Simulation der Ablagerung von MBA-Material mit dem Programm HELP

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1 Simulation der Ablagerung von MBA-Material mit dem Programm HELP von Dr.-Ing. Christoph Tiebel-Pahlke, ATUS GmbH Zusammenfassung Die Ablagerung von mechanisch-biologisch behandelten Abfällen wird mit dem Wasserhaushaltsmodell HELP simuliert. Die Simulation lässt Rückschlüsse darauf zu, inwieweit deponietechnische Anforderungen, welche im Zuge der TASi-Novelle diskutiert werden, zielführend sind. 1 Einleitung Im Zuge der beabsichtigten Novelle der TA Siedlungsabfall hat das Umweltbundesamt 1 einen Bericht herausgegeben, welcher umfängliche und detaillierte Anforderungen an die Deponietechnik bei Ablagerung mechanisch-biologisch behandelter Abfälle enthält. Mit dem Simulationsprogramm HELP soll geprüft werden, inwieweit diese Anforderungen dem Ziel der Minimierung organischer Sickerwasseremissionen dienlich sind. 2 Kurzdarstellung HELP Benutzt wurde das Programm "Hydrologic Evaluation of Landfill Performance" (HELP) 2 in der deutschen Version.07. Dieses Programm ist ein quasi-zweidimensionales Modell des Wasserhaushalts einer Deponie, wobei die folgenden Einflussgrößen berücksichtigt werden: - Wetterdaten: tägliche mittlere Temperatur, Niederschläge und Sonneneinstrahlung sowie Daten zur Evaporation - Daten zum Aufbau der Deponie, insbesondere zur Charakterisierung der einzelnen Schichten - angefangen von der obersten Schicht, welche hier aus abgelagertem Abfall besteht, bis hinunter zur Basisabdichtung und geologischen Barriere - Flächengröße, Hangneigung und länge. Das Programm berechnet zunächst den Oberflächenabfluss und die Evapotranspiration (bzw. hier nur die Evaporation, da die betreffende oberste Schicht ohne Vegetation ist) und dann die Perkolation. Berechnungsgrundlage Es wurde eine Beispiel-Deponiefläche von 1 ha zugrundegelegt. Als Wetterdaten wurden die in der deutschen Version enthaltenen Daten für Niederschlag, Temperatur und Sonneneinstrahlung (täglich) sowie Windgeschwindkeit und Luftfeuchtigkeit sowie die evaporative Tiefe für Hamburg eingesetzt. Der eingesetzte Schichtenaufbau enthält eine 10 m mächtige Schicht aus MBA-Material und darunter übliche Dichtungssysteme einer Kombinations-Basisabdichtung. Hinsichtlich des Wassergehalte der Schichten wurden keine Anfangsgehalte vorgegeben, sondern die Programmoption Gleichgewichtszustand genutzt. 1

2 Die folgende Tabelle stellt den Schichtenaufbau und einige weitere Parameter dar. Die hier eingesetzten Werte wurden als Standard-Situation aufgefasst; das Symbol + markiert, welche Werte im folgenden variiert werden. Nr Beschreibung Stärke cm Porenvolumen Feldkapazität Welkepunkt Gesättig. Leitf. k f m/s 1 MBA-Material * Dränkies 50 9,7,2 1, *10-50 m lang, % Gefälle Sand Schutzschicht ,5 6,5 4* m lang, % Gefälle 5 Kunststoffdichtungsbahn 0,25 20 Löcher pro ha., 2*10-15 schlechte Verlegequalität 7 Mineralische 75 42,7 41,8 6,7 5*10-10 Dichtung Oberflächenabfluss berechnet als Kurvenzahl (Curve Number, CN): SCS-Nummer 95; mit 5 % Gefälle +und 50 m Länge ergeben sich CN=95, Flächengröße: 1 ha; von 70 % +davon kann Oberflächenwasser abfließen. Evaporative Zone: 122 cm; Blattflächenindex (BFI) = 0 4 Durchgeführte Berechnungen Im folgenden werden mit bezug auf Abb. 1 die durchgeführten Berechnungen vorgestellt. Die Graphik zeigt, wie sich ein (gegebener) Niederschlag auf die drei wesentlichen Größen Verdunstung, Oberflächenabfluss und Sickerwasserablauf verteilt. Die erste Zeile Standard bezieht sich auf die beschriebene Standard-Situation; die weiteren Zeilen variieren den jeweils genannten Parameter. 2

