Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins ...

Modellierung des Sauerstofftransportes durch die
Bodenzone ins Grundwasser
Claudia Hahn
Abstract. Sauerstoff ist wichtig für eine Reihe von Prozessen im Boden als auch im
Grundwasser, was das Interesse am O2 Transport im Boden erklärt. Die Transportvorgänge sind
allerdings sehr komplex, die einzelnen Transportprozesse sind oft miteinander gekoppelt und der
gesamte Prozess nicht linear. Dies erschwert eine Modellierung des O2 Transportes im Boden
stark. Diffusion und Konvektion sind die hier beschriebenen Transportmechanismen und
Porosität und Wassergehalt die Schlüsselfaktoren. Bei hoher Permeabilität des Materials sind
beide Prozesse zu beachten, bei sehr schlecht durchlässigem Material kann die Konvektion
allerdings vernachlässigt werden, und ein analytischer Ansatz ist möglich. Numerische Modelle
sollten immer individuell, je nach Problemstellung, ausgewählt werden, da verschiedene
Modelle verschiedene Prozesse vernachlässigen.
1 Einführung
Sauerstoff im Boden ist wichtig für eine Vielzahl von Prozessen. Sauerstoff beeinflusst zum
Beispiel die Wurzelatmung, die Aktivität von Mikroorganismen und somit auch den Abbau von
organischem Material und organischen Schadstoffen im Boden und im Grundwasser.
Sauerstoff spielt somit eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und beeinflusst
die CO2 Bildung im Boden:
C 6H
12O6
+ 6 O2
→ 6CO2
+ 6H
2O
+ Energie
Holler et al. (1996) erwähnen außerdem die Möglichkeit des Xenobiotika Einbaus bei aerober
Kondensation von Huminstoffvorläufern zu Huminstoffen.
Sauerstoff beeinflusst des Weiteren den Oxidationsstatus von Metallen (Hendry et al. 2002)
und somit deren mögliche Ausfällung (Al(OH)3), was zu einer Immobilisierung von toxisch
wirkenden Stoffen wie Arsen führen kann.
Besonders interessant ist der Sauerstoffeintrag und Transport bei Halden, in denen
Pyritverwitterung stattfinden kann. Das Vorhandnen sein von Wasser und Sauerstoff sind
Voraussetzung für die Pyritverwitterung. Da Wasser meist zur Genüge im Material vorhanden
ist, kontrolliert die Sauerstoffzufuhr die Pyritoxidation und somit auch die saure
Gesteinsentwässerung.
2+
2−
+
FeS2 + 3.
5O2
+ H 2O
→ Fe + 2SO4
+ 2H
(Wels et al. 2003)

2 Claudia Hahn
All diese Prozesse begründen das Interesse am Sauerstofftransport im Boden und auch den
Versuch diesen zu modellieren.
2 Sauerstoff und Sauerstofftransport im Boden
Sauerstoff wird über die Bodenoberfläche aus der Atmosphäre (21Vol%) in den Boden
eingetragen. Folglich liegt eine Flächenquelle vor. Die Senken für Sauerstoff, das heißt die
Verbrauchsorte, sind allerdings diffus im Boden verteilt (Scheffer und Schachtschabel 1998).
Sauerstoff wird im Boden, wie bereits erwähnt, durch Reaktionen mit dem Bodenmaterial
(Pyrit), Wurzelatmung, Edaphonaktivität und Mikroorganismenaktivität verbraucht. Während
Pyrit über das gesamte Bodenprofil verteilt sein kann, tritt Wurzelatmung und die
Edaphonaktivität nur in den oberen Bodenzonen auf. Somit ist der O2 Verbrauch in den
Oberflächen nahen Schichten oft stärker als in der Tiefe. Des Weiteren bedingen Wurzelatmung,
Edaphonaktivität und Mikroorganismenaktivität saisonale Schwankungen des O2 Verbrauchs,
was sich auf den diffusiven Massenflusses auswirkt.
Physikalische und geochemische Eigenschaften des Bodens beeinflussen den Transport von
Sauerstoff: (1) Wassergehalt des Bodens, (2) Porenvolumen, (3) Porengrößenverteilung, (3)
Permeabilität (4) Reaktivität des Bodenmaterials, (5) Reaktionskinetik, (5) Aktivität der
Bodenorganismen.
