Projekt MAGPlan
Nachbildung der LCKW-Schadstofffahnen im Stuttgarter Untergrund mit einem reaktiven
Multispezies-Modell: Identifizierung von Schadensherden
Ulrich Lang Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbHWolfgang Schäfer, Steinbeis-Transferzentrum Grundwassermodellierung
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 2MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Übersicht
• Grundwassermodell
• Werkzeuge der Kalibrierung• Piezometerhöhen• Markierungsvresuche
• Beispiele der komplexen Zusammenhänge:• Durchlässigkeit• Abbau
• Multi-Spezies-Transport
Quellgebiet
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 3MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
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
Grundwassermodell-System
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 4MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Hydrogeologisches Modell / GrundwassermodellPiezometerhöhen Muschelkalk
Fildergrabenrandverwerfung
Mittlerer Gipshorizont
Muschelkalk
Unterkeuper
Grundgipsschichten
Dunkelrote MergelBochinger Horizont
ModellgebietQuartär
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 5MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Hydrogeologischer Schnitt entlang Nesenbachtal
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 6MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Kalibrierung des Modellsystems
Strömungsmodell
Vergleich Piezometerhöhen Durchlässigkeiten
Transportmodell Summe LCKW
Transportmodell Isotopen und Markierungsversuche
Multispeziesmodell
Vergleich PCE-Äquivalent
Vergleich Durchbruchskurven
Vergleich LCKW-GanglinienVergleich LCKW-Verteilungen
Eintrag PCE-Äquivalent
HohlraumanteilDispersivität
Durchlässigkeiten
DurchlässigkeitenAbbauraten bei Verteilung entsprechend Milieukarten
Hydrogeologisches Modell
Steckbriefe Schadensfälle
Konzeptionelles Schadstoffmodell
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 7MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Doppelporositätsansatz:
Parametrisierung:
Hohlraumanteil Klüfte: 0,008Hohlraumanteil Matrix: 0,02Austauschkoeffizient: 2∙10-9 1/s
5∙10-9 1/sLängsdispersivität: 25/50 mQuerdispersivität: 2,5 m
Markierungsversuch P172
Berger Quellen
Inselquelle
Leuzequelle
AuquelleMombachquelle
B6B7(a)
GWM 10GWM 14GWM 15GWM 16
GWM 19
GWM Auf der Steig
P 177
P 174
P 172
Leonhardsbrunnen
GWM 343
GWM 840
GWM B 1
GWM B 3
GWM B 9
GWM B 2
GWM B 4
NB Landesgesundheitsamt
BK 17.4/3 PM
BK 11/16 GMB 4a PM
BK 17.1/4 PM
GWM 8a
Sarweybrunnen tief
3513000 3514000 3515000 3516000 35170005404000
5405000
5406000
5407000
5408000
P172
P177
Sarweybrunnen
MAG 11
Störungszone
Markierungsversuche Trigonodusdolomit:
( ) msqqmimii
mijm
i
imim
mm CqCqCv
xxC
Dxt
Ct
C−+Θ
∂∂
−
∂
∂Θ
∂∂
=∂
∂Θ+
∂∂
Θ
( )immim
im CCt
C−=
∂∂
Θ ζ
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 8MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Zeit [d]
c[m
g/l]
bere
chne
t
c[µ
g/l]
gem
esse
n
0 100 200 300 400 5000
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
berechnetgemessenWestquelle BergMarkierungsversuch
P172:
Sarweybrunnen :
Zeit [d]c
[mg/
l]be
rech
net
c[µ
g/l]
gem
esse
n
0 100 200 300 400 5000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
berechnetgemessenAuquelle
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 9MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Markierungsversuch MAG 11: • Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen• Tiefes Potenzial an GWM8
MAG11GWM8
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 10MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Markierungsversuch MAG 11: • Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen• Tiefes Potenzial an GWM8=> heterogene Durchlässigkeitsstruktur
MAG11GWM8
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 11MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Bedeutung der vertikalen Interaktion:Konservativer Tracer vom Schadensherd Marwitz&Hauser
Grenzdolomit
Unterkeuper
Trigonodusdolomit
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 12MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Bedeutung der vertikalen Interaktion:Vertikale Durchlässigkeiten der TrennhorizonteGrundgipsschichten
Grüne Mergel
Esterienschichten
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 13MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall: • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch
P172
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 14MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall: • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)
P172
Fahne des MKW-Schadens
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 15MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall: • Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)• Entwicklung der DCE-Fahne aus MKW-Schadensfall
P172
Fahne des MKW-Schadens
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 16MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent):
10 – 50 µg/l
1 – 2 µg/l
1 – 4 µg/l
1.00010.0005.000
0 - 50
QuartärGipskeuperUnterkeuper
Muschelkalk
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 17MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Nachbildung der zeitlichen Entwicklung des Eintrags:
PC
E-Ä
quiv
alen
t[µg
/l]
1980 1990 2000 20100
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
P5600 (BOISS: 8629)Mittlerer Gipshorizont
Klenk
PC
E-Ä
quiv
alen
t[µg
/l]
1980 1990 2000 20100
5000
10000
15000
20000
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
B6 (BOISS: 8294)Mittlerer Gipshorizont
Marwitz&Hauser
PC
E-Ä
quiv
alen
t[µg
/l]
1980 1990 2000 20100
10000
20000
30000
40000
50000
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
GWM 5 (BOISS: 1305534)Bochinger Horizont
Riemann
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 18MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Nachbildung der zeitlichen Entwicklung:
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
Br. 4 Dinkelacker (BOISS: 10660)Muschelkalk
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
P172 (BOISS: 10551)Muschelkalk
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 19MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
Markierungsversuch P172Nachbildung der zeitlichen Entwicklung:LC
KW
-Kon
zent
ratio
n[µ
g/l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
Berger Mittelquelle (BOISS: 35014)Muschelkalk
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PCE berechneTCE berechnetcDCE berechnVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemesseVC gemessen
Inselquelle (BOISS: 35009)Muschelkalk
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
B9 Ehmannstr (BOISS: 50617)Muschelkalk
FH-DGG Bayreuth 29.05.2014 20MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
• 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
• Welcher Schadensfall beeinflusst die Quellen maßgeblich?
Zusammenfassung reaktive TransportmodellierungLC
KW-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
Berger Mittelquelle (BOISS: 35014)Muschelkalk
Ohne Raab-KarcherLC
KW
-Kon
zent
ratio
n[µ
g/l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen
Berger Mittelquelle (BOISS: 35014)Muschelkalk
Mit Raab-Karcher