Grundwasserhydraulik und -erschließung

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1 Vorlesung und Übung Grundwasserhydraulik und -erschließung DR. THOMAS MATHEWS Teil 6 Seite 1 von 41

2 INHALT INHALT DAS GRUNDWASSERMODELL MODFLOW (PMWIN) EINFÜHRUNG KOMPONTEN VON MODFLOW (PMWIN) ANWENDUNGSBEISPIEL ANWENDUNGSBESPIEL MODFLOW LHKW SCHADEN DATENGRUNDLAGEN STRÖMUNGSMODELL MODELLKALIBRIERUNG TRANSPORTMODELL ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE AUFGABEN LITERATUR Seite 2 von 41

3 Teil 6: Demonstration des Modells MODFLOW (PMWIN) a) Vorstellung des Modells MODFLOW b) Lösung eines Beispielfalles Simulation mit dem Modell MODFLOW. c) Visualisierung der Ergebnisse mit unterschiedlichen Methoden. d) Berechnung von Aufgaben. Seite 3 von 41

4 1.0 Das Grundwassermodell MODFLOW (PMWIN) 1.1 Einführung Die Anwendungen von MODFLOW, eines modularen dreidimensionalen Finite-differen- Grundwassermodelles des Geologischen Dienstes der USA, dient der Beschreibung und Vorhersage des Verhaltens von Grundwassersysteme. Das Modflow-88 (McDonald und Harbaugh 1988) und Modflow-96 (Harbaugh und McDonald 1996a, 1996b) war in der Lage Auswirkungen auf Brunnen, Oberflächengewässer, Grundwasserneubildung zu simulieren. Seit der Publikation von MODFLOW sind von zahlreichen Forschern weitere Prorammpakete entwickelt worden. Diese Codes werden mit MODFLOW kombiniert. Jedes Programm widmet sich den spezifischen Eigenschaft des hydrologischen zu simulierenden Systems, wie Brunnen oder Neubildung aus Flüssen. Diese Programme können aber als selbständige Versionen betrieben werden. Diese Programme kommunizieren über Datenfiles mit Modflow. Das sind folgende Programme: Das advektive Transportmodell PMPATH (Chiang und Kinzelbach 1994, 1998), das Stofftransportmodell MT3D (Zhang, 1990), MT3DMS (Zheng und Wang 1998) das Parameterschätzungprogramme PEST (Doherty et al. 1994) und UCODE (Poeter und Hill 1998). Das Stofftransportmodell MOC3D (Konikow et al. 1996) und das Inversmodell MODFLOWP (Hill 1992) sind mit MODFLOW kombiniert. Das Modell MODFLOW für Windows (PMWIN) bietet ein integriertes Simulationssystem für das Modellieren der Grundwasserströmung und des Schadstofftransportes bestehend aus Modflow-88, Modflow-96, PMPATH, MT3D, MT3DMS, MOC3D, PEST und UCODE. PMWIN bietet eine professionelle graphische Benutzer-Schnittstelle und die o.g. erforderlichen Software- Werkzeuge. Das graphische Userinterface erlaubt das Importieren von Rastergraphiken und Dxf-Files und das Simmulieren von Stressperioden, 80 Schichten und Zellen in jeder Schicht. Das PMWIN enthält ein Presentation tool, ein Result Extractor, ein Field Interpolator, ein Field Generator, ein Water Budget Calculator und ein Graph Viewer. Der Result Extractor erlaubt dem Benutzer, Simulationsresultate aus jeder möglichen Stressperiode zu einem Spreadsheet zu extrahieren. Die Ergebnisse können ansehen oder in ASCII oder in SURFER-kompatiblen Dateien abgespeichert werden. Seite 4 von 41

5 1.2 Komponten von MODFLOW (PMWIN) Als Simulationsergebnisse können Grundwassergleichen, Grundwasserabsenkung, Darcy- Geschindigkeiten, Konzentrationen und ein Massenfluß erzeugt werden. Der Field Interpolator nimmt gemessene Daten und interpoliert diese für jede Zelle. Das Rasterfeld kann unregelmäßig verdichtet werden. Der Water Budget Calculator berechnet nicht nur den nutzerspezifischen Wasservorrat in den benutzerspezifischen Zonen sondern auch den Austausch zwischen den Zonen. Dieses Tool ist in vielen praktischen Fällen sehr nützlich. Es erlaubt dem Benutzer den Austausch des Wasservorrats über festgelegte Grenzen zu erfassen. Der Field Generator erzeugt Felder mit heterogen verteilter Transmissivität oder hydraulische Durchlässigkeitswerten. Er erlaubt dem Benutzer, Effekte und Einflüsse der unbekannten kleinräumigen Heterogenitäten statistisch zu simulieren. Der Graph Viewer zeigt zeitliche Entwicklungskurven der Simulationsresultate an, wie Grundwasserhöhen, Absenkung und Konzentrationen. Mit dem Presentation tool kann man beschriftete Gleichpläne von Input-Daten und Simulationsresultaten erzeugen. Füllfarben zum Darstellen der die unterschiedliche Zellenergebnisse können in mehreren Datenformaten als SURFER, DXF, HPGL und BMP gespeichert werden. Das Presentation tool kann zweidimensionale Animationssequenzen auf der Grundlage der Simulationsergebnisse (Grundwasserhöhen, Absenkung oder Konzentration) darstellen. Zur Zeit unterstützt PMWIN sieben zusätzliche Programmpakete, die mit im MODFLOW integriert sind. Die wichtigsten Module sind: zeitvariante Wasserspiegel (CHD1) direktes Lösungspaket (DE45) Dichte (DEN1) horizontale Fließbarriere (HFB1) eingebetteter Speicher (IBS1) Speicher (RES1) Streamflow-Routing (STR1) Seite 5 von 41