Generell kann Folgendes formuliert werden (Scheffer & Schachtschabel 1998): Der O2
Gehalt in feinkörnigen Böden ist geringer als in grobkörnigen Böden. Der O2 Gehalt in feuchten
Böden ist geringer als in Trockenen und der O2 Gehalt zu Zeiten hoher biologischer Aktivität ist
geringer als zu Zeiten geringer Aktivität.
3 Transportmechanismen im Boden
Transportvorgänge in der ungesättigten Zone beruhen auf (1) Diffusionsvorgängen in den Gas-
und Wassergefüllten Hohlräumen, wobei die Diffusivität der Gase von der Porosität und
Feuchtigkeit beeinflusst ist (Hölting 1995, S.188), auf (2) konvektivem Gastransport, welcher in
tieferen Regionen einen größeren Einfluss auf die Gasbewegung hat als die Diffusion (Wels et
al. 2003), als auch auf (3) dem Transport mit der wässrigen Phase, also dem Sickerwasser.
Dabei unterscheidet sich die Bewegung der gesamten Gasphase im Boden von der
Wasserbewegung aufgrund der Gaskompressibilität und der Druckabhängigkeit. Außerdem
verhält sich Gas im Boden anders als ein Flüssigkeitsfilm. Die Fließgeschwindigkeit an der
Grenze zu Bodenpartikeln ist z.B., im Gegensatz zu Flüssigkeiten, nicht Null, was als
Klingenberg Effekt bezeichnet wird (Graf 2004).
In den nächsten Abschnitten werden die einzelnen Transportmechanismen vorgestellt, wobei
der Wassertransport nur kurz umrissen wird.

3.1 Diffusion
Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins Grundwasser 3
Der Sauerstofftransport im Boden erfolgt, vor allem in der oberen Bodenzone, durch Diffusion.
Die antreibenden Kräfte sind allein Partialdruck- und somit Konzentrationsunterschiede. Das
Ausmaß der Diffusion ist dabei abhängig von der Menge und der Verteilung des Wassers im
Porenraum, da die Diffusionsgeschwindigkeit in Wassergesättigten Poren um den Faktor 10 000
kleiner ist als in luftgefüllten Poren (Holler et al. 1996). Aus diesem Grunde wird hier auch nur
die Diffusion in luftgefüllten Poren betrachtet.
Für den stationären Fall beschreibt das 1. Fick`sche Gesetz den diffusiven Gasfluss und zeigt die
Abhängigkeit des Massenflusses J0 vom Konzentrationsgradienten und dem
Diffusionskoeffizienten D [m 2 /s].
Jo
dC(
O2)
−D
∗
dz
= (1)
J0 - Gasfluss in Mol pro Zeiteinheit und Flächeneinheit
D – Diffusionskoeffizient [cm 2 /s], in Wels et al. 2003 auch als effektiver
Diffusionskoeffizient (Diffusionskoeffizient im Boden) De bezeichnet
C(O2) - Konzentration in Mol/cm 3
z – Tiefe bzw. Diffusionsstrecke in cm
Eine korrekte Modellierung des Gastransportes in der ungesättigten Zone setzt folglich eine
exakte Bestimmung des effektiven Diffusionskoeffizienten voraus. Es ist bekannt, dass De eine
Funktion des Wassergehaltes ist. Laut Moldrup et al. (2000) ist De abhängig von der Bodenart
und der luftgefüllten Porosität ε. Moldrup et al. (2000) stellen neben dem von Ihnen selbst
entwickelten Modell auch einige ältere Modelle zur Vorhersage des Diffusionskoeffizienten vor,
wie zum Beispiel das von Penman oder von Millington und Quirk.
Wels et al. (2003) entschieden sich für ein Model, bei welchem zusätzlich die Gewundenheit
τ’ in die Berechnung eingeht:
dC(O2)
Jo = −n
∗ Sg ∗τ
'∗Do ∗
(2)
dz
D0 - Diffusionskoeffizient in einem freien Fluid in m 2 /s
n - Porosität
Sg - Gas Sättigung
τ' - Gewundenheit
Festzuhalten ist, dass der Diffusionskoeffizient im Boden De geringer ist als der
Diffusionskoeffizient in einem freien Gas D0, da im Boden Bodenpartikel (und Wasser) die
Diffusion behindern, indem sie die Gewundenheit der Transportwege erhöhen und der
Gastransport somit nicht direkt und geradlinig verlaufen kann.
