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Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung
D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 1 Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin-Spandau Dr.-Ing. Dietmar Schäfer GCI GmbH, Königs Wusterhausen Zusammenfassung. Mit einem dreidimensionalen Grundwassermodell auf der Basis des Simulators FEFLOW wurden mögliche Zusammenhänge zwischen einer im Einzugsgebiet einer Wasserfassung nachgewiesenen LCKW-Kontamination und den im Rohwasser einzelner Brunnen dieser Fassung gefundenen LCKW untersucht. Hierzu wurden mit dem Grundwassermodell sowohl quasi-instationäre Bahnlinien- als auch Transportberechnungen zur Bewertung der im Einzugsgebiet erkundeten Kontamination durchgeführt. Durch Anwendung eines eindimensionalen Zerfallskettenmodells konnte der Nachweis geführt werden, dass bei Ansatz plausibler Stofftransportparameter eine modelltechnische Nachbildung einer stationären Ausbildung der detektierten LCKW-Fahne mit allen ihren Komponenten möglich ist. In Auswertung dieser Untersuchungsergebnisse erwies sich die These als wahrscheinlich, wonach die erkundete Kontamination zumindest nicht allein für die in der Fassung vorgefundenen LCKW verantwortlich sein kann. Aus diesem Grund wurden modellgestützte Untersuchungen zur Ausweisung von Gebieten durchgeführt, in denen mit erhöhter Höffigkeit nach weiteren Schadstoffquellen zu suchen ist. Hierzu wurden sowohl rückwärts gerichtete Bahnlinien- als auch Transportberechnungen durchgeführt. Die Transportmodellierungen berücksichtigten ein in die Vergangenheit gerichtetes, relativ dynamisches instationäres Strömungsregime zeitlich hoch auflösend. Die Ergebnisse wurden als wahrscheinliche Aufenthaltsräume der in den Brunnen eingetroffenen Schadstoffe zu in der Vergangenheit definierten Zeitniveaus interpretiert. Auftraggeberseitig zwischenzeitlich im Einzugsgebiet vorgenommene Recherchen zu weiteren potenziellen LCKW-Quellen weisen noch nicht verifizierte Ergebnisse auf, die in sehr guter Übereinstimmung mit den diesbezüglichen Modellaussagen stehen. 1. Veranlassung Im Grundwasserabstrom eines an der Havel im Berliner Bezirk Spandau gelegenen, ehemaligen Gewerbegebietes wurden auch nach größtenteils erfolgreicher Quellensanierung wiederholt erhebliche Konzentrationen von LCKW gefunden. Das Grundwasser strömt von den ursprünglichen Schadstoffquellen an der Havel ausgehend in Richtung einer ca. 4 km westlich gelegenen Wasserwerksgalerie, in Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 2 der ebenfalls LCKW detektiert wurden. Im ehemaligen Gewerbegebiet und dessen unmittelbaren Abstrom wurden wie auch in den Brunnen der Wasserfassung Tetrachlorethen (PCE), Trichlorethen (TCE), cis-1,2-Dichlorethen (cDCE) sowie Vinylchlorid (VC) gefunden, während im Transfergebiet zwischen diesen Lokalitäten ausschließlich VC gefunden wurde. Im unmittelbaren Anstrom auf die Fassung konnten bisher keine LCKW nachgewiesen werden. Das sich so darstellende Belastungsbild gab Anlass zu der Frage, ob der durch das Strömungsbild zunächst applizierte Zusammenhang zwischen der Kontamination im Gewerbegebiet und dem Schadstoffeinbruch im Wasserwerk belegt werden kann oder ob weitere Schadstoffquellen als wahrscheinliche Ursachen für die LCKWBefunde in den Brunnen zu unterstellen sind. Aus der Beantwortung dieser Fragestellung ableitend war im Auftrag des Referats Bodenschutz/Altlastensanierung der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin das vorhandene Konzept zur Überwachung der bekannten Schadstofffahne zu überprüfen und zu qualifizieren. Weiterhin waren Gebiete im Anstrom auf die betroffene Wasserfassung auszuweisen, in denen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit nach weiteren LCKWQuellen gesucht werden soll. