Charakterisierung und Modellierung des Buntsandsteinfließsystems im Osten des Thüringer Beckens Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena von Dipl.-Geologe Tino Rödiger geboren am 19. Juli 1974 in Erfurt Gutachter: 1. Prof. Dr. Georg Büchel Institut für Geowissenschaften Friedrich-Schiller-Universität Jena 2. Prof. Dr. Martin Sauter Abtl. Angewandte Geologie Geowissenschaftliches Zentrum Georg-August-Universität Göttingen Tag der öffentlichen Verteidigung: 16. Dezember 2005 Diese Arbeit umfasst 180 Seiten, 92 Abbildungen, 30 Tabellen, 33 Seiten Anhang und 2 Anlagen. Tino Rödiger Friedrich-Schiller-Universität Jena 2005 Inhaltsverzeichnis IV Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis……………………………………………………………………………VII Tabellenverzeichnis……………………………………………………………………………......XI Abkürzungsverzeichnis…………………………………………………………………………. XIII 1. Einleitung............................................................................................................................1 1.1. Zielsetzung........................................................................................................................4 2. Physisch - geographischer Überblick ..............................................................................5 2.1. Morphologie ...................................................................................................................6 2.2. Orohydrographisches Einzugsgebiet .............................................................................8 3. Geologische Übersicht ....................................................................................................10 3.1. Regionalgeologischer Überblick...................................................................................10 3.2. Stratigraphische Gliederung.........................................................................................13 3.2.1. Trias ..........................................................................................................................14 3.2.1.1. Buntsandstein.................................................................................................14 Unterer Buntsandstein .............................................................................................15 Mittlerer Buntsandstein ............................................................................................16 Oberer Buntsandstein..............................................................................................17 3.2.1.2. Muschelkalk....................................................................................................18 Unterer Muschelkalk ................................................................................................18 Mittlerer Muschelkalk ...............................................................................................18 Oberer Muschelkalk .................................................................................................19 3.2.1.3. Keuper............................................................................................................19 3.2.2. Tertiär........................................................................................................................19 3.2.3. Quartär......................................................................................................................19 3.2.3.1. Pleistozän.......................................................................................................19 3.2.3.2. Holozän ..........................................................................................................22 3.3. Böden...........................................................................................................................22 3.4. Lagerungsverhältnisse & Tektonik...............................................................................24 4. Methoden ..........................................................................................................................26 4.1. Hydrogeologie..............................................................................................................26 4.1.1. Äquidistante Profilschnitte.........................................................................................26 4.1.2. Grundwassergleichenpläne.......................................................................................26 4.1.2.1. Kriging ............................................................................................................27 4.1.3. Wasserbilanzierung & Grundwasserneubildung .......................................................27 4.1.3.1. Bodenwasserhaushaltsmodell nach SAUTER (1992) ....................................28 Bilanzräume .............................................................................................................28 THIESSEN-Polygone...............................................................................................28 Dissertation Buntsandsteinfließsystem im Osten des Thüringer Beckens V Verdunstung – Evapotranspiration...........................................................................30 Berechnung der Bodenfeuchte nach UHLIG ...........................................................31 4.1.4. Grundwasserdynamik ...............................................................................................34 4.1.4.1. Variation der Grundwasserspiegelgänge nach HEALY (2002) ......................34 4.1.4.2. Quantifizierung des Abflusses Q ....................................................................35 MoMNQ-Verfahren nach WUNDT ...........................................................................36 MoMNQr-Methode nach KILLE................................................................................36 AUL – Verfahren nach NATERMANN.......................................................................37 4.1.4.3. Gleitender Durchschnitt..................................................................................37 4.1.4.4. Kreuzkorrelation .............................................................................................37 4.2. Hydrochemie................................................................................................................39 4.2.1. Analyseverfahren ......................................................................................................40 4.2.2. Plausibilitätsprüfung..................................................................................................41 4.2.3. Sättigungsindex SI ....................................................................................................42 4.2.4. Isotopie der Grundwässer.........................................................................................43 4.2.4.1. Stabile Isotope................................................................................................43 4.2.4.2. Instabiles Isotop - Tritium ...............................................................................44 4.3. Strömungsmodellierung ...............................................................................................46 4.3.1. Strömungsgleichung .................................................................................................47 4.3.2. Anfangs- und Randbedingungen ..............................................................................52 4.3.3. VISUAL MODFLOW 3.0............................................................................................53 5. Ergebnisse........................................................................................................................58 5.1. Hydrogeologie ...............................................................................................................58 5.1.2. Hydrogeologischer Überblick ....................................................................................59 5.1.3. Grundwasserleiter.....................................................................................................60 5.1.3.1. Festgesteinsgrundwasserleiter suC ...............................................................60 5.1.3.2. Festgesteinsgrundwasserleiter suB / sm........................................................60 5.1.3.3. Lockergesteinsgrundwasserleiter ...................................................................62 5.1.4. Grundwasserdynamik ...............................................................................................63 5.1.4.1. Regionale Grundwasserdynamik im Untersuchungsgebiet............................63 5.1.4.2. Bestimmung der Grundwasserdynamik im Aquifer suB / sm .........................64 5.1.4.3. Einfluss der Grundwasserdynamik auf den Abfluss der Vorfluter ..................80 5.1.5. Grundwasserhaushaltsbilanz....................................................................................83 5.1.5.1. Klima und Niederschlag N ..............................................................................84 5.1.5.2. Verdunstung V................................................................................................87 5.1.5.3. Abfluss A ........................................................................................................89 Gesamtabfluss Qges..................................................................................................90 Inhaltsverzeichnis VI Oberirdischer Abfluss Ao ..........................................................................................93