Komplexer Ansatz für eine belastbare Grundwassergefährdungs- und risikobewertung von Altlasten. XXV. Sächsisches Altlastenkolloquium

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1 Komplexer Ansatz für eine belastbare Grundwassergefährdungs- und risikobewertung von Altlasten XXV. Sächsisches Altlastenkolloquium Autoren: M.Sc. Florian Kurzius Dipl.-Hydrol. Philipp Dost Dipl.-Chem. Kerstin Hellmann Dr.-Ing. Claus Nitsche Datum:

2 Gliederung Gliederung 1. Einführung 2. Zweiphasenkonzept für die softwaregestützte Prognose 3. Phase 1 - Gefährdungsabschätzung mit vereinfachten Prognosemodellen 4. Phase 2 - Softwaregestützte Versuchsplanung, Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung 5. Zusammenfassung 2

3 Einführung 1. Bewertung der von Altlasten ausgehenden Gefährdungen und Risiken für das Schutzgut 2. Prüfung der Realisierbarkeit von MNA-Konzepten Verwendung: Stofftransportmodellen Modellierungspraxis für die Parametrisierung: I. Alle Parameter und deren komplexen Wirkungen sind über theoretische Zusammenhänge ableitbar II. Alle Parameter und deren komplexen Wirkungen sind aus Ergebnissen von objektspezifisch und naturnah durchgeführten Labor- und Feldversuchen ermittelbar 3

4 Einführung Theoretischer Ansatz (Literaturquellen und Datenbanken) + nahezu keine objektspezifischen Untersuchungen erforderlich + geringer Zeitbedarf - sehr hoher Kalibrieraufwand - sehr hohe Anzahl an Kennwerten und Parametern, die verfügbar sein müssen, jedoch teilweise nicht ermittelbar sind - zunehmende objektspezifische Aussageunsicherheit der Prognose -> Verhältnismäßigkeitsprüfung von Maßnahmen zunehmend schwieriger (finanzielle Risiken!) Objektspezifisch ermittelte Parameter (Labor- und Feldversuche) + die objektspezifisch zu beachtenden komplexen Wirkungen sind in den zu ermittelnden Parametern bereits enthalten + Einbindung in sehr einfache Parametermodelle möglich + geringer Kalibrieraufwand + mehrfach nachgewiesene sehr gute Übertragbarkeit in den Feldbereich - teilweise hoher Zeitbedarf 4

5 Zweiphasenkonzept für die softwaregestützte Prognose Zweiphasenkonzept GFA Gefährdungsabschätzung und Sanierungsuntersuchungen 1. Phase Verwendung: 1. Vereinfachte, stationäre Prognosemodelle 2. Komplexere stationäre, analytische Lösungen nach dem Doppelporositätsansatz Ergebnis: Prüfung und Gefährdungsabschätzung Defizitanalyse -> fehlen Parameter? Ableitung der Notwendigkeit objektspezifischer Maßnahmen (Detailuntersuchungen Phase 2 Laborversuche) + Anwendung komplexerer instationärer Modelle Softwaregestütztes Laborsystem inkl. Datenbank Migrationsparameter Verwendung der Quell- und Transporttermparameter aus der Datenbank (Min-/Max-/Medianund Mittelwert) unter Beachtung der Korrelationsbeziehungen Zwischen Kennwerten und Parametern Laborversuche zur Migrationsparameterermittlung 2. Phase 1. Versuchsplanung Auswahl Versuchsverfahren Berücksichtigung Korrelationsbeziehungen u. a. Planung Stützstellen und Versuchszeit 2. Versuchsdurchführung Standardarbeitsanweisungen SOLL-/IST-Vergleich 3. Versuchsauswertung Visualisierung und Plausibilitätsprüfung d. Ergebnisse Erweiterung der Datenbank Ergebnis: Parameter für die Parametrisierung belastbare GFA & Bewertung/ Planung Sanierungsuntersuchungen 5

6 Zweiphasenkonzept für die softwaregestützte Prognose Datenbank Kennwerte: qualitative Charakterisierung von Bodeneigenschaften Migrationsparameter Teilbereiche: Bodenphysik, Organik und Anorganik > Kennwerte und Migrationsparameter -> über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren objektspezifisch ermittelt 560 Bodenproben bodenphysikalische Kennwerte und Parameter stoffspezifische Parameter Organik 400 Stoffspezifische Parameter Anorganik 6