6 Das Particle-Tracking Modell PMPATH verwendet einen halb-analytischen Ansatz um die Grundwasserfließbahnen und die Strömungszeiten zu errechnen. PMPATH erlaubt einem Benutzer die Betrachtung von vorwärts- und rückwärtsgewandten Fließbahnen im stationären und nicht stationären Strömungsfeld. Das MT3D-Stofftransportmodell verwendet einen Euler-Lagrang schen Ansatz zur Lösung der dreidimensionalen advektiven Transportgleichung. MT3D basiert auf der Annahme, dass Änderungen im Konzentrationsfeld das Strömungsfeld nicht erheblich beeinflussen. Dieses erlaubt dem Benutzer, ein unabhängiges Strömungsmodell zu konstruieren und zu kalibrieren. Nachdem das Strömungsfeld vorliegt, simuliert MT3D den Stofftransport basierend auf den gespeicherten Daten. MT3D kann verwendet werden, um Änderungen die Konzentration eines einzelnen wassermischbaren Schadstoffes unter Beachtung der Advektion, Dispersion und einfacher chemischer Reaktionen zu simulieren. Die chemischen Reaktionen, die im Modell betrachtet werden sind Gleichgewicht-kontrollierte lineare oder nichtlineare Sorption und biologischer Abbau erster Ordnung. MT3DMS ist eine Weiterentwicklung von MT3D. Das Abkürzung MS bezeichnet die Multi- Spezies-Struktur für Zusatzreaktionspakete. MT3DMS beinhaltet drei Haupt Transportlösungstechniken d.h. die Standard Finite Differenzen Methode; das Particle Tracking basiereden auf der Euler-Lagrange Methode und die Methode der Finiten Volumen TVD. Das MOC3D-Transportmodell berechnet Änderungen in der Konzentration einer einzelnen gelösten chemischen Verbindung über die Zeit unter Berücksichtigung von advektivem Transport, hydrodynamischer Verdünnung (incl. mechanische Dispersion und Diffusion), Mischung oder Lösung von fluiden Quellen sowie Abbau und linearer Sorption durch Verwendung eine Retardierungsfaktors. Die Komponenten PEST und UCODE dienen der Datendeutung und der Parameterschätzung. Im Falle, dass Feld- oder Labormessungen vorliegen, können PEST und UCODE mittels statistischer Funktionen Parameterdaten anpassen, so dass die Diskrepanzen zwischen den passenden Modell-erzeugten Daten und den entsprechenden gemessenen Werten auf ein Minimum beschränkt wird. Seite 6 von 41

7 1.2 Anwendungsbeispiel Um ein neues Grundwassermodell aufzubauen wird ein neuer Datei- und Verzeichnisname angelegt. Die Größe des Rasterfeldes, seine Geometerie und die Breite der Zellen bestimmen die Form des Modells. Dann werden die Parameter für die Zellen, wie z.b. die hydraulische Leitfähigkeit oder die effektive Porosität usw. festgelegt. Schließlich führen Sie die Strömungssimulation durch, indem Sie MODFLOW starten. Nachdem Sie die Strömungssimulation durchgeführt haben, können Sie die weiteren Werkzeuge von PMWIN nutzen, um die Ergebnisse der Berechnung zu betrachten. Sie können PMPATH verwenden, um z. B. die Fließbahnen zu errechnen oder die Finite Differenzen Transportmodelle MT3D oder MOC3D, um Transportprozesse zu simulieren. Wie die nächste Abbildung zeigt, wird im Beispiel ein Aquifersystem mit zwei stratigraphische no-flow Grenzen auf der Nord- und Südseite begrenzt. Die West- und Ostseiten werden durch Grundwasserzuflüsse gebildet, die im vollen hydraulischen Kontakt zum Aquifer bilden. Der Grundwasserspiegel auf den West- und Ostgrenzen liegt bei 8 und 9 m. Das Aquifersystem ist ungespannt und isotrop. Die horizontalen hydraulischen Leitfähigkeiten der ersten und zweiten stratigraphischen Einheiten betragen 0,0001 m/s und 0,0005 m/s. Die vertikale hydraulische Leitfähigkeit beider Einheiten beträgt 10 Prozent jeweils der horizontalen hydraulischen Leitfähigkeit. Die Porosität beträgt 25 Prozent. Seite 7 von 41

8 Folgende weitere Daten lassen sich zusammenfassen: Mächtigkeit der 1. Schicht = 4 m Mächtigkeit der 2. Schicht = 6 m Grundwasserneubildung 8 x 10-9 m/s Kontaminierter Bodenbereich an der Westgrenze vorhanden. Dissoziationsrate 1x 10-4 µg/s/m 2. Longitudinale Dispersivität = 10 m Transversale Dispersivität = 1 m, Retardierungsfaktor = 2. Anfangskonzentration = 0 Molekulare Diffusion = 0 Abbaurate = 0 Simulationszeit = 3 Jahre Die Aufgabe besteht darin, das Grundwasserströmungsfeld und den Schadstofftransort zu berechnen. Seite 8 von 41

9 Schritt 1: Neues Modell erzeugen Beim ersten Schritt, wird eine neue Datei mit einem neuen Modellnamen angelegt. Wähle New Model vom File Menu. Die New Model Dialogbox erscheint. Legen Sie einen Ordner an, um die Modeldaten zu speichern. Das Modell muss die Dateiendung pm5 besitzen. Jedes Modell sollte in einem eigenen Verzeichnis gespeichert werden. Im Verzeichnis erscheint der neue Dateiname. Schritt 2: Dateneingabe Der zweite Schritt, um eine Simulation zu erstellen ist, das Anlegen des Rasterfeldes, Festlegen von Randbedingungen und die Eingabe von Modellparametern. Folgende Einheiten werden verwendet: Länge=[m], Zeit = [s], hydraulische Leitfähigkeit = [m/s] Pumprate = [m³/s], Dispersivität = [m]. Bei der Modellierung wird der Grundwasserleiter in Knotenpunkte und Zellen diskretisiert. Das Knotenrasterfeld bildet den Rahmen des Modells. Der Grundwasserleiter wird Spalten, Reihen und Schichten dargestellt. PMWIN benutzt eine Indexdarstellung [J, I, K]. Z.B. wird die Zelle, die in der 2. Spalte, in der 6. Reihe und in der ersten Schicht gelegen ist, bezeichnet als [2, 6, 1]. Die Stärke jeder Zelle und die Breite von jeder Spalte und Reihe können variabel gewählt werden. Das Modell diskretisiert in Zellen von 20 m x 20 m. Die Zellen in der ersten Schicht haben eine Dicke von 4 m. Die zweite stratigraphische Schicht wird in zwei Schichten aufgeteilt. 1. Auswählen von Mesh Size. Anlegen des Rasterfeldes. Seite 9 von 41

