen Strukturmodells. Zu diesem Zweck wurde das Programm HydroGeo Analyst (Waterloo Hydrogeologic Inc.) genutzt. Jedoch wies bereits das Strukturmodell darauf hin, dass die örtlichen Gegebenheiten wahrscheinlich nicht die benötigte Infiltrationskapazität aufweisen würden, da die vorhandenen grundwasserleitenden Schichten mit bis zu sechs Meter relativ geringmächtig sind und lediglich Durchlässigkeiten von etwa 0,5 bis 3 m/d aufweisen. Dennoch wurde basierend auf dem Strukturmodell im Anschluss mit FEFLOW 5.3 ein 3D-Grundwasserströmungsmodell aufgebaut, das zur Abschätzung der tatsächlichen Infiltrationskapazität und Berechnung verschiedener Szenarien genutzt wurde.



Entsprechend den spärlich vorhandenen Datengrundlagen wurde ein Modellgebiet mit einer Größe von 39 km² ausgewiesen (s. nebenstehende Abbildung). Die westliche Modellgrenze orientiert sich entlang dem Xiaovue-Fluss, die nördliche Grenze entlang dem Quing-Fluss und die südliche Grenze entlang einem Kanal. Die Ostgrenze stellt dagegen eine synthetische Grenze dar, da keine geeigneten natürlichen Elemente für die Abgrenzung zur Verfügung standen. Die Grenze wurde so definiert, dass ein ausreichend großer Abstand zum eigentlichen Untersuchungsgebiet, dem Olympischen Park, besteht. Dieser weist eine Größe von 3,2 km² auf.

Modellaufbau

Die Erarbeitung des Finiten-Elemente-Netzes basierte auf einem Superelemente-Netz, welches bereits die wichtigsten topographischen Merkmale beinhaltete und aus insgesamt 54 Polygonen besteht. Das daraus resultierende Finite-Elemente-Netz bzw. geometrische Modell besteht aus 73.566 Dreiecksprismen und 43.463 Knoten bezogen auf 6 Modellschichten und 7 Modellebenen (s. Abbildung rechts).

Der hydrogeologische Kenntnisstand ist für den Zentralteil des Olympischen Parks bis zu einer Teufe von 30 bis 40 m relativ gut. Auf Basis der zur Verfügung gestellten Bohrdaten und Profilschnitte konnten folgende Schichten für die Modellierung ausgewiesen werden:

• GWS 1
  bestehend aus: künstlichem Auffüllungsmaterial, Schluff und schluffigem Ton
  
• GWL 1
  bestehend aus: Feinstsand und sandigem Schluff
  
• GWS 2
  bestehend aus: schluffigem Ton
  
• GWL 2
  bestehend aus: Feinstsand, selten mit kiesigen Beimengungen
  
• GWS 3
  bestehend aus: Schluff

Grundwasserleiter 3 wurde von den Bohrungen nur angeschnitten und nicht durchteuft. Dieser besteht aus Sand und Kies. Die im Modell berücksichtigte Mächtigkeit wurde geschätzt.

Ergebnisse

Für die erste Abschätzung der möglichen kurzzeitigen Infiltrationsraten wurden entlang beider Ufer des geplanten künstlichen Gewässers im Zentralteil des Olympischen Parks ohne eine relevante Bebauung jeweils zehn Injektionsbrunnen positioniert. Die Infiltration wurde bis zu einem Wasserstand von 1,5 m unter Gelände zugelassen.
In der folgenden Abbildung ist die Lage der Brunnen dargestellt sowie der durch die Infiltration verursachte Grundwasseranstieg nach fünf Tagen. Der lokale Anstieg beträgt nach einer Infiltrationszeit von fünf Tagen vier bis fünf Meter. Die Reichweite des Anstiegs liegt zwischen 30 bis 100 Meter.




Innerhalb von 24 Stunden würde unter den getroffenen Annahmen eine Wassermenge von 7.500 m³ versickern. Dies entspricht nur einer Niederschlagshöhe von 7,5 mm pro km².

Darstellung der potentiellen Infiltrationskapazität der 20 Brunnen

Die Modellrechnungen bestätigen im Wesentlichen die Annahmen, die bereits auf Basis des zu Beginn erarbeiteten Strukturmodells getroffen wurden. Die hydrogeologische Situation lässt keine effiziente Grundwasseranreicherung auf Basis kurzzeitiger Starkniederschlagsereignisse zu. Im Wesentlichen lässt sich das auf zwei Gründe zurückführen:

1. An der Geländeoberkante steht ein vier Meter mächtiger zumeist schluffiger Grundwasserstauer an, der den darunter liegenden für die Grundwasseranreicherung relevanten Grundwasserleiter bedeckt.
2. Der entsprechende Grundwasserleiter verfügt im Durchschnitt lediglich über eine Mächtigkeit von 2 m und setzt sich aus einem mäßig durchlässigen Feinstsand und sandigem Schluff zusammen.