Reaktive Modellierung von Gastransport und Stoffumsetzungen im Untergrund

Ulrich Maier1, Mette Broholm2, K. Ulrich Mayer3, Peter Grathwohl4
1 Hydrogeologie, UFZ Leipzig
2 Danish Technical University DTU
3 University of British Columbia Vancouver, UBC
4 Universität Tübingen UT

O 13.4 in Reaktive Transportmodellierung

14.04.2016, 15:00-15:15, Audimax A, Geb. 30.95

 

Einen wichtigen Bestandteil der Stoffumsetzungen im Untergrund stellen Produktion, Transport und Austausch von Gasen mit wässriger, organischer oder der Feststoffphase von Boden und Gesteinen dar. Neben Prozessen in Lagerstätten von Erdgas sind Austauschvorgänge mit den Grundwasser von Bedeutung und insbesondere der Austausch von Gasen mit der Atmosphäre, sei es unter Einflussnahme von Pflanzen oder mikrobiellen Prozessen, der Gasbildung in Deponien oder der Ausgasung und des biologischen Abbaus organischer oder volatiler Schadstoffe.

 

In diesem Beitrag wird die Relevanz verschiedener Prozesse wie Diffusion, Advektion und biogeochemischen Umsetzungen sowie Austauschvorgänge durch Pflanzenwurzeln anhand von Beispielen aufgezeigt.

 

Für das Værløse Airforce Base Experiment in Dänemark wird das Zusammenspiel von Experimental - Design, Messkampagnen und numerischer Modellierung demonstriert. Während dieses Feldexperimentes wurden 13 Liter eines künstlichen Kerosin-Gemisches mit exakt bekannter Zusammensetzung in einem „Schadstoffherd“ in der ungesättigten Bodenzone eingebaut. In einer intensiven Messkampagne wurde die Ausbereitung der flüchtigen und wasserlöslichen organischen Stoffe in der Bodenluft und ins Grundwasser aufgezeichnet. Die Studie wurde durch mikrobiologische Untersuchungen begleitet. Für einige der Stoffe konnte signifikanter biologischer Abbau nachgewiesen werden. Nach Ablauf eines Jahres wurde die im Boden verbliebene Schadstoffmenge wieder entfernt.

 

Die numerische Modellierung erfolgte mit dem reaktiven Simulations-Code MIN3P (Mayer et al., 2002, Molins und Mayer, 2007). Dieses Modellwerkzeug berücksichtigt Transportprozesse der Diffusion, Dispersion sowie Advektion von Wasser- und Gasphase in porösen Medien in direkter Kopplung mit reaktiven Stoffumsetzungen. Der Einfluss des Bioabbaus auf die Zusammensetzung der organischen Phase über die Zeit konnte mit dem Modell deutlich gemacht werden (Broholm er al, 2005). Für Stoffe, die nur in geringem Umfang biologischem Abbau unterworfen waren, konnten gemessene Stoffkonzentrationen in der ungesättigten Zone schon durch reine Vorwärtsmodellierung sehr gut nachgebildet werden. Das Verhalten anderer organischer Bestandteile wurde durch die Anpassung von mikrobiellen Umsetzungs-Ratenkonstanten im Modell nachvollzogen. Für den Transport durch den Kapillarsaum ins Grundwasser zeigte sich, daß das Zusammenspiel von Grundwasserspiegelschwankungen, Querdispersion in der Wasserphase und Gastransport von Bedeutung ist.



 

Broholm, MM, Christophersen, M, Maier, U, Stenby EH, Höhener P, Kjeldsen P (2005): Compositional evolution of the emplaced fuel source in the vadose zone field experiment at airbase Vaerlose, Denmark. Environmental Science & Technology, 39/21, 8251-8263.

Mayer, K. U., Frind, E. O. & Blowes, D.W. (2002). Multicomponent reactive transport modeling in variably saturated porous media using a generalized formulation for kinetically controlled reactions. Water Resources Research 38(9): 1174-1195.

Molins, S., and K. U. Mayer (2007), Coupling between geochemical reactions and multicomponent gas and solute transport in unsaturated media: A reactive transport modeling study, Water Resour. Res., 43, W05435, doi:10.1029/2006WR005206.



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