10 PMWIN erlaubt Ihnen, das Rasterfeld nachträglich zu verändern in der Breite jeder Spalte oder Reihe oder es zu verschieben oder zu drehen. Für unser Beispielproblem brauchen Sie dies nicht. 1. Auswählen von type of layers. MODFLOW ist ein Multi-Layer Modell. Die Layer sind über Leakage-Faktoren miteinander gekoppelt. Die Transmissivität und das Leakage werden über Default Werte berechnet. Seite 10 von 41

11 2. Eingabe der Boundary conditions für das Strömungsmodell Die Boundary Condition (IBOUND array) legen für jede Zelle ihren Modus im Modell fest: -1= konstanter Grundwasserspiegel 0 = nicht aktive Zelle 1 = aktive Zelle oder veränderlicher Grundwasserspiegel 2= nicht veränderlicher Grundwasserspiegel oder 3= no flow Zelle oder inaktive Zelle Für das Beispiel werden für die Randzellen im Westen und Osten der Wert -l eingegeben und für alle anderen Zellen der Wert 1. Im Menue Boundary conditions erscheint ein Plan des Rasterfeldes. Der Rasterfeld-Cursor befindet sich an der Zelle [1, 1, 1 ], das erste Feld links oben in der ersten Schicht. Der Wert der gegenwärtigen Zelle wird an der Unterseite des Statusmenues gezeigt. Der Default-Wert der IBOUND -Reihe ist 1. Speichern Sie mit leave editor. Der Rasterfeld-Cursor kann horizontal verschoben werden, indem man die Pfeiltasten verwendet oder indem man die Maus [0,1,1] die gewünschte Position verschiebt. Seite 11 von 41

12 Um in eine andere Schicht zu gelangen, verwendet man die Tasten PgUp oder PgDn. Ein DXF- Plan kann über das Dialogfeld Presentation Maps geladen werden. Um die Eingaben in der oberen Schicht auf alle andern zu übertragen, wird der Schalter Switch layer copy betätigt. 3. Eingabe der Top of layers (TOP) für das Strömungsmodell Der folgende Schritt legt die Geometrie des Modells fest. Die Lage der Oberseite der Modellschichten 1 wird über das Menue Grid, Reset Matrix festgelegt. Geben Sie 10 für die erste Schicht, 6 für die zweite und 3 für die dritte ein. 4. Eingabe der Bottom of layers (TOP) für das Strömungsmodell Wiederholen Sie die gleiche Prozedur wie beschrieben und geben Sie für die erste, zweite und dritte Schicht 6, 3 und 0 ein. Seite 12 von 41

13 5. Eingabe der temporären Parameter im Menue Time Im nächsten Schritt werden die zeitlichen und räumlichen Parameter des Modells eingegeben. Die Simulationszeiträume werden im Modell in Druckperioden eingeteilt. Die Länge der Druckperioden ist für das Bespiel mit E*07 [s] anzugeben. 6. Eingabe des Menues Initial Hydraulic Head Wählen Sie Initial Hydraulic Head und geben Sie 8 im Dialogfeld ein. Der westliche Rand wird auf 9 korrigiert. Die Werte der ersten Schicht werden zu einer anderen Schicht kopiert. 7. Eingabe des Menues Horizontal Hydraulic Conductivity Im Menu Horizontal Hydraulic Conductivity werden mittels Menue Reset Matrix. die Werte Seite 13 von 41

14 der Zellen in der ersten Schicht auf [m/s] gesetzt. Im zweiten und dritten Layer werden Werte von [m/s] eingegeben. 8. Eingabe des Menues Vertical Hydraulic Conductivity Im Menu Vertical Hydraulic Conductivity werden mittels Menue Reset Matrix. die Werte der Zellen in der ersten Schicht auf [m/s] gesetzt. Im zweiten und dritten Layer werden Werte von [m/s] eingegeben. 9. Eingabe des Menues Effective Porosity Der Standardwert für die effektive Porosität wird mit 0,25 eingegeben. Seite 14 von 41

15 10. Eingabe im Menue MODFLOW- Recharge Als Standardwert für die Grundwasserneubildung wird ein Wert von 8 E-9 m/s eingegeben. 11. Eingabe der Pumprate im Menue Models - Well Bevor die Strömungssimulation gerechnet wird, muss die Pumprate eingegeben werden. MODFLOW kann die Effekte des Pumpens in einem Brunnen für mehr als einen Aquifer oder eine Schicht simulieren. Für die Zelle [25,25,3] wird eine Gesamtpumprate von -0,0012 m³/s eingegeben. Für die Zellen [25,25,1] und [25,25,1] wird eine Gesamtpumprate von 1E-10 m³/s eingestellt. Für den Brunnen wird die vertikale Durchlässigkeit von 1 bei allen Schichten eingegeben. Seite 15 von 41

16 Schritt 3: Durchführung der Strömungssimulation Führen Sie die Simulation mit MODFLOW aus. Das in der folgenden Darstellung gezeigte Fenster, listet die angewendeten Programme auf. Seite 16 von 41

17 Schritt 4: Prüfen der Simulationsergebnisse Im Menue MODFLOW gibt das Verzeichnis Output Control einen Überblick über die verwendeten Inputdaten und die durchgeführte Berechnung. Während der Strömungssimulation schreibt MODFLOW die Ergebnisse in das File path/output.dat. MODFLOW führt eine Berechnung der Wasserbilanz im Modellgebiet durch und prüft, ob sinnvolle Ergebnisse erzeugt wurden. Schritt 5: Berechnen der Subregionalen Wasserbilanz Es gibt Fälle, bei denen es sinnvoll ist eine subregionalen Wasseretat zu kalkulieren, z. B bei einer Baugrube. Um solche Berechnungen zu erleichtern, werden Fließzustände für einzelne Zellen im File path/budget.dat gespeichert. Diese einzelnen Zellenflüsse sind gekennzeichnet als Fließzustände von Zelle zu Zelle. Folgende Arten sind möglich: (1) Fluss Zelle zu Zelle in einer Stressperiode, z. B. Brunnenzelle, (2) Speicher Zelle zu Zelle, zur Wiedergabe einer Entleerung des Speichers, (3) Fluss Zelle zu Zelle mit konstantem Grundwasserspiegel und (4) Internem Fluss zwischen den Zellen im Modell. Seite 17 von 41

