Transnational Science and Policy Panel Strömungs- und Transportmodell, Kalibrierung, Überprüfung anhand von Isotopendaten, erste Ergebnisse der LCKW-Modellierung
Ulrich Lang Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH
Überblick • Vom Hydrogeologischen Systemmodell zum Strömungsmodell • Kalibrierung der Strömung • Nachbildung von Tracerversuchen • Simulation von Isotopen und Umwelttracer • Simulation Summe LCKW
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
2
Hydrogeologie:
Piezometerhöhen Muschelkalk Modellgebiet
Quartär Mittlerer Gipshorizont Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont Grundgipsschichten Unterkeuper
Muschelkalk
Fildergrabenrandverwerfung Juni 2012
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3
Hydrogeologischer Schnitt entlang Nesenbachtal
Juni 2012
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Randbedingungen des Grundwassermodells:
Juni 2012
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Skalen der Modellierung: Strömungskalibrierung
• Großräumig über gesamtes Modellgebiet • Lokal an den einzelnen Messstellen: • 275 Gipskeuper • 107 Unterkeuper • 39 Muschelkalk
Juni 2012
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Skalen der Modellierung: Markierungsversuche
• Lokal im Quellgebiet
Juni 2012
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Skalen der Modellierung: Isotopen und Umwelttracer
• Großräumig über gesamtes Modellgebiet • Lokal an den Heil- und Mineralquellen und Messstellen im Muschelkalk
Juni 2012
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Skalen der Modellierung: LCKW-Transport Gipskeuper
• Lokal an den Eintragstellen und in den einzelnen LCKWFahnen
Juni 2012
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Skalen der Modellierung: LCKW-Transport Muschelkalk • Großräumig im Nesenbachtal • Lokal an den Messstellen und Heil- und Mineralquellen
Juni 2012
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Strömungskalibrierung Ziel: •Nachbildung der dreidimensionalen Strömungsverhältnisse •Grundlage für die Transportmodellierung Vorgehensweise: •Variation von • Durchlässigkeiten (h und v) innerhalb der Bandbreite des hydrogeologischen Modells • Leakagekoeffizienten der Quellen •Vergleich gemessener und berechneter Piezometerhöhen => Anpassungsgüte
Juni 2012
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Piezometerhöhen - Anpassungsgüte: 330 320
270
Mittlerer Gipshorizont
265
300
255
290
250
280
245
berechnet
260
berechnet
310
270
240
260
235
250
230
240
225
230
220
220
215
210
Bochinger Horizont
220
240
260
280
300
210 210
320
220
gemessen
230
240
250
260
270
gemessen
250
265
Mittlerer Lettenkeuper
Trigonodus-Dolomit 260
245
255
240
250
berechnet
berechnet
235 245
230
240
225 235 220
230
215
210 210
225
220
230
240
250
gemessen
Juni 2012
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220 220
230
240
250
260
gemessen
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Oberste Piezometerhöhen im Nesenbachtal Quartär & Gipskeuper:
Juni 2012
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Piezometerhöhen im Trigonodus Dolomit (Muschelkalk):
Birkenkopfverwerfung
Juni 2012
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Vertikalschnitt Piezometerhöhen Im TD
Hauptstörungen: 255
Birkenkopf
Cannstatt
Hauptbahnhof
250 Grundwasserstände [m ü. NN]
Altes Schloss
245 240 235 230 225 220 5000
GWM Berechnet
7500
10000
12500
15000
Länge [m]
Juni 2012
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Grundwasserbilanz: Gesamt 995 l/s Neubildung: 95 -26
Neckar in: 28
31 -10
Quartär
44
-223
Gipskeuper Neckar out: -408
Unterkeuper 797
Muschelkalk
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-328
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Durchlässigkeitsverteilung Trigonodus Dolomit: Hydrogeologisches Modell
Numerisches Modell
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Vertikale Durchlässigkeiten: Grundgipsschichten: Estherienschichten:
Juni 2012
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Vertikale Piezometerhöhendifferenz Unterkeuper/Muschelkalk:
aufsteigend
absteigend
