1640 Lang Transportmodell


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MAGPlan-Abschlusskonferenz 2 .- 3 . J u l i 2 0 1 5 | H a u s d e r W i r t s c h a f t | S t u t t g a r t

Numerisches Strömungs- und Transportmodell Aufbau, Kalibrierung und Prognose Dr. Ulrich Lang, Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH

Übersicht

• Modellaufbau • Strömung • Transport • Kalibrierung der Strömung • Piezometerhöhen • Markierungsversuche • Tritium • Summe LCKW • Multi-Spezies-Transport • Kalibrierung • Szenarien • Prognose

Quellgebiet

Grundwassermodell-System Strömungsmodell: • 17 Modellschichten für 13 hydrogeologische Einheiten • 700.000 Elemente in einer Modellebene • Strömungskalibrierung: •Variation der horizontalen und vertikalen Durchlässigkeiten •Vergleich mit Grundwasserständen Transportmodell: • Nachbildung Markierungsversuche • Nachbildung von Isotopen und geochemischen Parametern • Simulation Summe LCKW (PCE-Äquivalent) Reaktives Transportmodell: • 5 LCKW-Komponenten mit sequenziellem Abbau: •PCE => TCE => cDCE => VC •TCA • Aerober und anaoerober Abbau • Instationärere Transport ab 1960

Hydrogeologisches Modell / Grundwassermodell

Quartär Mittlerer Gipshorizont

Piezometerhöhen Muschelkalk Modellgebiet

Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont Grundgipsschichten Unterkeuper

Muschelkalk

Fildergrabenrandverwerfung

Markierungsversuche Trigonodusdolomit: P172 P177

GWM 343 GWM Auf der Steig

Mombachquelle

Sarweybrunnen

Auquelle

5408000

GWM 840

MAG 11

Sarweybrunnen tief

Doppelporositätsansatz:

Inselquelle

GWM 8a NB Landesgesundheitsamt

5407000

GWM B 9

Leuzequelle

¶C m ¶C im ¶C m ö ¶ ¶ æ çç Q m Dij ÷Qm + Q im = (Q m vi C m ) + qq C q - q s C m ¶t ¶x i è ¶t ¶xi ÷ ø ¶x i

Q im

Berger Quellen

¶Cim = z (Cm - Cim ) ¶t

5406000 P 177

Parametrisierung: GWM B 3

Hohlraumanteil Klüfte: Hohlraumanteil Matrix: Austauschkoeffizient: Längsdispersivität: Querdispersivität:

0,008 0,02 2∙10-9 1/s 5∙10-9 1/s 25/50 m 2,5 m

B6

5405000

P 174 B 4a PM BK 11/16 GM

B7(a)

BK 17.1/4 PM

GWM B 2 GWM 19 P 172

5404000

BK 17.4/3 PM

Störungszone

GWM B 1 GWM GWM 16 14 15 GWM B 4GWM GWM Leonhardsbrunnen 10

3513000

3514000

3515000

3516000

3517000

Markierungsversuche

berechnet gemessen

Westquelle Berg

55

P172:

50

0.03

45 40

c [µg/l] gemessen

c [mg/l] berechnet

0.025

35

0.02

30 0.015

25 20

0.01 15 10

0.005

5 0

0

100

200

300

400

500

Zeit [d]

Sarweybrunnen :

berechnet gemessen

Auquelle

3.5 0.01

3.25 3

0.009

2.75 2.5

c [µg/l] gemessen

c [mg/l] berechnet

0.008 0.007

2.25

0.006

2

1.75

0.005

1.5

0.004

1.25

0.003

1 0.75

0.002

0.5 0.001 0

0.25 0

100

200

300

Zeit [d]

400

0 500

Markierungsversuch MAG 11: • Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen • Tiefes Potenzial an GWM8

GWM8

MAG11

Markierungsversuch P172 • Dauerhafter Eintrag SF6 • Beobachtung an 3 - 4 Abstrommessstellen • B3a höchste Konzentration • Umströmung der Schlossstörung

