Methoden zur Frachtbetrachtung

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1 MNA-Konzepte - Grundlagen & Vorgehensweise - Untersuchung und Charakterisierung von Schadstofffahnen Methoden zur Frachtbetrachtung Dr. Peter Martus / Dr. Adalbert Huss, HPC AG Bundesweite Fortbildung für Bodenschutzbehörden, interessierte Sachverständige und Pflichtige LABO Förderprojekt B 4.13 des Länderfinanzierungsprogramms Wasser, Boden und Abfall

2 Gliederung 1. Frachtreduktion vs. Verdünnung 2. Untersuchungsstrategien Frachtbetrachtung 3. Frachtbetrachtung mit punktuellen Untersuchungen 4. Integrale Frachtbetrachtung 5. Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren / Empfehlungen 6. Fazit 2

3 1. Frachtreduktion vs. Verdünnung 3

4 Frachtreduktion durch NA-Prozesse Schadstoffquelle Fracht E = c * i * B * H * k f Verdünnung 4

5 Verdünnung Hervorgerufen durch hydrodynamische Dispersion (= Summe aus mechanischer Dispersion + Diffusion) Mechanische Dispersion: Diffusion durch Brown sche Verteilungsprozess durch Molekularbewegung: Bewegung von Wasserteilchen Unterscheidung Frachtreduktion von Verdünnung kann aufwändig sein, aber ohne Frachtbetrachtung kein MNA 5

6 Beispiel-Methode zur Unterscheidung Frachtreduktion von Verdünnung Konservative Tracer-Methode (Trimethylbenzol-Isomere): quantitative Berechnung stoffspezifischer Abbauraten C B, korr C B T T A B %-Anteil biol. Abbau an Schadstoffschwund: % = [(C A C B, korr ) / (C A C B )] x 100 6

7 Kontrollebenen (KE) KE mit konventionellen GWM KE mit Direct Push GW-Sondierung Kontrollebenen Platzierung senkrecht zur GW-Fließrichtung Angepasst an Fahnengeometrie Häufig vertikale Auflösung der Fahne erforderlich 7

8 2. Untersuchungsstrategien Frachtbetrachtung Integrierend??? Punktuell?? 8

9 3. Frachtbetrachtung mit punktuellen Untersuchungen 9

10 Frachtbetrachtung - Transektenmethode Planung Fracht E (g/tag) = Konz. c x Volumenstrom Q Schadensherd Festlegung KE und Frachtbestimmung ist iterativer Prozess! Bei der Planung sind folgende Sachverhalte zu berücksichtigen: Fahnengeometrie Heterogenität des Untergrundes, möglichst tiefenorientierte k f - Bestimmung Art der GWM / Datenpunkte Anzahl erforderlicher Datenpunkte vertikal / horizontal Auswertemethoden: Interpolation Abstand zwischen den Interpolationspunkten sollte im Vergleich zur Korrelationslänge der heterogen verteilten Parameter gering sein 10

11 Frachtreduktion Definition nach LABO-Positionspapiers (2009): Frachtreduktion muss maßgeblichen Anteil an Schadstoffminderung ausmachen Es reicht i. d. R. der Nachweis aus, dass die Fracht an der letzten KE nur noch 20% der Fracht an der 1. KE beträgt Frachtreduktionsfaktor (E 1 /E 2 ) zwischen den KE 1 und KE 2 soll größer als Verdünnungsfaktor (Q 2 /Q 1 ) sein ggf. Unterscheidung von Einzelprozessen erforderlich Bestimmung der Einzelprozesse ist Voraussetzung für die anschließende Prognose des Fahnenverhaltens 11

12 Punktuelle Untersuchungen Aktiv z.b. konventionelle GWM Direct Push Passiv 12

13 Punktuelle Untersuchungen an bestehenden GWM Multilevel-Schlauchpacker Doppelwandige, nicht elastische Membran Probennahmeschläuche Minidruckpumpe Pumpenfilter Brunnenfilter Kiesschüttung Low-Flow Probenahme (Q 1L/min) parallel in verschiedenen Tiefen Modulare Bauweise: verschiedene Durchmesser, Längen und Anzahl der Probenahmeports Mobiles oder halbstationäres System 13

