Grundwasser-Schadensbilanzierung
TR-EX Kalk
Hallo liebe Interessenten,
anhand den nachfolgenden Erläuterungen erkläre ich Ihnen, welche Leistungen Sie erhalten, wenn Sie Ihren Grundwasserschaden von mir bilanzieren lassen. Anhand der relativen Lage der Messstellen zueinander, der Messwerte und den hydrogeologischen Randbedingungen berechne ich für Ihren Grundwasserschaden die durchschnittliche Schadstoffkonzentration in Quelle und Fahne, die Schadstofffracht, die dem verunreinigten Grundwasserleiter abströmt und welche Schadstoffmasse sich zum Zeitpunkt der Messung im Porenwasser befindet.
Begriffswolke:
Grundwassermessstellen GWM, Schadstoff, Geringfügigkeitsschwelle, Grundwasserfließrichtung, Grundwassermächtigkeit, Kluftanteil, Trennflächenhohlraum, Porenvolumen, Porosität, Darcy, Durchlässigkeitsbeiwerte, Filtergeschwindigkeit, Hydraulischer Gradient, Grundwassergefälle, Bilanzebene, MNQ
Für die Schadstoffbilanzierung benötige ich von Ihnen folgende Angaben:
- Koordinaten oder Lageplan der Grundwassermessstellen
- Messwerte des zu beurteilenden Schadstoffs in den Grundwassermessstellen
- Grundwasserfließrichtung
- Grundwassermächtigkeit
- Kluftanteil / Trennflächenhohlraum / Porenvolumen / Porosität
- Durchlässigkeitsbeiwert / Filtergeschwindigkeit
- Hydraulischer Gradient / Grundwassergefälle
- Entfernung der Schadstoffquelle zur relevanten Bilanzebene und ggf. zu einem in der Nähe befindlichen Oberflächengewässer
- Ggf. mittlerer Niedrigwasserabfluss (MNQ) des Oberflächengewässers
Mit diesen Daten errechne ich für Sie folgende beurteilungsrelevanten Kriterien:
- Flächenausdehnung des Grundwasserschadens
- Volumen des Grundwasserschadens
- Mittlere Schadstoffkonzentration und den Überschreitungsfaktor des GFS-Wertes
- Aus der jeweiligen Bilanzebene abströmende mittlere Konzentration
- Abströmende Tagesfracht in der Bilanzebene
- In ein Oberflächengewässer einströmende Fracht
- Trendentwicklung in den einzelnen Grundwassermessstellen sowie im gesamten Bilanzierungsraum
- Ggf. break-even bzw. Unterschreitung der Geringfügigkeitsschwelle
Messstellenraster / Messstellenmatrix
Anhand der von Ihnen übermittelten Koordinaten der Grundwassermessstellen oder eines georeferenzzierbaren Lageplans und der gemessenen Schadstoffgehalte in den einzelnen Grundwassermessstellen berechne ich aufgrund eines von mir entwickelten Berechnungsalgorithmus ein Raster, in dem sich je nach Grundwasserfließrichtung die Schadstoffgehalte in der jeweiligen Grundwasserfließrichtung halbieren.
Schadstoffabbaugleichung
Schadstoffabbaugradient
Halbwertstrecke
Bei den Berechnungen wird eine Funktionsgleichung verwendet, die den Konzentrationsverlauf von einer Rasterzelle zur nächsten bzw. von Teilgebiet zu Teilgebiet berechnet. Dabei ist der Konzentrationsverlust proportional zur Quellkonzentration c(0) des Schadstoffs, abhängig vom geometrischen Abstand s der jeweiligen Berechnungszelle. Die Schadstoffabbaugleichung berücksichtigt alle relevanten Faktoren, die den Abbauprozess beeinflussen, wie Sorption (Anlagerung des Schadstoffs an Bodenpartikel), Desorption (Ablösung des Schadstoffs von den Bodenpartikeln), Diffusion (Ausbreitung des Schadstoffs im Grundwasser), Verdünnung und biologischer Abbau. Diese Faktoren werden in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des jeweiligen Schadstoffs und den Umweltbedingungen im Modellraum berücksichtigt.