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Instationäres Strömungsfeld (1960 – 2010): • Jährliche Zeitdiskretisierung • Grundlage für: • Simulation von Tritium • Simulation von SF6 • Simulation der Summe LCKW • Instationäre Randbedingungen: • Zufluss Muschelkalk • Neubildung • Grundwasserentnahmen
Statistisches Landesamt
Oberer Muschelkalk
243.0
gemessen berechnet 242.0
h in m+NN
241.0
240.0
239.0
238.0
237.0 1960
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
1970
1980
1990
2000
2010
20
Nachbildung der Markierungsversuche: • Test 1998: Zufluss nieder konzentrierte Mineralquellen • Test 1999: Zufluss hoch konzentrierte Mineralquellen Grundlage: 5410000 Stationäres Strömungsfeld Doppelporositäts-Ansatz 5409000 (mobile/immobile Phase) Notbrunnen 114
Notbrunnen 118
Notbrunnen 54
GWM 343
GWM Auf der Steig
Mombachquelle Auquelle
C m Cim C m m Dij m vi Cm qq Cq q s Cm im t t xi xi xi
m im
Cim Cm Cim t
Kalibrierung • Porositäten • Austauschkoeffizient
5408000
GWM 840
Sarweybrunnen tief
Inselquelle
GWM 8a NB Landesgesundheitsamt
5407000
GWM B 9
Leuzequelle
Berger Quellen
5406000 P 177
B3 3513000GWM 3514000 B6
3515000
3516000
3517000
P 174
B7(a)
B 4a PM BK 11/16 GM
BK 17.1/4 PM
GWM B 2 BK 17.4/3 PM
GWM 19 P 172
Juni 2012
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21
berechnet gemessen
Auf der Steig
Notbrunnen 118
10
8E-05
5410000
9
7E-05
8
Notbrunnen 54
5409000
6E-05
GWM 343
7 5E-05
6 5
4E-05
4
3E-05
3
GWM Auf der Steig
c [µg/l] gemessen
c [mg/l] berechnet
1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-05 1.0E-06
Mombachquelle Auquelle
5408000
GWM 840
Notbrunnen 49
Sarweybrunnen tief
Inselquelle
GWM 8a NB Landesgesundheitsamt
5407000
GWM B 9
Leuzequelle
2E-05
Berger Quellen
2 1 0
100
200
300
Zeit [d]
B6
3515000
3516000
P 174 B 4a PM BK 11/16 GM
B7(a)
3517000
BK 17.1/4 PM
GWM B 2 GWM 19
Mombachquelle
Tracer Test 1998:
P 172
berechnet gemessen
BK 17.4/3 PM
0.006
0.005
c [mg/l] berechnet
Θm=0,4% Θim=1,0% ζ=10-8 1/s αl=25 m
B3 3513000GWM 3514000
0 500
400
0.5
c [µg/l] gemessen
0
5406000 P 177
1E-05
0.004
0.003
0.25 0.002
0.001
0
0
100
200
300
400
0 500
Zeit [d]
Juni 2012
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22
berechnet gemessen
Westquelle Berg
Notbrunnen 118
5410000
1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-05 1.0E-06
55
0.025
50 GWM 343
GWM Auf der Steig
40 35
0.015
30 25 0.01 20
Mombachquelle Auquelle
c [µg/l] gemessen
c [mg/l] berechnet
5409000
45
0.02
Notbrunnen 54
5408000
GWM 840
No
Sarweybrunnen tief
Inselquelle
GWM 8a NB Landesgesundheitsamt
5407000
GWM B 9
Leuzequelle
Berger Quellen
15
5406000
0.005
P 177
10 B3 3513000GWM 3514000
5 0
B6
0
100
200
300
400
500
3515000
3516000
P 174 B 4a PM BK 11/16 GM
B7(a) GWM B 2
BK 17.4/3 PM
GWM 19
Zeit [d]
P 172
Inselquelle
Tracer Test 1999:
3517000
BK 17.1/4 PM
berechnet gemessen
0.0012
2
0.0011 1.75
0.001 0.0009
1.5
0.0008
c [µg/l] gemessen
c [mg/l] berechnet
Θm=0,8% Θim=3,0% ζ=5•10-8 1/s αl=25 m
1.25
0.0007 0.0006
1
0.0005
0.75
0.0004 0.0003
0.5
0.0002 0.25 0.0001 0
0
100
200
300
400
0 500
Zeit [d]
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
23
Notbrunnen 118
Ergebnis Markierungsversuche Muschelkalkaquifer:
5410000
Notbrunnen 54
5409000 GWM 343 GWM Auf der Steig
Mombachquelle Auquelle
5408000
GWM 840
Gering mineralisiertes System:
Sarweybrunnen tief
Inselquelle
GWM 8a NB Landesgesundheitsamt
5407000
GWM B 9
Leuzequelle
Θm=0,4% Θim=1,0% ζ=10-8 1/s αl=25 m
Berger Quellen
5406000 P 177
Kleine Porositäten
B3 3513000GWM 3514000 B6
P 174 B 4a PM BK 11/16 GM
B7(a)
3515000
3516000
3517000
BK 17.1/4 PM
GWM B 2 BK 17.4/3 PM
GWM 19 P 172
CO2-Verteilung Muschelkalk
Hoch mineralisiertes System: Θm=0,8% Θim=3,0% ζ=5•10-8 1/s αl=25 m
Juni 2012
Große Porositäten
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24
Simulation SF6: 50
Kalibrierung der Porositäten im Keuper und Quartär
Quartär Bochinger Horizont
Simuliertes Alter [a]
40
SF6-Eintrag 500 450 400
300 250
10
200
0
100
0
10
0 1960
1970
1980
1990
2000
30
40
50
40
50
2010
50
50 Grenzdolomit mittlerer Lettenkeuper
Trigonodus Dolomit
40
Simuliertes Alter [a]
40
30
20
0
20
Beobachtetes Alter [a]
50
10
30
20
10
0
10
20
30
Beobachtetes Alter [a]
Juni 2012
20
150
Simuliertes Alter [a]
