TASK Symposium, Leipzig 30.06.-01-07.2010 Peter Rothschink Auswertung von Immissionspumpversuchen mit Hilfe des IPV-Tools - Abstract - Bei der Gefährdungsbeurteilung für das Schutzgut Grundwasser ist bei Verdachtsflächen und kontaminierten Standorten die verlässliche Abschätzung der Schadstoffkonzentrationen (Immissionen) und Schadstofffrachten (Emissionen), auch zur Quantifizierung möglicher Natural-Attenuation-Raten, von großer Bedeutung. Immissionspumpversuche bieten hierfür, unter geeigneten hydraulischen Bedingungen, eine sehr verlässliche Möglichkeit. Die Methodik der Grundwasseruntersuchung mittels Immissionspumpversuchen wurde in den letzten Jahren in zahlreichen Groß- und Forschungsprojekten erprobt und vergleichend angewandt. Das Konzept beruht darauf, den Schadstoffabstrom einer Verdachtsfläche durch geeignete Pumpmaßnahmen und begleitende Schadstoffmessungen räumlich so zu erfassen, dass aus diesen Messergebnissen verlässliche ( tatsächliche ) Schadstoffkonzentrationen, Schadstofffrachten und unter bestimmten Voraussetzungen auch die räumliche Lage einer Schadstofffahne ermittelt werden können. Immissionspumpversuche zur Abstromuntersuchung eignen sich, bei entsprechenden hydrogeologischen Voraussetzungen, nicht nur bei Groß- und Forschungsprojekten bei denen häufig begleitend ein nummerisches Grundwassermodell erstellt wird, sondern auch bei der überwiegenden Anzahl der mittleren und kleineren Altlasten und Schadensfälle mit schmälerem Projektbudget. Insbesondere für diese Fälle bietet sich die Planung und Auswertung von Immissionspumpversuchen mit dem IPV-Tool an, das seit 2008 auf der Internetseite der LUBW zum freien download verfügbar ist (http://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/47957/). Das IPV-Tool errechnet, unter Berücksichtigung der natürlichen Grundströmung, anhand der Messwerte aus GW-Proben die tatsächliche Schadstoffverteilung (Immission) im Grundwasser. Aus dieser Schadstoffverteilung wird die mittlere Schadstoffkonzentration entlang der Entnahmebreite ermittelt, die in Verbindung mit dem Grundwasservolumenstrom, eine Frachtberechnung (Emission) ermöglicht. Die derzeit verfügbare Version des IPV-Tools (11.2007) bedarf einer Überarbeitung und Aktualisierung, die von TASK unterstützt wird. Insbesondere sollen zukünftig Verbesserungen implementiert sein, die das Übertragen von tabellarischen und grafischen Ergebnissen aus dem Tool in andere EDV-Anwendungen erleichtern. Peter Rothschink, Dipl.-Geol. Sachverständiger nach 18 BBodSchG Stv. Abteilungsleiter Tel. 0711 / 693308-57 Fax 0711 / 693308-99 mobil 0175 5245003 E-Mail: peter.rothschink@klinger-partner.de Klinger und Partner Ingenieurbüro für Bauwesen und Umwelttechnik GmbH Friolzheimer Straße 3, 70499 Stuttgart Tel. 0711 693308-0 Fax 0711 693308-99 Internet: www.klinger-partner.de und www.uw.eu
Auswertung von Immissionspumpversuchen mit Hilfe des IPV-Tools Ein Excel-Tool zur einfachen Planung und analytischen Auswertung von Immissionspumpversuchen für die tägliche Praxis in Ingenieurbüros Peter Rothschink Klinger und Partner GmbH 0711 / 693308-57 peter.rothschink@klinger-partner.de Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 1 Was ist das IPV-Tool (Version 11/2007)? Das IPV-Tool ist eine Excel-Anwendung zur Planung und analytischen Auswertung von Immissionspumpversuchen und woher bekomme ich es? Die Version 11/2007 steht auf der Homepage der LUBW (Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg) zum download bereit ( Themen \ Altlasten \ Anwendungsprogramme \ IPV-Tool) Programmbeschreibung (mit zahlreichen Bedienungshinweisen) bitte lesen! Excel-Datei speichern unter, evtl. zuerst Makrosicherheit herabsetzen Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 2