Die Schadstoffabbaugleichung wird verwendet, um für alle Messstellenkombinationen die entsprechenden Proportionalitätsfaktoren oder Konzentrationsabfallgradienten zu ermitteln. Wenn man in der Schadstoffabbaugleichung für c(s) den Wert ½ c(0) einsetzt und die Gleichung nach s auflöst, erhält man die sogenannte Halbwertsstrecke sH, also die Strecke, auf der sich die Schadstoffkonzentration halbiert. Mithilfe der Rasterzelle wird auch die Breite einer Stromröhre festgelegt.
Hydrogeologie
Um das Filtergesetz von Darcy anzuwenden, benötige ich von Ihnen nur die Werte für die Durchlässigkeit kf, die Grundwassermächtigkeit und den hydraulischen Gradienten i.
Berechnungsmatrix
Mit diesen Daten werden folgende beurteilungsrelevanten Kriterien für eine Grundwasserschaden berechnet:
- Flächenausdehnung des Grundwasserschadens
- Volumen des Grundwasserschadens
- Mittlere Schadstoffkonzentration und den Überschreitungsfaktor des GFS-Wertes
- Aus der jeweiligen Bilanzebene abströmende mittlere Konzentration
- Abströmende Tagesfracht in der Bilanzebene
- In ein Oberflächengewässer einströmende Fracht
Die Abstromfahne wird in quadratische Rasterzellen in Form eines Rechengitters unterteilt. Mit jedem zunehmendem Gitterabstand von der Quelle wird die Fahne jeweils an beiden Seiten um eine neue Zelle verbreitert. Daraus ergibt sich eine seitliche Ausbreitung der Fahne unter 45° bezogen auf die Hauptfließrichtung des Grundwassers. Wenn die Ausbreitungsberechnung wegen Prüfwertunterschreitung abgebrochen wird, erfolgt keine Verbreiterung mehr. Die Weitergabe der Schadstoffgehalte von der betrachteten Rasterzeile in die jeweils weiter von der Quelle entfernteren Rasterzeilen erfolgt mit einem an Beispielen erprobten Rechenalgorithmus. Dieser besteht darin, dass in jeder Zelle der neuen entfernteren Raster-Zelle aus den drei symmetrisch oberhalb liegenden Zellen der vorangegangenen Rasterzeile der Extrapolationswert für die neue Rasterzelle in Abhängigkeit von der Entfernung und den oberhalb vorhandenen Konzentrationen berechnet wird. Wenn jedoch ein Schadstoffgehalt in der Zelle bereits bekannt ist, weil sich dort im Gitter eine Grundwassermessstelle mit einem tatsächlich gemessenen Wert befindet, so hat dieser faktische Messwert Vorrang vor dem rein theoretisch errechneten Schätzwert. Es ist wichtig zu beachten, dass Schätzwerte unsicher sind und nicht die tatsächlichen Werte widerspiegeln. Sie sollten daher immer mit Vorsicht behandelt werden und nicht als definitive Werte betrachtet werden.
Der Extrapolationswert ergibt sich für Rasterzellen innerhalb der gleichen Stromröhre nach folgender Formel:
c(unterhalb) = c(oberbalb) /e^s*Lambda = c(oberhalb)/2
Der Extrapolationswert ergibt sich für Rasterzellen außerhalb der gleichen Stromröhre nach folgender Formel:
c(unterhalb) = c(oberbalb) /e^s*Lambda = c(oberhalb)/2^√2
LAWA / LABO Diagramm
„Von einer gerade noch kleinen Grundwasserverunreinigung wird nach den Vollzugserfahrungen einiger Länder gesprochen, wenn das verunreinigte Volumen die Größenordnung von 100.000 m³ (Vergleichsvolumen) nicht überschreitet und die Belastung mit einem Schadstoff im Mittel nicht größer als die 10-fache Konzentration der GFS ist [B 16]."
Der Grundwasserschaden ist "nicht klein", da sich die rote Raute unterhalb der Trennlinie "klein" und "nicht klein" befindet.
Die mittlere Schadstoffkonzentration ist der durchschnittliche Gehalt des Schadstoffs in Quelle und Fahne der Grundwasserbelastung. Sie wird verwendet, um die durchschnittliche Belastung des Grundwassers durch Schadstoffe zu quantifizieren. Die Berechnung nach dem oben genannten Berechnungsalgorithmus wird bei Unterschreitung des Geringfügigkeitsschwellenwertes beendet. Die Summe der Konzentrationen in den Rasterzellen mit Werten über der Geringfügigkeitsschwelle, dividiert durch die Anzahl der Rasterzellen, ergibt die mittlere Schadstoffkonzentration des Grundwasserschadens (cKGW).
