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

Einführung
In dieser Arbeit wird eine „Virtueller Aquifer“ Szenarioanalyse verwendet, um die Unsicherheit bei der
Bestimmung von Abbauratenkonstanten erster Ordnung anhand von Messstellen auf der Zentrallinie
der Schadstofffahne („Center line method“) im Kontext von Natural Attenuation zu untersuchen und zu
quantifizieren. Natural Attenuation (NA), auch als Bioremediation bekannt, bezieht sich auf die Abnahme
von Schadstoffkonzentrationen durch natürliche Abbauprozesse mit zunehmendem Abstand von
der Quelle (US-EPA, 1999; WIEDEMEIER et al., 1999). Dabei werden Dispersion, Verdünnung,
Sorption, Ausgasung und Bioabbau betrachtet, wobei der Bioabbau der einzige Prozess ist, der zu
einer Verringerung der Schadstoffmasse führt. Die an einem Standort ablaufenden Prozesse müssen
sorgfältig charakterisiert werden, um Aussagen über NA treffen zu können. Hierbei können
insbesondere die Abbauraten der betrachteten Schadstoffe für mögliche Sanierungen und das
Standortmanagement eine Rolle spielen. Die Abbauraten werden verwendet, um das gesamte NA-
Potential am Standort zu charakterisieren, um die Länge von Schadstofffahnen in der Zukunft zu
prognostizieren und um unterstromige Konzentrationen zu berechnen, die für eine Auswirkungsprognose
benötigt werden (WIEDEMEIER et al., 1999).
Zur Bestimmung von Abbauraten im Feld stehen derzeit mehrere Methoden zur Verfügung, wie z.B.
Massenbilanzen, in-situ Mikrokosmosstudien oder die Verwendung von Konzentrations-Abstands-
Beziehungen, die auf der Fahnenzentrallinie einer stationären Schadstofffahne ermittelt wurden
(CHAPELLE, 1996). Für letztere sind in der Literatur vier unterschiedliche Methoden beschrieben. Die
erste beruht auf der eindimensionalen Transportgleichung mit Advektion und Abbau erster Ordnung
(WIEDEMEIER et al., 1996). Die zweite Methode ist eine Erweiterung der ersten, indem die
Konzentrationen des betrachteten Schadstoffes auf die Konzentrationen eines nichtreaktiven Mitkontaminanden
normiert werden (WIEDEMEIER et al., 1996, 1999; WILSON et. al., 1994). Die dritte
Methode, von BUSCHECK & ALCANTAR (1995) vorgeschlagen, beruht auf der eindimensionalen
Transportgleichung mit Advektion, Dispersion und Abbau erster Ordnung und wurde bereits an einigen
Standorten eingesetzt (CHAPELLE et al., 1996; WIEDEMEIER et al., 1996; ZAMFIRESCU & GRATHWOHL,
2001; SUAREZ & RIFAI, 2002; BOCKELMANN et al., 2003). In letzter Zeit wurden als Erweiterung zur
Methode von BUSCHECK & ALCANTAR (1995) zwei- und dreidimensionale Methoden entwickelt (ZHANG
& HEATHCOTE, 2003; STENBACK et al., 2004). ZHANG & HEATHCOTE (2003) konnten zeigen, dass die
eindimensionale Methode durch Vernachlässigung der Querdispersion die Abbauraten um 21% im
Vergleich zum zweidimensionalen und um 65% im Vergleich zum dreidimensionalen Fall überschätzt.
MCNAB Jr. & DOOHER (1998) beschrieben, wie transversale Dispersion und instationäre Strömungszustände
Konzentrationsverteilungen erzeugen können, die durch die Methode von BUSCHECK &
ALCANTAR (1995) dann fälschlich als Bioabbau klassifiziert werden können, obwohl am Standort kein
Abbau stattfindet.
Aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit des Untergrundes sind Beobachtungen an
kontaminierten Standorten nur an einzelnen räumlichen Punkten möglich. Die aus einzelnen
Messpunkten abgeleiteten Ergebnisse und Aussagen sind daher immer mit Unsicherheit behaftet, die
das eingeschränkte und punktuelle Wissen über den Standort widerspiegelt. Eine „Virtuelle Aquifer“
Szenarioanalyse kann verwendet werden, um diese Unsicherheit näher zu betrachten und zu quantifizieren
(SCHÄFER et al., 2002; SCHÄFER et al., 2004; BAUER et al., 2006; BEYER et al., 2005a; BAUER &
KOLDITZ, 2005). Eine Untersuchung des Einflusses der Parametrisierung der Abbaukinetik auf die
prognostizierte Fahnenlänge wird in SCHÄFER et al. (2005) durchgeführt. Dabei werden numerische
synthetische Modelle typischer Aquifere generiert. Mithilfe eines reaktiven Transportmodells können
dann typische Schadensszenarien, wie beispielsweise die Ausbreitung einer Schadstofffahne ausgehend
von einer Schadstoffquelle, simuliert werden. Der große Vorteil der Virtuellen Aquifere ist, dass
die so erhaltene realistische räumliche Verteilung aller Parameter, wie z.B. Piezometerhöhe oder
Konzentration, exakt bekannt ist. Die virtuelle Schadstoffahne wird dann in einem zweiten Schritt
durch typische Erkundungsstrategien (hier: Zentrallinienmethode) untersucht. Eine Messung im
virtuellen Aquifer bedeutet, die entsprechenden Werte aus der Modellausgabedatei zu lesen. Bei
dieser Erkundung der virtuellen Schadstofffahne werden nur die Messwerte (hier: Piezometerhöhe,
Konzentration) berücksichtigt, die auch an einem echten Standort erhalten werden können.
Ausgehend von diesen (virtuellen) Messwerten werden dann weitere Parameter ermittelt (hier:
hydraulische Durchlässigkeiten, Abbauraten). Bei diesem zweiten Schritt ist also die richtige
Parameterverteilung nicht bekannt. Indem das Ergebnis der virtuellen Erkundung im dritten Schritt mit
der wahren Parameterverteilung (hier: Abbauratenkoeffizient) verglichen wird, können die
verwendeten Untersuchungsmethoden getestet und bewertet werden.
Die räumliche Heterogenität von Aquiferparametern hat einen erheblichen Einfluss auf die
Fahnenentwicklung und die resultierende Konzentrationsverteilung eines Schadstoffes im Aquifer. Die
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