18 Der Waterbudget Calculator benutzt den Zellentyp 1, um Wasseretats für das gesamte Modell, die benutzerspezifischen Vorregionen und den Fuß zwischen angrenzende Vorregionen zu berechnen. - Eingabe des Subregional Water Budgets für das Strömungsmodell Wähle Sie das Menue Water Budget. Die Einstellungen in der Zeitgruppe brauchen nicht verändert zu werden. Im Menue Zones werden die einzelnen Zonen in der Matrix eingetragen. Eine Zone ist ein Subregion des Modells, für das spezielle Wasserbilanz errechnet wird. Eine Zone wird durch eine Zonenzahl gekennzeichnet, die von 0 bis 50 reicht. Eine Zonenzahl muß jeder Zelle zugewiesen werden. Zone Nr. 0 zeigt an, dass die Zelle keiner Zone zugeordnet ist. Die Zone 1 wird der erste Schicht und 2 der zweiten Schicht zugewiesen. PMWIN berechnet und speichert die Wasserbilanz im File path\waterbdg.dat. Die Wasserbilanz wird für jede Zone berechnet. Seite 18 von 41

19 Schritt 6: Darstellen von Isolinien für die Grundwasseroberfläche 1. Wählen Sie Presentation im Menue Tools. Daten die in Presentation ausgewählt werden, können in allen Teilen von PMWIN verwendet werden. Wir können Presentation verwenden, um temporäre Daten zu speichern oder grafisch angezeigt. 2. Wählen Sie Matrix aus dem Menue Value menu (or Press Ctrl+B) und die Matrixdialogbox erscheint. Jede Zelle im Arbeitsblatt entspricht einer Zelle im Modell. Man kann eine ASCII- Datei in die Matrix-Tabelle laden oder die Tabelle als ASCII-Matrix-Datei speichern. 3. Klicken Sie das Load... Feld an. Dann erscheint die Load Matrix Dialogbox. Seite 19 von 41

20 4. Klicken Sie die Schaltfläche Öffnen an und selektieren Sie die Datei H1.DAT, die schon früher vom Results Extractor gespeichert wurde. Klicken Sie OK, wenn Sie fertig sind. Die H1.DAT wird in die Tabelle geladen. 5. In der Browse Matrix Dialog Box klicken Sie auf OK. Die Browse Matrix dialog Box wird geschlossen. 6. Wählen Sie Environment vom Menue Options (Press Ctrl+E). Das Dialogfeld Environment, Options erscheint. Die möglichen Optionen sind in drei Felder aufgeteilt: Appearance, Coordinate System und Contours. Zur Erstellungen des Gleichenplans wird das Menue Generate Contour Maps ausgeführt. 7. Klicken Sie auf Contours, und wählen Sie Visible, und danach Restore Defaults. Klicken Sie Restore Defaults, PMWIN wählt dann 11 Konturlienien und benutzt ein Maximum und Minimum-Wert als Konturlinie. Wenn das Feld Fill Contours gewählt wird, werden die gewählten Bereiche farblich ausgefüllt. Seite 20 von 41

21 8. Klicken Sie auf OK im Feld Environment Options. PMWIN wird die berechneten Werte als Konturlinien darstellen. Seite 21 von 41

22 9. Zum Speichern oder Drucken der Grafik, wählen Sie Save As Plot,.. oder Print Plot... Aus dem Menü Datei. save or print the graphics, choose Save Plot As,.. or Print Plot... from the File menu. 10. Drücken Sie PgDn um zum 2. Layer zu gelangen. Wiederholen Sie Schritt 2 bis 9, um die Datai H2.DAT zu erzeugen und das Ergebnis zu speichern. 11. Wählen Sie Leave-Editor aus dem Datei-Menü um den Editor zu verlassen und Klick Ja, um die Änderungen zu speichern. Seite 22 von 41

23 7. Darstellung der Fließbahnen im Menue PMPATH (Paihlines und Con(ours) Im Menue PMPATH (Paihlines und Con(ours) können das Strömungsfeld angezeugt und Fließbahnen berechnet und angezeigt werden. Durch das Drücken der Ctrl-Taste kann der Curser auf die Brunnenzelle verschoben werden. Es öffnet sich dass Menue, welches die Randbedingungen des Particle Tracking bestimmt. Es können pro Zelle 4 Partikel zum Strömungstransport simuliert werden. Das Strömungsfeld ist mit einer ausreichenden Größe zu versehen. Seite 23 von 41

24 Die Hauptunterschiede zwischen einem dreidimensionalen und zweidimensionalen Modell besteht darin, dass der vertikale Durchlässigkeitsbeiwert verwendet wird um den vertikalen Transport dazustellen. Dieser Transport lässt sich anhand von Profilen darstellen. In den zweidimensionalen Simulationsmodellen wie ASM für Windows (Chiang et al. 1998) gibt es keinen vertikalen Durchlässigkeitsbeiwert. Seite 24 von 41

25 Schritt 8: Schadstofftransport Im Menue MODEL MT3DMS im Untermenue Initial Concentrations werden die Anfangskonzentration im Grundwasser mit µg/l für den kontaminierten Bereich eingegeben und auf allen Schichten kopiert. In den Menues Advektion und Dispersion werden die vorhandenen Default-Werte verwendet. Seite 25 von 41

26 Das Programm MTR3MS wird gestartet und die Ergebnisse in das OUTPUP.dat File geschrieben. Im Menue Presentation im Untermenue Result Extraktor werden die Simulationsergebnisse unter Concentrations eingelesen und dargestellt. Seite 26 von 41