3 HELP - Variation von Parametern Verteilung im Mittel von 5 Jahren 0% 10% 20% 0% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Standard MBA-Material kf= 5E-08 MBA-Material kf= 1E-08 Porenvolumen=55% Porenvolumen=45% 100% Oberfl-Abfluss 50% Oberfl-Abfluss 0% Oberfl-Abfluss Sandabdeckung CN=80 MBA kf= 1E-08 und CN=85 MBA kf= 1E-08 und 40% Oberfl-abfluss Oberflächenabfluss Evapotranspiration Drainageablauf =Sickerwasser Abbildung 1: HELP-Ergebnisse mit verschiedenen Eingangswerten 4.1 Wasserhaushalt der Standard-Situation In der Standard-Situation so genannt, weil diese nach Kenntnis der Autoren die derzeit erreichbaren bzw. fachlich vertretbaren Eigenschaften von MBA-Material beschreibt kommt es nach der HELP-Simulation zu ca. 24% vom Jahresniederschlag als Sickerwasser. Etwa 56 % verdunsten; der Rest läuft als Oberflächenabfluss ab. 4.2 Oberflächenabfluss Die HELP-Simulationen weisen einen beträchtlichen Anteil Oberflächenabfluss aus. Ist das realisitisch? Die Beobachtungen hierzu divergieren: - in Bassum wurde auch unter starken Beregnungsbedingungen kein nennenswerter Abfluss festgestellt - in Meisenheim wurde sowohl in Beregnungsversuchen als auch bei Naturbeobachtungen Oberflächenabfluss gemessen 4 - aus der Ablagerung von Hafenschlick ist bekannt, dass entsprechend undurchlässiges Material vorausgesetzt nennenswerte Mengen abfließen können. Aus den von Münnich 5 veröffentlichten Daten zum Verlauf der Infiltration läßt sich ablesen, dass die anfängliche Infiltrationsrate etwa eine 10er-Potenz über dem kf-wert liegt. Aus einem kf-wert von 1*10-8 m/s lässt sich somit eine anfängliche Infiltration von 10-7 m/s, also 0,0001 mm/s bzw. 0,6

4 mm/h abschätzen. Hier führen also schon schwache Regenereignisse zum Oberflächenabfluss. Ein Material mit einem kf-wert von 1*10-7 m/s lässt dagegen,6 mm/h einsickern und damit einen relevanten Anteil der zu erwartenden Regenereignisse. Eine Analyse der von HELP errechneten Oberflächenabflüsse in der Standard-Situation ergab denn auch, dass relevante Oberflächenabflüsse auf Tage mit hohem Niederschlag (>12 mm/d) und Tage mit Bodenfrost beschränkt bleiben. 4. Variation des Durchlässigkeitskoeffizienten Das UBA hat in seinem Bericht ein geringe Durchlässigkeit des Deponiekörpers mit einem kf-wert von 10-8 m/s gefordert. Wird dieser Wert in die Simulationsrechnung eingetragen, kommt es zu praktisch keiner Sickerwasserneubildung mehr: lediglich 0,2% des Jahresniederschlags werden als Sickerwasser ausgewiesen. Die Verdunstung beträgt 47%, der Oberflächenabfluss 5 %. Ergänzend wurde eine Durchlässigkeit von 5*10-8 m/s eingetragen. Dies führt zu Sickerwassermengen um 1 % des Jahresniederschlags. 4.4 Variation der Einbaudichte Die Einbaudichte selbst ist kein HELP-Parameter, geht aber über das Porenvolumen ein. Ein Porenvolumen von 50 % beruht auf einer Einbautrockendichte von rund 1 t/m³. Eine Einbautrockendichte von 0,9 t/m³ führt dagegen zu einem Porenvolumen von 55 %; analog sind die Feldkapazität und der Welkepunkt um 10% heraufzusetzen. Die Simulation zeigt, dass ein um 10% höheres oder niedrigeres Porenvolumen die Sickerwassermenge praktisch nicht beeinflusst. Natürlich berührt die Einbaudichte auch die Durchlässigkeit; ein eigenständiger umweltbezogener Wertmaßstab ist sie jedoch nicht. 4.5 Beeinflussung des Oberflächenabflusses Im Programm HELP wird der Oberflächenabfluss zunächst durch die (frei wählbare) Fläche, von der Oberflächenabfluss möglich ist, beeinflusst. Weitere wichtige Größe ist die Beschaffenheit der obersten Schicht; und nur in sehr untergeordnetem Umfang geht das Gefälle ein. Wird die Fläche, von der Oberflächenabfluss möglich ist, auf 100 % gesetzt, fließen bei im übrigen standardmäßigen Bedingungen 24 % ab. 70% der Fläche (Standard-Situation) führen in der Bilanz zu einem oberflächlichen Abfluß von 19%. Von 50% der Fläche sind es 16%, und wird dieser Wert auf 0 gesetzt, erfolgt auch tatsächlich kein Oberflächenabfluss. Interessant ist dabei die Frage: wo geht denn das zusätzliche Wasser hin? Die Verdunstung ist offenbar auf Werte um 60% begrenzt, so dass das verbleibende Wasser wenn es nicht oberflächlich ablaufen kann als Sickerwasser anfällt. Außerdem gibt es eine jahreszeitliche Komponente: Wenn man im Winter das Oberflächenwasser nicht abführt, bekommt man mehr Sickerwasser; wenn man es im Sommer nicht abführt, verdunstet es. (Geht man übrigens von einem MBA-Material mit kf = 1*10-8 aus, dann führt auch eine auf 40% verminderte Fläche zu kaum mehr Sickerwasser, sondern lediglich zu mehr Verdunstung). Die Beschaffenheit der obersten Schicht hat großen Einfluß auf den Oberflächenablauf. HELP arbeitet hier mit empirischen Formeln, so genannten Curve Numbers; dem MBA-Material konnte durch A- nalogieschlüsse anhand der bodenkundlichen Parameter eine CN von 95 zugewiesen werden. Wird als oberste Lage eine Sandschicht aufgebracht, vermindert dies die CN auf rund 80; dies führt zu 6 %- Punkten weniger Oberflächenabfluss und 4 %-Punkten mehr Sickerwasser. Dagegen wirkt sich das Gefälle praktisch nicht aus. Hat das Material von den Eigenschaften her eine CN von 95, führt ein Gefälle von 1% zur CN von 95,1 und ein Gefälle von 10% zu CN=95,4 ein in 4