Die ermittelte Anzahl der Zellen mit GFS-Überschreitung multipliziert mit dem wassergefüllten Volumen einer Rasterzelle (Quadrat der Halbwertsstrecke multipliziert mit der Höhe der grundwasserleitenden Schicht und der Porosität) ergibt das Volumen der Quelle und Abstromfahne mit Überschreitung des Geringfügigkeitsschwellenwertes. Anhand dieses Volumens kann nun abgeschätzt werden, ob der Grundwasserschaden im Sinne des § 4 Abs. 7 BBodSchV [R 02] bzw. § 15 Abs. 8 BBodSchV [R 02] lokal begrenzt ist.
Darstellung eines Schadensfalls mit zwei Schadstoffquellen in einem 2D-Diagramm
In obigen 2D-Diagramm ist ein Grundwasserschaden dargestellt, der sich ausgehend von zwei Schadstoffquellen von Nordost nach Südwest ausgebreitet hat.
Darstellung eines Schadensfalls mit zwei Schadstoffquellen in einem 3D-Diagramm
In obigen 3D-Diagramm ist ein Grundwasserschaden dargestellt, der sich ausgehend von zwei Schadstoffquellen von Nordost nach Südwest ausgebreitet hat.
Die verschiedenen Darstellungen der Schadstoffverläufe in den Diagrammen dienen zur Kontrolle und zur Vertiefung des Prozessverständnisses.
Kumulierte Frachten senkrecht zur Grundwasserfließrichtung
Die Tagesfracht in einer Rasterzelle oder einem Stromröhrenabschnitt ergibt sich durch die Multiplikation der geschätzten oder gemessenen Schadstoffkonzentration in der jeweiligen Zelle mit der abströmenden Grundwassermenge (QKGW) der Zelle. Die abströmende Grundwassermenge gibt an, wie viel Grundwasser in der Zelle durchströmt und somit auch wie viel Schadstoff abtransportiert wird.
Die Aufsummierung der Tagesfrachten der einzelnen Rasterzellen in der jeweiligen Bilanzebene bzw. Transekte ergibt die zu beurteilende Fracht. Mit Hilfe dieses Diagramms kann abgelesen werden, welche Fracht in einer beliebigen Bilanzebene abströmt. Beispielsweise strömt nach ca. 300 m noch eine Schadstofffracht von 100 g/d ab. Transekten oder Bilanzebenen sind Querschnitte, die senkrecht zur Grundwasserfließrichtung gezogen werden.
Konzentrationsverlauf in Grundwasserfließrichtung
Die graphische Darstellung des Schadstoffabbaus entlang einer Fließstrecke zeigt in aller Regel und bei entsprechender Positionierung der Grundwassermessstellen entlang einer Stromröhre, dass sich der Schadstoffabbau sehr gut mit der e-Funktion beschreiben lässt.
Der Ausschlag der Amplituden über oder unterhalb der exponentiellen Trendlinie ist ein gutes Maß für das Vorliegen homogener bzw. anisotroper Verhältnisse in einem Grundwasserleiter.
Der Schadstoffabbaukoeffizient in der Exponentialfunktion ist die Größe, die beschreibt, wie schnell ein Schadstoff in Grundwasserfließrichtung abgebaut wird.
Der Schadstoffabbaukoeffizient ist für verschiedene Schadstoffe und verschiedene hydrogeologische Randbedingungen unterschiedlich. Ein hoher Schadstoffabbaukoeffizient bedeutet, dass der Schadstoff nach kurzer Fließstrecke abgebaut wird, während ein niedriger Schadstoffabbaukoeffizient bedeutet, dass der Schadstoffabbau eine längere Fließstrecke benötigt. Die exakte Rate des Schadstoffabbaus hängt von verschiedenen Faktoren wie der Art des Schadstoffs, den Bedingungen des Abbauprozesses und den vorhandenen Mikroorganismen ab. In der Schadstoffabbaugleichung sind im Proportionalitätsfaktor der Einfachheit halber alle Sorptions-, Desorptions-, Diffusions- und biologischen Abbauprozesse in Abhängigkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften des jeweiligen Schadstoffes (Viskosität, Dichte, Wasserlöslichkeit, Verflüchtigung, etc.) für den gesamten Modell- bzw. Reaktionsraum integriert.
