lang magplan 2015 - amazon s3 · 2015. 7. 20. · 0.009 0.01 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25...
TRANSCRIPT
-
M A G P l a n - A b s c h l u s s k o n f e r e n z2 .- 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
Dr. Ulrich Lang, IngenieurgesellschaftProf. Kobus und Partner GmbH
Aufbau, Kalibrierung und Prognose
-
• Modellaufbau• Strömung• Transport
• Kalibrierung der Strömung• Piezometerhöhen• Markierungsversuche• Tritium
• Summe LCKW
• Multi-Spezies-Transport• Kalibrierung• Szenarien• Prognose
Quellgebiet
Übersicht
-
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
-
Piezometerhöhen Muschelkalk
Fildergrabenrandverwerfung
Mittlerer Gipshorizont
Muschelkalk
Unterkeuper
Grundgipsschichten
Dunkelrote MergelBochinger Horizont
Modellgebiet
Quartär
Hydrogeologisches Modell / Grundwassermodell
-
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
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
( ) msqqmimii
mijm
i
imim
mm CqCqCvxx
CD
xtC
tC
−+Θ∂∂
−÷÷
∂
∂Θ
∂∂
=∂
∂Θ+
∂∂
Θ
( )immimim CCtC
−=∂
∂Θ ζ
Markierungsversuche Trigonodusdolomit:
-
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 Berg
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
Markierungsversuche
-
• Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen• Tiefes Potenzial an GWM8
MAG11GWM8
Markierungsversuch MAG 11:
-
• Dauerhafter Eintrag SF6• Beobachtung an 3 - 4 Abstrommessstellen
• B3a höchste Konzentration• Umströmung der Schlossstörung
Markierungsversuch P172
-
• Eintrag über oberirdische Atomwaffentests
Jahre
Triti
um[T
U]
1 960 1970 1980 1990 2000 2010
500
1000
1500
NeubildungR andzu fluss G ipskeuperTD und m o oben w estlicher Zuflussm o unten w estlicher Zu fluss
Jahre
Triti
um[T
U]
1960 1970 1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
berechnetgemessen
Auquelle
Jahre
Triti
um[T
U]
1960 1970 1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
berechnetgemessen
Leuzequelle
Simulation Tritium
-
• Abschätzung der aktuellen Emission:• Konzentration Abstrommessstellen• Abgrenzung Abstromfahne• Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten
=> Frachtermittlung
Ein
trag
PC
E[g
/d]
1980 1990 2000 20100
200
400
600
800
1000
1200
Rotebühlstr. 171 ISAS: 1318Mittnachstr. 21-25 ISAS: 422Rümelinstr. 24-30 ISAS: 448Dornhaldenstr. 5 ISAS: 1087Nesenbachstr. 48 ISAS: 4483
Ein
trag
PC
E[g
/d]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80 Rotebühlplatz 19 ISAS: 4781Wolframstr. 36 ISAS:462Johannesstr. 60 ISAS: 1671Prag/Löwentorstr. ISAS: 4521
Eintragsmodell:
-
StandortDornhaldenstr.5
Rotebühlstr.171
Johannesstr.60
Rotebühlplatz19
Nesenbachstr.48
Wolframstr.36
Rümelinstr. 24- 30
Mittnachtstr.21 - 25
Prag-/Löwentorstr.
Nummer 1 2 3 6 7 8 9 10 19
LCKW-Einsatz1972-1995
1941-1976
1958 -1990
1970-2005
Bis1976
1936 –1959
1939-1990
1968-1982
1950 -1990
Sanierungseit1987
seit2010
seit2005
Keine
1991-1993,seit2000
seit1988
seit1986
seit1986
seit2008
Gesamteintrag [g/d] 50 160 53 16 412 15 130 111 129
GesamtaustragSanierung [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
Speziesaufteilung in %(PCE/TCE/cDCE/VC)
14/64/22/0
100/0/0/0
100/0/0/0
63/3/32/2
98/2/0/0 92/6/2/015/43/42/0
45/18/37/0
56/11/33/0
PCE-Äquivalent PCE TCE cDCEGesamteintrag über Standorte: 1000 g/d 710 100 90Sanierung an den Standorten: 800 g/d 630 70 60Abstrom Standorte: 200 g/d 80 30 30
Eintragsmodell an den Standorten
-
10 – 50 µg/l
1 – 2 µg/l
1 – 4 µg/l
1.00010.0005.000
0 - 50
QuartärGipskeuperUnterkeuper
Muschelkalk
Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent)
-
• Umrechnung in PCE-Äquivalent• Standortnah gute Übereinstimmung• Unterstrom der Standorte Überschätzung im
Modell
PC
E-Ä
quiv
alen
t[µg
/l]
1980 1990 2000 20100
25
50
75
100
125
150
175
berechnetgemessenBrunnen 4 Tübingerstraße (BOISS: 10660)
Muschelkalk
PC
E-Ä
quiv
alen
t[µg
/l]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
berechnetgemessenP174 (BOISS: 10663)
