Anlage zum info 1/2004

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1 altlastenforum Baden-Württemberg e.v. Anlage zum info 1/2004 Checkliste für Grundwassermodelle im Altlastenbereich

2 altlastenforum Baden-Württemberg e.v. Checkliste für Grundwassermodelle im Altlastenbereich Herausgegeben vom Arbeitskreis Grundwassermodelle Ulrike Krause, Mannheim Ulrich Lang, Stuttgart Randolf Rausch, Stuttgart Markus Reinold, Bad Urach Wolfgang Schäfer, Heidelberg 2

3 Herausgeber: altlastenforum Baden-Württemberg e.v. c/o Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau Pfaffenwaldring 61 D Stuttgart Tel: Anschriften der Autoren: Dipl. Geol. Ulrike Krause H. Reutemann Geologisches Büro GmbH Schwanenstr. 2F D Mannheim Dr. Ulrich Lang Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH Wilhelmstr. 11 D Stuttgart Dr. Randolf Rausch Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg Zweigstelle Stuttgart Urbanstr. 53 D Stuttgart Dipl. Geol. Markus Reinold Hydrodata Am Freudenberg 1 D Bad Urach Dr. Wolfgang Schäfer Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen Universität Heidelberg Im Neuenheimer Feld 368 D Heidelberg Stand des Statusberichtes: 01/ altlastenforum Baden-Württemberg e.v., Stuttgart Alle Rechte, auch das der Übersetzung, des auszugsweisen Nachdrucks, der Herstellung von Mikrofilmen und der photomechanischen Wiedergabe, vorbehalten. Auch die Herstellung von Photokopien des Werkes für den eigenen Gebrauch ist gesetzlich ausdrücklich untersagt. 3

4 Vorwort Grundwassermodelle haben sich in den letzten Jahren zu einem Standardwerkzeug bei der Bearbeitung hydrogeologischer und hydraulischer Fragestellungen entwickelt. Weit verbreitet ist bereits der Einsatz von Strömungsmodellen, wobei aber in jüngster Zeit auch vermehrt Transportmodelle verwendet werden. Diese Entwicklung verdankt sich insbesondere der stark gestiegenen Leistungsfähigkeit der Computer und der Verbreitung menügesteuerter Prä- und Postprozessoren, die die Dateneingabe und die Ergebnisdarstellung bei der Modellbearbeitung erheblich vereinfachen. Generell werden die Modelle eingesetzt, um vorhandene Messdaten zu interpretieren und quantitativ auszuwerten, um Hypothesen bezüglich im Untergrund ablaufender Prozesse zu testen, und um Prognosen für das zukünftige Verhalten des Grundwassers oder der Wasserinhaltsstoffe zu erstellen. Typische Anwendungsbereiche für Grundwassermodelle im Altlastenbereich sind: Vorhersage von Grundwasserstandsänderungen durch Baumaßnahmen im Untergrund (z. B. Auswirkung von Dichtwänden), Prognose der Schadstoffausbreitung im Abstrom einer Altlast, Auslegung und Überwachung von aktiven Sanierungsmaßnahmen sowie Monitoring des natürlichen Schadstoffabbaus. Mit zunehmender Verbreitung der Modelle ist vielerorts auch das Bedürfnis entstanden, Kriterien an die Hand zubekommen, mit deren Hilfe Modelle und Modellergebnisse beurteilt werden können. Die vorliegende Checkliste will dazu einen Beitrag liefern. Diese Liste soll es all denjenigen, die in der Praxis mit Grundwassermodellen befasst sind, erlauben, ein vorhandenes Modell in relativ kurzer Zeit nach formalen Kriterien zu beurteilen, bzw. diese Kriterien bei der Modellausschreibung herauszustellen. Die Liste ist deshalb bewusst knapp und in Stichworten gehalten und nicht als Lehrbuch-Ersatz zu verstehen. Hinweise auf weiterführende Literatur zur Grundwassermodellierung, insbesondere zur Transportmodellierung, werden am Ende der Checkliste gegeben. Die Konzeption der Checkliste für den Einsatz im Altlastenbereich bedingt, dass ihr Schwerpunkt auf dem Stofftransport liegt. Stuttgart, im Januar

