Numerisches Strömungs- und Transportmodell Aufbau, Kalibrierung und Prognose

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M A G P l a n - A b s c h l u s s k o n f e r e n z 2.- 3.

1 M A G P l a n - A b s c h l u s s k o n f e r e n z J u l i H a u s d e r W i r t s c h a f t S t u t t g a r t Numerisches Strömungs- und Transportmodell Aufbau, Kalibrierung und Prognose Dr. Ulrich Lang, Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH

2 Übersicht Modellaufbau Strömung Transport Quellgebiet Kalibrierung der Strömung Piezometerhöhen Markierungsversuche Tritium Summe LCKW Multi-Spezies-Transport Kalibrierung Szenarien Prognose

3 Grundwassermodell-System Strömungsmodell: 17 Modellschichten für 13 hydrogeologische Einheiten 7. Elemente in einer Modellebene Strömungskalibrierung: Variation der horizontalen und vertikalen Durchlässigkeiten Vergleich mit Grundwasserständen Transportmodell: Nachbildung Markierungsversuche Nachbildung von Isotopen und geochemischen Parametern Simulation Summe LCKW (PCE-Äquivalent) Reaktives Transportmodell: 5 LCKW-Komponenten mit sequenziellem Abbau: PCE => TCE => cdce => VC TCA Aerober und anaoerober Abbau Instationärere Transport ab 196

Modellgebiet Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont

4 Hydrogeologisches Modell / Grundwassermodell Quartär Mittlerer Gipshorizont Piezometerhöhen Muschelkalk Modellgebiet Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont Grundgipsschichten Unterkeuper Muschelkalk Fildergrabenrandverwerfung

5 Markierungsversuche Trigonodusdolomit: P172 P177 Doppelporositätsansatz: Θ Θ m im C t m C t im + Θ im = ζ C t Parametrisierung: im Sarweybrunnen MAG 11 = x Θ i ( C C ) m im m D ij C x ( Θ mvicm ) + qqcq qscm Hohlraumanteil Klüfte:,8 Hohlraumanteil Matrix:,2 Austauschkoeffizient: /s /s Längsdispersivität: 25/5 m Querdispersivität: 2,5 m m i xi GWM 343 GWM Auf der Steig P 177 GWM B 3 B6 P 174 B7(a) B 4a PM BK 11/16 GM BK GWM B 2 GWM 19 P 172 GWM B 1 GWM B 4GWM GWM 16 GWM GWM Leonhardsbrunnen 1 Mombachquelle Auquelle GWM 84 Sarweybrunnen tief NB Landesgesundheitsamt GWM 8a Inselquelle GWM B 9 Leuzequelle Berger Quellen Störungszone 17.1/4 PM BK 17.4/3 PM

Markierungsversuche Westquelle Berg berechnet gemessen P172: c [mg/l] berechnet.3.25.2.15.1 55 5 45 4 35 3 25 2 15 c [µg/l] gemessen.

6 Markierungsversuche Westquelle Berg berechnet gemessen P172: c [mg/l] berechnet c [µg/l] gemessen.5 1 Sarweybrunnen : c [mg/l] berechnet Zeit [d] berechnet Auquelle gemessen Zeit [d] 5 c [µg/l] gemessen

7 Markierungsversuch MAG 11: Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen Tiefes Potenzial an GWM8 GWM8 MAG11

8 Markierungsversuch P172 Dauerhafter Eintrag SF6 Beobachtung an 3-4 Abstrommessstellen B3a höchste Konzentration Umströmung der Schlossstörung

9 Simulation Tritium Eintrag über oberirdische Atomwaffentests Auquelle berechnet gemessen 1 5 Neu bild u ng R an dzu fluss G ip skeu p er TD u n d m o o ben w estlich er Zuflu ss m o u n ten w estlicher Zu fluss Tritium [TU] Tritium [TU] Jahre Leuzequelle Jahre Tritium [TU] berechnet gemessen Jahre 2 21

Eintragsmodell: Abschätzung der aktuellen Emission: Konzentration Abstrommessstellen Abgrenzung Abstromfahne Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten => Frachtermittlung

10 Eintragsmodell: Abschätzung der aktuellen Emission: Konzentration Abstrommessstellen Abgrenzung Abstromfahne Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten => Frachtermittlung Eintrag PCE [g/d] Rotebühlstr. 171 ISAS: 1318 Mittnachstr ISAS: 422 Rümelinstr ISAS: 448 Dornhaldenstr. 5 ISAS: 187 Nesenbachstr. 48 ISAS: Eintrag PCE [g/d] Rotebühlplatz 19 ISAS: 4781 Wolframstr. 36 ISAS: 462 Johannesstr. 6 ISAS: 1671 Prag/Löwentorstr. ISAS:

11 Eintragsmodell an den Standorten Standort Dornha ldenstr. 5 Rotebü hlstr. 171 Johann esstr. 6 Rotebü hlplatz 19 Nesenb achstr. 48 Wolfra mstr. 36 Rümeli nstr Mittnac htstr Nummer LCKW-Einsatz Sanierung seit seit seit Keine Bis , seit seit seit seit 1986 Gesamteintrag [g/d] Gesamtaustrag Sanierung [g/d] Gesamtrestfracht [g/d] Speziesaufteilung in % (PCE/TCE/cDCE/VC) 14/64/2 2/ 1/// 1/// 63/3/32/ 2 98/2// 92/6/2/ 15/43/4 2/ 45/18/3 7/ Prag- /Löwen torstr seit 28 56/11/3 3/ PCE-Äquivalent PCE TCE cdce Gesamteintrag über Standorte: 1 g/d Sanierung an den Standorten: 8 g/d Abstrom Standorte: 2 g/d 8 3 3

Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent) 1 4 µg/l 1. 1. 5.

12 Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent) 1 4 µg/l Muschelkalk Quartär Gipskeuper Unterkeuper 1 2 µg/l 1 5 µg/l

125 1 75 5 25 berechnet gemessen P174 (BOISS:

13 Simulation Summe LCKW ohne Abbau PCE-Äquivalent [µg/l] Umrechnung in PCE-Äquivalent Standortnah gute Übereinstimmung Unterstrom der Standorte Überschätzung im Modell Brunnen 4 Tübingerstraße (BOISS: 166) Muschelkalk berechnet gemessen P174 (BOISS: 1663) Muschelkalk PCE-Äquivalent [µg/l] berechnet gemessen

14 Reaktives Multi-Spezies-Modell Reaktionsmodell: Reduktive Dechlorierung Aerober Abbau Anaerob-oxidativer Abbau

15 Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch

16 Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch Durchströmung MKW-Schaden (38. l Heizöl) Abbauzone infolge eines MKW-Schadens Umströmung Schlossstörung P172

17 Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch Durchströmung MKW-Schaden (38. l Heizöl) Entwicklung der cdce-fahne aus MKW-Schadensfall Abbauzone infolge eines MKW-Schadens P172

18 Kalibrierung der Strömungsrichtung Strömungsrichtung Simulierte PCE-Fahne BH aus BH LCKW-Konzentrationen Horizontaler kf-wert BH Modifizierung der Durchlässigkeitsverteilung im Bochinger Horizont zur Nachbildung der Fahnenrichtung

19 Kalibrierung der vertikalen Verlagerung PCE-Verteilung TD (199) Vertikaler kf-wert GG

20 Nachbildung der zeitlichen Entwicklung am Eintrag Standort Nesenbachstr. 48 Standort Johannesstr. 6 Standort Rümelinstr. 24-3

21 Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im Muschelkalk LCKW-Konzentration [µg/l] Brunnen 4 Tübinger Str. (Muschelkalk) Jahre 2 21 Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen unterschätzt LCKW-Konzentration [µg/l] Berger Nordquelle (Muschelkalk) Jahre LCKW-Konzentration [µg/l] P 172 (Muschelkalk) Jahre 2 21

24-3 Berger Nordquelle mit TD-Eintrag LCKW-Konzentration [µg/l] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1

22 Konzentration an den hoch konzentrierten Quellen Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen mit Tiefem Eintrag Standort Rümelinstr Berger Nordquelle mit TD-Eintrag LCKW-Konzentration [µg/l] PCE berechnet TCE berechnet cdce berechnet VC berechnet PCE gemessen TCE gemessen cdce gemessen VC gemessen

23 Massenbilanz des Abbaus 8 kg/a PCE => TCE 6 kg/a TCE => cdce 5 kg/a cdce werden mineralisiert

24 Massenspeicherung und vertikale Verlagerung

25 Zusammenfassung Massenbilanz 2 kg PCE im Grundwasserleiter gespeichert 1395 kg PCE im Gipskeuper und Quartär 6 kg PCE im Unterkeuper 5 kg PCE im Trigonodusdolomit Vertikalverlagerung in Muschelkalk: 15 kg/a PCE 7 kg/a TCE 8 kg/a PCE =>TCE 6 kg/a TCE => cdce 5 kg/a cdce werden mineralisiert Austrag: Mineralquellen: 5 kg/a PCE 5 kg/a TCE Neckar: 25 kg/a PCE 5 kg/a TCE 23 kg/a übrige Randbedingungen