27 2.0 Anwendungsbespiel MODFLOW LHKW Schaden Für die Simulation der Grundwasserdynamik wurde das Modell des USGS MODFLOW (2000) sowie der Prä- und Postprozessor Processing Modflow Pro (Webtech/CHIANG 2002) eingesetzt. Der Stofftransport wurde mit MT3DMS (S.S. Papadopulos & Associates, Inc. 1999) gerechnet. Auf einem Grunstück gelangten erhebliche Mengen LCKW in das Grundwasser und wurden von hier aus mit dem Grundwasserstrom verbreitet. Seit 10 Jahren werden Sanierungsbrunnen betrieben. Die Gehalte in der Schadstofffahne haben sich in dieser Zeit auf ca. 1/7 der ursprünglichen Werte zurückgebildet. Da aus den Sanierungsbrunnen noch immer hohe Schadstofffrachten gefördert werden, wird derzeit eine Quellensanierung durch Bodenaustausch mit anschließendem MNA (Monitored Natural attenuation) geprüft. Wenn die Quellen entfernt sind, sollte sich die derzeit noch vorhandene Grundwasserbelastung spontan zurückbilden, indem die im Grundwasserleiter noch vorhandene Schadstoffmenge nach und nach über einen abstromig gelegenen Betriebsbrunnen (Färbereibrunnen in ca. 270 m Entfernung) ausgetragen wird und darüber hinaus das nachströmende unbelastete Grundwasser zur Verdünnung der Konzentrationen beiträgt. Um eine Abschätzung über die Entwicklung der Schadstoffverteilung während der MNA zu erhalten, wurde auf der Basis eines MODFLOW-Strömungsmodells der Stofftransport mit dem Modell MT3D-MS gerechnet. Die Vorgehensweise bestand zunächst darin, die Entwicklung der Schadstoffverteilung im Grundwasser mit dem Modell numerisch bis zur aktuellen Beobachtung nachzuvollziehen, um die Transportparameter an den Beobachtungen zu kalibrieren. Auf dieser Basis hätte die Prognose über die Entwicklung der Schadstoffverteilung nach einer Quellensanierung eine hohe Aussagesicherheit. Leider ließ sich die Entwicklung der Fahne numerisch nicht zufriedenstellend darstellen. Zur Prognose wurde deshalb die Mitte 2004 beobachtete Schadstoffverteilung in das Modellgitter eingesetzt und als Startwert für den Stofftransport verwendet. Demnach würde nach etwa 10 Jahren das Grundwasser zwischen den ehem. Quellen und dem Färbereibrunnen weitgehend frei von Schadstoffen sein. Die längste Zeit werden im Färbereibrunnen Schadstoffgehalte nachweisbar sein, in Spuren auch noch nach 20 Jahren Seite 27 von 41

28 Der Erfolg der 10-jährigen Sanierungsbemühungen ist unter anderem daran zu sehen, dass sich in der ca. 270 m langen Schadstofffahne zwischen der Liegenschaft und dem Färbereibrunnen die Schadstoffgehalte im Mittel auf 1/7 der ursprünglichen Konzentrationen zurückgebildet haben. Die nach wie vor sehr hohen Schadstoffgehalte in den Sanierungsbrunnen D und B belegen jedoch, dass die Quellen noch aktiv sind. Es ist geplant, eine Quellensanierung durch Bodenaustausch bis in 14 m Tiefe auszuführen und anschließend die weitere Entwicklung durch MNA (monitored natural attenuation) abzuwarten und zu beobachten. Mit Hilfe der Schadstofftransportmodellierung soll im Vorfeld die Entwicklung der Schadstoffgehalte insbesondere für Tetrachlorethen und Trichlorethen prognostiziert werden. Hierzu sollte zunächst die beobachtete Fahne mit dem Modell dargestellt werden mit dem Ziel, die Transporteigenschaften der Stoffe mit den tatsächlichen Beobachtungen abzugleichen, um eine höhere Aussagesicherheit für die Prognose zu erhalten. Zunächst wurde das vorhandene Strömungsmodell auf eine mittlere Abflusssituation eingestellt. Hierzu wurden Mittelwerte der Grundwasserspiegellagen über den Beobachtungszeitraum bis verwendet, um saisonale Einflüsse auf den Grundwasserspiegel auszumitteln. Die im Strömungsmodell simulierte Abflusssituation liefert die Bewegungsparameter für den advektiven Schadstofftransport. Zur numerischen Darstellung der beobachteten Schadstofffahne wurde zunächst versucht, die Fahne aus den Quellen bis zur Einstellung eines stationären Zustandes zu entwickeln und anschließend die Veränderungen durch die Sanierungsmaßnahmen bis zu den aktuellen Beobachtungen nachzuvollziehen. Eine Prognose von MNA auf dieser Basis hätte eine hohe Aussagesicherheit. Diese Darstellung wurde für die Summe LCKW ausgeführt. Um eine Prognose über die Entwicklung der Tetrachlorethen- und Trichlorethengehalte nach Entfernung der Quellen stellen zu können, wurden die beobachteten Konzentrationen in das Modellgitter eingegeben und der Transport über einen Zeitraum von 20 Jahren mit Transportparametern aus der Literatur berechnet. Tetrachlorethen unterliegt einem natürlichen Abbau durch Hydrolyse mit einer Halbwertszeit von 0,73 Jahren (Rippen). Für Tetrachlorethen wurde deshalb auch ein Abbau berechnet, so dass für diesen Stoff ein worst case und ein best case prognostiziert werden kann. Tetrachlorethen transformiert zu Trichlorethen, das wiederum zu cisbzw. trans- 1,2-Dichlorethen transformiert. Für Trichlorethen müsste deshalb neben dem Abbau eine diffuse Quelle simuliert werden, was den Rahmen des Auftrages gesprengt hätte. Die Prognose für die Entwicklung der Tetrachlorethen-Gehalte kann daher nur den reinen Transport berücksichtigen. Seite 28 von 41

