M A G P l a n - A b s c h l u s s k o n f e r e n z2 .- 3 . J u l i 2 0 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

Dr. Ulrich Lang, IngenieurgesellschaftProf. Kobus und Partner GmbH

Aufbau, Kalibrierung und Prognose

• Modellaufbau• Strömung• Transport

• Kalibrierung der Strömung• Piezometerhöhen• Markierungsversuche• Tritium

• Summe LCKW

• Multi-Spezies-Transport• Kalibrierung• Szenarien• Prognose

Quellgebiet

Übersicht

Strömungsmodell:• 17 Modellschichten für 13 hydrogeologische Einheiten• 700.000 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 1960

Grundwassermodell-System

Piezometerhöhen Muschelkalk

Fildergrabenrandverwerfung

Mittlerer Gipshorizont

Muschelkalk

Unterkeuper

Grundgipsschichten

Dunkelrote MergelBochinger Horizont

Modellgebiet

Quartär

Hydrogeologisches Modell / Grundwassermodell

Doppelporositätsansatz:

Parametrisierung:

Hohlraumanteil Klüfte: 0,008Hohlraumanteil Matrix: 0,02Austauschkoeffizient: 2∙10-9 1/s

5∙10-9 1/sLängsdispersivität: 25/50 mQuerdispersivität: 2,5 m

Berger Quellen

Inselquelle

Leuzequelle

AuquelleMombachquelle

B6B7(a)

GWM 10GWM 14GWM 15GWM 16

GWM 19

GWM Auf der Steig

P 177

P 174

P 172

Leonhardsbrunnen

GWM 343

GWM 840

GWM B 1

GWM B 3

GWM B 9

GWM B 2

GWM B 4

NB Landesgesundheitsamt

BK 17.4/3 PM

BK 11/16 GMB 4a PM

BK 17.1/4 PM

GWM 8a

Sarweybrunnen tief

3513000 3514000 3515000 3516000 35170005404000

5405000

5406000

5407000

5408000

P172

P177

Sarweybrunnen

MAG 11

Störungszone

( ) msqqmimii

mijm

i

imim

mm CqCqCvxx

CD

xtC

tC

−+Θ∂∂

−÷÷

∂

∂Θ

∂∂

=∂

∂Θ+

∂∂

Θ

( )immimim CCtC

−=∂

∂Θ ζ

Markierungsversuche Trigonodusdolomit:

Zeit [d]

c[m

g/l]

bere

chne

t

c[µ

g/l]

gem

esse

n

0 100 200 300 400 5000

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

berechnetgemessenWestquelle Berg

P172:

Sarweybrunnen :

Zeit [d]c

[mg/

l]be

rech

net

c[µ

g/l]

gem

esse

n

0 100 200 300 400 5000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.01

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

2.5

2.75

3

3.25

3.5

berechnetgemessenAuquelle

Markierungsversuche

• Zuströmung zu hoch und nieder konzentrierten Mineralquellen• Tiefes Potenzial an GWM8

MAG11GWM8

Markierungsversuch MAG 11:

• Dauerhafter Eintrag SF6• Beobachtung an 3 - 4 Abstrommessstellen

• B3a höchste Konzentration• Umströmung der Schlossstörung

Markierungsversuch P172

• Eintrag über oberirdische Atomwaffentests

Jahre

Triti

um[T

U]

1 960 1970 1980 1990 2000 2010

500

1000

1500

NeubildungR andzu fluss G ipskeuperTD und m o oben w estlicher Zuflussm o unten w estlicher Zu fluss

Jahre

Triti

um[T

U]

1960 1970 1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

berechnetgemessen

Auquelle

Jahre

Triti

um[T

U]

1960 1970 1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

berechnetgemessen

Leuzequelle

Simulation Tritium

• Abschätzung der aktuellen Emission:• Konzentration Abstrommessstellen• Abgrenzung Abstromfahne• Abschätzung Grundwasserstrom in den hydrogeologischen Einheiten

=> Frachtermittlung

Ein

trag

PC

E[g

/d]

1980 1990 2000 20100

200

400

600

800

1000

1200

Rotebühlstr. 171 ISAS: 1318Mittnachstr. 21-25 ISAS: 422Rümelinstr. 24-30 ISAS: 448Dornhaldenstr. 5 ISAS: 1087Nesenbachstr. 48 ISAS: 4483

Ein

trag

PC

E[g

/d]

1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80 Rotebühlplatz 19 ISAS: 4781Wolframstr. 36 ISAS:462Johannesstr. 60 ISAS: 1671Prag/Löwentorstr. ISAS: 4521

Eintragsmodell:

StandortDornhaldenstr.5

Rotebühlstr.171

Johannesstr.60

Rotebühlplatz19

Nesenbachstr.48

Wolframstr.36

Rümelinstr. 24- 30

Mittnachtstr.21 - 25

Prag-/Löwentorstr.

