Applied numerical modeling of saturated / unsaturated flow and ...

More documents

Recommendations

Info

sagt sowie die zusätzliche Problematik des Abschätzens der Dispersivitäten umgeht. In BAUER et al. (2005) wird der Einfluss der geschätzten Dispersivitäten auf die Abbauratenkonstante sowohl für die longitudinale als auch transversale Dispersivität anhand einer Sensitivitätsstudie eingehend untersucht. Es zeigt sich dabei, dass mit Methode 3 nie, mit Methode 4 nur unter Annahme sehr hoher transversaler Dispersivitäten, die nicht mit der Heterogenität (σ²ln(K)) des Aquifers begründet werden können, die korrekten Abbauraten ermittelt werden. In diesem Aufsatz werden weiterhin der Einfluss der Quellbreite sowie verschiedene Methoden zur Berechnung der Fliessgeschwindigkeit untersucht. Es zeigt sich, dass die Anordnung der Messpegel, abgeleitet aus dem hydraulischen Dreieck, großen Einfluss auf die geschätzte Abbaurate hat, wie er sich auch in Abbildung 1 widerspiegelt. Ebenso ist die Mittelung der an den einzelnen Messpegeln ermittelten hydraulischen Durchlässigkeiten von Bedeutung. Hier ergibt sich, dass eine geometrische Mittelung zu bevorzugen ist (BAUER et al., 2006). Die gefundene generelle Überschätzung der Ratenkonstante ist im Hinblick auf eine Prognose der Fahnenlänge problematisch, da eine zu hohe Ratenkonstante den Abbau überschätzt und daher zu geringe prognostizierte Fahnenlängen verursacht. Dieser Fehler ist daher nicht konservativ und kann zu einer zu optimistischen Einschätzung der Standortverhältnisse führen. Im Folgenden ist die Fahnenlänge definiert als die Strecke zwischen Schadensquelle und dem Ort auf der Fahnenzentralachse, an dem das Verhältnis C/C0 einen vorgegebenen Wert erreicht hat (beispielsweise 10 -3 ), wobei C die Konzentration in der Fahne und C0 die Konzentration in der Quelle ist. Für eindimensionale Lösungen ohne Dispersion ergibt sich, dass Abbaurate und Fahnenlänge umgekehrt proportional zueinander sind und die Fahnenlänge linear mit dem Kehrwert der Abbaurate wächst (Vergleiche Methoden 1 und 2 in Tabelle 1). Eine Überschätzung der Abbaurate um den Faktor 5 verursacht also eine Unterschätzung der Fahnenlänge ebenfalls um den Faktor 5. Im eindimensionalen Fall mit Dispersion sowie im zweidimensionalen Fall ist die Fahnenlänge annähernd umgekehrt proportional zum Kehrwert der Quadratwurzel der Abbaurate, die genauen Werte hängen von den gegebenen Dispersivitäten, der Quellbreite und dem Verhältnis von Abstandsgeschwindigkeit zu Abbaurate ab (vergleiche Methoden 3 und 4 in Tabelle 1). Eine Überschätzung der Fahnenlänge um den Faktor 5 bzw. 10 kann beispielsweise eine Unterschätzung der Fahnenlänge um den Faktor 3 bzw. 5 verursachen. Der Einfluss der Dispersion verringert die Sensitivität der Fahnenlänge auf die Abbaurate. Eine genauere Untersuchung des Einflusses der ermittelten Abbaurate auf die prognostizierte Fahnenlänge wurde von BEYER et al., (2005b) durchgeführt. Dabei zeigte sich eine durchschnittliche Unterschätzung der Fahnenlängen um 50 %. Für einzelne Realisierungen ergaben sich zum Teil jedoch erheblich größere Fehler, sodass in ungünstigen Fällen die geschätzte Fahnenlänge lediglich 10% des tatsächlichen Wertes betrug. Dabei zeigt sich, dass die mit Methoden 1, 3 und 4 berechneten Abbauraten prinzipiell zu ähnlichen Abschätzungen der Fahnenlänge führen, wenn diese mit einem mit der Abbaurate korrespondierenden Transportmodell berechnet wird. Die durch Vernachlässigung bzw. falsche Parametrisierung der Längs- und Querdispersion verursachten Fehler in der Abbaurate werden bei der Fahnenlängenprognose teilweise wieder aufgehoben. Als problematisch stellte es sich jedoch heraus, Abbauraten, die mit der eindimensionalen Lösung berechnet wurden, in einem zwei- oder dreidimensionalen Transportmodell zur Prognose der Fahnenlänge zu verwenden (BEYER et al., 2005b). Danksagung: Der Beitrag entstand im Rahmen des Projekts TV 7.1 „Modellierung und Prognose“ des BMBF- Förderschwerpunktes “Kontrollierter natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen bei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden (KORA)“ an den Universitäten Kiel