5 1. Generelle Überlegungen Was ist die Fragestellung des Modells? Mögliche Fragestellungen im Altlastenbereich sind: Schadstoffaustrag Historische Schadstoffverlagerung Sicherungsmaßnahmen Abwägung von Sanierungsverfahren Optimierung von Sanierungsverfahren Nachweis der Wirksamkeit von Sanierungsverfahren Gefährdungsabschätzung Welche Voruntersuchungen sind vorhanden? Zusammenstellung von Gutachten und bestehenden Modellen Welche generellen Anforderungen sind an das Modellkonzept zu stellen? Genügt ein stationäres Strömungsmodell oder muss eine instationäre Betrachtung gewählt werden? Wie groß ist das Untersuchungsgebiet? Ist ein Transportmodell erforderlich? Falls ja, reicht es aus, den advektiven Transport zu berechnen (Bahnlinien)? sind diffusiv/dispersive Vermischungsprozesse wichtig? sind Reaktionsprozesse zu berücksichtigen? können dichteinduzierte Strömungen eine Rolle spielen? sind neben dem Wasser noch andere fluide Phasen (z. B. Luft, Öl) wichtig? Wie sind die Erfolgsaussichten des Modelleinsatzes? 2. Datengrundlage und Bestimmungsmethode 2.1 Grundwasserströmung Geometrie/Geologie des Modellgebiets Höhenlage der Aquifersohlen (benötigt/bekannt) Höhenlage der Aquiferobergrenzen (benötigt/bekannt) Aquifermächtigkeiten (benötigt/bekannt) Aquiferparameter im Modellgebiet und deren Bestimmungsmethoden Durchlässigkeiten bzw. Transmissivitäten (benötigt/bekannt) Speicherkoeffizient (benötigt/bekannt) Anisotropiefaktoren (benötigt/bekannt) 5

6 Hydrologische Daten und deren zeitliche Dynamik Welche Brunnen und Messstellen sind vorhanden und wie sind sie ausgebaut? Liegen Stichtagsmessungen der Piezometerhöhen und/oder Grundwasserstandsganglinien an einzelnen Messstellen vor? Wie hoch ist die Grundwasserneubildung und wie ist sie verteilt? Gibt es Randzuflüsse ins Modellgebiet? Müssen ex- oder infiltrierende Gewässer beachtet werden? Sind Abflussmessungen an oberirdischen Gewässern im Modellgebiet vorhanden? Müssen Bewässerungsmaßnahmen oder Drainagen berücksichtigt werden? Besteht im Modellgebiet eine Koppelung zwischen unterschiedlichen Aquiferen? 2.2 Stofftransport Aquiferparameter im Modellgebiet und deren Bestimmungsmethoden durchflusswirksame Porosität (benötigt/bekannt) Dispersivitäten (benötigt/bekannt) Stoffparameter Diffusionskoeffizienten (benötigt/bekannt) Stichtagsmessungen (benötigt/bekannt) Ganglinien der Stoffkonzentrationen (benötigt/bekannt) Zerfallskonstanten (benötigt/bekannt) Sorptionsparameter (benötigt/bekannt) Weitere (bio)chemische Stoffparameter (benötigt/bekannt) Beschreibung des Schadensfalls Was ist über Zugaben und Entnahmen von Schadstoffen bekannt? Wo liegt der Schadensherd? Ist Schadstoff in Phase vorhanden? Liegt ein Schadstoffgemisch vor? Wie ist dessen Zusammensetzung? Welche Freisetzungsprozesse im Schadensherd führen zur Ausbildung der Schadstofffahne (z. B. Stofftransport mit dem Sickerwasser, Auflösung von Phase, Desorption von der Aquifermatrix)? Gibt es Desorptionsversuche mit Standortmaterial? Ist mit einer Desorptionskinetik zu rechnen? 6

7 3. Hydrogeologisches Modell Voraussetzungen Ist eine Beschreibung der Geologie vorhanden? Was ist über die hydrogeologischen Verhältnisse bekannt? Wie sind die hydrochemischen Bedingungen? Gibt es geostatistische Auswertungen? Kann eine hydrogeologisch begründetet Zonierung und Regionalisierung der A- quiferparameter vorgenommen werden? Bewertung der Daten und Annahmen Wo bestehen noch Informationsdefizite? Wie groß sind die Unsicherheiten bzw. die Bandbreiten der einzelnen hydrogeologischen Parameter? 4. Konzeptionelles Modell Wie wurde das hydrogeologische Modell schematisiert? Welche räumlichen Abgrenzungen wurden für das Modellgebiet gewählt? Inwieweit konnten natürliche Ränder verwendet werden? Welche zeitliche Auflösung ist vorgesehen und wie groß ist der gesamte Modellzeitraum? Welche Modellstrategie wird verfolgt (deterministisches Modell, Szenarientechnik, stochastische Modellierung, Monte-Carlo-Simulationen)? 5. Mathematisches Modell Welches Simulationsverfahren und welche Software werden eingesetzt? Welche räumliche Diskretisierung wurde verwendet und warum? Welche Aquiferstrukturen können damit noch aufgelöst werden? Wurde eine spezielle Orientierung des Gitters gewählt? Wie ist die zeitliche Auflösung im Strömungs- und Transportmodell? Werden die numerischen Stabilitäts- und Genauigkeitskriterien eingehalten (z. B. COURANT-Kriterium, PECLET-Kriterium)? Welche Rand- und Anfangsbedingungen wurden jeweils für das Strömungs- und das Transportmodell gewählt? Wie wurden die Ränder des konzeptionellen Modells im mathematischen Modell umgesetzt? 7