7 Phase 1 - Gefährdungsabschätzung mit vereinfachten Prognosemodellen Phase 1 Vereinfachte Prognosemodelle Phase 1 - Anwendungsbeispiel Abstromsicherung P&T-Maßnahme Grundwassermessstelle Ort der Entscheidung Schutzgut Sanierungszielwert: Tetrachlorethen < BG Tetrachlorethen? 3,3 a Entfernung: 400 m 0,2 mg/l sind ohne Abstromsicherung maximal zu erwarten kann Abstromsicherung abgeschalten werden? steigende Tetrachlorethen-Konzentration in der Abstrom-GWM der Quelle festgestellt Hydraulik ist bekannt (Abstandsgeschwindigkeit v a = 120 m/a, n eff = 0,25) Welche Konzentration ist an der GWM zulässig, damit die Vorgabe (Tetrachlorethen < BG (0,1 µg/l) im Schutzgut) mit Sicherheit eingehalten wird? 7

8 Phase 1 - Gefährdungsabschätzung mit vereinfachten Prognosemodellen Phase 1 Vereinfachte Prognosemodelle & komplexere analytische Lösungen Bsp.-Variante A: L F = v a t Einporensystem Prozesse: Advektion und Abbau 1. Ordnung t L F v a Zeit benötigt für den Abbau [d] Länge der Fahne [m] Abstandsgeschwindigkeit [m/d] Bsp.-Variante B (van Genuchten & Alves, 1982): 1D, zeitlich (un)begrenzter Puls, Einporensystem Prozesse: Advektion, hydrodynamische Dispersion, Abbau 1. Ordnung und Sorption Bsp.-Variante C (Toride, Leij, & van Genuchten, 1993): 1D, zeitlich (un)begrenzter Puls, Doppelporosität Prozesse: hydrodynamische Dispersion, Advektion, Sorption, Abbau 1. Ordnung und Produktion 8

9 Phase 1 - Gefährdungsabschätzung mit vereinfachten Prognosemodellen Phase 1 Ergebnisse der Prognosen Max. Konz. in Fahne wenn P&T-Maßnahme abgeschaltet: 200 µg/l zulässige PER-Konzentration an Sanierungszielwert Abbaurate Datenbank [d -1 der GWM [µg/l] erreichbar? ] 1A 1B 1C 1A 1B 1C Min 0, Nein Nein Nein Median 0, Nein unsicher Ja Max 0, Ja Ja Ja Hydraulik Sorption Abbau Fazit: - Gefährdung des Schutzgutes kann nicht ausgeschlossen werden - Mikrobielle Abbaurate 1. Ordnung ist für die belastbare Prognose zu bestimmen - Prognoseberechnung mit Doppelporositätsansatz (Bestimmung Massentransferkoeff.) 9

10 Phase 2 - Softwaregestützte Durchführung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung Beispiel Mikrobieller Abbau für Tetrachlorethen Probe Versuchsplanung Versuchssteuerung Versuchsauswertung 10

11 Phase 2 - Softwaregestützte Durchführung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung Beispiel Mikrobieller Abbau für Tetrachlorethen Probe Versuchsplanung Versuchssteuerung Versuchsauswertung k f -Wert: 9,51*10-6 m/s bestätigt Durchführung intermittierend betriebener Säulenversuch (IBSV) 11

12 Phase 2 - Softwaregestützte Durchführung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung Probe Versuchsplanung Versuchssteuerung Versuchsauswertung

13 Phase 2 - Softwaregestützte Durchführung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung Beispiel Mikrobieller Abbau für Tetrachlorethen Probe Versuchsplanung Versuchssteuerung Versuchsauswertung 14 Durchführung: Soll-Ist-Vergleich zwischen Versuchsplanung und Versuchsdurchführung 13

14 Phase 2 - Softwaregestützte Durchführung von Laborversuchen zur Migrationsparameterermittlung Probe 1/d 14 Stichproben Versuchsplanung Versuchssteuerung Versuchsauswertung 14

15 Zusammenfassung Zusammenfassung Stofftransportmodelle für die Bewertung von Altlasten Parametrisierung: 1.) Theoretischer Ansatz 2.) Praktischer Ansatz 2-stufiger Ansatz für die Bewertung nach dem Praktischen Ansatz mit der eigens entwickelten Datenbank und softwaregestützten Laborsystem Stufe 1: sofortige Bewertung mit Datenbank sowie Vereinfachte stationärer Prognosemodelle (Einporensystem) und komplexere, stationäre, analytische Lösungen (Zweiporensystem) Stufe 2: falls erforderlich Ermittlung der objektspezifischer Quell- und Transporttermparameter unter Anwendung des entwickelten Laborsystems und gegebenenfalls komplexerer, instationärer Prognosemodelle 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 16

17 Zweiphasenkonzept für die softwaregestützte Prognose Software gestützte Laborsystem Entwicklung im Rahmen des BMWi Forschungsprojektes ( ): Entwicklung eines verfahrenstechnischen Laborsystems für die automatisierte Ermittlung von Migrationsparametern für den Boden und Grundwasserbereich Ziel: verfahrenstechnische Lösung von definierten Problemstellung im Boden- und Grundwasserbereich Prinzip: 17