Dass Art und Schnelligkeit des Sauerstoffverbrauchs im Boden den diffusiven Gastransport,
als auch die Eindringtiefe d0 von Sauerstoff in den Boden stark beeinflussen, zeigt der

4 Claudia Hahn
analytische Lösungsansatz von Wels et al. (2003) zur Vorhersage eines 1 dimensionalen
Sauerstoffkonzentrationsprofils in einem Material, in welchem Sauerstoff durch eine Reaktion 1.
Ordnung verbraucht wird: Dabei müssen zuerst Sg, τ, n sowie D0 bekannt sein, um De zu
berechnen. Dann wird in verschiedenen Tiefen das Verhältnis von der Sauerstoffkonzentration
in einer bestimmten Tiefe C0(z) zur Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche C0* gemessen
und in einem Diagramm über die Tiefe abgetragen (Abb.1). In halblogarithmischer Darstellung
(Abb.1) ergibt sich eine Gerade, aus dessen Anstieg sich bei bekanntem De die kinetische
Konstante K abschätzen lässt.
Abb.1. Relative Sauerstoffkonzentration in einer Säule mit Haldenmaterial (nach Yanful, 1991) (Wels et
al. 2003)
C
Dazu wird folgende Beziehung zwischen C0(z), K und De angenommen:
* z K / De
0 C0
* e
−
= (3)
K / De ist somit der Anstieg der Geraden und mit den so ermittelten Größen kann mittels
Gleichung (3) die Sauerstoffkonzentration in beliebiger Tiefe berechnet werden. Dabei muss
beachtet werden, dass diese Beziehungen nur auf einen homogenen Bodenkörper mit konstanten
Werten von De und K zutreffen. Setzt man Gleichung (3) in Gleichung (2) ein, ergibt sich
folgende Beziehung:
J = De ∗ K *C
(4)
0
0
Damit lässt sich der molare Massenfluss J0 in Abhängigkeit von der Tiefe berechnen. Diese
Beziehung zeigt außerdem, dass J0 nahe der Oberfläche am größten ist und mit zunehmender
Tiefe abnimmt, da J0 direkt proportional zu C0 ist, und C0 mit zunehmender Tiefe abnimmt
(siehe Abb.1).
Wels et al. (2003) kommen allerdings zu folgender Beziehung (Gleichung 5), welche keine
Abhängigkeit des Massenflusses von der Tiefe mehr aufweist. Weiterhin zeigen Sie die

Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins Grundwasser 5
Abhängigkeit des Massenflusses und der Eindringtiefe und von der kinetischen Konstante auf
(Abb.2).
*
J = K * De * C
(5)
0
0
Abb.2. Sauerstoff Diffusion in Abhängigkeit von der kinetischen Konstante K. Links: Relative O 2
Konzentration in verschiedenen Tiefen. Rechts: Eindringtiefe d 0 von Sauerstoff in den Boden (Tiefe bei der
die relative Konzentration 0.05 ist) und Massenfluss von der Bodenoberfläche in die Tiefe (Wels et al.
2003)
Abbildung 2 zeigt, dass je höher die Reaktivität des Materials, das heißt je höherer der
Verbrauch von O2 und je höher K, desto geringer ist die Eindringtiefe d0 und desto höher ist der
Gasfluss J0. Diese Beziehung gilt auch für Gleichung 4, wobei für das zweite Bild aus Abb.2
eine bestimmte Tiefe angenommen werden muss.
Diese analytische Lösung gilt allerdings nur für einen homogenen Bodenkörper, in welchem
Sauerstoff über das ganze Profil hinweg durch eine Reaktion erster Ordnung verbraucht wird.
Zonen erhöhter Mikroorganismenaktivität und somit erhöhten Verbrauchs werden somit nicht
berücksichtigt ebenso wie sich ändernde Wassergehalte.
3.2 Konvektion
Die Konvektion ist ein weiterer wichtiger Transportmechanismus für Sauerstoff im Boden.
