Hydrogeologie und chlorierte Kohlenwasserstoffe in Stuttgart – ein Konzept zur Sicherung der Grundwasserqualität Wolfgang Ufrecht Amt für Umweltschutz Stuttgart
14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Altlastensituation Stuttgart Massive industrielle Nutzung 2948 2047
14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Verdachtsflächen, Fälle mit LCKW-Verdacht
Schema der Altlastenbearbeitung Grundstücks- bzw. störerbezogene Einzelfallbearbeitung und standortbezogene Untersuchungsverfahren. Gefahr-, Risikoabschätzung In Regie und auf Kosten von Behörde Störerzuordnung
Erkundung in Schritten bzw. nachfolgende Sanierung durch Störer
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Schadensfallbearbeitung, seit 1986 • Schrittweises Vorgehen, dem Verursacherprinzip folgend >> sehr zeitaufwendig, • Untersuchungen im lokalen Maßstab (Einzelfallbetrachtung), nur selten Fahnenerkundung • Tiefere Stockwerke oft unberücksichtigt, • Grenzen der Einzelfallbearbeitung bei komplexen Schadensfällen, Nur kleiner Teil der Verdachtsflächen abgearbeitet Gefährdungspotential weiterer Einzelfälle? keine übergeordnete Risiko- und Gefährdungsbetrachtung. 14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Nutzungsaspekte - Schutz der Mineral Thermalwässer Mineralquellen seit 1984 mit LCKW beaufschlagt 18
20
1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 01 4 7 01 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 01 4 7 01 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1 4 7 0 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.11. 1. 1. 1.11. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.11. 1. 1. 1.11. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1 1. 1. 1. 1.1
Tetrachlorethen, PCE Trichlorethen, TCE
18
µg/l
Wasserwirtschaftliches Schutzgut
16
12 Staatlich anerkannte Heilquellen (Bade- und Trinkkuren) im Oberen Muschelkalk Gesamtschüttung: 500 l/s
14
10 Werte in µg/l
Kulturgut
12
10
8
4 2 0
6
4
2
0
Drei Mineralbäder 14.01.2013
1990
1984 1.1984
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1985
1986
1987
1988
Tetrachlorethen
1989
1990
1991
2000 1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
Werte vom 1.1.1984 bis 31.12.2009
Trichlorethen
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Schadensfallsanierung und Gefahrenabwehr Im Stuttgarter Talkessel
Austrag LCKW Stzuttgarter Talkessel
Pump and treat
Grundwasser hydraulische Sanierung (seit 1986) Brauchwasser (seit 1960) Bodenluft (seit 1986) Bodenaushub Entfrachtung Stuttgarter Talkessel Gesamtes Stadtgebiet
4,5 t LCKW 1,9 t LCKW 17,4 t LCKW 1,2 t LCKW 25,0 t LCKW ca. 100 t LCKW
Aber: keine wesentlichen Änderungen bei Mineral- und Heilquellen 14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Neue Wege: Gesamtschauliche Untersuchungen Ziel: Situation im Raum erkennen Systemverständnis und Prozessverständnis. • Schadstoffverteilung räumlich und zeitlich (Gesamtbilanz LCKW), • Transportvorgänge und Prozesse (z.B. Abbau), • Einflussreiche Schadensfälle identifizieren, • Herkunft der Schadstoffe im Schutzgut, • Neue Eintragsbereiche.
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Das EU-Projekt MAGPlan
MAGPlan: Bewirtschaftungsplan zur Sicherstellung eines guten chemischen Grundwasserzustands durch Vermeidung von Schadstoffeinträgen aus Altlasten
Räumliche Untersuchung der Grundwasserqualität im Zustrom auf die Heilquellen Projektpartner: LHS Stuttgart Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz
Projektlaufzeit: 2010 – 2014
Projektbudget 3,4 Mio € (Fördersatz 50%)
Projektförderung Life + 2008 Environment 14.01.2013
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Der Modellraum: Stuttgarter Talkessel 705 Standorte mit potentiellem LCKW-Eintrag
Relief 101 Standorte mit untersuchtem LCKW-Eintrag Geologie Tektonik Grundwasser
ca. 25 km2
Funktionsraum Mineral- und Heilquellen Digitales Höhenmodell Baden-Württemberg
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Hydrogeologisches Modell (konzeptionelles Modell) Instrument zur umfassenden Beschreibung der hydrogeologischen Gegebenheiten in einem Betrachtungsraum. Sammeln von (vorliegenden) Daten,
Datenlage im urbanen Raum 8.500 Bohrungen 1.200 GWM Abstichsdaten 1000 Pumpversuche Ca. 100.000 Analysen
Verarbeitung von Daten (Raum und Zeit) Interpretation von Zusammenhängen Beschreibung der Systemeigenschaften, Prozesse und Wirkungsmechanismen
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Möglichst naturnahe Hydrogeologische (konzeptionelle) Systemvorstellung Abstrahierung des Natursystems Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Datenerfassung, Auswertung
Diskrepanzen auflösen
Geowissenschaftliches Tübingen Kenntnislücken =>Fachgespräch Untersuchungsmaßnahmen
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„Wechselspiel“ zwischen hydrogeologischem und numerischem Modell
Aquifergeometrie und Hydrostratigraphie Maßgeblich durch Lithologie, Gipsauslaugung, Verwitterung d. Tonsteine und der Verkarstung bestimmt
Gipskeuper Quartär Unterjura
Hangkante und oberer Hangbereich
Rhät Knollenmergel Stubensandstein
Gipskeuper
Bunte Mergel und Kieselsandsteinsch.