Nummer 1 2 3 6 7 8 9 10 19

LCKW-Einsatz1972-1995

1941-1976

1958 -1990

1970-2005

Bis1976

1936 –1959

1939-1990

1968-1982

1950 -1990

Sanierungseit1987

seit2010

seit2005

Keine

1991-1993,seit2000

seit1988

seit1986

seit1986

seit2008

Gesamteintrag [g/d] 50 160 53 16 412 15 130 111 129

GesamtaustragSanierung [g/d]

34 130 30 0 407 12.9 74 98 92

Gesamtrestfracht [g/d] 16 30 23 16 5 2.4 56 13 37

Speziesaufteilung in %(PCE/TCE/cDCE/VC)

14/64/22/0

100/0/0/0

100/0/0/0

63/3/32/2

98/2/0/0 92/6/2/015/43/42/0

45/18/37/0

56/11/33/0

PCE-Äquivalent PCE TCE cDCEGesamteintrag über Standorte: 1000 g/d 710 100 90Sanierung an den Standorten: 800 g/d 630 70 60Abstrom Standorte: 200 g/d 80 30 30

Eintragsmodell an den Standorten

10 – 50 µg/l

1 – 2 µg/l

1 – 4 µg/l

1.00010.0005.000

0 - 50

QuartärGipskeuperUnterkeuper

Muschelkalk

Schadstoffinventar (PCE-Äquivalent)

• Umrechnung in PCE-Äquivalent• Standortnah gute Übereinstimmung• Unterstrom der Standorte Überschätzung im

Modell

PC

E-Ä

quiv

alen

t[µg

/l]

1980 1990 2000 20100

25

50

75

100

125

150

175

berechnetgemessenBrunnen 4 Tübingerstraße (BOISS: 10660)

Muschelkalk

PC

E-Ä

quiv

alen

t[µg

/l]

1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

berechnetgemessenP174 (BOISS: 10663)

Muschelkalk

Simulation Summe LCKW ohne Abbau

• Reaktionsmodell:• Reduktive Dechlorierung• Aerober Abbau• Anaerob-oxidativer Abbau

Reaktives Multi-Spezies-Modell

• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall

• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)

P172

Abbauzone infolge eines MKW-Schadens

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall

Umströmung Schlossstörung

• Umströmung Störungszone auf Grund Markierungsversuch• Durchströmung MKW-Schaden (38.000 l Heizöl)• Entwicklung der cDCE-Fahne aus MKW-Schadensfall

P172

Abbauzone infolge eines MKW-Schadens

Abbau im Bereich P172 mit MKW-Schadensfall

Strömungsrichtung BH aus LCKW-KonzentrationenSimulierte PCE-Fahne BH

Horizontaler kf-Wert BH

Modifizierung der Durchlässigkeitsverteilung im Bochinger Horizont zur Nachbildung der Fahnenrichtung

Kalibrierung der Strömungsrichtung

PCE-Verteilung TD (1990)

Vertikaler kf-Wert GG

Kalibrierung der vertikalen Verlagerung

Standort Rümelinstr. 24 - 30

Nachbildung der zeitlichen Entwicklung am Eintrag

StandortJohannesstr. 60

Standort Nesenbachstr. 48

Jahre

LCK

W-K

onze

ntra

tion

[µg/

l]

1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Brunnen 4 Tübinger Str. (Muschelkalk)

Jahre

LCK

W-K

onze

ntra

tion

[µg/

l]

1980 1990 2000 20100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P 172 (Muschelkalk)

Jahre

LCK

W-K

onze

ntra

tion

[µg/

l]

1980 1990 2000 2010

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Berger Nordquelle (Muschelkalk)

Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen unterschätzt

Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im Muschelkalk

LCK

W-K

onze

ntra

tion

[µg/

l]

1980 1990 2000 2010

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

PCE berechnetTCE berechnetcDCE berechnetVC berechnetPCE gemessenTCE gemessencDCE gemessenVC gemessen

Berger Nordquelle mit TD-Eintrag

Konzentration an den hoch mineralisierten Quellen mit Tiefem Eintrag Standort Rümelinstr. 24 - 30