Geschichte des IPV-Tools Stadt Stuttgart Neckartalaue-Projekt (1996-1999, erstmals ca. 40 IPV) EU-Projekt INCORE (Integrated Concept of Groundwater Remediation, 2000-2003) Entwicklung des IPV-Tools (seit 1998 bis 2007) LUBW stellt IPV-Tool auf Homepage (2008) Förderung Weiterentwicklung durch TASK (2010/2011) Implementierung und Weiterentwicklung in TASK MONITORING und ERKUNDUNG Integrale Grundwasseruntersuchungen Immissionspumpversuche (IPV) IPV-Tool Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 3 Zum Verständnis von IPV (1) Grundwasserabstromerkundung durch Immissionsmessung (altlastenforum BW, 2003) Grundwasserfließrichtung Grundwassermessstellen Altlastenverdachtsfläche Schadstofffahne Schadstoffquelle (Position i.a. nicht genau bekannt) Rückschlüsse aus der Position der Schadstofffahne im Grundwasserabstrom einer Altlast auf die Lage des Schadensherdes (Teutsch et al., 2000, verändert UW 2005) Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 4
Konzentration Konzentration Konzentration Konzentration Zum Verständnis von IPV (2) Ganglinientypen von Konzentrationsmessungen bei IPV (n. Teutsch / Holder, 2002) 4 1 5 3 6 7 1 2 Pumpdauer ( Entnahmeradius) 2 Schadstofffahne Pumpbrunnen Isochrone bei Versuchsende Schadstofffahne Pumpbrunnen Einzugsbereich der letzten Probe Probenahmen 1-7 und zugehörige Isochronen 7 6 5 4 3 2 1 Pumpdauer ( Entnahmeradius) 3 Pumpdauer ( Entnahmeradius) 4 Schadstofffahne Pumpdauer ( Entnahmeradius) Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 5 Zum Verständnis von IPV (3) Berechnung von Schadstoffkonzentration und -frachten aus Messwerten Isochronen Entnahmebreite 1 2 3 Cgw = 0 µg/l 4 Schadstofffahne mit Cgw = 100 µg/l Pumpbrunnen Schadstoffherd Bei Probe 4 mit C 4 = 25 µg/l beträgt der Fahnenanteil ca. 1/4 der Isochrone Die berechnete mittlere Konzentration der Entnahmebreite beträgt nur C AV = 12,5 µg/l da der Fahnenanteil nur ca. 1/8 der Entnahmebreite beträgt 100 80 60 µg/l 40 20 0 Immission: 100 µg/l Messwert C4 = 25 µg/l Fracht: 12,5 µg/l 1 2 3 4 Messwerte C1-3 = 0 µg/l Diese Abschätzung der tatsächlichen Konzentrationen und Frachten ist, unter Berücksichtigung der Randbedingungen, relativ einfach mit dem IPV-Tool machbar.!! Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 6
Zum Verständnis Mathematische Grundlagen von IPV (4) GW-Fließrichtung linksseitig rechtsseitig UW Umweltwirtschaft GmbH, Stuttgart (designed by Peter Rothschink, 2004-2006) r4 Anfangskonzentration x isochr.4 Isochr.4 isochr.3 Isochr.3 x4 x3 x2 x1 r3 r2 r1 r1 isochr.2 Isochr.2 Konz. y1 Konz. y2 Konz. y3 y1(r4) y1(r3) y1(r2) y2(r4) y2(r3) y3(r4) r2 r3 r4 Annahmen für die Berechnung: 1.) Die Anfangskonzentration x ist immer gleich groß, sie ändert sich während des Pumpversuches nicht. 2.) Die Konzentrationen y1, y2, y3, etc. sind innerhalb der Stromröhren konstant (kein Gradient in Fließrichtung). 3.) Die gemessenen Konzentration in den GW-Proben sind die Summe der Einzelkonzentrationsanteile x und y auf der Isochronenfläche. Diese Anteile sind demnach von Probe zu Probe (also von Isochr. zu Isochr.) verschieden. y1(r3) y1(r4) y2(r4) y3(r4) = Bogen y2(r3) = Bogen } geometrisch berechnet als Kreisbogenabschnitt s. Formel 2 y1(r2) = Bogen y1(r3) = Segment y2(r4) = Segment } geometrisch berechnet als Kreissegmente s. Formel 3 und 4 y1(r4) = Segment Konz. Probe 1 (Grundwasser von Isochrone 1) = 100%x Konz. blau Konz. Probe 2 (GW von Isochrone 2) = x2*konz. blau + y1(r2)*konz. gelb Konz. Probe 3 (GW von Isochrone 3) = x3*konz. blau + 2*y1(r3)*Konz. gelb + y2(r3)*konz. rot Konz. Probe 4 (GW von Isochrone 4) = x4*konz. blau + 2*y1(r4)*Konz. gelb + 2*y2(r4)*Konz. rot + y3(r4)*konz. lila u.s.w.... r1, r2, r3, r4,..., rt = Radius berechnet mit BEAR & JACOBS Algorythmus: Konz. Probe t = xt*x + 2*y1(rt)*y1 + 2*y2(rt)*y2 + y3(rt)*y3 +... + 2*yt-1(rt)*yt mit: xt + 2*y1(rt) + 2*y2(rt) + 2*y3(rt) +... + 2*yt-1(rt) = 1 (bzw. 100%) und: Konz. Probe t = Labormesswert des Schadstoffes zum Zeitpunkt t Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 7 IPV-Tool: Ergebnisse / Anwendungsmöglichkeiten Abschätzung der erreichbaren Entnahmebreite eines Pumpversuches Optimierung von Pumpdauer und Förderrate Optimale Festlegung der Beprobungszeitpunkte eines IPV (max. 10 Proben) Abschätzung der tatsächlichen Schadstoffkonzentrationen im GW Abschätzung der Entfernung der tatsächlichen Schadstoffkonzentrationen vom Pumpbrunnen Ermittlung des Grundwasservolumenstroms im erfassten GW-Querschnitt Ermittlung der durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen im GW-Querschnitt Ermittlung der Schadstofffracht im GW-Querschnitt Sofortige grafische Darstellung und Kontrolle der Daten / Ergebnisse Sehr einfache Bedienung Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 8