Gipskeuper
100
mit Teilstockwerken Unterkeuper
0
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8 Grundwasserleiter
Hangfuß und Talniederung
Schilfsandstein
Oberer Muschelkalk Mittlerer
Unterkeuper
Oberer Muschelkalk
Aquifergeometrie im Gipskeuper durch selektive Gipsauslaugung bestimmt, Zwei wesentliche hydrostratigraphische Komplexe
Strukturierung: à priori Wissen über Prozesse (Aquifergenese) 14.01.2013
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8 Grundwasserleiter
Grundwasserneubildung und Randzufluss Im Stuttgarter Talkessel
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Grundwasserneubildung und Randzufluss Im Stuttgarter Talkessel
2 l/s(km2)
Hydraulik: Grundwasserströmung
1,0 l/s(km2)
4 l/s(km2) Büro KUP
Randzufluss: 39 l/s
GW-Neubildung: 31 l/s
Kartierung Versiegelungsgrad Abgestufte Neubildungsspende 14.01.2013
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Reaktionsraum Stuttgarter Talkessel
LCKW-Austragskurve verstehen Eintrag – Austrag (Bilanz) Wo ? Was ? Wieviel ? Transport (Fahnen) Stoffliche Umsetzungen / Abbau
Gipsauslaugungsfront
LCKW GW-Neubildung Licht ins Dunkel
Vorflut Neckartal 1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Werte vom 1.1.1984 bis 31.12.2009
MineralHeilquellen
Unterkeuper
Oberer Muschelkalk
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- Mombachquelle -
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2001
2002
2003
2004
2005
LCKW-Verteilung (10-Jahresmittelwerte 2002-2011) Informationssystem BOISS Informationen aus ca. 1.200 GW-Aufschlüssen Zeitreihen seit 1986
Stichtagsbeprobung: 350 GW-Aufschlüsse (alle Stockwerke) Gutes raumzeitliches Bild über LCKW-Konzentrationsverteilung bzw. -entwicklung
BoSS-Consult BoSS-Consult 14.01.2013
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Ordnen und Interpretation: Herd-Fahnenbeziehungen Ausbreitungsmechanismen, Prozesse
Charakterisierung von Eintragsbereichen und deren Schadensauswirkungen im Abstrom (in allen Stockwerken)
Detektion von Schadensfällen (Eintragsbereiche) • Historische Erkundung (große chemische Reinigungen, LCKW-Händler, Firmen mit gewichtigem LCKW-Umgang), • Baumaßnahmen , • Systematische Beprobungen im öffentlichen Raum), • Umnutzungen (Revitalisierung) von Flächen. 14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Schadensfallcharakterisierung (21 „Steckbriefe“) Wichtiger Input für Transportmodellierung
Bodenluftabsaugstellen
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Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
• Geologisch-hydrogeologischer Überblick, • Schadenshistorie, • Anzahl, Lage der Herde (Anfangskonzentrationen, aktuelle Konzentrationen), • Stoffspezies, • Milieubedingungen, Hinweise auf stoffmindernde Prozesse, • Schadstoffausbreitung, Fahnengeometrie, • Stand der Sanierung, Entfrachtung,
14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Hydraulik und Transport: Werkzeuge
Tracertests
Hydrochemie
Isotope / Umwelttracer
Forensik: Anthropogene Spurenstoffe
Einschränkung von Freiheitsgraden ! Höherwertige Aussagen Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
14.01.2013
Gezielte Erkundung durch Stadt: Schadstofffahnen: Geometrie und betroffene Aquifere
1. Ansatz: Verknüpfung mit Hydraulik Gefährdungsbetrachtung, Priorisierung 14.01.2013
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Fahnengeometrie: • 25 Fahnen, bis zu 800 m lang, Problem der Abgrenzung, Fahnenüberlagerungen, • Fahnenlängen durch LCKW-Abbau sowie durch Verlagerung (bis in den Oberen Muschelkalk) bestimmt. 350 y = 0,218x + 41,77
300
Fahnenbreite (m)l
250 200 150 100 50 0 0
14.01.2013
100
200
300
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
400 500 Fahnenlänge (m)
600
700
800
900
Fahnenlänge – Abbau Kein Abbau Färberei und Chemische Reinigung 1901-1976
anaerober Abbau Schrottplatz, Mineralöllager Großräumig aerobe Verhältnisse Lokal anaerob, Initiierung der Dechlorierung durch Mineralölprodukte
Aerobe Verhältnisse
BoSS-Consult
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Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
BoSS-Consult
Vertikale Verlagerung: Starke Konzentrationsabnahme bei Übergang in Muschelkalk • • • •
Sorption Verdünnung (Fracht) Abbau Dichtfunktion km1
Sorption: Funktion Corg im Unterkeuper ??
