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. J u l i 2 1 5 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
Übersicht Modellaufbau Strömung Transport Quellgebiet Kalibrierung der Strömung Piezometerhöhen Markierungsversuche Tritium Summe LCKW Multi-Spezies-Transport Kalibrierung Szenarien Prognose
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
Hydrogeologisches Modell / Grundwassermodell Quartär Mittlerer Gipshorizont Piezometerhöhen Muschelkalk Modellgebiet Dunkelrote Mergel Bochinger Horizont Grundgipsschichten Unterkeuper Muschelkalk Fildergrabenrandverwerfung
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: 2 1-9 1/s 5 1-9 1/s Längsdispersivität: 25/5 m Querdispersivität: 2,5 m m i xi 548 547 546 545 544 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 14 15 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 3513 3514 3515 3516 3517
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.5 1 Sarweybrunnen : c [mg/l] berechnet 1 2 3 4 5 Zeit [d] berechnet Auquelle gemessen 3.5.1 3.25.9 3 2.75.8 2.5.7 2.25.6 2 1.75.5 1.5.4 1.25.3 1.2.75.5.1.25 1 2 3 4 5 Zeit [d] 5 c [µg/l] gemessen
Markierungsversuch MAG 11: Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen Tiefes Potenzial an GWM8 GWM8 MAG11
Markierungsversuch P172 Dauerhafter Eintrag SF6 Beobachtung an 3-4 Abstrommessstellen B3a höchste Konzentration Umströmung der Schlossstörung
Simulation Tritium Eintrag über oberirdische Atomwaffentests 1 9 8 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] 7 6 5 4 3 Tritium [TU] 1 2 1 196 197 198 199 Jahre 2 21 5 1 Leuzequelle 1 9 6 1 97 19 8 1 9 9 2 2 1 Jahre Tritium [TU] 9 8 7 6 5 4 3 2 berechnet gemessen 1 196 197 198 199 Jahre 2 21
Eintragsmodell: Abschätzung der aktuellen Emission: Konzentration Abstrommessstellen Abgrenzung Abstromfahne Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten => Frachtermittlung Eintrag PCE [g/d] 12 1 8 6 4 Rotebühlstr. 171 ISAS: 1318 Mittnachstr. 21-25 ISAS: 422 Rümelinstr. 24-3 ISAS: 448 Dornhaldenstr. 5 ISAS: 187 Nesenbachstr. 48 ISAS: 4483 2 198 199 2 21 Eintrag PCE [g/d] 8 7 6 5 4 3 2 1 Rotebühlplatz 19 ISAS: 4781 Wolframstr. 36 ISAS: 462 Johannesstr. 6 ISAS: 1671 Prag/Löwentorstr. ISAS: 4521 198 199 2 21
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. 24-3 Mittnac htstr. 21-25 Nummer 1 2 3 6 7 8 9 1 19 LCKW-Einsatz Sanierung 1972-1995 seit 1987 1941-1976 seit 21 1958-199 seit 25 197-25 Keine Bis 1976 1991-1993, seit 2 1936 1959 seit 1988 1939-199 seit 1986 1968-1982 seit 1986 Gesamteintrag [g/d] 5 16 53 16 412 15 13 111 129 Gesamtaustrag Sanierung [g/d] 34 13 3 47 12.9 74 98 92 Gesamtrestfracht [g/d] 16 3 23 16 5 2.4 56 13 37 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. 195-199 seit 28 56/11/3 3/ PCE-Äquivalent PCE TCE cdce Gesamteintrag über Standorte: 1 g/d 71 1 9 Sanierung an den Standorten: 8 g/d 63 7 6 Abstrom Standorte: 2 g/d 8 3 3
Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent) 1 4 µg/l 1. 1. 5. - 5 Muschelkalk Quartär Gipskeuper Unterkeuper 1 2 µg/l 1 5 µg/l
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 175 15 125 1 75 5 25 berechnet gemessen P174 (BOISS: 1663) Muschelkalk PCE-Äquivalent [µg/l] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 berechnet gemessen 198 199 2 21 198 199 2 21
Reaktives Multi-Spezies-Modell Reaktionsmodell: Reduktive Dechlorierung Aerober Abbau Anaerob-oxidativer Abbau
Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch
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
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
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
Kalibrierung der vertikalen Verlagerung PCE-Verteilung TD (199) Vertikaler kf-wert GG
Nachbildung der zeitlichen Entwicklung am Eintrag Standort Nesenbachstr. 48 Standort Johannesstr. 6 Standort Rümelinstr. 24-3
Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im Muschelkalk LCKW-Konzentration [µg/l] Brunnen 4 Tübinger Str. (Muschelkalk) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 198 199 Jahre 2 21 Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen unterschätzt LCKW-Konzentration [µg/l] Berger Nordquelle (Muschelkalk) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 198 199 2 21 Jahre LCKW-Konzentration [µg/l] P 172 (Muschelkalk) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 198 199 Jahre 2 21
Konzentration an den hoch konzentrierten Quellen Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen mit Tiefem Eintrag Standort Rümelinstr. 24-3 Berger Nordquelle mit TD-Eintrag LCKW-Konzentration [µg/l] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 PCE berechnet TCE berechnet cdce berechnet VC berechnet PCE gemessen TCE gemessen cdce gemessen VC gemessen 198 199 2 21
Massenbilanz des Abbaus 8 kg/a PCE => TCE 6 kg/a TCE => cdce 5 kg/a cdce werden mineralisiert
Massenspeicherung und vertikale Verlagerung
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
Szenarienbetrachtung Zwischen Schlossstörung und Hauptbahnhof im Unterkeuper: Messung LCKW-frei Simulation PCE-Konzentrationen zwischen 1 und 1 µg/l Standort Johannesstr. 6
Szenarienbetrachtung Nur Eintrag am Standort Johannesstr. 6: 23 g/d PCE Standort Johannesstr. 6
Szenarienbetrachtung Standort Johannesstr. 6: Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE) Standort Johannesstr. 6
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
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] 1 8 6 4 2 1 PCE 8 6 4 2 PCE cdce Umbau PCE Umbau 22 23 24 25 26 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 22 23 24 25 26 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] 1 8 6 4 2 1 8 6 4 2 TCE VC TCE aus Umbau TCE Umbau+Mineralisation TCE Umbau TCE Mineralisation 22 23 24 25 26 VC aus Umbau VC Mineralisation Mineralisation 22 23 24 25 26 CKW-Masse im Aquifer [kg] CKW-Masse im Aquifer [kg] CKW-Masse im Aquifer [kg] 175 15 125 1 75 5 25 4 35 3 25 2 15 1 5 21 22 23 24 25 26 14 12 1 8 6 4 2 Gesamtmodell 22 23 24 25 26 Unterkeuper (Schicht 12) Trigoodusdolomit (Schicht 14) 22 23 24 25 26 PCE TCE cdce VC PCE TCE cdce VC PCE TCE cdce VC
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
Zusammenfassung reaktives Transportmodell Identifizierung der Hauptschadensherde: Rümelinstr. 24 3 => hoch konzentrierte Quellen Mittnachtstr. 21 25 => 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