14 Punktuelle Untersuchungen an bestehenden GWM Multilevel-Scheibenpacker Parallele Low-Flow Probenahme (Q 1L/min) parallel in verschiedenen Tiefen Modulare Bauweise: verschiedene Durchmesser, Längen und Anzahl der Probenahmeports Mobiles oder halbstationäres System 14

15 Punktuelle Untersuchungen an bestehenden GWM Passive Probenahme Beispiel PDBS (Polyethylen-Diffusions-Beutel-Sammler) Bauart PE-Schlauch, Ø: 3-5 cm x L: cm, gefüllt mit deion. Wasser (ca. 300 ml) Sammelzeit Gleichgewicht nach mind. 14 Tagen Substanzen BTEX, CKW Analytik Direkte Wasseranalyse wird seit 2001 in USA als Standardverfahren eingesetzt Übersicht / Vergleich passive Probenahme bietet: Bopp et al. (2004) In Zeitschrift Grundwasser 15

16 Probennahmesysteme Empfehlungen Schlauchpacker bis ca. 40 m u. GOK einsetzbar Einsatz in vollverfilterten Messstellen ohne Vertikalströmung temporärer & permanenter Einbau möglich müssen konfektioniert, d.h. entsprechend der gewünschten Probenahmetiefe hergestellt werden Erwerb des Schlauchpackers ist erforderlich Scheibenpacker in Tiefen >40 m u. GOK einsetzbar Einsatz in vollverfilterten Messstellen ohne Vertikalströmung temporärer & permanenter Einbau möglich Erwerb & Miete möglich Bei beiden vorgenannten Systemen muss einige Tage gewartet werden, bis einsatzbereit. Kosten, z.b. 30 m mit 5 Ports: netto 16

17 4. Integrale Frachtbetrachtung 17

18 Untersuchung des GW-Abstroms Häufige Fragestellungen Grundwasserströmung Schadensherd/ Verursacher 2 Verursacher Schadensherd/ Verursacher 3 18

19 Frachtberechnung an Kontrollebenen Integrale Strategie Grundwasserströmung KE 1 KE 2 Schadensherd/ Verursacher 19

20 Cp Prinzip Immissionspumpversuch GWM Einzugsbereich Pumpversuch Zeit [d] Schadstofffahne Cp C max (Fahne) 20

21 Integraler Ansatz Definition Erkundungsverfahren zur Quantifizierung der Schadstoffbelastung im Grundwasser Integrale Bestimmung des auftretenden Massenflusses auf Grundlage zeitlich aufgelöster Konzentrationsganglinien während Pumpversuchen Bestimmung der im Grundwasser mobilen Gesamt-Schadstofffracht über vorgegebene Kontrollquerschnitte mit hoher Zuverlässigkeit Erlauben Rückschlüsse auf Fahnenlage und damit auf die Lage des Schadstoffherds Bestimmung der räumlichen Konzentrationsverteilung entlang der Kontrollquerschnitte Vorteil der integralen Immissionsmessung: Da keine Regionalisierung von Punktkonzentrationen erforderlich ist, kann eine hohe Aussagesicherheit erreicht werden 21

22 Planung IPV Bei der Planung sind folgende Sachverhalte zu berücksichtigen: Heterogenität des Untergrundes Hydraulische Durchlässigkeit (obere und untere Anwendungsgrenzen) Entsorgung des abgepumpten Wassers Möglichkeit von Setzungen Gegenseitige Beeinflussung von Entnahmebrunnen Auswahl IPV-Auswerteverfahren 22

23 Untersuchung längerer Kontrollebenen mit IPV Schadensherd 23

24 Beispiel eines öffentlich verfügbaren Werkzeugs zur Auswertung von IPV

25 5. Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren / Empfehlungen 25

26 Praxisprobleme Praxisprobleme IPV (integrierend): IPV führen zur Verlagerung der Schadstofffahnen Wechselnde Pumpraten, Pumpausfälle durch geeignete Auswerteverfahren (z.b. C-SET) rechnerisch lösbar Praxisprobleme Transektenmethode (punktuell): Wechselnde GW-Fließrichtungen und GW-Stände Fehlinterpretation bei Lage Fahne, Frachten Martus et al. (2002) 26