Dabei erfolgt der Sauerstofftransport durch die Bewegung der gesamten Gasphase. Diese kann
im eindimensionalen Fall (Richtung l) durch das Darcy Gesetz beschrieben werden, welches nur
bei laminarer Strömung gilt. Bei der Betrachtung eines Gases in der ungesättigten Zone ist K
abhängig von der luftgefüllten Porosität. Weiterhin wird der hydraulische Gradient durch einen
pneumatischen Gradienten h[m] ersetzt (Wels et al. 2003) Die Begriffserklärung wurde Lefebvre
et al. (2001a) entnommen:

6 Claudia Hahn
kρg
dh
q = −Ki
= − ∗
µ dl
q – Gasfluss [m/s]
K – hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
i – Gradient
k – intrinsische Permeabilität [m 2 ]
ρ – Dichte [kg/m 2 ]
g – Normalfallbeschleunigung (9.81 m/s 2 )
µ – Viskosität [Pa s]
Das pneumatische Potential h kann für ein perfektes Gas wie folgt beschrieben werden (Wels et
al. 2003):
R ∗T
p
h = z + ∗ ln (7)
g ∗ m p0
z – Höhe relativ zu einer Referenzhöhe [m]
R – Gaskonstante (8.314 Pa m 3 / mol*K)
T – absolute Temperatur (K)
m – molare Masse der Gasphase (kg/mol)
p, p0 – Gasdruck und Referenzgasdruck (Pa)
Gleichung 7 zeigt, dass Temperaturgradienten, Druckgradienten und Unterschiede in der
molaren Masse einen Gasfluss bewirken können. Letzteres kann durch eine Änderung der
Zusammensetzung der Gasphase hervorgerufen werden (Wels et al. 2003).
Gründe für Temperaturgradienten im Boden sind zum Beispiel exotherme Reaktionen im
Untergrund, wie die Pyritoxidation, welche vor allem in Bergbauhalden Probleme bereitet.
Dabei werden 1409kJ Wärme pro oxidiertem mol Pyrit frei (Wels et al. 2003). Dies kann
enorme Temperaturerhöhungen im Oxidationsbereich, starke Temperaturunterschiede vor allem
im Winter und somit, bei ausreichender Permeabilität des Materials, Temperatur- und
Dichtegetriebene Gasströmungen hervorrufen.
Druck kann durch verschiedenste Prozesse auf die Gasphase im Boden wirken. Massmann
and Farrier (1992) beschäftigten sich mit den Auswirkungen des atmosphärischen Druckes auf
den Gastransport in der ungesättigten Zone. Dabei halten sie fest, dass tägliche
Luftdruckschwankungen, hervorgerufen durch Temperatur- und Gravitationseffekte, in
Größenordnungen von 2-3 mbar möglich sind, während unregelmäßige Wetterereignisse, wie
Stürme, Luftdruckschwankungen von 20 – 30 mbar hervorrufen können. Räumliche Luftdruck
Unterschiede sind im Vergleich zu Zeitlichen gering (3mbar pro 100km), so dass an einem
Standort einheitliche Luftdruckänderungen angenommen werden können. Des Weiteren
reagieren ungesättigte Zonen hoher Mächtigkeit stärker auf den Luftdruck als gering mächtige
Zonen (Massmann und Farrier 1992). Gas wird bei sehr mächtigen Zonen schneller und tiefer in
den Boden transportiert. Im Allgemeinen führt eine Luftdruckerhöhung zu einer Kompression
der Gasphase und zu verstärktem Gaseintritt in die Bodenzone, während eine Luftdruckabnahme
zu einer Ausdehnung der Gasphase und zu eventuellem Entgasen führt (Wels et al. 2003).
(6)

Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins Grundwasser 7
Weitere Prozesse, die zu konvektiven Gastransport führen können, werden im Folgenden
aufgeführt (Scheffer und Schachtschabel 1998): 1. Zu- und Abführung von Gasen durch
fließendes Grundwasser. 3. Verdrängung der Luft aus engen Poren durch eindringendes
Niederschlagswasser. 4. Bewässerung und Überstauung 5. Ansteigen und Absinken des
Grundwasserspiegels im Boden (wichtig bei Auenböden im Überflutungsbereich) 6.
