Practical approaches to modelling natural attenuation processes at LNAPL contaminated sites [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Benedict Miles

Ben Paul

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG)
TÜBINGER
GEOWISSENSCHAFTLICHE
ARBEITEN (TGA)
Reihe C: Hydro-, Ingenieur- und Umweltgeologie
Benedict Miles
Practical Approaches to
Modelling Natural Attenuation
Processes at LNAPL
Contaminated Sites
TGA, C105, 2007

Practical Approaches to Modelling Natural Attenuation
Processes at LNAPL Contaminated Sites
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften

Der Geowissenschaftlichen Fakultät
der Eberhard-Karls-Universität Tübingen
vorgelegt von
Benedict Miles
aus Blackburn, England


2007
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.07
Dekan: Prof. Dr. Peter Grathwohl
1. Berichterstatter: Prof. Dr. Georg Teutsch
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Olaf Kolditz






























Herausgeber: Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen
Sigwartstraße 10, D-72076 Tübingen

Schriftleitung der Reihe C: Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG)
Lehrstuhl für Angewandte Geologie
Prof. Dr. Thomas Aigner
Prof. Dr. Erwin Appel
Prof. Dr. Peter Grathwohl
Prof. Dr. Stefan Haderlein
Prof. Dr.-Ing. Olaf Kolditz
Prof. Dr. Georg Teutsch