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden in [2] dokumentiert. % U Y # % U GWA Infitrationsbecken 5-6 % U 0091013 % U Y # %% Stbr. 043 % U Y # Stbr. 106 Y # SPA180 SPA 156 Y # SPA063OP SPA063UP UM 12 + Y # ¸ # Y # UM 13 Stbr. 120 Y # + Y # Stbr. 040 Y # Stbr. 011 Y # SPA103 Stbr. 142 Y # Legende Y # Gewerbegebiet Hakenfelde Analysierte Messstellen GWLK 1 GWLK 2 GWLK 1 u. 2 SPA156 Y ohne Befund SPA182 > mit Befund punktuelle Konzentrationsdarst. erkundete LCKW - Komponenten + + Tetrachlorethen Trichlorethen cis - Trichlorethen Vinylchlorid + + Abb. 1 ¸ + # ¸ # Stbr. 057 SPA037 Y # Y # Stbr. 003 SPA053 + ¸ # Y # + ++ Stbr. 131 + + ++++ + + + + + + +++ + + +++ UM 11 Stbr. 098 13/83V14/83V 15/83V UM 4 UM 10 + ¸ # ¸ # ¸ # ¸ #¸ #¸ + #¸ + # ¸ #¸ + ## 12/83V 16/83V 11/83V ¸ ¸ #¸ # UM 9 Y # ¸ # %U U %U % U %U % %%U %% U U %U %U U U % % U % U % U %U %U % U % U % U %U U %%%U%U%U% % %U % U %U U % U % % U % U % U %U U %U % %U %U %U + Y # Y # UM 2 + 02/70V Stbr. 065 % 03/82V Y U # Y # 04/83V % Y U # 21/83V % Y U # 05/83V % Y U # 20/72V % 06/83V Y U # % Y U # 18/83V % 07/83V Stbr. 061 %Y U U %U U # % U % Y %U U # # % 08/83V Y %U %U %%U 19/72V 09/72V U 17/83V %U U %U % 10/83V SPA sued + + + + + Y # ¸ # anl_1 SPA052 Sen 0513 Stbr. 113 + + + UM 8 SPA038 % Y # ¸ # + ¸ # Stbr. 139 ¸ # UM 1 Ra # 28 Ra 29 ¸ Y # # ¸ # Ra 30 ¸ Y # ¸ # Ra 31 UM 3 ¸ # Y # ¸ # ¸ # ¸ # SPA182 Stbr. 121 UM 5 UM 6 # ¸ + % ¸ # SPA061 UM 7 + + ++ Y # SPA064 + SPA099 + Y # SPA sued 01/82 % Y U # % Stbr. 038 Sen 3137 + GWA Infitrationsbecken 4 ¸ # Y # Y # + % Stbr. 080 Stbr. 137 Y # % U GWA % U % U Infitrationsbecken 1-2 % U % U % U GWA % Polizeischlenke U % U + Y # GWA Infitrationsbecken 3 ± SPA179 GWA Kuhlake SPA171 U % Wasserwerksbrunnen Modellbr. Bauwasserhaltung 1-3 der Wasserstadt Modellbr. Grundwassersanierung U % auf dem Siemensgelände im Rahmen der Epignoserechnungen berücksichtigte Grundwasserentnahmen % - durch Bauwasserhaltungen % - durch Eigenversorgungsanlagen U % LCKW - Fahne im 1. oder 2. GWL im Gewerbegebiet Hakenfelde Stbr. 115 Stbr. 129 Y # Y # Ausbreitungsrichtungen der LCKW -Fahne im Transfergebiet % % % % oberhalb des unterhalb des % Geschiebemergels Geschiebemergels %% nachgewiesen ¸ + # 0 250 500 Meter vermutet nach [ BGC, 2003] modellbasierte GW-Gleiche für Strömungssituation 2000 im GWLK 2 Grundwasseranreicherung (GWA) nach [ BGC, 2003] Standortsituation mit in [3] vermuteten Ausbreitungsrichtungen der LCKW Gewerbegebiet Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 ausgehend vom D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 2. Vorgehensweise bei der Modellqualifizierung Die Bearbeitung wurde mit einer Zusammenstellung und Analyse aller rezenten Informationen zum Istzustand der Kontaminationen und zu ihrer Historie begonnen. Da insbesondere relevante ältere Beschaffenheitsdaten nur sehr sporadisch vorlagen, war ein Beantwortung der zentralen Fragestellungen anhand vorliegender Messwerte und Analysenergebnisse nicht möglich. Dies trifft um so mehr zu, weil der Betrieb des Wasserwerks in den letzten 40 Jahren erhebliche das Grundwasserströmungsfeld beeinflussende Veränderungen erfahren hat. So gingen in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts sukzessive eine Wasserfassung und 6 künstliche Anreicherungsbecken in Betrieb. Ein sich über mehrere Kilometer erstreckendes Grabensystem zur naturnahen Grundwasseranreicherung wurde erweitert und intensiviert. Da diese Maßnahmen potenziell in den Zeitraum fallen, der für die Ausbreitung der LCKW ausgehend vom Gewerbegebiet zur Wasserfassung abzuschätzen war, mussten diese maßgeblichen Einflüsse berücksichtigt werden. Als geeignetes Instrument