5 der Bilanz kaum merklicher Unterschied. Auch bei kleineren CN macht sich das Gefälle lediglich in der Nachkommastelle bemerkbar. 5 Fazit Die HELP Simulation lässt folgende Rückschlüsse zu: Wenn MBA-Material nur abgelagert werden darf, wenn es einen k f-wert von 1*10-8 unterschreitet, dann erübrigen sich alle weiteren Anforderungen an die Deponietechnik einschließlich der Begrenzung der offenen Flächen. Mit einem solchen kf-wert wird auch unter ungünstigen Bedingungen praktisch kein Sickerwasser neu gebildet. Auch sofern das MBA-Material realistischerweise mit einem k f-wert von 1*10-7 angesetzt wird, ist die entstehende Sickerwassermenge relativ gering. Dies setzt voraus, dass der Oberflächenabfluss vor allem im Winterhalbjahr separat abgeführt wird. Der Ablagerungsbereich muss also regelmäßig geglättet werden, um abflußlose Mulden zu vermeiden. Dagegen ist es relativ unerheblich, wie stark das Gefälle ist. Eine weitere Verminderung lässt sich durch Abdeckung von derzeit nicht genutzten Flächen erreichen, sofern die Abdeckung hydraulisch deutlich undurchlässiger ist als das MBA-Material. Originäre Anforderungen an die Einbaudichte sind nicht erforderlich; die maßgebliche Zielgröße ist die Durchlässigkeit. Anschriften der Verfasser: Dr-Ing. Christoph Tiebel-Pahlke, ATUS Ingenieurgesellschaft für Abfalltechnik und Umweltschutz mbh, Spadenteich 4-5, Hamburg, Tel.: 040/ , Fax: 040/ Umweltbundesamt Berlin (III.4), Bericht zur ökologischen Vertretbarkeit der mechanisch-biologischen Vorbehandlung von Restabfällen einschließlich deren Ablagerung, Berlin Das Programm ist erhältlich beim Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg. Die Programmfunktionen sind dokumentiert in: Schroeder, Lloyd, Zappi, Aziz, Berger, Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell, Benutzerhandbuch für die deutsche Version, Hamburg Weitere Hinweise zu Programmfunktionen und eine kritische Würdigung sind enthalten in: Berger, K., Validierung und Anpassung des Simulationsmodells HELP zur Berechnung des Wasserhaushalts von Deponien für deutsche Verhältnisse, Umweltbundesamt BMBF-Projektträgerschaft, Berlin 1998 v. Felde, D., Ablagerung mechanisch-biologisch vorbehandelter Abfälle, Ergebnisse der niedersächsischen Demonstrationsanlagen. 6. Münsteraner Abfallwirtschaftstage, Münster Maak, D., Poser, H., Auswirkungen der veränderten Abfalleigenschaften auf den Deponiebetrieb, in: Deponierung von vorbehandelten Siedlungsabfällen, Veröffentlichungen des Zentrums für Abfallforschung der TU Braunschweig, Heft 14, Münnich, K., Hydraulische Kenngrößen von mechanisch-biologisch vorbehandeltem Abfall, in Zentrum für Abfallforschung (Hrsg.): Deponierung von vorbehandelten Siedlungsabfällen, ZAF-Reihe, Bd. 14, Braunschweig,