Langzeittrend für die mittlere Schadstoffkonzentration in Quelle und Fahne
Überdies biete ich die Möglichkeit an, den Entwicklungsverlauf über alle Beobachtungsjahre für alle Grundwassermessstellen und für die mittlere Kontaktgrundwasserkontamination (cKGW) in einem Diagramm anzeigen zu lassen, in dem zusätzlich der Langzeittrend begutachtet werden kann. Im Beispiel ist der lineare Trend fallend. Das Bestimmtheitsmaß des linearen Trends liegt bei 85 %. Der langfristige Rückgang der Schadstoffe ist deutlich zu erkennen. Ich biete die Möglichkeit an, für jede beobachtete Grundwassermessstelle diesbezügliche Analysen durchzuführen.
Langzeittrend für eine Grundwassermessstelle
Im Beispiel ist der lineare Trend für die GWM 01 ebenfalls fallend. Das Bestimmtheitsmaß des linearen Trends liegt allerdings nur bei 57 %.
Prognosediagramm mit Konfidenzgrenzen
Konfidenzgrenzen sind ein Maß dafür, wie sicher die Vorhersage ist. Die Konfidenzgrenzen sind abhängig von der Größe der Stichprobe und der Streuung der Daten. Je größer die Stichprobe und je geringer die Streuung der Daten, desto enger liegen in der Regel die Konfidenzgrenzen beieinander.
Mit den fünf auf das Bilanzjahr folgenden Jahren berechne ich die untere Konfidenzgrenze, den Schätzer (mittlere Konfidenzgrenze) und die obere Konfidenzgrenze, sofern sechs Beobachtungswerte für dieses Jahresintervall zur Verfügung stehen.
In unserem Beispielfall unterschreitet bei der unteren Konfidenzgrenze die mittlere Schadstoffkonzentration im Grundwasser (cKGW) im Jahr 2030, beim Schätzer (mittlere Konfidenzgrenze) im Jahr 2034 und bei der oberen Konfidenzgrenze im Jahr 2040 die Geringfügigkeitsschwelle der LAWA, so dass spätestens im Jahr 2040 wieder ein „guter“ Grundwasserzustand (cKGW kleiner GFS) vorliegen könnte.
Strahlendiagramm
[B 20] Bestimmung von Redoxzonen in einem mineralölbelasteten Grundwasserleiter, Rudolf Huth, Rainer Hartmann, Michaela Kiesel, Wilhelm Pyka, Annette Stallauer
Schadstoffe können durch Mikroorganismen oxidiert werden und als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen. Aufgrund verschiedener Milieubedingungen im Grundwasser bilden sich unterschiedliche Redoxzonierungen aus. Unter aeroben Bedingungen fungiert Sauerstoff als Elektronenlieferant bzw. Elektronenakzeptor. Elektronenakzeptoren spielen in der Energieproduktion von Zellen eine wichtige und wesentliche Rolle. Elektronenakzeptoren sind chemische Verbindungen, die in der Lage sind, Elektronen aufzunehmen und damit elektrisch positiv geladen werden. Bei Redox-Reaktionen werden Elektronen von einem Reduktionsmittel auf ein Oxidationsmittel übertragen. Nachdem der im Wasser gelöste Sauerstoff verbraucht ist, werden die Sauerstoffatome von Nitrat, von Eisen- und Manganoxiden und von Sulfat veratmet. Nach Verbrauch aller Elektronenakzeptoren findet der methanogene Schadstoffabbau statt, bei dem CO2 und Methan entsteht, was zu einer Erhöhung von HCO3 im Grundwasser führt, wodurch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht verschoben wird. Dies bedeutet die Bildung von löslichem Ca(HCO3)2 aus unlöslichem CaCO3 und damit eine Erhöhung der Gehalte von Ca2+ im Grundwasser. Der Abbau der Kohlenwasserstoffe durch Mikroorganismen führt somit zu einer charakteristischen Redoxzonierung und zur Änderung sekundärer Parameter wie Calcium und Hydrogencarbonat. Eine Auswertung mittels Strahlendiagramm setzt natürlich vorraus, dass die jeweiligen Parameter in den für Quelle, Fahne und Fahnenspitze repräsentativen Messstellen auch gemessen wurden.