Muschelkalk
Simulation Summe LCKW ohne Abbau
-
• Reaktionsmodell:• Reduktive Dechlorierung• Aerober Abbau• Anaerob-oxidativer Abbau
Reaktives Multi-Spezies-Modell
-
• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch
Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall
-
• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)
P172
Abbauzone infolge eines MKW-Schadens
Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall
Umströmung Schlossstörung
-
• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)• Entwicklung der cDCE-Fahne aus MKW-Schadensfall
P172
Abbauzone infolge eines MKW-Schadens
Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall
-
Strömungsrichtung BH aus LCKW-KonzentrationenSimulierte PCE-Fahne BH
Horizontaler kf-Wert BH
Modifizierung der Durchlässigkeitsverteilung im Bochinger Horizont zur Nachbildung der Fahnenrichtung
Kalibrierung der Strömungsrichtung
-
PCE-Verteilung TD (1990)
Vertikaler kf-Wert GG
Kalibrierung der vertikalen Verlagerung
-
Standort Rümelinstr. 24 - 30
Nachbildung der zeitlichen Entwicklung am Eintrag
StandortJohannesstr. 60
Standort Nesenbachstr. 48
-
Jahre
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Brunnen 4 Tübinger Str. (Muschelkalk)
Jahre
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 20100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
P 172 (Muschelkalk)
Jahre
LCK
W-K
onze
ntra
tion
[µg/
l]
1980 1990 2000 2010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10Berger Nordquelle (Muschelkalk)
Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen unterschätzt
Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im 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
Berger Nordquelle mit TD-Eintrag
Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen mit Tiefem Eintrag Standort Rümelinstr. 24 - 30
Konzentration an den hoch konzentrierten Quellen
-
80 kg/a PCE => TCE60 kg/a TCE => cDCE
50 kg/a cDCE werden mineralisiert
Massenbilanz des Abbaus
-
Massenspeicherung und vertikale Verlagerung
-
• 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
Zusammenfassung Massenbilanz
-
Zwischen Schlossstörung und Hauptbahnhof im Unterkeuper:• Messung LCKW-frei• Simulation PCE-Konzentrationen zwischen 1 und 10 µg/l
StandortJohannesstr. 60
Szenarienbetrachtung
-
Nur Eintrag am Standort Johannesstr. 60:• 23 g/d PCE
StandortJohannesstr. 60
Szenarienbetrachtung
-
Standort Johannesstr. 60:• Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE)
StandortJohannesstr. 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
StandortJohannesstr. 60
Szenarienbetrachtung
-
4 Grundprognosen:• Abstellen der bisherigen Sanierung• Weiterbetrieb der Sanierungen mit derzeitigem Umfang• Reduktion des LCKW-Eintrags um 50%• Kein LCKW-Eintrag
Prognosen
VC
PCE
TCE
cDCE
Umbau
aus Umbau
Mineralisation
Mineralisation
Mineralisation
aus Umbau
aus Umbau Umbau +Mineralisation
Umbau +Mineralisation
VCc/DCE=0,64
TCE/PCE=0,79
cDCE/TCE=0,74
CKW
Mas
se[k
g/a]
2020 2030 2040 2050 20600
20
40
60
80
100VC aus UmbauVC Mineralisation
VC
CK
WM
asse
[kg/
a]2020 2030 2040 2050 20600
20
40
60
80
100TCE aus UmbauTCE Umbau+MineralisationTCE UmbauTCE Mineralisation
TCE
CKW
Mas
se[k
g/a]
2020 2030 2040 2050 20600
20
40
60
80
100cDCE aus UmbaucDCE Umbau+MineralisationcDCE UmbaucDCE Mineralisation
cDCE
CK
WM
asse
[kg/
a]
2020 2030 2040 2050 20600
20
40
60
80
100PCE Umbau
PCE
CKW
-Mas
seim
Aqu
ifer[
kg]
2020 2030 2040 2050 20600
2
4
6
8
10
12
14
PCETCEcDCEVC
Trigoodusdolomit (Schicht 14)
CKW
-Mas
seim
Aqu
ifer[
kg]
2010 2020 2030 2040 2050 2060050
100150200250300350400
PCETCEcDCEVC
Unterkeuper (Schicht 12)
CK
W-M
asse
imAq
uife
r[kg
]
2020 2030 2040 2050 20600250500750
10001250150017502000
PCETCEcDCEVC
Gesamtmodell
LCKW-Masse: von 2000 kg auf 930 kgMineralisation: von 40 kg/a auf 21 kg/a
-
• 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
Zusammenfassung reaktives Transportmodell