Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4384
Main Title: Wasser- und Wärmetranport im thermalen Grundwasserleitersystem von Caldas Novas - Goiás, Brasilien
Translated Title: Water- and heat transport in the thermal aquifersystem of Caldas Novas - Goiás, Brazil
Author(s): Bauer, Florian
Advisor(s): Tröger, Uwe
Referee(s): Tröger, Uwe
Voigt, Hans-Jürgen
Wendland, Edson
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die zentralbrasilianische Ortschaft Caldas Novas lebt vom Tourismus. Zahlreiche Thermalwasserbrunnen fördern Grundwasser mit Temperaturen zwischen 30 und 60 Grad C für die Schwimmbecken der Hotels. Die Bewirtschaftung des Grundwassers ist daher zentrales Anliegen für den Hotelbetrieb und eine nachhaltige Nutzung der Ressource ist Basis für ihren Fortbestand. Die vorliegende Arbeit quantifiziert hydrogeologische Kenngrößen der Region und schafft so ein grundlegendes hydrogeologischen Strukturmodell. Ein stationäres numerisches Strömungs- und Wärmetransportmodell gibt weiterführende Einblicke in das Grundwasserleitersystem und erstellt Szenarien. Das Grundwasserleitersystem von Caldas Novas besteht aus einem flachen ungespannten Grundwasserleiter, der durch Schiefer und Quarziten der Araxá-Gruppe mit hydraulischen Leitfähigkeiten um die 1·10-6 m/s gebildet wird. Der untere Bereich des Grundwasserleitersystems wird von den Paranoá-Quarziten gebildet, die kf-Werte um die 1·10-7 m/s haben. Im Bereich der Ortschaft von Caldas Novas erzeugte die kompressive Tektonik während der Brasiliano- Gebirgsbildung Strukturen, die im Untergrund der Stadt eine Wärmeanomalie hervorriefen. Maßgebliches Element sind die Scherklüfte in Richtung NE-SW, die die Serra de Caldas, das Neubildungsgebiet im Westen von Caldas Novas, mit dem Stadtgebiet verbindet und durch eine antiklinale Aufwölbung und Aufweitung der Bruchstrukturen heißes Grundwasser aus dem tiefen Grundwasserleiter in den oberen ungespannten Grundwasserleiter aufsteigen lässt. Die entscheidende Eingangsgröße für die Wasserbilanz des Gebietes ist die Grundwasserneubildung auf der Serra de Caldas, die auf Grundlage mehrerer Wetterstationen mit etwa 750 mm angenommen werden kann. Eine Berechnung der Evapotranspiration war nur mittels der thermodynamischen Energiebilanzformel nach Penman zufriedenstellend, Berechnungen nach Haude und Thornthwaite liefern eine zu große Abweichung. Das Abflussregime der Serra de Caldas wird durch die hohe Quellschüttung der Rio Quente-Quelle dominiert, die etwa 40% des Gesamtwasservolumens des Gebietes ausmacht. Die hohen Quellwassertemperaturen als auch das Schüttungsverhalten, das im Gegensatz zu den umliegenden kleineren Quellen an der Flanke der Serra de Caldas nicht trocken fällt, sondern kontinuierlich mit hohem Abfluss schüttet, zeugen von einer hohem Menge an Grundwasserfluss aus dem Thermalgrundwasserleiter. Die Wasserförderung an den Brunnen unterliegt im Araxá-Grundwasserleiter lateral großen Schwankungen in der Temperatur des Förderwassers. Die Nähe zu Trennflächen, die tiefes Thermalwasser fördern, aber auch die brekziösen Bereiche an der Basis des Grundwasserleiters erzeugen Wechselwirkungen zwischen Brunnen und Warmwasserverteilung. Pumpversuche konnten Bereiche erhöhter Transmissivitäten im Zentrum von Caldas Novas nachweisen. Das numerische Strömungs- und Transportmodell kann die gemessenen Wasserstände und Temperaturen nachbilden. Die Kalibrierung zeigte, dass die Kluftöffnungsweiten maßgeblich für den Wärmetransport sind. Sie wurden auf der Serra de Caldas mit 3 mm angenommen, in Caldas Novas sind sie etwa 1 mm groß. Die Abgrenzung des Einzugsgietes der Rio Quente-Quelle zu denen der Brunnen verläuft im östlichen Teil der Serra de Caldas entlang der Einzugsgebiete des Oberflächenwassers. Im Süden strömt das Grundwasser entgegen dem Oberflächenabfluss der Quelle zu. Eine Erhöhung der Fördermenge der Brunnen wirkt sich signifikant auf die Wasserspiegel in Caldas Novas aus. Ihre zusätzliche Absenkung kann bei 20% Steigerung der Fördermenge über 10 Meter betragen. Eine Umverteilung der Förderung vom Araxá- in den tieferen Paranoá-Grundwasserleiter führt in diesem ebenfalls zu Absenkungen um die 10 Meter, mit gleichzeitiger schwacher Aufhöhung im Araxá-Grundwasserleiter. Beide Szenarien haben eine Verminderung der Quellschüttung der Rio Quente-Quelle zur Folge. Die Auswirkungen eines trockeneren Klimas lassen sich nur auf der Serra de Caldas als signifikant beschreiben. Der Grundwasserspiegel sinkt um etwa 2 Meter und die die Quellschüttung sinkt um 10 l/s.