29 2.1 Datengrundlagen Für die Strömungsmodellierung wurde ein vorhandenes Modell verwendet. Als Datenbasis für die Transportmodellierung liegen (überwiegend in digitaler Form) vor: - 2 Überwachungsberichte zur Sanierung - Grundwasserspiegelmessungen für den Beobachtungszeitraum 1996 bis Beschaffenheitsanalysen des Grundwassers (Summe LCKW) für den Beobachtungszeitraum 1994 bis Sept Beschaffenheitsanalysen des Grundwassers (Einzelstoffe) für den Beobachtungszeitraum Juni 1999 bis Sept Strömungsmodell Das Modell hat eine horizontale Ausdehnung von 2,5 x 2,6 km. In der Vertikalen wird der quartäre Lockergesteinsgrundwasserleiter oberhalb der miozänen Dingdener Schichten dargestellt. Im Hauptaussagebereich ist das Quartär bis zu 14 m mächtig. In der Horizontalen wurde das Modell im Hauptaussagebereich in Rechtecke und Quadrate mit 5 bis 10 m Katenlänge, in der Vertikalen in 8 Schichten von ca. 1,5 m Mächtigkeit aufgeteilt. Die im Süden generell von Südost nach Nordwest gerichtete Grundwasserströmung wird im Modell über Leakage-Ränder (General hed boundry, River boundry) gesteuert. Das Gefälle beträgt etwa 3,7. Die generelle Fließrichtung wird lokal durch Grundwasserentnahmen (Färbereibrunnen) aber auch die Stauwasserhaltung beeinflusst. 2.3 Modellkalibrierung Für die Darstellung eines längeren Zeitraumes in der Vergangenheit ebenso wie für längerfristige Prognosen ist es vorteilhaft, im Strömungsmodell eine mittlere Abflusssituation einzustellen im Gegensatz zur Kalibrierung auf einen Stichtag. Für die Kalibrierung wurde der Zeitraum Mai 03 bis Sept. 04 verwendet, da für diesen Zeitraum ausreichend Daten vorlagen. Seite 29 von 41

30 Als hydraulische Randbedingungen wurde eine mittlere Grundwasserneubildung durch Niederschläge für gewerblich genutzte Standorte und Straßenland von 30 mm/a und für Flächen mit Wohnbebauung von 80 mm/a eingesetzt. Von den diversen auf den Nachbargrundstücken vorhandenen Sanierungsbrunnen wurden SB 2 und SB 3 auf dem Siemens-Grundstück mit 15 und 5 m³/h berücksichtigt. Der Färbereibrunnen entnimmt 20 m³/h (Tab. 1). Tabelle 1: Grundwasserentnahmen und anreicherung zur Modellkalibrierung Brunnen Sanierung mittlere Entnahme / Infiltration für die Modellierung SB 2 Siemens - 15 m³/h SB 3 Siemens - 5 m³/h Brunnen B Kertess - 2,6 m³/h Brunnen D Kertess - 2,6 m³/h IB 1 Kertess + 1,6 m³/h IB 2 Kertess + 1,6 m³/h IB 3 Kertess + 1,6 m³/h Färbereibrunnen - 20 m³/h Die gemessenen und berechneten Grundwasserspiegellagen stimmen überwiegend gut überein. Damit ist gewährleistet, dass das Modell die herrschende Grundwasserabflusssituation reproduziert und als Basis für eine Schadstofftransportmodellierung geeignet ist. Insgesamt liegen die berechneten Grundwasserspiegel etwas niedriger als die beobachteten (positive Differenzen Tab. 2), insbesondere im Bereich des Hauptaussagebereichs. Vermutlich waren die Entnahmen im Beobachtungszeitrum Mai 03 bis Sept. 04 höher oder die Reinfiltration geringer als im Mittel seit Inbetriebnahme der Infiltrationsbrunnen. Seite 30 von 41

31 Abbildung 1: Berechnete Grundwasserspiegel Seite 31 von 41

32 Tabelle 2: Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Grundwasserspiegellagen Mittelwert [m ü. NN] Berechnete GW- Spiegellage [m ü. NN] Differenz gemessene berechnete Spiegellage [m] B10 22,22 22,24-0,02 B2 22,61 22,52 0,09 B3 22,51 22,42 0,10 B4 22,43 22,31 0,12 B5 22,46 22,39 0,07 B6 22,39 22,30 0,08 B7a/b 22,18 22,13 0,06 B8 22,37 22,26 0,11 BrC 22,83 22,68 0,15 BrE 22,62 22,52 0,11 BrF 22,72 22,57 0,15 I/5P1 22,34 22,34 0,00 I/5P3 22,15 22,14 0,01 Rb 13 22,62 22,49 0,13 Rb 16 21,88 21,90-0,03 Rb 17 21,71 21,82-0,11 Rb 18 21,98 21,94 0,05 Rb 19 21,96 21,94 0,02 Rb 20 21,84 21,80 0,04 Rb 3 22,65 22,46 0,18 Rb 5 22,59 22,46 0,13 SanBr 22,64 22,53 0,11 Anzahl 22,00 Min -0,11 Max 0,18 Mittelwert 0,07 abs. Mittel 0,08 Standardabweichung 0,07 Seite 32 von 41

33 2.4 Transportmodell Mit dem Modell MT3DMS kann der Transport mehrerer Spezies gleichzeitig simuliert werden. Der Transport wurde für folgende Stoffe gerechnet Summe LCKW Tetrachlorethen Trichlorethen Für die Simulation wird davon ausgegangen, dass sich die Stoffe in den vorliegenden Konzentrationen hydrodynamisch vollkommen neutral verhalten, also die wesentlichen Parameter für die Fließeigenschaften des Wassers - Dichte und Viskosität - nicht beeinflussen und selbst keinen Reaktionen unterliegen, die ihre eigenen Eigenschaften während des Transports verändern. Für die Berechnung des Schadstofftransports wurde allein die advektive Komponente berücksichtigt. Für die Dispersion, die Tatsache, dass die Schadstofffront nicht mit der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit voranschreitet, sondern innerhalb des nutzbaren Porenraumes unterschiedliche Geschwindigkeiten vorkommen, die die Schadstofffront auffächern, wird in der einschlägigen Literatur eine große Bandbreiten an Werten angegeben, so dass eine verlässliche Prognose darauf nicht begründet werden kann. Die Dispersion führt zu einer Verringerung der Schadstoffgehalte, so dass eine Prognose ohne Berücksichtigung der Dispersion eine Art worst case darstellt. Das System Grundwasserleiter/Grundwasser sind Feststoff und eine flüssige Phase. Schadstoffe können nur mit der flüssigen Phase transportiert werden, haften jedoch auch am Feststoff. Es wird davon ausgegangen, dass zwischen der Menge des am Feststoff anhaftenden Schadstoffs und der im Wasser gelösten Menge ein Gleichgewicht herrscht. Je mehr Schadstoff am Sediment haftet, desto höher können die im Wasser gelösten Frachten sein. Beim Voranschreiten der gelösten Schadstofffront im Wasser wird zunächst das Grundwasserleitermaterial mit Schadstoff aus dem Grundwasser gesättigt, so dass die Front gegenüber der Fließgeschwindigkeit des Wassers verzögert voranschreitet. Die zugrundeliegenden chemischen Reaktionen: Ad- und Desorption sind gesetzmäßig und können mathematisch beschrieben werden. Für die durchgeführte Transportberechnung wurde der einfachste Fall, eine lineare isotherme Gleichgewichtsreaktion angenommen. Die mathematischen Beschreibung der Reaktion erfordert die Angabe des Vertei- Seite 33 von 41