Simulation Tritium Auquelle 100

• Eintrag über oberirdische Atomwaffentests

berechnet gemessen

90 80 70

N eu bild u ng R an dz u flus s G ip s keu p er T D u n d m o o ben w es tlic h er Z uflu ss m o u n ten w estlic her Zu flus s

Tritium [TU]

1 50 0

60 50 40 30 20

1 00 0

Tritium [TU]

10 0 1960

1970

1980

Jahre

1990

2000

2010

50 0

Leuzequelle 100 berechnet gemessen

90 80

1 97 0

19 8 0

1990

Jahre

2 0 00

2 01 0

70

Tritium [TU]

1 9 60

60 50 40 30 20 10 0 1960

1970

1980

Jahre

1990

2000

2010

Eintragsmodell: • Abschätzung der aktuellen Emission: • Konzentration Abstrommessstellen • Abgrenzung Abstromfahne • Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten => Frachtermittlung Rotebühlstr. 171 ISAS: 1318 Mittnachstr. 21-25 ISAS: 422 Rümelinstr. 24-30 ISAS: 448 Dornhaldenstr. 5 ISAS: 1087 Nesenbachstr. 48 ISAS: 4483

Eintrag PCE [g/d]

1200 1000 800 600 400 200 0 1980

1990

2010

Rotebühlplatz 19 ISAS: 4781 Wolframstr. 36 ISAS: 462 Johannesstr. 60 ISAS: 1671 Prag/Löwentorstr. ISAS: 4521

80 70 Eintrag PCE [g/d]

2000

60 50 40 30 20 10 0 1980

1990

2000

2010

Eintragsmodell an den Standorten

Standort

Dornha ldenstr. 5

Rotebü hlstr. 171

Johann esstr. 60

Rotebü hlplatz 19

Nesenb Wolfra achstr. mstr. 48 36

Rümeli Mittnac nstr. 24 htstr. - 30 21 - 25

Prag/Löwen torstr.

Nummer

1

2

3

6

7

8

9

10

19

LCKW-Einsatz

19721995

19411976

1958 1990

Bis 1976

1936 – 19391959 1990

19681982

1950 1990

seit 1988

seit 1986

seit 1986

seit 2008

- 19702005

Sanierung

seit 1987

seit 2010

seit 2005

Keine

19911993, seit 2000

Gesamteintrag [g/d]

50

160

53

16

412

15

130

111

129

Gesamtaustrag Sanierung [g/d]

34

130

30

0

407

12.9

74

98

92

Gesamtrestfracht [g/d]

16

30

23

16

5

2.4

56

13

37

45/18/3 7/0

56/11/3 3/0

Speziesaufteilung in % 14/64/2 (PCE/TCE/cDCE/VC) 2/0

100/0/0/ 100/0/0/ 63/3/32/ 15/43/4 98/2/0/0 92/6/2/0 0 0 2 2/0

Gesamteintrag über Standorte: Sanierung an den Standorten: Abstrom Standorte:

PCE-Äquivalent PCE 1000 g/d 710 800 g/d 630 200 g/d 80

TCE 100 70 30

cDCE 90 60 30

-

Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent)

1 – 4 µg/l

1.000 10.000 5.000

Quartär Gipskeuper Unterkeuper

1 – 2 µg/l

0 - 50 Muschelkalk 10 – 50 µg/l

Simulation Summe LCKW ohne Abbau

Brunnen 4 Tübingerstraße (BOISS: 10660) Muschelkalk

berechnet gemessen

PCE-Äquivalent [µg/l]

80 70 60 50 40 30 20 10

175

0 1980

150 125 100 75 50 25 0 1980

90

PCE-Äquivalent [µg/l]