The area of Caldas Novas, located in central Brazil, is famous for its hot springs and wells, which feed the pools of the hotels with high-tempered groundwater. The use of this water which has temperatures of about 30 to 60 degree C is an important issue concerning the sustainable use of the resource. Subject of the thesis is a quantification of hydraulic properties as well as relevant climatic conditions to create a hydrogeological model of the region. On the basis of this model a numerical flow- and heat transport model was built. Output of this model are a better understanding of the flow and energy regime of the underground. Additionally, scenarios were conducted to determine risks and changing climate conditions. The aquifer system of Caldas Novas consists of two aquifers: the upper unconfined Araxá schists and quartzites and the lower confined quartzites of the Paranoá group. Hydraulic conductivities of about 1·10-6 m/s for the upper and 1·10-7 m/s for the lower aquifer were calculated. The underground structures of the village of Caldas Novas is a result of tectonics with a compressive regime forming the heat anomaly along shear-related fissures and fractures. The most important direction for water transport is NE-SW, connecting the recharge area of the Serra de Caldas with the hot waters in Caldas Novas. At this place an anticline up-welling of the lithology an opening of tectonic structures let hot water move from high depths to the unconfined upper aquifer. Groundwater recharge on the top of the Serra de Caldas plateau can be calculated with data from weather stations and gives values about 750 mm/a. Calculations of the evapotranspiration is only reasonable with Penman’s relation, simpler estimations with Thornthwaite and Haude equations result in high discrepancies to the thermodynamic Penman relation. The discharge of surface water from the Serra de Caldas is dominated by the high discharge rate of the Rio Quente Spring, covering about 40% of the overall amount of water. The high temperatures of the spring water as well as the discharge behaviour which do not vary as much over time as the surrounding springs are caused by a high impact of groundwater which discharges from the deeper thermal aquifer. Temperatures in the water of the pumping wells show a high grade of spatial variability. Close to fissures the water is heated up more intensely than in their surroundings. At the bottom of the Araxá aquifer brecciated strata let the up-streaming water spread and the areas of high temperatures are widely distributed. Areas of high transmissivity are proved by pumping tests. Numerical modeling of flow and heat transport can recreate the watertable and the temperatures of the groundwater. The calibration of the model showed a high dependency of the heat transport and the thickness of fractures. At the place of the Serra de Caldas their width is about 3 mm, in Caldas Novas they are much thinner with a thickness about 1 mm. As a result of the modeling the catchment of the Rio Quente Spring and the inner-city wells can be determined. In the northern part of the Serra it follows the surface water catchments, more to the south the water returns to the north and discharge at the Rio Quente spring contrary to the flow direction of the surface water. An increase of the pumping rates of the wells will have significant influence on the watertable in Caldas Novas. An additional drawdown of more than 10 meters can be calculated with an increase of the wells’ discharge of 20%. The option to keep the overall pumping rate constant but shift more discharge to the deeper Paranoá aquifer will result in high drawdowns of its watertable up to 10 meters, the watertable in the Araxá aquifer will only increase about 1 meter. Both scenarios have the effect of lowering the discharge at the Rio Quente Spring. Dryer climate conditions will have significant effects on the Serra de Caldas water table which will be lowered by up to 2 meters. Also, a reduction of 10 l/s of the springs discharge will take place.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64337
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4681
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4384
Exam Date: 20-Feb-2015
Issue Date: 18-Mar-2015
Date Available: 18-Mar-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Brasilien
Caldas Novas
Numerische Modellierung
Thermalquelle
Brazil
Heat transport
Thermal spring
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