Transnational Science and Policy Panel Vorhandene Modelle und das Vorgehen bei der Strömungs- und Transportmodellierung 07./08.04.2011 Ulrich Lang Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH
Ziele Grundwassermodell in MAGPlan:
• Quantifizierung der Strömungsprozesse im komplexen Aquifersystem des Nesenbachtales • Überprüfung und Weiterentwicklung des hydrogeologischen Systemverständnisses • Überprüfung und Integration sämtlicher hydrogeologischer Daten • Abschätzung des CKW-Schadstoffinventars • Identifizierung der sequenziellen CKW-Abbauprozesse • Unterstützung der Sanierungsplanung und Identifizierung von NA-Prozessen
April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
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Arbeitsschritte Grundwassermodell: •Erstellung des Grundwasserströmungsmodells •Aufbau •Stationäre Kalibrierung •Instationäre Kalibrierung •Sensitivitätsstudie •Überprüfung des Strömungsmodells mit Transportdaten •Tritiumsimulation •Isotopensimulation und Simulation geochemischer Parameter •Nachbildung der Markierungsversuche •Reaktives Transportmodell für CKW-Komponenten •Konzeption: •Stufe 1: Transportmodell für die Summe CKW •Stufe 2: Transportmodell mit sequenziellem CKW-Abbau •Stufe 3: Prozessorientiertes Multispezies-Modell •Identifizierung der Haupteintragsstellen •CKW-Isotopen •Kalibrierung des Transportmodells •Prognosebetrachtungen für Sanierungsplanung April 2011
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Bestehendes Modell als Grundlage: • Strömungsmodell zur Identifizierung der Auswirkungen durch das Projekt Stuttgart 21 • Modellaufbau entsprechend Kenntnisstand 2008 • Stationäre Kalibrierung (Stichtag 1994) • Instationäre Kalibrierung 1994 - 2008
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Hydrogeologische Einheiten - Modellschichten
Grundwasserhemmer
Grundwasserleiter Quartär
Mittlerer Gipshorizont Bleiglanzbank Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont
Grundgipsschichten Grenzdolomit Grüne Mergel Lettenkeuper Estherienschichten
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Oberer Teil des Muschelkalkaquifers Unterer Teil des Muschelkalkaquifers 5
Modellabgrenzung:
Muschelkalk Unterkeuper Gipskeuper
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Modellaufbau
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Berechnete Piezometerhöhen Muschelkalk und Unterkeuper:
Mittlerer Unterkeuper
Muschelkalkaquifer
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Berechnete Piezometerhöhen Gipskeuper:
Bleiglanzbank
Bochinger Horizont
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Gesamtwasserbilanz GWN
26
67
60
Quartär
33 117
13
Gipskeuper
7
Unterkeuper 247
GWN 56
492
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Muschelkalk
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228
70
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Grundwassermodell Stuttgart – Bad Cannstatt
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Strömungsmodell MAGPlan Analog bestehendes Modell: •Abgrenzung •Vertikale Untergliederung •Aquiferparameter Modelldiskretisierung: •10x10 m im Bereich der Schadensherde Modifizierte Schichtlagerung Modifizierter Ansatz für Durchlässigkeiten an Störungszonen
Modellansatz: Finite-Differenzen
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Verbesserte Modellanpassung stationär: •Westliches und südliches Stadtgebiet •Unterkeuper 12
Strömungsmodell MAGPlan: Schichtlagerung und Gebirgsmodell Aktualisierte Schichtgrenze Gipskeuper/Unterkeuper
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Übertragung auf das Modell:
Mächtigkeitsverteilung Gruindgipsschichten13
Strömungsmodell MAGPlan: Identifizierung von Störungszonen mit hydraulischer Wirkung Lage Schnitt
Störungszonen können wirken als: •Hydraulische Barrieren •Zonen erhöhter vertikaler Durchlässigkeit =>wichtig für Schadstofftransport
Schnitt in der Talachse durch Birkenkopfverwerfung:
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Transportmodell MAGPlan Br. 381 Bosch 200
Simulation Tritium: •Eintrag über GWN •Simulationszeitraum 1960 - 2008 •Eingrenzung der Porositäten
Rechnung Messung
Tritium [TU]
150
100
50
1970
1980
1990 3510000
3512500
3515000
3517500
5410000
Aufstiegsrate pro Modellzelle [m³/s]
C [mg/l] berechnet
Markierungsversuche: •Identifikation der schnellen Komponenten •Quantifizierung Kluf/Matrix-Interaktion (Tailing)
berechnet gemessen
0.05
5405000 3510000
40
30
20
0.02
3517500
3520000
10
0.01
0
3515000
50
0.04
0.03
3512500
C [g/l] gemessen
Nr. 71 - Berg- Westquelle
5402500
5402500
5405000
5407500
1.0E-04 5.0E-05 1.0E-05 5.0E-06 1.0E-06
5407500
Simulation Isotopen, geochemische Parameter: •Quantifizierung Mineralwasseraufstiege •Austauschprozesse zwischen den GWL
3520000
100
200
300
400
0 500
Tage nach der Eingabe
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5410000
0
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Wichtigste Schadensfälle und Fahnenrichtungen
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Ablauf der CKW-Modellrechnungen
Stufe 1: Simulation der CKW-Summe (MT3DMS) Identifikation und Quantifizierung der CKW-Einträge; Nachbildung des generellen Ausbreitungsverhaltens; Hinweise auf Abbau Stufe 2: Sequentieller CKW-Abbau ( MT3DMS, RT3D) •
Vereinfachte Nachbildung der reduktiven Dechlorierung und des CKW-Abbaus auf dem gesamten Modellgebiet
Stufe 3: Prozessorientiertes Multispezies-Modell (PHT3D, TBC) •
Flexible und prognosetaugliche Nachbildung des reaktiven CKWTransports; zunächst nur auf ausgewähltem Teilgebiet; Übertragung der Erkenntnisse auf gesamtes Modellgebiet
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Stufe 1: Simulation der CKW-Summe (MT3DMS) • Langzeitsimulation seit Eintragsbeginn • Summe CKW mol-Massen als Vergleichsgröße • Variation von: •Eintragsstellen •Eintragsraten •Eintragsdauer • Identifikation von: •Reduktion von VC -> NAProzesse •Oxidative Abbauprozesse
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Stufe 2: Sequentieller CKW-Abbau ( MT3DMS, RT3D) • CKW-Komponenten als Vergleichsgrößen: • Zeitliche Verteilung • Räumliche Verteilung • Verteilung der Komponenten • Variation von: • Abbauraten • Eingrenzung Sorption WK61 • Kontrolle der CKWMassen
PCE berechnet TCE berechnet cDCE berechnet VC berechnet PCE gemessen TCE gemessen cDCE gemessen VC gemessen
150 140 130 120 110
CKW [µg/l]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1995
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2000
2005
2010
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Stufe 3: Prozessorientiertes MultispeziesModell Reaktive Spezies
Strömung + Transport
Multispezies-Modell
Austausch zwischen Phasen
Reaktionen: Mikrobiell katalysiert + abiotisch
3-D Modellierung, zunächst für ausgewählte Teilgebiete Berücksichtigung des CKW-Abbaus + der Redox-steuernden Prozesse Übertragung auf das gesamte Modellgebiet
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
April 2011
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