27 Transektenmethode vs. IPV U-Strategie integrierend IPV Transektenmethode punktuell Vorteile Messung über größeres Aquifervolumen -> keine Unsicherheiten bei Interpolation von Datenpunkten direkte Bestimmung Schadstofffrachten kann in tiefen Aquifern eingesetzt werden Nachteile nicht in Phasennähe einsetzbar Entsorgungskosten Wasser (bei hohem k f u. langen Pumpzeiten geringe Reichweiten bei kleinem k f bei starker Aquifer-Heterogenität größere Anzahl IPV erforderlich im Vergleich zu IPV geringe / keine Aufbereitungs- / Abwasserkosten in Phasennähe anwendbar tiefenorientierte Beprobung -> diskrete, repräs. Informationen Bilanzierung von Frachten über größere Querschnittsflächen -> Berücksichtigung Konz.- gradienten Interpolation bei heterogenem Untergrund / Fahnenaufbau schwierig -> Fehlstellen Fahnenerkundung -> hohe Anzahl Datenpunkte erforderlich -> hohe Kosten Kosten ab inkl. Auswertung ab inkl. Auswertung (Passivsammler) ab inkl. Auswertung (konventionelle GW-Beprobung) 27

28 Passivsammler Vorteile gegenüber aktivem Monitoring Keine elektrische Energie, schweres und umfangreiches Gerät erforderlich Keine Entsorgung kontaminierten Wassers Aufwand für Sammeln, Transport, Kühlung und Lagerung gering Keine Sorptionsverluste an Förderschläuchen und Probennahmegefäßen Gefahr von Verschleppungen spielt keine Rolle Keine Beeinflussung des hydraulischen Strömungsfeldes Nachteile Möglicher Einfluss von Biodegradation, Bildung von Biofilmen Sammelrate wird bei einigen Sammlern von Temperatur und vor allem dem schwer ermittelbarem Volumenstrom des GW beeinflusst

29 Qualitätssicherung (1) die wichtigsten Aspekte Punktuelle und integrierende Verfahren: GWM: Fachgerechter Ausbau nach DIN, DVGW, etc. GWM: Ermittlung von Zutrittszonen (Bohrlochgeophysik) Transektenmethode (punktuelle Verfahren) Planung Probennahme: Quantifizierung der erreichbaren Abstrombreite Durchführung Probennahme: Nachvollziehbare Quantifizierung der tatsächlich erreichten Abstrombreite Planung Passivsammler: Empirisch belegte Positionierung (GW- Strömungsrichtung) Fachgerechtes Setzen der Passivsammler Bei Sondermessstellen keine Vorgaben vorhanden 29

30 Qualitätssicherung (2) die wichtigsten Aspekte IPV (integrierende Verfahren) Nachweis der erreichbaren Förderraten / Eignung der GWM durch Kurzpumpversuch Gesicherte Ermittlung der Strömungsrichtung Nachweis der angestrebten Abstromerfassung durch rechnerische Simulation der gesamten hydraulischen Maßnahme (unter Berücksichtigung gegenseitiger hydraulischen Einflüsse) Mit Hilfe von Isochronen begründete Festlegung der Probennahmezeitpunkte Hydraulisch begründete Wahl eines für den vorliegenden Fall geeigneten Auswerteverfahrens, z.b. hohe Grundströmung; nicht einfach auswerten 30

31 6. Fazit Frachtermittlung Integrierende Verfahren ermöglichen die vollständige Erfassung des Abstroms und damit die genaue Ermittlung von Frachten Erlauben Rückschlüsse auf Fahnenlage und damit auf die Lage des Schadstoffherds Setzen keinen Zugang in alle Bereiche der Kontrollebene voraus Berücksichtigung von Störeinflüssen auswertetechnisch möglich Punktuelle Verfahren sind schnell durchführbar und erfordern keine Abreinigung von kontaminiertem Grundwasser Erfassung des Abstroms häufig nur mit hoher Anzahl von Aufschlüssen erreichbar Rückschluss von einem kleinen Erfassungsbereich auf ein großes Aquifervolumen (potentielles Risiko einer Fehleinschätzung der Frachten) Passivsammler bieten eine praktikable Alternative zu integrierenden Verfahren durch ihre Möglichkeit der zeitintegrierenden Erfassung des Abstroms Empfehlenswert ist eine Kombination aus integrierenden und punktuellen Untersuchungen 31