• Umrechnung in PCE-Äquivalent • Standortnah gute Übereinstimmung • Unterstrom der Standorte Überschätzung im Modell

berechnet gemessen

P174 (BOISS: 10663) Muschelkalk

1990

2000

2010

1990

2000

2010

Reaktives Multi-Spezies-Modell • Reaktionsmodell: • Reduktive Dechlorierung • Aerober Abbau • Anaerob-oxidativer Abbau

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch • Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)

Umströmung Schlossstörung Abbauzone infolge eines MKW-Schadens

P172

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch • Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl) • Entwicklung der cDCE-Fahne aus MKW-Schadensfall

Abbauzone infolge eines MKW-Schadens

P172

Kalibrierung der Strömungsrichtung

Strömungsrichtung Simulierte PCE-Fahne BH aus BH LCKW-Konzentrationen

Horizontaler kf-Wert BH

Modifizierung der Durchlässigkeitsverteilung im Bochinger Horizont zur Nachbildung der Fahnenrichtung

Kalibrierung der vertikalen Verlagerung

PCE-Verteilung TD (1990)

Vertikaler kf-Wert GG

Nachbildung der zeitlichen Entwicklung am Eintrag Standort Nesenbachstr. 48

Standort Johannesstr. 60

Standort Rümelinstr. 24 - 30

Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im Muschelkalk Brunnen 4 Tübinger Str. (Muschelkalk)

Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen unterschätzt

80 70 60

10

40

9 LCKW-Konzentration [µg/l]

50

30 20 10 0 1980

1990

Jahre

2000

2010

Berger Nordquelle (Muschelkalk)

8 7 6 5 4 3 2 1 1980

1990

Jahre

P 172 (Muschelkalk) 90 LCKW-Konzentration [µg/l]

LCKW-Konzentration [µg/l]

90

80 70 60 50 40 30 20 10 0 1980

1990

Jahre

2000

2010

2000

2010

Konzentration an den hoch konzentrierten Quellen

Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen mit Tiefem Eintrag Standort Rümelinstr. 24 - 30 PCE berechnet TCE berechnet cDCE berechnet VC berechnet PCE gemessen TCE gemessen cDCE gemessen VC gemessen

Berger Nordquelle mit TD-Eintrag

LCKW-Konzentration [µg/l]

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1980

1990

2000

2010

Massenbilanz des Abbaus

80 kg/a PCE => TCE

60 kg/a TCE => cDCE

50 kg/a cDCE werden mineralisiert

Massenspeicherung und vertikale Verlagerung

Zusammenfassung Massenbilanz • 2000 kg PCE im Grundwasserleiter gespeichert • 1395 kg PCE im Gipskeuper und Quartär • 600 kg PCE im Unterkeuper • 5 kg PCE im Trigonodusdolomit • Vertikalverlagerung in Muschelkalk: • 15 kg/a PCE • 7 kg/a TCE • 80 kg/a PCE =>TCE • 60 kg/a TCE => cDCE • 50 kg/a cDCE werden mineralisiert • Austrag: • Mineralquellen: • 5 kg/a PCE • 5 kg/a TCE • Neckar: • 25 kg/a PCE • 5 kg/a TCE • 23 kg/a übrige Randbedingungen

Szenarienbetrachtung Zwischen Schlossstörung und Hauptbahnhof im Unterkeuper: • Messung LCKW-frei • Simulation PCE-Konzentrationen zwischen 1 und 10 µg/l

Standort Johannesstr. 60

Szenarienbetrachtung Nur Eintrag am Standort Johannesstr. 60: • 23 g/d PCE

Standort Johannesstr. 60

Szenarienbetrachtung Standort Johannesstr. 60: • Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE)

Standort Johannesstr. 60

Szenarienbetrachtung Standort Johannesstr. 60: • Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE) Erweiterte Schlossstörung: • Vertikale Verbindung Gipskeuper bis Unterkeuper (allerdings nur lokal möglich)

Sowohl Standort Johannesstr. 60 als auch vertikale hydraulische Verbindung für Muschelkalk ohne Belang