Darstellung der Berechnungsergebnisse in Graphischen Informationssystemen, z.B. QGIS
Fiktiver Grundwasserschaden in der Porta Nigra in Trier
In der Karte wurden die Ergebnisse der Konzentrationsberechnungen eingetragen. Um das Raster zu zeichnen, wurde mittels QGIS ein Voronoi- bzw. Thiessen Polygon auf Grundlage der importierten Konzentrationen erzeugt. Die Rasterzellenabmessungen entsprechen den berechneten Halbwertsstrecken.
Beispielsweise könnte jetzt geprüft werden in welchen Gebieten ggf. Raumluftmessungen in den Kellergeschossen durchgeführt werden müssten, wenn festgestellt würde, dass ab einer bestimmten Konzentrationsschwelle die Gefahr besteht, dass LCKW aus dem Grundwasser in die Raumluft der Kellergeschosse diffundieren könnte. Besonders sensible Bereiche, wie Kindergärten, Sporthallen, etc. kann ich für Sie separat einblenden, um diese Bereiche zu lokalisieren.
Darstellung der Berechnungsergebnisse in Graphischen Informationssystemen, z.B. QGIS
Im obigen Beispiel wurde eine inverse Distanzwichtung (IDW) auf die nach QGIS exportierten Konzentrationen angewendet, so dass sich aus der rasterförmigen Darstellung des Schadensverlaufs ein fließender Farbverlauf ergibt. Das Beispiel soll zeigen, dass man sich durch den kombinierten Einsatz von zwei Verfahren ein besseres „Bild“ und mit solchen Analysen zusätzlich ein tiefergehendes Prozessverständnis verschaffen kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die wahre Kontur der Schadstofffahne auch mit noch so viel Grundwassermessstellen und noch genaueren Modellierungsprogrammen nie mit letzter Sicherheit ermittelt werden kann. Es gilt das alte Bergmannssprichwort „Vor der Hacke ist es duster.“
Schließen von Lücken im Gartenzaun
[L 02] Gillbricht Christian A., Radmann Kai-Justin, Anmerkungen zur Schätzung von Schadstofffrachten im Grundwasser, Altlasten Spektrum (5/2020)
Wie ein Blick auf die obige Abbildung zeigt, sind in den Stromröhren bzw. in den Spalten AV und BA keine Grundwassermessstellen (rote Sterne) vorhanden. Hier fehlen sozusagen im Gartenzaun zwei Latten
[L 02]. Eine Grundwassermessstelle in der Spalte AV wäre evtl. wünschenswert, um die Schadstoffsituation im Bereich des Petrusbrunnens am Hauptmarkt in der Rasterzelle AV56 zu überwachen, da dieser in unserem Beispiel sein Wasser aus dem mit Schadstoffen belasteten Aquifer fördert und wie auch der Brunnen in der Glockenstraße (AX54), der Georgsbrunnen (AS59) und der Balduinsbrunnen (BE55) im fiktiven Beispiel zu Trinkwasserzwecken genutzt wird. Für den Georgsbrunnen in Rasterzelle AS59 kann aber eine Gefahr ausgeschlossen werden, da zwischen diesem Rezeptor und der Schadstoffquelle der Weberbach verläuft und dieser als Trennlinie bzw. Terminator eine Schadstoffausbreitung in den südlichen Abstrom verhindert und die errechnete Konzentration, ohne Berücksichtigung des Weberbachs, mit 12 bereits die Geringfügigkeitsschwelle unterschreitet.
Mein Versprechen
Ich erledige jede Aufgabe schnell und zuverlässig.
Ich garantiere Ihnen eine schnelle und diskrete Abwicklung aller Ihrer erteilten Aufträge
Kontakt: TR-EX Beratung "Wasser & Abfall & Boden"
Telefon: +49 157 30247862
E-mail: Karlheinz.Mesenich@trex73.de
Dipl. Ing. (FH) Karlheinz Mesenich, Südallee 34c, 54290 Trier