Geoökologisches Kolloquium WS 2003/04

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Dr. Andreas Englert
Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, FZ Jülich
Thursday, 29.01.2004 16:15 H6

Einfluss 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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