14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Unterschiedliche LCKW-Belastungen in den Aquiferen (max. Streubreite): •
Quartär:
0 – 1.000 µg/l
•
Mittlerer Gipshorizont:
0 – 10.000 µg/l
•
Dunkelrote Mergel:
0 – 40.000 µg/l
•
Bochinger Horizont:
0 – 20.000 µg/l
•
Grundgipsschichten:
0 – 60.000 µg/l
•
Grenzdolomit:
0 – 80.000 µg/l
•
Unterkeuper:
0 – 2.000 µg/l
•
Oberer Muschelkalk:
0 – 60 µg/l
Belastungen mit LCKW im Oberen Muschelkalk Fahnen nur noch schwer abzugrenzen, kein Pfad bis zu den Quellen Zusammenhänge durch Vermischung von Signaturen schwer ableitbar 1 – 4 µg/l, PCE und TCE Niederkonz. Mineralquellen
Hochkonz. Mineralquellen 1 – 2 µg/l Nur TCE Spuren von DCE
0
0 – 60 µg/l PCE und TCE
14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Belastungen mit LCKW im Oberen Muschelkalk Niederkonzentrierte Mineralquellen (Auquelle)
Verschiebung Verhältnis TCE/PCE Keine Abbauprodukte (aerobes Milieu) Höhere Mobilität TCE, „Ausbluten“ eines alten Schadens Aerober Abbau, (nur TCE wird abgebaut, PCE bleibt stabil).
BoSS-Consult 2012 14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
Niederkonzentrierte Mineralquellen Hypothese: Aerober Abbau ???
Kohlenstoffisotopie δ13C (o/oo) Hydroisotop Schweitenkirchen Univ. Tübingen/Umweltmineralogie
• TCE wird über die Zeit isotopisch schwerer !
0,015 µmol/l -26,0 0,013 µmol/l
-25,8
• Keine Metabolite (aus örtlicher Bildung)
-23,0 -22,0
- 30 ‰ -25,7 - 25 ‰
0,010 µmol/l
- 20 ‰ -16,5
0,008 µmol/l
-15,6 - 15 ‰
-13,2 -10,2
0,005 µmol/l
- 10 ‰
0,003 µmol/l
-5‰
BoSS-Consult 2012
0,000 µmol/l 1998 14.01.2013
2000
2002
PCEFachgespräch TCE Tübingen cDCE Geowissenschaftliches
2004
δ13C (PCE)
2006
δ13C (TCE)
-0‰ 2008
δ13C (cDCE)
Niederkonzentrierte Mineralquellen Kohlenstoffisotopie δ13C (o/oo) Hydroisotop Schweitenkirchen Univ. Tübingen/Umweltmineralogie - 30 ‰
Aerober Abbau ??? 0,015 µmol/l -25,7
-26,0
-25,8
-25,2
0,013 µmol/l
- 25 ‰
0,010 µmol/l
- 20 ‰ -15,6
-15,5
0,008 µmol/l
-14,5 -13,0
- 15 ‰
0,005 µmol/l
- 10 ‰
0,003 µmol/l
-5‰
0,000 µmol/l
-0‰ Auquelle
BoSS-Consult 2012
14.01.2013
Mombachqu.
PCEFachgespräch TCE PCE Tübingen cDCE TCE Geowissenschaftliches
Kellerbr. alt
Kellerbr. neu
13C (TCE) cDCE δ13C (PCE) δ13C δ13C (TCE)(cDCE) δ13C (cDCE)
Ausblick: Transportmodellierung, räumlich – zeitlich Ziel: • LCKW-Stoffumsatz früher – heute, • Auswirkungen der bisherigen Entfrachtung. • Herkunft der LCKW in den Mineralquellen. • Kann das Schadensbild mit den bekannten Schadensfällen erklärt werden. • Effiziente Sanierung in Hinblick auf Mineralquellen PCE-Äquivalent [µg/l]
90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 14.01.2013
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0 1980
1990
2000
2010
Arbeitsgruppe MAGPlan Stadt Stuttgart Amt für Umweltschutz (Gesamtkonzeption u. Fachkonzepte, Geologie, Hydrogeologisches Modell, konzeptionelles Stoffmodell, Altlasten, Datenbanken, Auftragsvergaben), BoSS-Consult (Hydraulik, konzeptionelles Stoffmodell, Schadstoffisotopie, Spurenstofftracer), KUP Ingenieure & W. Schäfer (Strömungs- und Transportmodellierung), Büro Ertel (Projektmanagement, Finanzen), Zugeschaltete Ingenieurbüros und Universitätsinstitute für Feldarbeiten (Beprobungen, Messungen, Bohrarbeiten, Markierungsversuch) 14.01.2013
Geowissenschaftliches Fachgespräch Tübingen
