Applied numerical modeling of saturated, unsaturated flow and reactive contaminant transport [Elektronische Ressource] : evaluation of site investigation strategies and assessment of environmental impact / vorgelegt von Christof Beyer

Christof Beyer

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
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Extrait

Applied numerical modeling of saturated /
unsaturated flow and reactive contaminant transport
-
evaluation of site investigation strategies
and assessment of environmental impact
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
der Geowissenschaftlichen Fakultät
der Eberhard-Karls-Universität Tübingen
vorgelegt von
Christof Beyer
aus Braunschweig
2007
1Tag der mündlichen Prüfung: 23.02.2007
Dekan: Prof. Dr. Peter Grathwohl
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Olaf Kolditz
2. Berichterstatter: Priv. Doz. Dr. rer. nat. Sebastian Bauer
3. Berichterstatter: Prof. James F. Barker
2Applied numerical modeling of saturated /
unsaturated flow and reactive contaminant transport -
evaluation of site investigation strategies
and assessment of environmental impact
CHRISTOF BEYER
Abstract
In this thesis numerical models of variably saturated flow and reactive transport
processes in porous media are employed as assessment tools in two different fields of
application.
The first thematic complex studied is the computer based evaluation of investigation
strategies for contaminated soils and aquifers. For this purpose the “Virtual Aquifer”
(VA) concept is introduced and demonstrated by an assessment of the so called center
line method for contaminant plume investigation. Errors and uncertainties in the
estimation of contaminant degradation rates from center line data, which is often
collected at field sites, are analysed. This is done by application at synthetic
contaminated aquifers models, which are generated in the computer by numerical
simulation of contaminant spreading. Monte Carlo simulations and sensitivity studies
are performed to quantify the influences of sampling error magnitude, aquifer
heterogeneity and model parameterisation on the estimated rate constants. In a second
application example, the VA concept is used for the development and testing of a new
approach for biodegradation parameter estimation. The performance of this method is
studied in heterogeneous synthetic aquifers. Also, the propagation of errors and
uncertainties from estimated rate parameters to a prognosis of the contaminant plume
lengths is studied to obtain an indicator for the significance of the estimated degradation
potential. The performance of the new parameter estimation method is assessed by
comparison to frequently used approximations by first order kinetics.
The second thematic complex addressed in this thesis is the evaluation of environmental
impact of contaminant emissions from road constructions by type scenario modelling.
Two general concepts for modelling of flow and transport, i.e. the Eulerian and the
Lagrangian points of view, are combined in this study to assess the extent of leaching
from contaminated demolition waste within road structures to the groundwater surface.
Transport simulations are performed for a number of typical subsoil units of Germany
to analyse the sensitivity of contaminant transport behaviour on subsoil properties. The
relevant contaminant transport and attenuation processes in road constructions and the
different subsoils are identified. The study allows to draw important conclusions on how
these mechanisms could be used or enhanced to reduce contaminant leaching to ground-
water.
34Angewandte numerische Modellierung der gesättigten / ungesättigten
Strömung und des reaktiven Schadstofftransports-
Evaluierung von Strategien der Standorterkundung
und Umweltwirkungsprognose
CHRISTOF BEYER
Kurzfassung
Diese Arbeit stellt die Verwendung numerischer Modelle gesättigt / ungesättigter
Strömungs- und reaktiver Stofftransportprozesse in porösen Medien als
Bewertungsinstrument in zwei verschiedenen Anwendungsfeldern vor.
Der erste hier betrachtete Themenkomplex behandelt die computerbasierte Evaluierung
von Erkundungsstrategien für kontaminierte Böden und Grundwasserleiter. Hierzu wird
das Konzept der „Virtuellen Aquifere“ (VA) eingeführt und anhand einer Bewertung
der sogenannten Center-Line Methodik zur Schadstofffahnenerkundung demonstriert.
Die Center-Line Methode wird in der Praxis häufig zur Erhebung von Daten
angewendet, auf deren Grundlage Schadstoff-Abbauratenkonstanten abgeschätzt
werden können. Die Bewertung dieser Vorgehensweise wird durch eine Analyse der