34 lungskoeffizienten, einer Zahl, die das Verhältnis der am Grundwasserleitermaterial festgelegten und des im Grundwasser gelösten Schadstoffs beschreibt. Die Mehrzahl der LCKW unterliegt im Grundwasserleiter diversen Transformationsprozessen, die mikrobiell veranlasst oder rein hydrolytisch ablaufen können. Die klassische Annahme ist: Tetrachlorethen transformiert zu Trichlorethen, dieses wiederum zu cis- oder trans- 1,2-Dichlorethen, das seinerseits entweder als relativ beständig im reduzierenden Milieu gilt oder einer weiteren Dechlorierung zu Vinylchlorid unterliegt. Unter diesen Voraussetzungen ist der Massenschwund auf Grund von Abbaureaktionen nur sinnvoll für Tetrachlorethen zu berechnen. Die Entwicklung einer Schadstofffahne ist immer abhängig von der Grundwasserabflusssituation, die häufigen Veränderungen unterliegt. Zur Schematisierung wurden die hydraulischen Randbedingungen seit Bestehen der Fahne zu 3 Stressperioden zusammengefasst: - In der Zeit vor 1994 war nur der Färbereibrunnen in Betrieb. Es bildete sich eine stationäre Fahne aus. - In der Zeit von 1994 bis 2002 sind die Brunnen B und D gelaufen (ca. 7 Jahre) und darüber hinaus auch eine Anzahl weiterer Sanierungsbrunnen in der näheren Umgebung. - Die Stressperiode 3 beschreibt die Sanierung mit Entnahme und Infiltration im Zeitraum Mitte 2002 bis Mitte 2004 (2 Jahre). Diese Periode wird durch die aktuelle Modellkalibrierung dargestellt. - Die Prognose schließt sich an die geplante Quellensanierung an, in deren Anschluss alle Sanierungsmaßnahmen ausgesetzt werden sollen. In der Prognose werden die hydraulischen Randbedingungen wieder die gleichen sein wie in Stressperiode 1. Die vorkommenden Niederterrassenablagerungen sind weitgehend frei von organischen Kohlenstoff, so dass die in Tab. 3 gelisteten Kd-Werte für Sedimente mit einem C org -Anteil bis zu 0,1% gelten. Seite 34 von 41

35 Tabelle 3: Kd-Werte (0,1 % C org ) für LCKW LCKW-Spezies Kd-Wert [-] Abbaurate 1. Ordnung [1/d] Tetrachlorethen 0,44 3,016E-8 Trichlorethen 0,226 Summe LCKW ca. 0,385* ) cis-1,2-dichlorethen 0,059 Vinylchlorid 0,008 * ) abgeschätzt aus den Ergebnissen der Simulation von Stressperiode 2 Aus der Tabelle geht eindeutig hervor, dass mit fortschreitender Dechlorierung die Eigenschaft der LCKW, sich sorptiv am Feststoff zu binden, abnimmt, so dass Vinylchlorid gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit nur noch wenig verzögert transportiert wird. Die Reaktionsrate 1. Ordnung wird folgendermaßen berechnet: K 1 = 1/t x ln(c (0) /C (t) ) t = Beobachtungszeitraum C (0) = Stoffkonzentration zum Zeitpunkt 0 C (t) = Stoffkonzentration zum Zeitpunkt t Nach Literaturangaben kann die Transformation von Tetrachlorethen zwischen 2 Tagen und 0,73 Jahren betragen. Die oben angegebene Abbaurate gilt für die Halbwertzeit von 0,73 Jahren. Seite 35 von 41

36 Tabelle 4: Startwerte für die Prognose aus Messwerten Messstelle Summe LCKW [µg/l] Tetrachlorethen [µg/l] Trichlorethen [µg/l] Br. B ,5 Br. D ,5 26,8 Färbereibrunnen ,3 B ,4 18 B ,5 50 B 7a ,5 99,5 B 7b 71 7,1 2,4 B ,5 12,3 B ,5 12,8 Rb ,5 24,5 Insgesamt befinden sich zum Startzeitpunkt ca. 35 kg LCKW gelöst im Grundwasser und sorptiv an das Grundwasserleitermaterial gebunden. Seite 36 von 41

