Entwicklung eines Verfahrens für Sickerwasserprognosen im Sinne der Bundes- Bodenschutz- und Altlastenverordnung

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1 Entwicklung eines Verfahrens für Sickerwasserprognosen im Sinne der Bundes- Bodenschutz- und Altlastenverordnung Vom Promotionsauschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Heinke Stöfen aus Hamburg 2004

2 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. W. Schneider Technische Universität Hamburg-Harburg 2. Gutachter: Prof. Dr. U. Förstner Technische Universität Hamburg-Harburg 3. Gutachter: Dr. W. Duijnisveld Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Tag der mündlichen Prüfung: 13. Dezember 2004

3 Berichte aus der Geowissenschaft Heinke Stöfen Entwicklung eines Verfahrens für Sickerwasserprognosen im Sinne der Bundes- Bodenschutz- und Altlastenverordnung. Shaker Verlag Aachen 2005

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Diss., Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Man sollte alles so einfach wie möglich sehen - aber auch nicht einfacher. Albert Einstein ( )

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7 Kurzfassung Kurzfassung In der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung vom 12. Juli 1999 wurde ein neues Instrument für die Gefährdungsabschätzung für den Pfad Boden-Grundwasser eingeführt, die Sickerwasserprognose. Die Sickerwasserprognose wird aufgeteilt in die Freisetzung aus der Quelle und die Transportprognose. Unter Freisetzung wird die Eluierbarkeit von Schadstoffen aus Materialien verstanden. Ausgehend von den Sickerwasserkonzentrationen am Ort der Probenahme in einer schadstoffbelasteten Fläche soll die Transportprognose eine Abschätzung der Schadstoffkonzentrationen am Ort der Beurteilung (Übergang zwischen der ungesättigten und gesättigten Zone) liefern. In der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Transportprognose auch unter Anwendung von Stofftransportmodellen erfolgen kann. Es existiert eine Vielzahl von unterschiedlich komplexen Modellen um die Vorgänge beim Stofftransport in der ungesättigten Zone zu modellieren. Stofftransportmodelle werden in der Praxis jedoch nur in geringem Umfang benutzt, da ihre Handhabung als zu schwierig angesehen wird. Zudem liegen besonders im frühen Stadium der Standortbearbeitung die notwendigen Modelleingabeparameter für komplexe Stofftransportmodelle nicht vor. Häufig angewendet werden hingegen grobe Abschätzmethoden und verbal/argumentative Verfahren. Diese sind jedoch nicht ausreichend wissenschaftlich fundiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, das eine erste quantitative Abschätzung der zu erwartenden Konzentrationen am Ort der Beurteilung liefert. Die Entwicklung folgte dem Ansatz, dass ausgehend von den komplexen Modellvorstellungen zum Transport von Stoffen in der ungesättigten Zone untersucht wurde, welche Vereinfachungen vorgenommen werden können, ohne dass diese zu einem nennenswerten Genauigkeitsverlust führen. Falls Vereinfachungen zu einem Genauigkeitsverlust führen, wurde das Konservativitätsprinzip angewandt, d.h. dass die Vereinfachung nur angenommen wurde, wenn die Konzentration am Ort der Beurteilung überschätzt wird und damit die Vernachlässigung auf der sicheren Seite liegt. Das Verfahren wird AF-Verfahren genannt, da die Konzentrationsabminderung beim Transport von der Quelle zum Ort der Beurteilung quantifiziert wird. Diese Konzentrationsabminderung kann mit dem Abminderungsfaktor (AF-Wert) dargestellt werden. Der AF-Wert ist definiert als Quotient aus maximaler Quellkonzentration und der maximalen Konzentration am Ort der Beurteilung. Im AF-Verfahren werden sämtliche Prozesse, die zu einer Verringerung der Stoffkonzentration in der Sickerwasserzone zwischen dem Ort der Ablagerung und dem Ort der Beurteilung führen, erfasst. Die Konzentrationsabminderungen sind durch eine Vielzahl von Teilprozessen bedingt. Bestimmte Teilprozesse wurden zu Komponenten der Abminderung zusammengefasst. Es können vier Komponenten unterschieden werden: Zeitliches Verhalten der Stofffreisetzung aus der Schadensquelle ( Endlichkeit der Quelle ), Schadstoffabbau bzw. -umwandlung innerhalb der Transportstrecke ( Abbau ), Verdünnung durch transversale Dispersion, die aus der dreidimensionalen Stoffausbreitung im Boden resultiert ( transversale Dispersion ) und Verdünnung am Ort der Beurteilung infolge des Einmischens von Sickerwasser in das Grundwasser ( Einmischen in das Grundwasser ).