Redaktion: Dipl.-Geol. Björn Sack-Kühner




ISSN 0935-4948 (Print)
ISSN 1610-4706 (Internet) Acknowledgements
This work was funded by the German Ministry of Education and Research (BMBF) under
grant 02WN0352 as a part of the KORA priority program, sub-project 1.2 and additional
funding from the Brandenburgische Boden Gesellschaft für Grundstücksverwaltung und –
verwertung mbH (BBG).
I would like to thank Georg Teutsch, who as supervisor and employer provided not just help
and advice where needed, but also regular paycheques. Special thanks are due to Anita Peter
for her continuous support and advice in all aspects of this work.
I would also like to thank the two Ulis (Maier and Mayer) for their help and suggestions
relating to MIN3P. For all their help with CompFlow and multiphase flow simulations I
would like to thank Rudy Maji and Ed Sudicky. Thanks also to Olaf Kolditz, Thomas
Kalbacher and others in the RockFlow/Geosys development group for their help, input and
extensive “user support” for the Brand flow model.
Last but not least to those without whom I wouldn’t have made it this far. Thanks.
Abstract Contamination of the subsurface by LNAPLs (Light Non-Aqueous Phase
Liquids), particularly fuel hydrocarbons, is a widespread problem threatening groundwater
quality at affected sites. Monitored natural attenuation (MNA) is increasingly used in site
management strategies in such cases as an alternative to, or in conjunction with conventional
remediation measures. For the implementation of MNA at a contaminated site, contaminant
emission, transport and degradation processes need to be understood and quantified and a
prognosis made for the likely future development of the contamination, especially with regard
to the spatial and temporal stationarity of the contaminant plume. In this respect,
mathematical models describing the relevant physical processes have come to play a central
role in the investigation of contaminated sites. For the field-scale simulation of MNA-relevant
processes, existing model codes offer manifold possibilities in terms of model complexity and
process representation. The choice of modelling approach is site- and problem-specific, taking
into consideration the site data available and the questions to be addressed (i.e. the processes
of interest); there is no “one-size-fits-all” solution.
Three kerosene contaminated sites, which are broadly similar in terms of geology and
contamination history, but differ in terms of scale, the quantity and distribution of kerosene in
the subsurface and the data available from site investigations, are presented as case studies
demonstrating different innovative modelling approaches for investigating MNA-relevant
processes. The modelling approaches in each case consider different processes to address
different questions of relevance for the implementation of MNA.
The three cases studies serve to highlight some important points for consideration in
modelling LNAPL contaminated sites, as well as demonstrating how the modelling approach
used can influence the model outcome. It is shown that in terms of the source zone geometry
only the lateral extent is of significance for contaminant emission; the vertical extent and the
NAPL distribution, as well as the source mass are of little relevance for contaminant
emission. More important are hydrogeological and hydrological conditions, particularly
groundwater flow velocity and recharge rates. Groundwater recharge is shown to be one of
the most important parameters to consider for large area LNAPL contaminations. On the one
hand it plays a significant role in contaminant emission, while on the other hand as a source of
electron acceptors it can be a key determining factor for contaminant degradation. Comparing
the case studies it can be seen how the processes considered in the modelling approach can
affect the model outcome; where a simple first-order kinetic representation of biodegradation
results in a steady state contaminant distribution, a more complex approach considering
aqueous and solid phase electron acceptors can result in a transient situation.Kurzfassung Die Verunreinigung des Untergrunds durch LNAPLs (Light Non-Aqueous
Phase Liquids), insbesondere Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe, ist ein weit verbreitetes
Problem, das eine Bedrohung für die Grundwasserqualität an betroffenen Standorten darstellt.
Die Überwachung natürlicher Schadstoffminderung (Monitored Natural Attenuation - MNA)
wird in solchen Fällen zunehmend bei den Altlastenbearbeitungsstrategien verwendet – als
Alternative zu oder in Verbindung mit herkömmlichen Sanierungsmaßnahmen. Für die
Implementierung von MNA an einem verunreinigten Standort müssen Schadstoffemissionen,
Transport und Abbauprozesse verstanden und quantitativ bestimmt werden, damit eine
Prognose über die wahrscheinliche zukünftige Entwicklung der Verschmutzungssituation,
besonders hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Stationarität der Schadstofffahne, erstellt
werden kann. Mathematische Modelle, welche die relevanten physikalischen Prozesse
beschreiben, spielen dabei mittlerweile eine zentrale Rolle. Für die Simulation der MNA-
relevanten Prozesse im Feldmaßstab bieten vorhandene Modellcodes vielfältige
Möglichkeiten hinsichtlich der Erfassung der Komplexität und der Prozessdarstellung. Die
Wahl des Modellverfahrens ist standort- und problemspezifisch und erfolgt auf der Basis
vorhandener Standortdaten und der zu untersuchenden Fragestellung (d.h. des zu
untersuchenden physikalischen Prozesses). Dabei gibt es keine einheitliche Lösung, die auf
alle Fälle anwendbar ist.
Drei mit Kerosin verschmutzte Standorte, die von geologischen Gegebenheiten und
Schadensfall her ähnlich sind, die sich jedoch hinsichtlich Größenordnung, Menge und
Verteilung des Kerosins im Untergrund sowie der erhobenen Daten aus
Standortuntersuchungen unterscheiden, werden als Fallstudien vorgelegt. Diese stellen
unterschiedliche innovative Modellverfahren zur Untersuchung MNA-relevanter Prozesse
dar. Die in den jeweiligen Verfahren betrachteten unterschiedlichen Prozesse verfolgen
unterschiedliche Fragestellungen, die relevant sind für die Implementierung von MNA.
Die drei Fallstudien dienen dazu, wichtige Gesichtspunkte hervorzuheben, die bei der
Modellierung von LNAPL Standorten zu betrachten sind. Sie erlauben auch Aussagen
darüber zu treffen, inwieweit das verwendete Modellverfahren das Endergebnis beeinflussen
kann. Es wird gezeigt, dass bezüglich der Schadensherdgeometrie nur die laterale
Ausdehnung für die Schadstoffemission von Bedeutung ist; die vertikale Ausdehnung und die
Verteilung der NAPL Sättigungen sowie die gesamte Schadstoffmasse sind hingegen weniger
relevant. Wichtiger sind hydrogeologische- und hydrologische Gegebenheiten, insbesondere
die Grundwasserfließgeschwindigkeit und –neubildungsrate. Es stellt sich heraus, dass vor
allem die Grundwasserneubildung einen der wichtigsten Parameter bei der Betrachtung großflächiger LNAPL Schadensfälle darstellt. Die Grundwasserneubildung spielt einerseits
eine bedeutende Rolle bei der Schadstoffemission. Sie kann aber anderseits auch als Quelle
für Elektronenakzeptoren ein Schlüsselfaktor für den Schadstoffabbau sein. Anhand der
vergleichenden Fallstudien kann gezeigt werden, wie die Prozesse, die bei der Modellierung
betrachtet werden, das Ergebnis beeinflussen können: Dort wo eine einfache 1.Ordnung
Kinetik des Bioabbaus zu einer stationären Schadstofffahne führt, kann ein komplexeres
Verfahren, welches sowohl wässrige als auch mineralische Elektronenakzeptoren betrachtet,
zu eine