Gasneubildung im Boden
Eine exakte analytische Beschreibung der Konvektion gestaltet sich sehr schwierig, da der
Prozess der Konvektion stark nicht linear ist (Wels et al. 2003). Die einzelnen Prozesse
beeinflussen sich gegenseitig: Eine durch exotherme Reaktionen im Boden hervorgerufene
Temperaturerhöhung führt zu Konvektion, erhöhtem Gaseintrag in den Boden und somit zu
weiterer Temperaturerhöhung. Außerdem bewirkt ein Temperaturanstieg eine Zunahme des
Wasserdampfgehaltes in der Gasphase, was eine Änderung der molaren Masse der Gasphase
nach sich zieht, und sie hat Einfluss auf die Löslichkeit von Gasen in Wasser, was wiederum
Einfluss auf den Sauerstofftransport in der wässrigen Phase hat.
Laut Ning Lu (2001) ist die Konvektion bei Material mit einer intrinsischen Permeabilität von
weniger als 10*10 -10 m 2 allerdings vernachlässigbar. Bei Halden ist die intrinsische
Permeabilität jedoch meist besser und Konvektion darf dort somit nicht vernachlässigt werden.
3.3 Sauerstofftransport mit dem Bodenwasser
Zur Beschreibung des Wasserflusses kann wieder das Darcy Gesetz herangezogen werden.
Dabei ist der Durchlässigkeitsbeiwert k von der wassergefüllten Porosität abhängig. Die
Wasserbewegung wird durch einen hydraulischen Gradienten, welcher sich aus dem Matrix- und
Gravitationspotential ergibt, angetrieben.
Die Löslichkeit von Gasen in Wasser wird durch das Henry Gesetz beschrieben (Hölting
1995) und ist proportional zu dem Henry Koeffizienten und dem Partialdruck. Da der Henry
Koeffizient Temperaturabhängig ist, beeinflussen Druck und Partialdruck die Löslichkeit eines
Gases in Wasser. Das Henry Gesetz gilt allerdings nur für Gase die keine Folgereaktionen
eingehen. Die mit dem Henry Gesetz berechnete Sauerstofflöslichkeit wird deshalb oft
unterschätzt.
Bei einem Gesamtdruck von 1bar und 21 Vol % Sauerstoff in der Atmosphäre ergeben sich,
je nach Temperatur, folgende Löslichkeiten für O2 im Wasser:
Tabelle1: Löslichkeiten von Sauerstoff in Wasser (Holler et al. 1996)
Temperatur (°C) 0 10°C 20 30
Löslichkeit (mg/l) 14.5 11.1 8.9 7.2
4. Modelle zur Simulation des Sauerstofftransportes
Die aufgeführten Transportmechanismen zeigen wie komplex die Prozesse des
Sauerstofftransportes im Boden sind, vor allem da sie sich gegenseitig beeinflussen. Um dies zu
simulieren sind numerische Modelle notwendig (Wels et al. 2003, Lefebvre et al. 2001a).

8 Claudia Hahn
Zur korrekten Beschreibung des Sauerstofftransportes ist ein Zweiphasen- und
Mehrkomponentenmodell nötig, so dass der gleichzeitige Gas- und Wassertransport im Boden
als auch die chemischen Reaktionen von Sauerstoff mit anderen Elementen, und somit der
Sauerstoffverbrauch, betrachtet werden können. Weiterhin müssen die Gasdiffusion und der
Wärmetransport, vor allem bei möglichen exothermen Reaktionen im Boden, in das Modell
einbezogen werden.
Einige Modelle, die den Sauerstofftransport in der ungesättigten Zone annähernd beschreiben
können, werden im Folgenden kurz vorgestellt.
4.1 TOUGH AMD
Wie Eingangs erwähnt, spielt der Sauerstofftransport vor allem in Halden, in denen
Pyritoxidation und Acid Mine Drainage AMD auftreten kann, eine wichtige Rolle. Lefebvre et
al. (2001b) stellen das Modell TOUGH AMD vor, welches von THOUGH2 abstammt und
speziell der Simulation von AMD dient.
TOUGH2
TOUGH2 (transport of unsaturated groundwater and heat) wurde für geothermale und nukleare
Themengebiete entwickelt und ist damit besonders geeignet für Temperatur getriebene
Strömungen. Es handelt sich hierbei um ein mehrdimensionales Finites Differenzen Modell
(FDM) mit implizitem Lösungsalgorithmen, welches eine Mehrphasen- und
Mehrkomponentenströmung sowie Wärmetransport (Yu-Shu Wu et al. 2002), genauer den
gekoppelten Transport von Wasser, Dampf, nicht kondensierbarem Gas und Wärme, in porösen
Medien modelliert (http://www-esd.lbl.gov/TOUGH2/). Nicht beachtet wird hier der reaktive
Stofftransport.