IPV Planung (1) Eingabe der hydraulischen Daten und Probenahmezeiten Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 9 IPV Planung (2) Häufige Fehlerquelle: Berechnung mit Zylinderformel (ohne Grundströmung) Keine Limitierung: endlos radiale Ausdehnung der Entnahmebreite IPV-Tool: Berechnung mit Berücksichtigung der Grundströmung Limitierung: Trennstromlinie = endliche Ausdehnung der Entnahmebreite Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 10
IPV-Planung (3) Vergleich der Isochronen-Geometrie: Oben: Isochronenform bei numerischer Modellierung (Modflow / Modpath) Mitte: Isochronenform bei Berücksichtigung der Grundströmung (n. Bear & Jacob) IPV-Tool Unten: Isochronenform bei Anwendung der Zylinderformel (also ohne Grundwasserströmung) (nach Marti Bayer-Raich, 2004) Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart IPV Planung (4) IPV ist (quasi-)stationär, längere Pumpzeiten sind sinnlos Zur optimalen IPV Planung sind Kenntnisse zur den hydraulischen Randbedingungen unerlässlich. Empfehlenswert sind kurze ERGIEBIGKEITSTESTS als Planungsgrundlage. Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 12
IPV Auswertung (1) Eingabe der gemessenen Schadstoffkonzentrationen Ausgabe der tatsächlichen mittleren Schadstoffkonzentration, des Grundwasservolumenstroms und der Schadstofffracht durch den Grundwasserquerschnitt Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 13 IPV Auswertung (2.1) bei abnehmenden Konzentrationen Negative Rechenwerte auf Grund stark abnehmender Konzentrationen. Häufig bei Lage des Pumpbrunnens in der Fahnenmitte. Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 14
IPV Auswertung (2.2) bei abnehmenden Konzentrationen Das IPV-Tool bietet 2 Interpretationsmöglichkeiten bei Lage des Pumpbrunnens in der Fahnenmitte: 50% / 50% - Konzentrationsverteilung 25% / 75% - Konzentrationsverteilung (für die Ermittlung der Fracht unerheblich) Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 15 Anwendungsbeispiel: Ehemalige Gasfabrik, Stuttgart-Bad Cannstatt Benzol: max. Konzentrationen in der Schadstofffahne ca. 200 300 µg/l Fracht an Kontrollebene ca. 1,5 2 g/d Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 16
Notwendige Modellannahmen Idealer Aquifer (Porengrundwasserleiter, homogen, isotrop, konstante Mächtigkeit, vollständig erschlossen) Grundströmung im erfassten Bereich verläuft horizontal parallel (kein vertikaler GW-Austausch) Keine Konzentrationsgradienten der Schadstoffe in Strömungsrichtung (Studien zeigen hier allerdings keine signifikante Auswirkung, z.t. gleichen sich Konzentrationsgradienten wieder aus) Isochronen zum Zeitpunkt der Probenahmen sind noch weitgehend radialsymmetrisch (also z.b. Frühphase IPV oder geringes hydraulisches Gefälle) Da diese idealen Voraussetzung jedoch so gut wie nie vorliegen, muss der Sachverständige : 1. Die Immissionspumpversuche den hydrogeologischen Gegebenheiten seines Falles anpassen (z.b. Entnahmebreiten verringern) 2. Die erhaltenen Ergebnisse immer mit Sachverstand interpretieren Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 17 Ausblick Die Förderung durch TASK ermöglicht ein Update IPV-Tool 2010 u.a. sind vorgesehen: Erweiterung der Eingabe auf 20 Messwerteingaben Automatische Ermittlung der optimalen Probenahmezeiten für gleichmäßige Stromstreifenbreite Grafische Darstellung der ermittelten Schadstoffkonzentrationen in den Stromstreifen (als Farbstreifengrafik) Exportmöglichkeit für die Schadstoffverteilungsgrafik in ein GIS Weitere Lösungshinweise bei negativen Konzentrationswerten Übernahme aller relevanter Ergebnisse in ein separates Ergebnisblatt Vielen Dank für Ihr Interesse Peter Rothschink, Klinger und Partner GmbH Stuttgart 18