8 6. Kalibrierung (Gesondert für Strömung und Transport) Auf welchen Messwerten basiert die Kalibrierung? Wie genau sind die Messdaten und wie wurden sie für die Kalibrierung gewichtet? Welche Parameter wurden im Rahmen der Kalibrierung variiert? Wurde eine manuelle oder eine automatische Kalibrierung durchgeführt? Ist die Güte der Kalibrierung ausreichend dokumentiert? (z. B. durch Streudiagramme o.ä.)? Häufig ist das Ergebnis der Kalibrierung nicht eindeutig. Werden mögliche Auswirkungen dieser Nicht-Eindeutigkeit in der Sensitivitätsanalyse untersucht? Sind Wasser- und Stoffbilanzen aufgeführt? Wie plausibel sind die bei der Kalibrierung bestimmten Parameterwerte und die Bilanzen? 7. Sensitivitätsanalyse Wie wirkt das gewählte Modellkonzept (z. B. Zonierung der Durchlässigkeiten) auf die Ergebnisse zurück? Welchen Einfluss haben die Unsicherheiten in den Modelleingangsdaten auf die Ergebnisse der Kalibrierung und auf die Modellaussagen? Mit welcher Methode wurden mögliche Einflüsse bestimmt? Sind die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse ausreichend dokumentiert? 8. Validierung und Beschreibung der Prognosefähigkeit des Modells Wurden die Ergebnisses der Kalibrierung überprüft (z. B. anhand von Stichtagsmessungen oder Zeitreihen, die nicht zur Kalibrierung verwendet wurden)? Welche Prognosen lässt das Modell zu? Wie ist deren Zuverlässigkeit zu bewerten? 8

9 9. Modellaussagen Wurden die zentralen Fragestellungen, die dem Modell zugrunde liegen, ausreichend beantwortet? Modellaussagen im Altlastenbereich betreffen häufig: - zu erwartende Grundwasserabsenkungen - zukünftige Schadstoffverfrachtung - Ferntransport der Schadstoffe - Gefährdungspotenzial des Schadensfalls 10. Modellpflege Ist eine Fortschreibung des Modells vorgesehen? Erfolgte eine Modellarchivierung? Welche Möglichkeiten sind vorhanden, um neue Daten und Erkenntnisse in das bestehende Modell integrieren zu können? 9

10 Weiterführende Literatur Dieser Abschnitt gibt eine Auswahl weiterführender Literatur zum Thema Grundwassermodellierung. Ein Anspruch auf Vollständigkeit wird nicht erhoben. ANDERSON, M.P., WOESSNER, W.W. (1992): Applied Groundwater Modelling S.; San Diego (Academic Press). APPELO, C.A.J., POSTMA, D. (1993): Geochemistry, groundwater and pollution S.; Rotterdam, Brookfield (A.A. Balkema). DE MARSILY, G. (1986): Quantitative hydrogeology - Groundwater hydrology for engineers S.; Orlando, San Diego, New York (Academic Press). DOMENICO, P.A., SCHWARZ, F.W. (1997): Physical and Chemical Hydrogeology S.; New York (Wiley & Sons). FH-DGG [FACHSEKTION HYDROGEOLOGIE DER DEUTSCHEN GEOLOGISCHEN GESELLSCHAFT] (1999): Hydrogeologische Modelle: Ein Leitfaden für Auftraggeber, Ingenieurbüros und Fachbehörden. - Schriftenreihe der Deutschen Geologischen Gesellschaft, 10, 36 S.; Hannover. KINZELBACH, W. (1992): Numerische Methoden zur Modellierung des Transports von Schadstoffen im Grundwasser S.; München, Wien (R. Oldenbourg). KINZELBACH, W., RAUSCH, R. (1995): Grundwassermodellierung: Eine Einführung mit Übungen. 283 S.; Berlin, Stuttgart (Borntraeger). KINZELBACH, W., VOSS, A., RAUSCH, R., SAUTY, J.-P., CHIANG, W.-H., CORDES, C., FANG, S.Z. (1996): Altlastenhandbuch des Landes Niedersachsen, Materialienband Berechnungsverfahren und Modelle. Hrsg.: NLfB, 216 S.; Berlin, Heidelberg, New York (Springer). LEGE, T., KOLDITZ, O., ZIELKE, W. (1996): Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten - Strömungs- und Transportmodellierung. Hrsg. BGR, Bd. 2, 418 S.; Berlin, Heidelberg, New York (Springer). RAUSCH, R., SCHÄFER, W., WAGNER, C. (2002): Einführung in die Transportmodellierung im Grundwasser. 183 S.; Berlin, Stuttgart (Borntraeger). SCHÄFER, W. (1999): Modellierung des reaktiven Transports organischer Schadstoffe im Grundwasser. - Schriftenreihe Angewandte Geologie Karlsruhe, Band S.; Karlsruhe. SPITZ, K., MORENO, J. (1996): A Practical Guide to Groundwater and Solute Transport Modeling S.; New York (John Wiley & Sons, Inc.). SUN, N.-Z. (1995): Mathematical Modeling of Groundwater Pollution. 377 S.; Berlin, Heidelberg, New York (Springer). 10