26 Szenarienbetrachtung Zwischen Schlossstörung und Hauptbahnhof im Unterkeuper: Messung LCKW-frei Simulation PCE-Konzentrationen zwischen 1 und 1 µg/l Standort Johannesstr. 6

27 Szenarienbetrachtung Nur Eintrag am Standort Johannesstr. 6: 23 g/d PCE Standort Johannesstr. 6

28 Szenarienbetrachtung Standort Johannesstr. 6: Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE) Standort Johannesstr. 6

Schlossstörung: Vertikale Verbindung Gipskeuper bis

29 Szenarienbetrachtung Standort Johannesstr. 6: Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE) Erweiterte Schlossstörung: Vertikale Verbindung Gipskeuper bis Unterkeuper (allerdings nur lokal möglich) Sowohl Standort Johannesstr. 6 als auch vertikale hydraulische Verbindung für Muschelkalk ohne Belang Standort Johannesstr. 6

30 Prognosen 4 Grundprognosen: Abstellen der bisherigen Sanierung Weiterbetrieb der Sanierungen mit derzeitigem Umfang Reduktion des LCKW-Eintrags um 5% 2 Kein LCKW-Eintrag CKW Masse [kg/a] CKW Masse [kg/a] PCE PCE cdce Umbau PCE Umbau Mineralisation aus Umbau Umbau + Mineralisation TCE Mineralisation TCE/PCE=,79 aus Umbau Umbau + cdce cdce/tce=,74 Mineralisation aus Umbau VC VCc/DCE=,64 cdce aus Umbau cdce Umbau+Mineralisation cdce Umbau cdce Mineralisation LCKW-Masse: von 2 kg auf 93 kg Mineralisation: von 4 kg/a auf 21 kg/a CKW Masse [kg/a] CKW Masse [kg/a] TCE VC TCE aus Umbau TCE Umbau+Mineralisation TCE Umbau TCE Mineralisation VC aus Umbau VC Mineralisation Mineralisation CKW-Masse im Aquifer [kg] CKW-Masse im Aquifer [kg] CKW-Masse im Aquifer [kg] Gesamtmodell Unterkeuper (Schicht 12) Trigoodusdolomit (Schicht 14) PCE TCE cdce VC PCE TCE cdce VC PCE TCE cdce VC

31 Zusammenfassung reaktives Transportmodell Aufbau des Modellsystems auf der Basis: Hydrogeologisches Modell Konzeptionelles Schadstoffmodell mit Schadenscharakterisierung Iterative Kalibrierung: Strömung => Durchlässigkeiten Konservativer Transport => Wirkung von Störungszonen Reaktiver Transport => Abbauraten und vertikaler Austausch Nachbildung der wesentlichen Strömungs- und Transportvorgänge: Regionale Strömung Strömungsrichtungen TD aus Markierungsversuchen Vertikale LCKW-Verlagerung LCKW-Fahnen Muschelkalk Massenbilanz LCKW: 39 kg/a Eintrag, 32 kg/a Sanierung, 7 kg/a Abstrom ca. 2 kg gespeichert ca. 63 kg/a Austrag über Randbedingungen ca. 4 kg/a Mineralisation => kein stationärer Zustand

32 Zusammenfassung reaktives Transportmodell Identifizierung der Hauptschadensherde: Rümelinstr => hoch konzentrierte Quellen Mittnachtstr => nieder konzentrierte Quellen Prag-/Löwentorstr?=>? Niederkonzentrierte Quellen Dornhaldenstr. 5 und Rotebühlstr. 171 => Muschelkalk oberstrom Schlossstörung Nesenbachstr. 48 => Muschelkalk Stadtmitte Szenarienbetrachtungen: Eintrag Johannesstr. 6 => ggf. überschätzt aber keinen Einfluss auf Muschelkalk lokale vertikale Verbindungen z.b. Schlossstörung haben lokale Relevanz Massenbilanz LCKW Prognose (stationärer Zustand): 39 kg/a Eintrag, 32 kg/a Sanierung, 7 kg/a Abstrom ca. 93 kg gespeichert ca. 49 kg/a Austrag über Randbedingungen ca. 21 kg/a Mineralisation

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