Geoökologisches Kolloquium WS 2003/04
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Dr. Andreas EnglertInstitut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, FZ Jülich
Donnerstag, 29.01.2004 16:15
H6Einfluss räumlicher Heterogenität der hydraulischen Durchlässigkeit auf den Stofftransport im Grundwasser
Die Untersuchung und Vorhersage von Stofftransport im Grundwasser
spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Strategien im
Umgang mit gefährlichen Substanzen, die in das Grundwasser
gelangen. Transport in porösen Medien ist ein komplexes
Wissensgebiet. Für genaue Vorhersagen von Stofftransport im
Grundwasser sind physikalische, chemische, biologische Prozesse und
deren Wechselwirkungen zu berücksichtigen.
Räumliche Heterogenität im Grundwasserleiter findet sich auf
verschiedenen Skalen. So bedingen z. B. unterschiedliche Porenkanäle
(Porenskala 0.0001 m - 0.01 m), Schrägschichtungs- und
Linsenstrukturen (Feldskala 0.1 m - 10 m) und Strukturen innerhalb
eines sedimentären Ablagerungsraumes (regionale Skala 100 m -1000 m)
auf der jeweiligen Skala räumlich heterogene Strukturen bezüglich der
hydraulischen Durchlässigkeit. Diese Strukturen sind nicht rein
zufällig, sondern können mit geostatistischen Methoden charakterisiert
werden. Dabei wird in so genannten Variogrammen quantitativ untersucht
wie sich eine Sedimenteigenschaft (z.B. die hydraulische
Durchlässigkeit) bei zunehmendem Abstand zwischen den
Beprobungspunkten in ihrer Ähnlichkeit verändert.
Untersuchungen zum Einfluss der Heterogenität der hydraulischen
Durchlässigkeit auf den Stofftransport werden schon seit ca. 20 Jahren
durchgeführt. Hierbei wurde durch numerische Modellierungen,
stochastische Theorien und experimentelle Tracerexperimente auf
verschiedenen Skalen deutlich, dass die Aufweitung von Stoffwolken
(Dispersion) mit zunehmender Heterogenität verstärkt wird. Während
Vorhersagen der Dispersion für große Transportwege (Makrodispersion)
gut untersucht sind, stellt die Implementierung von Mischungsprozessen
im heterogenen Grundwasserleiter eine besondere Herausforderung
dar. Dies rührt daher, dass sowohl Wechselwirkungen des
transportierten Stoffs mit dem Sediment, aber auch Prozesse des
biologischen Abbaus nichtlinear konzentrationsabhängig sind. Es ist
von daher nicht nur notwendig, die mittlere Konzentration und die Form
der Stoffwolke, sondern auch die Konzentrationsvariabilität innerhalb
der Stoffwolke in Abhängigkeit von der Heterogenität der
hydraulischen Durchlässigkeit experimentell und durch mathematische
Modelle charakterisieren zu können.
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