37 4.0 Zusammenfassung der Ergebnisse Auf dem Gelände hat ein massiver Eintrag von Lösungsmitteln in den Untergrund und das Grundwasser stattgefunden. Der Aquifer ist 10 bis 12 m mächtig und besteht in der Regel aus gut wasserleitenden Ablagerungen der Niederterrasse des Rheins. Die Grundwasserfließgeschwindigkeit beträgt etwa 185 m/a zwischen Quelle und Brunnen. Die Schadstoffe wurden über einen langen Zeitraum mit dem Grundwasserstrom transportiert und über den Brunnen der Färberei ausgetragen. Zwischen der Quelle und dem Brunnen bildete sich eine ca. 270 m lange und bis zu 100 m breite Schadstofffahne aus. Die Schadstoffkonzentration betrugen 1994 im Zentrum der Fahne ca µg/l (B 10). Der Hauptkontaminant ist Tetrachlorethen und stellt in der Regel den höchsten Prozentsatz an der Summe LCKW. Tetrachlorethen ist nicht sehr stabil, die Dechlorierung und Transformation zu Tetrachlorethen verläuft im reduzierenden Milieu innerhalb einer relativ kurzen Zeit (2 Tage bis 0,7 Jahre). Tetrachlorethen wird deshalb bevorzugt im oberflächennahen Grundwasser nachgewiesen. Mit der Tiefe und zunehmend reduziertem Milieu erscheinen die Abbauprodukte Trichlorethen, cis- und trans-1,2-dichlorethen und Vinylchlorid (B7 b u.a.). Zudem nehmen die Schadstoffgehalte mit der Tiefe deutlich ab. Tetrachlorethen und Trichlorethen werden z.b. in der Messstelle 7b nur in Spuren nachgewiesen bei hohen Gehalten im oberflächennahen Grundwasser. Im Modell ist die Schadstoffverteilung von 1994 ein stationärer Zustand, d.h. der Input über die Quellen (Randbedingung Constant Concentration) ist vergleichbar dem Austrag aus dem Färbereibrunnen und den Verlusten durch Verdünnung an den Rändern. Seite 37 von 41

38 5.0 Aufgaben Aufgabe 1) a) Konstruieren Sie die Schadstoffverteilung im Grundwasser als Isokonzenplan auf der Grundlage der als EXCEL Tabelle für den Schadstoff vorliegeden aktuellen Meßergebnisse. b) Erstellen Sie Ganglinien für 3 GWMS mit a) Konzentratonen der Hauptschadstoffe b) Grundwasserhöhen. Aufgabe 2) a) Wieviel Grundwasser fällt im Grundwasseroberstrom der Fahne an. b) Wieviele Grundwasser wird im Jahr in den Infiltrationsbrunnen infiltriert. c) Gibt es Auswirkungen der Infiltration zu erfassen? Wenn ja, welche? d) Welche Emissionen der Schadstoffe sind zu berechnen? e) Wie ist die Entwicklung der Emissionen über die Zeit zu bewerten? Aufgabe 3) a) Wenn Maßnahmen erforderlich sind, welche sind es? Seite 38 von 41

39 6.0 Literatur Chiang WH (1993), Water Budget Calculator - A computer code for calculating global and subregional water budget using results from MODFLOW. Kassel University, Germany. Chiang WH and Kinzelbach W (1994), PMPATH. An advective transport model for Processing Modflow and Modflow. Geological Survey of Hamburg, Germany. Chiang WH, Kinzelbach W and Rausch R (1998), Aquifer Simulation Model for Windows - Groundwater flow and transport modeling, an integrated program. Gebrder Borntraeger, Berlin Stuttgart. ISBN Chiang WH, Bekker M and Kinzelbach W (2001) User guide for three dimensional visualization for MOD- FLOW-related groundwater flow and transport models, Institute for Groundwater Studies, University of the Free State, South Africa. Chiang WH and Kinzelbach W (2001), 3D-Groundwater Modeling with PMWIN. Springer Berlin Heidelberg New York. ISBN , 346 pp Chiang WH, Chen J and Lin J (2002), 3D Master - A computer program for 3D visualization and real-time animation of enviromental data. Excel Info Tech, Inc. 146 pp. Harbaugh, AW (1990), A computer program for calculating subregional water budgets using results from the U.S. Geological Survey modular three-dimensional ground-water flow model: U.S. Geological Survey Open-File Report , 46 p. Harbaugh AW (1995), Direct solution package based on alternating diagonal ordering for the U.S. Geological Survey modular finite difference ground water flow model: U.S. Geological Survey Open File Report , 46 pp Harbaugh AW and McDonald MG (1996a), User s documentation for MODFLOW- 96, an update to the U.S. Geological Survey modular finite-difference ground-water flow model, USGS Open-File Report Harbaugh AW and McDonald MG (1996b), Programmer s documentation for MODFLOW-96, an update to the U.S. Geological Survey modular finite-difference ground-water flow model, USGS Open- File Report Seite 39 von 41

40 Hill MC (1998), Methods and guidelines for effective model calibration. U.S. Geological Survey, Water- Resources Investigations Report Hill MC, Banta ER, Harbaugh AW and Anderman ER (2000), MODFLOW-2000, The U.S. Geological Survey modular ground-water model - User guide to the observation, sensitivity, and parameterestimation processes and three post-processing programs, U. S. Geological Survey, Open-file report Kinzelbach W (1986), Groundwater Modelling - An introduction with sample programs in BASIC. Elsevier. ISBN KinzelbachW, Ackerer P, Kauffmann C, Kohane B and Mller B (1990), FINEM, Numerische Modellierung des zweidimensionalen Strmungs- und Transportproblems mit Hilfe der Methode der finiten Elemente. Programmdokumentation Nr. 89/23 (HG Kinzelbach W, Marburger M and Chiang WH (1992), Determination of catchment areas in two and three spatial dimensions. J Hydrol (134): KinzelbachWand Rausch R (1995), Grundwassermodellierung - Einführung mit Übungen. Gebrüder Borntraeger, Berlin Stuttgart. ISBN McDonald MG and Harbaugh AW (1988), MODFLOW, A modular threedimensional finite difference ground-water flow model, U. S. Geological Survey, Open-file report , Chapter A1 McDonald MG, Harbaugh AW, Orr BR and Ackerman DJ (1991), BCF2 - A method of converting no-flow cells to variable-head cells for the U.S. Geological Survey Modular Finite-Difference Groundwater Flow Model. U.S. Geological Survey, Open-File Report , Denver Rausch R (1998), Computer program for the calculation of 1-D and 2-D concentration distribution. Personal communication Zheng C (1990), MT3D, a modular three-dimensional transport model, S.S. Papadopulos & Associates, Inc., Rockville, Maryland Zheng C (1993), Extension of the method of characteristics for simulation of solute transport in three dimensions. Ground Water 31(3): Zheng C and Bennett GD (1995), Applied contaminant transport modeling: Theory and practice, 440 pp. Van Nostrand Reinhold, New York Zheng C (1996), MT3D Version DoD 1.5, a modular three-dimensional transport model, The Hydrogeology Group, University of Alabama Seite 40 von 41

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