Konzentration an den hoch konzentrierten Quellen

80 kg/a PCE => TCE60 kg/a TCE => cDCE

50 kg/a cDCE werden mineralisiert

Massenbilanz des Abbaus

Massenspeicherung und vertikale Verlagerung

• 2000 kg PCE im Grundwasserleiter gespeichert• 1395 kg PCE im Gipskeuper und Quartär• 600 kg PCE im Unterkeuper• 5 kg PCE im Trigonodusdolomit

• Vertikalverlagerung in Muschelkalk:• 15 kg/a PCE• 7 kg/a TCE

• 80 kg/a PCE =>TCE• 60 kg/a TCE => cDCE• 50 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

Zusammenfassung Massenbilanz

Zwischen Schlossstörung und Hauptbahnhof im Unterkeuper:• Messung LCKW-frei• Simulation PCE-Konzentrationen zwischen 1 und 10 µg/l

StandortJohannesstr. 60

Szenarienbetrachtung

Nur Eintrag am Standort Johannesstr. 60:• 23 g/d PCE

StandortJohannesstr. 60

Szenarienbetrachtung

Standort Johannesstr. 60:• Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE)

StandortJohannesstr. 60

Szenarienbetrachtung

Standort Johannesstr. 60:• Kein Eintrag (Kalibrierung 23 g/d PCE)Erweiterte Schlossstörung:• Vertikale Verbindung Gipskeuper bis Unterkeuper (allerdings nur lokal möglich)

Sowohl Standort Johannesstr. 60 als auch vertikale hydraulische Verbindung für Muschelkalk ohne Belang

StandortJohannesstr. 60

Szenarienbetrachtung

4 Grundprognosen:• Abstellen der bisherigen Sanierung• Weiterbetrieb der Sanierungen mit derzeitigem Umfang• Reduktion des LCKW-Eintrags um 50%• Kein LCKW-Eintrag

Prognosen

VC

PCE

TCE

cDCE

Umbau

aus Umbau

Mineralisation

Mineralisation

Mineralisation

aus Umbau

aus Umbau Umbau +Mineralisation

Umbau +Mineralisation

VCc/DCE=0,64

TCE/PCE=0,79

cDCE/TCE=0,74

CKW

Mas

se[k

g/a]

2020 2030 2040 2050 20600

20

40

60

80

100VC aus UmbauVC Mineralisation

VC

CK

WM

asse

[kg/

a]2020 2030 2040 2050 20600

20

40

60

80

100TCE aus UmbauTCE Umbau+MineralisationTCE UmbauTCE Mineralisation

TCE

CKW

Mas

se[k

g/a]

2020 2030 2040 2050 20600

20

40

60

80

100cDCE aus UmbaucDCE Umbau+MineralisationcDCE UmbaucDCE Mineralisation

cDCE

CK

WM

asse

[kg/

a]

2020 2030 2040 2050 20600

20

40

60

80

100PCE Umbau

PCE

CKW

-Mas

seim

Aqu

ifer[

kg]

2020 2030 2040 2050 20600

2

4

6

8

10

12

14

PCETCEcDCEVC

Trigoodusdolomit (Schicht 14)

CKW

-Mas

seim

Aqu

ifer[

kg]

2010 2020 2030 2040 2050 2060050

100150200250300350400

PCETCEcDCEVC

Unterkeuper (Schicht 12)

CK

W-M

asse

imAq

uife

r[kg

]

2020 2030 2040 2050 20600250500750

10001250150017502000

PCETCEcDCEVC

Gesamtmodell

LCKW-Masse: von 2000 kg auf 930 kgMineralisation: von 40 kg/a auf 21 kg/a

• 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:• 390 kg/a Eintrag, 320 kg/a Sanierung, 70 kg/a Abstrom• ca. 2000 kg gespeichert• ca. 63 kg/a Austrag über Randbedingungen• ca. 40 kg/a Mineralisation=> kein stationärer Zustand

Zusammenfassung reaktives Transportmodell

• Identifizierung der Hauptschadensherde:• Rümelinstr. 24 – 30 => 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. 60 => ggf. überschätzt aber keinen Einfluss auf

Muschelkalk• lokale vertikale Verbindungen z.B. Schlossstörung haben lokale Relevanz

• Massenbilanz LCKW Prognose (stationärer Zustand):• 390 kg/a Eintrag, 320 kg/a Sanierung, 70 kg/a Abstrom• ca. 930 kg gespeichert• ca. 49 kg/a Austrag über Randbedingungen• ca. 21 kg/a Mineralisation

Zusammenfassung reaktives Transportmodell