8 Kurzfassung Die Strategie des AF-Verfahrens besteht darin, dass durch Abschätzformeln quantifiziert wird, welche Abminderungskapazitäten die einzelnen Komponenten bei der Abminderung der Quellkonzentration in der Sickerwasserzone erreichen. Hierbei wird nicht der zeitliche Verlauf der Konzentration am Ort der Beurteilung betrachtet. Es wird lediglich festgestellt, wie hoch die Abminderung durch die einzelnen Komponenten ist. Mit dem AF-Verfahren wird die Frage beantwortet, ob die Prüfwerte jemals über- oder unterschritten werden. Eine Aussage über den Zeitpunkt der Prüfwertüberschreitung ist mit dem AF-Verfahren nicht möglich. Die Ergebnisse des AF-Verfahrens können in zweifacher Weise genutzt werden: Es kann mit dem AF-Verfahren gezeigt werden, ob eine Prüfwertüberschreitung zu erwarten ist oder nicht und die standortspezifischen Anforderungen an weiterführende Transportmodellierungen können abgeleitet werden. Durch die Anwendung des AF-Verfahrens wird deutlich, welche Prozesse überhaupt an einer Konzentrationsabminderung nennenswert beteiligt sind. Werden die Parameter dieser Prozesse genauer bestimmt, kann eine verbesserte Bestimmung der Abminderung eventuell noch zu einer rechnerischen Unterschreitung der Prüfwerte führen. Weiterführende Transportmodellierungen können durch die gekoppelte Berücksichtigung aller zur Abminderung der Stoffkonzentrationen beitragenden Komponenten dazu führen, dass eine Prüfwertunterschreitung nachgewiesen werden kann, obwohl das AF-Verfahren nicht zu diesem Ergebnis führt. Weiterführende Transportmodellierungen können außerdem mit dem Ziel durchgeführt werden, den zeitlichen Verlauf der Konzentration am Ort der Beurteilung zu prognostizieren. Hiermit kann ein Zeitpunkt für die erwartete Prüfwertüberschreitung bestimmt werden. Das AF-Verfahren wurde an zwei Fallbeispielen im Vergleich zu einer numerischen Simulation mit HYDRUS-1D angewendet. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse des AF- Verfahrens sehr gut mit denen der numerischen Simulation übereinstimmen. Es steht somit mit dem AF-Verfahren ein wissenschaftlich fundiertes Abschätzverfahren für Sickerwasserprognosen bereit.

9 Abstract Abstract In the German ordinance to protect the soil (Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung) a new instrument to conduct groundwater risk assessments was introduced. Groundwater risk assessment is divided into two parts, the release of solutes from the source (source term) and the transport prognosis. The source term part consists of determining the moblie fraction to be expected in the seepage water. When conducting a transport prognosis the concentration at the point of compliance (transition between the unsaturated and saturated zone) should be estimated considering the concentration in the seepage water of the contamination. In the ordinance it is pointed out that transport models can be used to perform the transport prognosis. Numerous complex codes exit to model solute transport in the unsaturated zone. In the engineering practice these codes are seldom used because the handling is thought to be too demanding. In addition the input parameters for these complex codes are usually not available at an early stage of site investigation. Frequently used are rough approximation methods. These methods are not sufficiently scientifically founded. Within the scope of this thesis a method has been developed that yields a first quantitative approximation of the solute concentration at the point of compliance. During the development of this method the following approach was used. Starting from an understanding of the complex transport processes in the unsaturated zone, it has been determined which simplifications are possible without causing an appreciable loss in accuracy. If the simplification leads to a loss in accuracy the principle of conservatism has been used, which means that simplifications are only adopted if the solute concentration at the point of compliance is overestimated. The method is called AF-method because the attenuation in solute concentration during the transport from the source to the point of compliance is quantified. The attenuation factor (AF-factor) is a measurement for this decrease in solute concentration. The AF-factor is defined as the ratio of the maximum solute concentration in the source and the maximum solute concentration at the point of compliance. The AF-method comprises all processes that contribute to the attenuation of the solute concentration during the passage through the unsaturated zone. The attenuation of solute concentrations can be attributed to numerous sub processes. Certain sub processes have been combined to form the components of attenuation. Four different components of attenuation can be differentiated: temporal behaviour of the release of solutes from the source ( finite mass ) degradation or conversion of the solutes during the passage through the unsaturated zone ( degradation ) dilution caused by transverse dispersion, which results in three dimensional spreading of solutes in the unsaturated zone ( transverse dispersion ) and dilution at the point of compliance due to mixing of seepage and ground water ( mixing with groundwater ) The strategy behind the AF-method is to use easy formulas to determine the attenuation capacities of the different components. The temporal course of the solute concentrations at the point of compliance is not considered. Using the AF-method the contribution of the different components with respect to the attenuation of the solute concentration is determined. The AFmethod gives an answer to the question whether or not the limiting values at the point of