dabei auftretenden Fehler und Unsicherheiten vorgenommen, indem die Methode bei
synthetischen kontaminierten Aquifermodellen angewendet wird, die am Computer
durch numerische Simulation der Schadstoffausbreitung generierten wurden. Durch
Monte-Carlo Simulationen und Sensitivitätsanalysen werden die Einflüsse von
Messfehlern, Aquifer-Heterogenität und Modellparametrisierung quantifiziert. In einem
zweiten Anwendungsbeispiel wird die VA-Methodik zur Ableitung und Prüfung eines
neuen Ansatzes zur Schätzung von Parametern mikrobieller Abbaukinetiken
angewendet. Die Eignung des Verfahrens wird in synthetischen heterogenen Aquiferen
geprüft. Darüber hinaus wird die Fehler- und Unsicherheitspropagation von den
geschätzten Abbauparametern zu mit diesen prognostizierte Schadstofffahnenlängen
untersucht, um Indikatoren für die Aussagekraft der Parameter zu erhalten. Das
Verfahren wird durch einen Vergleich mit häufig angewendeten Näherungen durch
Kinetiken erster Ordnung bewertet.
Der zweite im Rahmen dieser Arbeit behandelte Themenkomplex ist die Bewertung der
Umweltauswirkungen von Schadstoffausträgen aus Straßenbauten durch Typszenarien-
modellierung. Hier werden zwei allgemeine Konzepte zur Modellierung von Strömung
und Transport, der Eulerische und der Larangesche Ansatz, miteinander kombiniert.
Das Ausmaß des Schadstoffeintrags aus belastetem im Straßenbau eingesetztem
Recycling-Bauschutt ins Grundwasser wird durch Einsatz der mit einander gekoppelten
numerischen Modelle GeoSys/Rockflow und SMART bewertet. Die Transport-
simulationen werden für eine Reihe typischer Unterbodeneinheiten Deutschlands
durchgeführt, um die Sensitivität des Schadstofftransportverhaltens auf die
Unterbodeneigenschaften zu untersuchen. Die relevanten Schadstofftransport- und
Attenuierungsprozesse im Straßenaufbau und den Unterböden werden identifiziert. Die
Studie ermöglicht wichtige Schlüsse im Hinblick eine Nutzung und Förderung dieser
Mechanismen zu einer weiteren Reduktion der Schadstoffeinträge ins Grundwasser.
56Vorwort
Die zurückliegenden drei Jahre am ZAG in Tübingen waren für mich eine sehr spannende Zeit
und nicht nur im Hinblick auf meine Promotion sehr lehrreich. Aus diesem Grund möchte ich
hier die Gelegenheit nutzen, ein paar persönliche Worte zu verlieren und einigen Personen zu
danken, ohne deren Beteiligung diese Arbeit so sicher nicht hätte entstehen können.
Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden innerhalb der beiden Projekte
“Virtueller Aquifer” (Förderkennzeichen 033 05 12/033 05 13) und “Übertragung der Ergeb-
nisse des BMBF - Förderschwerpunktes „Sickerwasserprognose“ auf repräsentative Fallbei-
spiele” (Förderkennzeichen 02WP0517) erarbeitet. Beide Projekte wurden durch das Bundes-
ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell gefördert, wofür diesem hiermit
gedankt sei.
Besonders bedanken möchte ich mich bei den Betreuern dieser Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. Olaf
Kolditz danke ich sehr für die Ermöglichung meiner Promotion, das in mich gesetztes Vertrauen
und die stete Unterstützung. Seine immer optimistische Sicht der Dinge hat sich im Laufe der
Zeit auch ein Wenig auf mich übertragen. Herr Dr. Sebastian Bauer ist mit Sicherheit die
Person, die die Richtung meiner Arbeit am stärksten mitgeprägt hat. Sein aufrichtiges Interesse
(auch abseits der fachlichen Dinge), viele ausführliche Diskussionen und immer konstruktive
Kritik haben maßgeblich zu ihrem Gelingen beigetragen. Eine bessere Betreuung für seine
Doktorarbeit kann man sich eigentlich kaum wünschen.
Herrn Prof. Dr. James F. Barker danke ich für die Erstellung des dritten Gutachtens dieser
Arbeit.
Herzlich danken möchte ich Herrn Prof. Dr. Peter Grathwohl und Herrn Prof. Dr. Rudolf Liedl,
die mir die Bearbeitung des Sickerwasserprognose-Projekts anvertrauten und mir so zu einem in
jeder Hinsicht spannenden letzten Dreivierteljahr verhalfen.
Ein herzlicher Dank geht an meine Kollegen Dr. Cui Chen, Dipl.-Geol. Jan Gronewold, Dr.
Wilfried Konrad, Dr. Thomas Kalbacher, Dr. Chan Hee Park, Dr. Wenqing Wang, Dr. Chris
McDermott, Dr. Martin Beinhorn, Robert Walsh, M.Sc., Dr. Dirk Schäfer von der Uni Kiel, Dr.
Hermann Rügner und Dr. Peter Dietrich vom UFZ in Leipzig, sowie an zahlreiche weitere
Kollegen für angenehm reibungslose Zusammenarbeit, viele hilfreiche Diskussionen und
gemeinsame Pausen vom Zahlen hin und her schubsen.
Mein größter Dank gilt meinen Eltern, da Ihr mir durch Eure Unterstützung diesen Weg erst
ermöglicht habt, und Frauke für Deine große Geduld, Dein Verständnis, Deine Liebe und d