TOUGH AMD
Die in TOUGH AMD implementierten Prozesse wurden von Wels et al. 2003 zusammengefasst
aufgelistet: Es werden zwei Phasen, eine Flüssigkeit und ein Gas, sowie 4 Komponenten,
Wasser, Luft, Sauerstoff und Wärme, betrachtet, wobei alle 4 Komponenten in beiden Phasen
vorkommen. In TOUGH AMD werden folgende Prozesse beachtet und simuliert:
Mehrphasenströmung, Wärme Transport, Gasdiffusion, Kinetik der Pyrit Oxidation (Kern
Modell, Reaktion erster Ordnung) und gelöster Massentransport.
Laut Lefebvre et al. 2001b gilt dieses Modell allerdings nur für homogene Systeme und die
im Modell implementierten Beziehungen müssen diskretisiert werden. Außerdem wird die durch
Änderung der Zusammensetzung der Gasphase hervorgerufene Konvektion in diesem Modell
nicht berücksichtigt. Auch der Einfluss von sich ändernden Randbedingungen wie Temperatur
und Druck war noch nicht 100%ig erforscht und konnte folglich nur in begrenztem Maße in das
Modell eingebaut werden. Des Weiteren wurde die Veränderung physikalischer Eigenschaften
aufgrund von Pyritverwitterung nicht in das Modell integriert (Lefebvre et al. 2001b). Beachtet
werden muss außerdem, dass dieses Modell keine anderen Stoffe und chemischen Prozesse
berücksichtigt, welche z.B. zusätzlichen O2 Verbrauch bewirken könnten und somit Einfluss auf
den O2 Transport haben.

4.2 FIDHELM
Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins Grundwasser 9
FIDHELM ist ein weiteres FD Modell, 2 dimensional, welches den Gas-, Wasser- und
Wärmetransport in Halden mit Potential zu saurer Gesteinsentwässerung modellieren kann. Die
Temperaturabhängigkeit von Parametern wie dem Diffusionskoeffizienten, der Viskosität und
der thermischen Leitfähigkeit wird hier allerdings nicht berücksichtigt, da angenommen wird,
dass sich auf den Halden eine Gleichgewicht einstellt (Pantelis et al. 2002).
4.3 TOUGH REACT
Auch TOUGHREACT ist eine Weiterentwicklung von TOUGH2, welches zusätzlich reaktive
Mehrphasen und Mehrkomponentenströmung, also chemische Reaktionen, modellieren kann.
Advektion und Diffusion werden in der flüssigen sowie der Gasphase modelliert (Xu et al.
2003). Dabei werden eine Reihe von Prozessen und Gleichgewichtsreaktionen unter
verschiedenen Bedingungen (T, p, Wassersättigung, Ionenstärke) berücksichtigt (Säure-Base
Reaktionen, Redoxreaktionen (Xu et al. 2003), Komplexbildung, Gaslöslichkeit,
Kationenaustausch, Minerallösung und Ausfällung), allerdings unter der Annahme, dass sich
lokale Gleichgewichte einstellen (Xu et al. 2003 & 2004). Im Gegensatz zu TOUGH AMD
berücksichtigt dieses Modell auch die sich aufgrund chemischer Reaktionen ändernden
physikalischen Eigenschaften wie Porosität und Permeabilität, und somit auch die sich
ändernden Strömungseigenschaften (http://www-esd.lbl.gov/TOUGH2/). Auch die Möglichkeit
physikalische und chemische Heterogenitäten in das Modell einzubeziehen (Xu et al. 2003),
bietet Vorteile gegenüber TOUGH AMD.
Durch Änderungen der chemischen Zusammensetzung hervorgerufene Änderungen von
thermophysikalischen Eigenschaften (Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte), sowie
Auswirkungen des Energieverbrauchs oder der Energieabgabe bei chemischen Reaktionen auf
den Gas-, Flüssigkeits- oder Stofftransport werden hier allerdings nicht beachtet (Xu et al.
2004).