Porositäten [%] q: 15 mgh: 5 bh: 5 gg: 4 gd: 3 ku: 3
SF6 [100*fmol/l]
350
30
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
40
50
0
0
10
20
30
Beobachtetes Alter [a]
25
Simulation Tritium:
berechnet
Auquelle
Berechnet gemessen Gemessen
100 90
Bestimmung der Zuflussanteile über Modellrand Muschelkalkaquifer
80 70
[TU]
60
Tritiumeintrag 1500 Neubildung Randzufluss Gipskeuper TD westlicher Zufluss
50 40 30
1000
Tritium [TU]
20 10 0 1960
500
1970
1980
1990
1970
1980
1990
2000
2010
2010
berechnet
Berechnet gemessen Gemessen
Urquelle 1960
2000
100 90 80 70
[TU]
60 50 40 30 20 10 0 1960
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
1970
1980
1990
2000
2010
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Simulation Tritium: Bestimmung der Zuflussanteile über Modellrand Muschelkalkaquifer
Pistonflow-Modell: =>Transportzeit aus Neubildungsgebiet Exponential-Modell: =>mittlere Verweilzeit
Juni 2012
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Simulation Summe der LCKW: Vorgehensweise: • Simulation auf Basis PCE-Äquivalent • Simulationszeitraum 1960 - 2011 • Variation des Eintrags: • Massenflüsse von PCE-Äquivalent • Lokale Kalibrierung der Durchlässigkeiten Ziel: • Identifikation der Haupteintragstellen: • Quellkonzentration • Zeitliche Entwicklung des Eintrags • Identifikation von Bereichen mit LCKW-Abbau • Massenkontrolle • Nachbildung der LCKW-Fahnen • Lokal im Keuper auf Basis Schadensfallcharakterisierung • Großräumig im Muschelkalk Juni 2012
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Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: Charakterisierung: • Schadstoffeintrag hauptsächlich im Mittleren Gipshorizont • Fahnenausbreitung in nordöstlicher Richtung • Abstromkonzentrationen: • MGH: 250 – 300 µg/l • BH: bis 130 µg/l • Verlagerung bis in tiefe GW-Stockwerke • Hydraulische Sanierung seit 2010
Juni 2012
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Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: Geologischer Profilschnitt
Juni 2012
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30
Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: Piezometerhöhen – Strömungsrichtungen Mittlerer Gipshorizont
Juni 2012
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31
Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: Piezometerhöhen – Strömungsrichtungen Bochinger Horizont
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
32
Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: Vertikale Durchlässigkeiten Grundgipsschichten
vollständig ausgelaugt
teilausgelaugt
Juni 2012
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33
Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: LCKW-Fahne Mittlerer Gipshorizont Messwerte
Juni 2012
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34
Altstandort „ehem. Chemische Reinigung Klenk“: LCKW-Fahne Bochinger Horizont
Messwerte
Juni 2012
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
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Standort „Marwitz & Hauser“: LCKW-Fahne Mittlerer Gipshorizont
LCKW-Fahne Bochinger Horizont
Juni 2012
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36
Standort „Marwitz & Hauser“: LCKW-Fahne Mittlerer Gipshorizont
LCKW-Fahne Unterkeuper
Juni 2012
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LCKW-Fahnen südliches Nesenbachtal:
Reinigung Riemann
City Reinigung
Reinigung Wachter
Klenk
Marwitz & Hauser Juni 2012
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Simulierte LCKW-Fahnen im Trigonodus Dolomit:
Messwerte
Juni 2012
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Zusammenfassung und Ausblick: • Aufbau Grundwassermodell entsprechend Hydrogeologischem Modell • Strömungskalibrierung • Transport Simulation: • Markierungsversuche • Tritium • SF6 => Validierung Strömungsmodell, Bestimmung Porositäten • Erste LCKW-Transportsimulationen: • Kalibrierung des Eintrags • Identifikation von Bereichen mit LCKW-Abbau
Ausblick: • Sequenzieller LCKW-Abbau Juni 2012
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40
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Juni 2012
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