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