10 Abstract compliance will ever be exceeded. The point in time when the limiting values are going to be exceeded cannot be determined with this method. The results of the AF-method can be used in two ways: It can be shown whether or not the limiting values are going to be exceeded and the site-specific requirements for continuative modelling studies can be inferred. Using the AF-method clarifies which processes participate in the attenuation of the solute concentration from the source to the point of compliance at a specific site. If the parameters that are used to describe these processes are investigated more closely, it is possible that the calculated attenuation with these improved parameter values will show that the limiting values are met. Continuative modelling studies in which all possible attenuation processes are coupled can show that the limiting values will be met although the result of the AF-method has been that the limiting values will be exceeded. Continuative modelling studies can be used to determine the temporal development of the solute concentration at the point of compliance. Using the temporal development of the solute concentration at the point of compliance, it is possible to determine the point in time at which the limiting value will be exceeded. The AF-method has been applied using two real world sites in comparison to simulations using HYDRUS-1D. The results of the AF-method agree very well with the results of the numerical simulation. The AF-method showed to be an easy to use and scientifically founded approximation method for groundwater risk assessment.

11 Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... i 1 Einleitung Rechtliche Rahmenbedingungen Begriffsdefinitionen, Validierung, Einsatz und Qualität von Modellen Begriffsdefinitionen: Konzeptionelles generisches standortspezifisches Modell Validierung von Modellen Einsatz von Modellen bei Sickerwasserprognosen Notwendige Komplexität bzw. Qualität von Transportmodellen für Sickerwasserprognosen Beurteilungskriterium - Abminderungsfaktor Prozessbeschreibung und Modellansätze Strömung in der ungesättigten Zone Potentiale in der ungesättigten Zone Richards-Gleichung Bodenhydraulische Funktionen Rand- und Anfangsbedingungen zur Lösung der Richards-Gleichung Wasseraufnahme durch Pflanzen Mittlerer langjähriger stationärer Fluss Präferenzieller Wasserfluss Stofftransport Advektion Diffusion Dispersion in der ungesättigten Zone Präferenzieller Stofftransport Sorption Lösung / Fällung Partikelgebundener Transport Abbau Verflüchtigung Stofftransportgleichung unter Gleichgewichtsbedingungen Stofftransportgleichungen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen Rand- und Anfangsbedingungen für den Stofftransport Wärmetransport Advektion Konduktion Wärmetransportgleichung Rand- und Anfangsbedingungen für den Wärmetransport Beschreibung des Quellterms Mathematische Lösungsansätze und deren Anwendungsbereiche Analytische Methoden Semianalytische Methoden Numerische Methoden

12 ii Inhaltsverzeichnis 6 Einfluss instationärer Wasserbewegung und Berücksichtigung von Temperatureffekten Vorbemerkungen Einflüsse bei instationärer Wasserbewegung Parametrisierung der bodenhydraulischen Funktionen Kopplung von Wasser- und Wärmetransport bei instationärer Wasserbewegung Kopplung von Wärme- und Stofftransport bei instationärer Wasserbewegung Hysterese in der pf-kurve Wasseraufnahme durch Pflanzen Berücksichtigung des Kapillarsaums Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Vergleich instationäre Wasserbewegung zu stationärer Wasserbewegung Stand des Wissens Parameterstudie Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Einflüsse von Transportprozessen bei stationärer Wasserbewegung Vorbemerkungen Endlichkeit der Quelle Lineare Gleichgewichtssorption Nichtlineare Gleichgewichtssorption Sorptionskinetik Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Abbau der Schadstoffe Stand des Wissens Parameterstudie zur Verdeutlichung des Einflusses der Monod-Kinetik ohne Wachstum Systematischer Vergleich der Monod-Kinetik ohne Wachstum und Abbaukinetik 1. Ordnung Dispersion bei Annahme Abbaukinetik 1. Ordnung Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Dreidimensionale Stoffausbreitung durch transversale Dispersion Berechnung der dreidimensionalen Ausbreitung Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Einmischen in das Grundwasser Berechnung der Konzentrationsabminderung durch Einmischen in das Grundwasser Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Partikelgebundener Stofftransport Stand des Wissens Variation der Einflussfaktoren für partikelgebundenen Transport Schlussfolgerungen für Sickerwasserprognosen Präferenzieller Stofftransport AF-Verfahren zur Abschätzung der Konzentration am Ort der Beurteilung bei Sickerwasserprognosen Grundlagen Annahmen Ablauf des AF-Verfahrens

13 Inhaltsverzeichnis iii 8.4 Ergebnisse des AF-Verfahrens Fallbeispiele Fall 1: Ablagerung von Recycling-Material Übersicht Anwendung AF-Verfahren und numerische Simulation Schlussfolgerungen Fall 2: Ehemalige Lederfabrik Übersicht Anwendung AF-Verfahren und numerische Simulation Schlussfolgerungen Zusammenfassung Literatur Abkürzungen und Symbole Programmcodes Anhang 1: Herleitung des Abklingkoeffizienten Anhang 2: Ausgewählte analytische Lösungen der Advektions-Dispersions-Gleichung Anhang 3: Herleitung der Mächtigkeit der Durchmischungszone