Standort Johannesstr. 60

Prognosen

PCE

TCE 100

80 60 40 20 2020

2030

2040

2050

80 60 40

0

2060

2030

PCE aus Umbau

TCE TCE/PCE=0,79

Umbau + Mineralisation aus Umbau

2060

Mineralisation

Umbau +

cDCE Mineralisation aus Umbau VCc/DCE=0,64

cDCE

VC

60 40 20 2020

2030

2040

2050

2060

CKW Masse [kg/a]

80

750 500 250

40 20 2030

LCKW-Masse: von 2000 kg auf 930 kg Mineralisation: von 40 kg/a auf 21 kg/a

2040

2050

2040

2050

2060 PCE TCE cDCE VC

300 250 200 150 100 50 2020

2030

2040

2050

2060

Trigoodusdolomit (Schicht 14)

60

2020

2030

350

VC aus Umbau VC Mineralisation

80

0

2020

Unterkeuper (Schicht 12)

0 2010

100 cDCE aus Umbau cDCE Umbau+Mineralisation cDCE Umbau cDCE Mineralisation

1000

400

VC

100 CKW Masse [kg/a]

2050

Mineralisation

cDCE/TCE=0,74

0

2040

Mineralisation

Umbau

1250

0

2020

PCE TCE cDCE VC

1500

20

2060

CKW-Masse im Aquifer [kg]

0

TCE aus Umbau TCE Umbau+Mineralisation TCE Umbau TCE Mineralisation

CKW-Masse im Aquifer [kg]

PCE Umbau

CKW Masse [kg/a]

CKW Masse [kg/a]

100

CKW-Masse im Aquifer [kg]

4 Grundprognosen: • Abstellen der bisherigen Sanierung • Weiterbetrieb der Sanierungen mit derzeitigem Umfang • Reduktion des LCKW-Eintrags um 50% Gesamtmodell 2000 • Kein LCKW-Eintrag 1750

PCE TCE cDCE VC

14 12 10 8 6 4 2 0

2020

2030

2040

2050

2060

Zusammenfassung reaktives Transportmodell • Aufbau des Modellsystems auf der Basis: • Hydrogeologisches Modell • Konzeptionelles Schadstoffmodell mit Schadenscharakterisierung • Iterative Kalibrierung: • Strömung => Durchlässigkeiten • Konservativer Transport => Wirkung von Störungszonen • Reaktiver Transport => Abbauraten und vertikaler Austausch • Nachbildung der wesentlichen Strömungs- und Transportvorgänge: • Regionale Strömung • Strömungsrichtungen TD aus Markierungsversuchen • Vertikale LCKW-Verlagerung • LCKW-Fahnen Muschelkalk • Massenbilanz LCKW: • 390 kg/a Eintrag, 320 kg/a Sanierung, 70 kg/a Abstrom • ca. 2000 kg gespeichert • ca. 63 kg/a Austrag über Randbedingungen • ca. 40 kg/a Mineralisation => kein stationärer Zustand

Zusammenfassung reaktives Transportmodell • Identifizierung der Hauptschadensherde: • Rümelinstr. 24 – 30 => hoch konzentrierte Quellen • Mittnachtstr. 21 – 25 => nieder konzentrierte Quellen • Prag-/Löwentorstr ?=>? Niederkonzentrierte Quellen • Dornhaldenstr. 5 und Rotebühlstr. 171 => Muschelkalk oberstrom Schlossstörung • Nesenbachstr. 48 => Muschelkalk Stadtmitte • Szenarienbetrachtungen: • Eintrag Johannesstr. 60 => ggf. überschätzt aber keinen Einfluss auf Muschelkalk • lokale vertikale Verbindungen z.B. Schlossstörung haben lokale Relevanz • Massenbilanz LCKW Prognose (stationärer Zustand): • 390 kg/a Eintrag, 320 kg/a Sanierung, 70 kg/a Abstrom • ca. 930 kg gespeichert • ca. 49 kg/a Austrag über Randbedingungen • ca. 21 kg/a Mineralisation