3d-Grundwassermodell Gaswerk Flingern, Düsseldorf - Delta-h.de

3d-Grundwassermodell Gaswerk Flingern, Düsseldorf
Auftraggebber: Stadtwerke Düsseldorf AG
Bearbeitungszeitraum: August - September 2002
Aufgabenstellung: Nachkalibrierung und Simulationsrechnungen mit dem Grundwassermodell
Flingern
Veranlassung
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens zur "Natural Attenuation" unter Nutzung von Felddaten
des Gaswerkstandortes Flingern in Düsseldorf soll eine Anpassung des bestehenden
Stofftransportmodells an die aktuellen Erkenntnisse durchgeführt werden. Hierzu sind Modifikationen
am Elementnetz und an den Randbedingungen erforderlich. Die notwendige
Nachkalibrierung des Modells wird auf Basis von Messdaten der BTEX-Fahne des Jahres
1995 und des 1999 unter Anwendung eines Tracers durchgeführten Feldversuchs geschehen.
In zusätzlichen Simulationsläufen soll über Variantenrechnungen eine optimale Konfiguration
in Bezug auf Infiltrationsraten und Entnahmemengen ermittelt werden.
Tracer-Versuch
Um eine möglichst gute Abbildung der Grundwasserverhältnisse vor Ort zu erreichen, wurde
ein Feldversuch aus dem Jahre 1999 simuliert. Bei der Nachkalibrierung des Modells wurde
der Aquifer zunächst als 2d-Modell betrachtet. Die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf
Modifikationen an den Randbedingungen und am Elementnetz gingen danach in die Kalibrierung
des 3d-Modells ein. Aufbauend auf den Ergebnissen des Feldversuchs, bei dem Chlorid
als konservativer Tracer diente, wurde versucht, die Grundwasserströmungssituation und die
Verteilung der Chloridkonzentrationen 2-dimensional, sowie 3-dimensional am 57. Tag nachzubilden.
2d-Modell
Um eine Annäherung an die Ergebnisse des Feldversuchs zu erzielen musste zunächst eine
Netzverfeinerung, insbesondere im Bereich der In- und Exfiltrationsbrunnen 19155 und
19059, durchgeführt werden. Des weiteren wurden die kf-Werte des Aquifers modifiziert. Um
die von Südost nach Nordwest bogenförmig gelegene Konzentrationsfahne abbilden zu können,
musste im Süden des Untersuchungsgebiets ein undurchlässigerer Bereich ins Modell
übernommen werden. Die kf-Werte liegen hier bei 10 -4 m/s und 10 -5 m/s gegenüber 3*10 -4 m/s
im ca. 500 * 200 m großen Untersuchungsbereich. Die Chloridkonzentration am Infiltrationsbrunnen
wurde, bei einer Anfangskonzentration von75 mg/l, auf 160 mg/l gesetzt. Die Infiltrationsmenge
beträgt 8760m³/a gegenüber einer Exfiltration von 43800 m³/a am Entnahmebrunnen.
Feldversuche haben gezeigt (vgl. Gelhar L.W.; Welty, D.; Rehfeldt, K.R. (1982): A
critical review of data on field-scale dispersion in aquifers. Water Resour. Res., 28(7), pp.
1955-1974), dass die Größenordnung der Dispersivitäten unter anderem von der Größen-
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ordnung der beobachteten Ausbreitungslänge abhängt. Die Ausbreitungslänge des Tracer-
Versuchs betrug ca. 30 m, so dass eine longitudinale Dispersivität von 1 m ermittelt wurde.
Die Porosität liegt bei 0,18. Bei Ansetzung dieser Parameter ergibt sich am 57. Tag folgende
Verteilung der Konzentrationen für das 2d-Modell.
Die berechneten Konzentrationswerte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten
des Feldversuchs. Lediglich im Nordwesten des Feldversuchsbereichs gelegenen Messstellen
weisen größere Abweichungen auf. Die flächenhafte Darstellung der Konzentrationen
bildet die tatsächlich ermittelte Konzentrationsverteilung jedoch sehr gut ab:
3d-Modell
Nachdem man im 2d-Modell eine gute Annäherung an die Grundwassersituation zum Zeitpunkt
des Feldversuchs erreicht hatte, wurden das Finite-Elemente-Netz und die Randbedingungen
ins 3d-Modell übertragen. Dabei blieb jedoch die grundlegende flächenhafte Verteilung
der kf-Werte erhalten. Lediglich im Bereich des Infiltrationsbrunnens 19155 wurde die
Durchlässigkeit auf 5 bis 8 * 10 -3 m/s erhöht.
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Die zeitliche Entwicklung der gemessenen (blau) und berechneten (rot) Chloridkonzentrationen
kann den nachstehenden Diagrammen einiger ausgewählter Messstellen entnommen
werden:
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BTEX
Bei der Simulation der Ausbreitung der BTEX-Kontamination auf dem Gelände des ehemaligen
Gaswerkstandortes lag das Hauptaugenmerk nicht auf der exakten Prognose der BTEX-
Fahne, sondern darin, dem Auftraggeber ein kalibriertes Grundwassermodell zu übergeben,
mit welchem dieser eigenständig zuverlässige Prognoserechnungen durchführen kann. Zunächst
wurden hierfür die BTEX-Messwerte des Kontaminationsherdes auf das Netz des
Grundwassermodells interpoliert. Die so definierte Quelle ist in nachstehendem Bild dargestellt:
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Werden sämtliche In- und Exfiltrationen gleich null gesetzt ergibt sich nach einer Simulation
über 10 Jahre folgende Konzentrationsverteilung:
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