Berücksichtigung von transientem Reaktionspotential von Grundwasserleitern in fließzeitbasierten reaktiven Stofftransportmodellen

Matthias Loschko1, Olaf Cirpka1, Thomas Wöhling2, David Rudolph3
1 Universität Tübingen
2 Technische Universität Dresden, Lincoln Agritech Ltd., Ruakura Research Centre
3 University of Waterloo

O 12.6 in Reaktiver Stofftransport in heterogenen Grundwasserleitern

24.03.2018, 10:15-10:30, 3

Verunreinigungen im Grundwasser, wie zum Beispiel Nitrat, können unter geeigneten Bedingungen durch das natürliche Reaktionspotential des Grundwasserleiters abgebaut werden. Das in der gesättigten Zone meist nicht erneuerbare Potential führt zu einer zunehmenden Erschöpfung der Reaktivität des Grundwasserleiters und somit zu einem Durchbruch von Schadstoffen in Brunnen oder Oberflächengewässern. Herkömmliche Modelle für den reaktiven Stofftransport auf Einzugsgebietsebene basieren häufig auf räumlich expliziten Beschreibungen, welche infolge hoher Rechenzeiten für eine stochastische Analyse ungeeignet sind. Konzeptionelle Modelle, die auf Fließzeiten oder Expositionszeiten aufbauen, können das nachlassende Reaktionspotential nicht berücksichtigen, ermöglichen aber aufgrund der schnellen Rechenzeit stochastische Ansätze, z.B. mittels Monte Carlo Simulationen, und somit eine Quantifizierung von Unsicherheiten.

Wir stellen eine Methode vor, mit der durch konzeptionelle Vereinfachungen die Implementierung des nachlasssenden Reaktionspotentials für den reaktiven Stofftransport ermöglicht wird. Dabei werden die räumlichen Koordinaten durch eine reaktionsgewichtete Fließzeit ersetzt, die sogenannte relative Reaktivität. Die relative Reaktivität ist ein Faktor, der die Zufuhr des Reaktionspartners aus der Matrix parametrisiert. Die mikrobielle Dynamik, sowie (Quer)Mischungsprozesse werden vernachlässigt. Die durch Particle Tracking erhaltenen Stromlinien, werden in Inkremente gleicher Fließzeit, aber variablem Gehalt des Reaktionspartners, eingeteilt. Dadurch kann das nachlassende Reaktionspotential berücksichtigt werden, ohne die Rechenzeit signifikant zu erhöhen. Eine stochastische Analyse mittels Monte Carlo Simulationen ist weiterhin möglich.

Die Anwendung der neuen Methode wird beispielhaft für  die aerobe Atmung von Sauerstoff und die Denitrifikation demonstriert. Beide Reaktionen benutzen den matrixgebundenen organischen Kohlenstoff als Reaktionspartner, welcher wiederum die relative Reaktivität bestimmt. In einem dreidimensionalen, konzeptionellen heterogenen Grundwassermodell wird das nachlassende Reaktionspotentials eines Grundwasserleiters über 200 Jahre simuliert. Eine stochastische Analyse mit 200 Monte Carlo Simulationen zeigt außerdem, dass die Unsicherheit der Vorhersage des Nitratdurchbruchs in einem heterogenen Grundwasserleiter mit zunehmender Beobachtungsskala abnimmt.



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