4.4 ECLIPSE
ECLIPSE ist ein 3 dimensionales, Finites Differenzen Modell zur Modellierung einer
Mehrphasenströmung, welches speziell zur Lagerstättensimulation für die Erdöl- und
Erdgasindustrie entwickelt wurde. Dieses Modell betrachtet den Druck und die Sättigung der
Gasphase, der Flüssigen Phase und der organischen Phase als abhängige Variablen
(http://www.rz.tu-clausthal.de/software/unix/fem/eclipseeinf.shtml) und es ist auch für Material
mit doppelter Porosität geeignet. Eine Reihe zusätzlicher Module können das Basisprogramm
erweitern und sind in der Broschüre von ECLIPSE
(http://www.slb.com/media/services/software/reseng/eclipse_brochure.pdf) aufgelistet. Es ist das
variabelste Programm der hier aufgeführten.

10 Claudia Hahn
4.5 Airflow/ SVE
Im Gegensatz zu den oben genannten Modellen simuliert Airflow/SVE eine
Einphasengasströmung. Dieses FDM kann einen Mehrkomponenten Gastransport in
ungesättigten, heterogenen und anisotropen Medien modellieren und berücksichtigt dabei die
Temperatur- und Druckabhängigkeit der Gasdichte als auch den Abbau von NAPLs
(http://www.scisoftware.com/products/airflowsve_details/airflowsve_details.html).
Anhand der hier vorgestellten Modelle wird ersichtlich, dass es sehr schwierig und
Speicheraufwendig ist, alle Prozesse und Variablen, die den Sauerstofftransport beeinflussen, in
ein Programm zu integrieren. Folglich werden in den verschiedenen Modellen jeweils
verschiedene Einflüsse und Prozesse vernachlässigt. So kann TOUGHREACT zwar mehr
Reaktionen des Sauerstoffs im Boden und die Veränderung der Porosität aufgrund von
chemischen Reaktionen modellieren, vernachlässigt aber den Einfluss von exothermen
Reaktionen auf die Konvektion. Letzteres spielt jedoch eine große Rolle bei Halden in denen
Pyritverwitterung auftritt. Somit ist für speziell diesen Fall TOUGH AMD, auch durch das
implementierte Kernmodell, besser geeignet. Dies zeigt, dass für die jeweilige Problemstellung
das geeignete Programm ausgesucht, bzw. programmiert werden muss.
5. Zusammenfassung
Die den Sauerstofftransport im Boden antreibenden und beeinflussenden Prozesse sind komplex
und oft miteinander gekoppelt. Physikalische (Porosität, Durchlässigkeit, Wassergehalt) und
chemische Eigenschaften (Reaktivität des Materials) des Bodens bedingen den
Sauerstofftransport im Boden. Doch auch interne (Temperatur, Druck, Aktivität der
Bodenorganismen usw.) sowie externe Variablen (Sauerstoffgehalt der Atmosphäre,
Temperatur- und Luftdruckänderungen) beeinflussen diesen.
Bei Böden mit sehr geringer intrinsischer Permeabilität kann die Konvektion allerdings
vernachlässigt werden, die Diffusion wird der dominierende Transportmechanismus und ein
analytischer Lösungsansatz kann gewählt werden, mit erheblicher Vernachlässigung der
Heterogenität. Auf die bei sehr geringer Permeabilität auftretende Knudson Diffusion wurde hier
nicht weiter eingegangen. Bei ausreichender Permeabilität, wie sie in Halden meist anzutreffen
ist, wird die Konvektion allerdings bedeutend und numerische Lösungen sind von Nöten.
Jedoch, nur eine gute Kenntnis des zu modellierenden Bereiches/ Bodens und der dort
ablaufenden Prozesse ermöglicht eine sinnvolle Modellierung. Somit sind physikalische und
chemische Parameter zu erfassen und in das Modell einzubauen. Bei der Wahl des jeweiligen
Modells ist auf die Problemstellung zu achten. Auch die Arbeit von DeVisscher und Van
Clement (2003) zeigt, dass ein auf das Problem individuell abgestimmtes Modell in jedem Falle
das Beste wäre, bei genügend Wissen über die im Boden ablaufenden Reaktionen.
Die Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauchs von der Mikroorganismenaktivität und somit
mögliche saisonale Schwankungen beim Sauerstofftransporte sollten meiner Meinung nach
stärker beachtet und in Modelle eingebaut werden.

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Modellierung des Sauerstofftransportes durch die Bodenzone ins Grundwasser 11
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