und Tübingen. Den Projektträgern und dem BMBF sei für die hierbei gewährte Unterstützung gedankt. Literaturangaben Bauer, S., Beyer, C. , Kolditz, O. (2006): Assessing measurement uncertainty of first order degradation rates in heterogeneous aquifers. - Water Resour. Res., im Druck. Bauer, S., Beyer, C., Kolditz, O. (2005): Assessing measurements of first order degradation rates by using the Virtual Aquifer approach. - IAHS Publication, 297: 274-281. Bauer, S., Kolditz, O. (2005): Uncertainty assessment of integral pumping tests in heterogeneous aquifers. - Angenommener Beitrag für eine IAHS Publikation. Beyer, C., Bauer S., Kolditz, O. (2005a): Uncertainty assessment of degradation rate measurements in heterogeneous media using the virtual aquifer approach. - In: Kolditz, O., Bauer, S., and Gronewold, J. (Eds.): Proceedings of the 5th Workshop “Porous Media”, Blaubeuren, Germany, December 2004,. ZAG Publisher, Tübingen. 12
Beyer, C., Bauer S., Kolditz, O. (2005b): Using the Virtual Aquifer approach for uncertainty assessment of contaminant plume length estimates. GeoSys Preprint, GeoSystemForschung, Tübingen. http://www.uni-tuebingen.de/zag/geohydrology/index.html Bockelmann, A., Zamfirescu, D., Ptak, T., Grathwohl, P., Teutsch, G. (2003): Quantification of mass fluxes and natural attenuation rates at an industrial site with a limited monitoring network: A case study. - J. Contam. Hydrol., 60: 97-121. Buscheck, T.E., Alcantar, C.M. (1995): Regression techniques and analytical solutions to demonstrate intrinsic bioremediation. - In: Proceedings of the 1995 Battelle International Conference on In-Situ and On Site Bioreclamation, Batelle, CA, April 1995. 109-116. Chapelle, F.H., Bradley, P.M., Lovley, D.R., Vroblesky, D.A. (1996): Measuring rates of biodegradation in a contaminated aquifer using field and laboratory methods. -Ground Water, 34(4): 691-698. Herfort, M. (2000): Reactive Transport of Organic Compounds Within a Heterogeneous Porous Aquifer. - Tübinger Geowissenschaftliche Arbeiten, 54, Universität Tübingen, Tübingen. Kolditz, O., de Jonge, J., Beinhorn, M., Xie, M., Kalbacher, M., Wang, W., Bauer, S., McDermott, C., Chen, C., Beyer, C., Gronewold, J., Kemmler, D., Manabe, T., Legeida D., Adamidis, P. (2005): GeoSys - Theory and users manual, release 4.2. GeoHydrology / HydroInformatics, Center for Applied Geoscience, Universität Tübingen, Tübingen. McNab Jr, W. W., Dooher, B.P. (1998): A critique of a steady-state analytical method for estimating contaminant degradation rates. - Ground Water 36(6): 983–987. Pebesma, E. J., Wesseling, C. G. (1998): Gstat: A program for geostatistical modeling, prediction and simulation. - Computers & Geosciences, 24(1): 17-31, doi:10.1016/S0098- 3004(97)00082-4. Rehfeldt, K.R., Boggs, J.M., Gelhar, L.W. (1992): Field study of dispersion in a heterogeneous aquifer, 3, geostatistical analysis of hydraulic conductivity. - Water Resour. Res., 28(12): 3309–3324. Rubin,Y. (2003): Applied Stochastic Hydrogeology. - 416 S.; Oxford University Press, New York, NY. Schäfer, D., Dahmke, A., Kolditz, O., Teutsch, G. (2002): "Virtual Aquifers": A concept for evaluation of exploration, remediation and monitoring strategies. - In: Calibration and Reliability in Groundwater Modelling: A Few Steps Closer to Reality (Proceedings of the ModelCARE 2002 Conference held in Prague, Czech Republic, June 2002), edited by K. Kovar & Z. Hrkal, IAHS Publication, 277: 52- 59. Schäfer, D., Schlenz B., Dahmke, A. (2004): Evaluation of exploration and monitoring methods for verification of natural attenuation using the virtual aquifer approach. - Biodegradation Journal 15(6): 453-465. Schäfer, D., Hornbruch, G., Schlenz B., Dahmke, A. (2005): Untersuchung kinetischer Ansätze zur Modellierung mikrobieller Abbauprozesse mit Hilfe des Virtuelle Aquifere Ansatzes. - Eingereicht bei Grundwasser. Suarez, M. P., Rifai, H.S. (2002): Evaluation of BTEX remediation by natural attenuation at a coastal facility. - Ground Water Monit. Remed. 22(1): 62-77. Stenback, G.A., Ong, S.K., Rogers, S.W., Kjartanson, B.H. (2004): Impact of transverse and longitudinal dispersion on first-order degradation rate constant estimation. - J. Cont. Hydrol. 73: 3-14. Sudicky, E. A. (1986): A natural gradient experiment on solute transport in a sand aquifer: Spatial variability of hydraulic conductivity and its role in the dispersion process. - Water Resour. Res. 22(13): 2069-2082. U.S. Environmental Protection Agency (1999): Use of monitoring natural attenuation at Superfund, RCRA Corrective Action, and Underground Storage Tank Sites, - Office of Solid Waste and Emergency Response Directive 9200.4-17, Washington, D.C. Wiedemeier, T.H., Swanson, M.A., Wilson, J.T., Kampbell, D.H., Miller, R.N., Hansen,J.E. (1996): Approximation of biodegradation rate constants for monoaromatic hydrocarbons (BTEX) in ground water. - Ground Water Monit. Remed., 16(3): 186-194. Wiedemeier, T.H., Rifai, H.S., Wilson, J.T., Newell, C. (1999): Natural Attenuation of Fuels and Chlorinated Solvents in the Subsurface. - 617 S.; Wiley, New York, NY. Wilson, J. T., Pfeffer, F. M., Weaver, J. W., Kampbell, D. H., Wiedemeier, T. H., Hansen, J. E., Miller, R. N. (1994): Intrinsic Bioremediation of JP-4 Jet Fuel. - In: Symposium on Intrinsic Bioremediation of Ground Water, Denver, Colorado, US-EPA: 60-72. Wilson, R. D., Thornton, S.F. Mackay, D.M. (2004): Challenges in monitoring the natural attenuation of spatially variable plumes. - Biodegradation Journal 15(6): 459-469. Zamfirescu, D., Grathwohl, P.(2001): Occurrence and attenuation of specific organic compounds in the groundwater plume at a former gasworks site. - J. Contam. Hydrol. 53: 407-427. Zhang, Y.-K. , Heathcote, R.C. (2003): An improved method for estimation of biodegradation rate with field data. - Ground Water Monit. Remed., 23(3): 112-116. 13
Page 3 and 4:
Applied numerical modeling of satur
Page 5:
Abstract Applied numerical modeling
Page 9:
Vorwort Die zurückliegenden drei J
Page 13:
List of abbreviations and mathemati
Page 16 and 17:
for the application studies outline
Page 18 and 19:
path lengths of water molecules tha
Page 20 and 21:
where vmax [s -1 ] is a maximum gro
Page 22 and 23:
domain is discretized along advecti
Page 24 and 25:
conceptional model error: wrong pro
Page 26 and 27:
The conceptual model used is a rigo
Page 28 and 29:
equires therefore a higher degradat
Page 30 and 31:
studied for heterogeneous sites wit
Page 32 and 33:
Fig. 13: Plume length overestimatio
Page 34 and 35:
concentration maximum is for the ca
Page 36 and 37:
possibilities can not be provided n
Page 38 and 39:
technischen Bauwerken. (Model based
Page 40 and 41:
Schäfer, D., Dahmke, A., Kolditz,
Page 43:
Enclosed Publication 1 Bauer, S., B
Page 46 and 47:
Assessing measurements of first-ord
Page 48 and 49:
Page 50 and 51:
Page 52 and 53:
Page 55 and 56:
WATER RESOURCES RESEARCH, VOL. 42,
Page 57 and 58: W01420 BAUER ET AL.: ASSESSING FIRS
Page 69: Enclosed Publication 3 Beyer, C., B
Page 72 and 73: 74 C. Beyer et al. / Journal of Con
Page 95: Enclosed Publication 4 Bauer, S., B
Page 98 and 99: Einführung In dieser Arbeit wird e
Page 100 and 101: Entlang der so bestimmten Grundwass
Page 102 and 103: Für die letztgenannten Methoden m
Page 104 and 105: Um diesen Effekt zu verdeutlichen s
Page 106 and 107: Unsicherheit zu. Für Methode 3 ( A
Page 111: Enclosed Publication 5 Beyer, C., C
Page 114 and 115: (1995) yields a “hybrid” rate c
Page 116 and 117: 2 integral scale lY of 2.67 m and l
Page 118 and 119: The approximate solution employed h
Page 120 and 121: As Bauer et al. (2006a) demonstrate
Page 122 and 123: Table 4: Normalized degradation rat
Page 124 and 125: Comparing results for source widths
Page 127: Enclosed Publication 6 Beyer, C., K
Page 130 and 131: Einleitung und Zielsetzung In Deuts
Page 132 and 133: die Anzahl Simulationsläufe den Vo
Page 134 and 135: Grundlage des Korngrößenspektrums
Page 136 and 137: Dies ist als konservative Abschätz
Page 138 and 139: Randbedingungen abhängig ist. Aus
Page 140 and 141: keinen Einfluss auf die abgebaute M
Page 142 and 143: Carsell, R. F., Parish, R. S.: Deve
Page 144: van Genuchten, M.T.: A closed form
show all

Applied numerical modeling of saturated / unsaturated flow and ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?