hierzu erwies sich ein von den Berliner Wasserbetrieben als Betreiber des Wasserwerks vorgehaltenes ständig verfügbares dreidimensionales Grundwasserströmungsmodell (SVM) auf der Basis des Simulators FEFLOW. Dieses erfasst im gesamten Einzugsgebiet des Wasserwerkes die kontaminationsrelevanten zwei quartären Grundwasserleiter und einen liegenden tertiären. Die beiden quartären Grundwasserleiter werden großflächig durch eine nicht aushaltende Geschiebemergelschicht als Grundwasserhemmer getrennt. In das bestehende kalibrierte Modell wurden zunächst die im Rahmen der Altlastenerkundung neu gewonnenen geologischen Informationen insbesondere zur Verbreitung des Geschiebemergels eingearbeitet. Die horizontale Diskretisierung im Bereich des Gewerbegebietes, der betroffenen Galerie und des dazwischen liegenden Transfergebietes wurde deutlich verfeinert. Ebenfalls verfeinert wurde die vertikale Diskretisierung, so dass die Voraussetzungen auf aussagekräftige dreidimensionale Bahnlinien- und Stofftransportberechnungen gegeben waren. Dieses Modell wurde instationär über den Zeitraum 1965 – 2003 kalibriert. Dabei wurden die relevanten Randbedingungen wie Bewirtschaftungsmaßnahmen über Brunnen und Anreicherungsanlagen, Grundwasserneubildung und Oberflächenwasserstände zeitlich und örtlich möglichst detailliert berücksichtigt. Nach nur geringen Änderungen am ursprünglichen Modell konnte eine sehr gute Übereinstimmung von im Transfergebiet gemessenen Grundwasserganglinien mit den an den entsprechenden Messstellen simulierten erzielt werden (vgl. Abb. 2). Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 3 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 4 31,00 30,80 Messung 30,60 Berechnung 30,40 30,20 h [mNN] 30,00 29,80 29,60 29,40 29,20 29,00 28,80 28,60 28,40 01.01.1960 31.12.1964 31.12.1969 31.12.1974 31.12.1979 30.12.1984 30.12.1989 30.12.1994 30.12.1999 29.12.2004 Zeit Abb. 2 Gegenüberstellung gemessener an der Messstelle Sen0513 und simulierter Ganglinien des Grundwasserstandes Im Ergebnis dieser Untersuchungen lag ein Grundwassermodell vor, das die Strömungsverhältnisse im potenziellen Ausbreitungszeitraum der LCKW zwischen Gewerbegebiet und Wasserwerk nachgewiesenermaßen für die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen hinreichend nachbilden kann. Untersuchungen zur Abschätzung der Fahnenausbreitung ausgehend vom Gewerbegebiet Diese Untersuchungen begannen mit der Durchführung quasi-instationärer Bahnlinienberechnungen ausgehend von verschiedenen im Gewerbegebiet bekannten oder vermuteten Eintragsstellen von LCKW. Der Untersuchungszeitraum 1965 – 2003 wurde dabei in 8 Zeitabschnitte untergliedert, die durch näherungsweise unveränderliche Strömungsverhältnisse gekennzeichnet sind. Innerhalb dieser Zeitabschnitte wurden stationäre Bahnlinienberechnungen durchgeführt, wobei der Endpunkt einer im vorhergehenden Zeitabschnitt dreidimensional berechneten Bahnlinie den Startpunkt der im aktuellen Zeitabschnitt zu berechnenden bildete. Dieses sehr aufwändige Verfahren dürfte sich mit der angekündigten Bereitstellung von echten instationären Bahnlinienberechnungen in der Version 5.2 von FEFLOW deutlich vereinfachen. Die Bahnlinien wurden entlang ihres Fließweges bezüglich ihrer Lage im Raum und der benötigten Fließzeiten ausgewertet. Dabei wurde keine Retardation berücksichtigt, was dem Transportverhalten des VC als Hauptschadstoff im Transfergebiet nahe kommt. Die Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 5 Abb. 3 zeigt ein derart ermitteltes Bahnlinienbild, wobei der Graustufenverlauf entlang der Stützpunkte die jeweils zurück gelegte Fließzeit dokumentiert. % U % U ± % U % U % U + ¸ # % U % U % U #### #### ## # # # # ## ## # ## # # # # ### ## # ### ## # # # # # # # ###### # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # ## # # ## # # # ## ### ## ## # # # # ## # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ###### # # # # # # # # # # # ###### # ##### ###### # ## # # # # # # # # # # # # ### # ## # # # ## # # # # # # ### ### # # # # # ### # ## # # # ## # # # ## ######### % # # # # # # ## U ## ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #### # # # ### # # ## # ## # # #### # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # ## # # ## ### # ######## # # ### ### ### # ## # ## # ## ########## ### ## ## ## % ## # # U # ## # # # # ## ## # ### # # # # # ## # # # ### ##### # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # ## # # # # ## ## #### # ## # ## # # ## # # # # ###### # # ######## # # ##### # # ## ## # # # # # ## # # # # #### # # # # # # # # #### # ## # # ## #### ## # # # # ## ## # # # ######### ## # # # # ## # # ## ## ####### # ## #### # # # # # # # #### # # ## # # # # # #### ## # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # % # U # ## ### # ###### # # # ## ## ### # # # # # # # # # # ## #### ## # # ### ## # # # # ## ## # #### ## # # ### ### # # ## # # ### # ## # # # # # #### # ## # # # # # #### # ### # # # ####### # #### # # # #### # # ### # # # # # ### # # # ## # # # # # # # # # ######### # # # # # # # ####### ############### # ## ## # # # # # # ## ## # # # ########### # # ### # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ### # # # # # # # # # # # # ### ############ # # # # ## # ## # # # # ## # # ## # # # # # #### # # # # # # # # ## # # # # ### # # # # # # ## # # # # # # # # ########### # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # #### # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # ### # # # # ## # # # # # # # # # # # ## ######## # ## # # # ## ### # # # # # # ## # # # # # ## ## # # # # ### # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # ## # # # # # # # # ### ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # % # # # # # # U # # ## # # # # # # ## # # ###### ### # # # # ### # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # ### ####### ##### ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # ## # # # # # # # # # ### # # ###### # # ## # # # ## # ## # # # # % # # # # # U # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # ## # # # # # ######## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # ## # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # # # # # # # % # # # # # # # U # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ### # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ##### # # # # # % # # # # # # U # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ## # # # # # # # # # # # ## # # # # # # ## # # % # # U # # # # ### # # # # # # ## # # # ## # # ## # # # # # ## ## # # # # # ## ## # # # ## # # #### # # # # # ## # # # ## % # # ## # U # # # ### # # # # # # # # # # ### # # # # ## ## # ## ## ## # ## # ## # # # % %U U U %U % % U U %U % U %U %U % % U %U U %U % + + + + ¸ # + ¸ # ¸ # # ¸ + ¸ # + + + + +++ ++ + + + + + ¸ # + + ++ + ¸ # ¸ # ¸ # ¸ # ¸ # ¸ # + ¸ # + + + + + + + + +++ + ¸ # ¸ # ¸ # ¸ #¸ #¸ + #¸ + # ¸ #¸ + #¸ # + ¸ # ++ + ¸ # + ¸ # ¸ # + + + ¸ #¸ # + ¸ # ¸ # + % U % U % U + ¸ # Legende punktuelle Konzentrationsdarstellungen erkundete LCKW - Komponenten GWLK 1 GWLK 2 GWLK 1 u. 2 + + + # 0-5 # 5 - 10 # 10 - 15 # 15 - 20 # 20 - 25 # 25 - 30 Ausbreitungsrichtungen der LCKW -Fahne im Transfergebiet # 30 - 35 # 35 - 60 # > 40 2 5 0 5 0 0 M e te r nachgewiesen (in Anlehnung an [BGC, 2003]) Trichlorethen cis - Trichlorethen Vinylchlorid 0 oberhalb des unterhalb des Geschiebemergels Geschiebemergels Gewerbegebiet Hakenfelde + Tetrachlorethen Abb. 3 anl_10.1 Bahnlinenverläufe farblich klassifiziert nach Fließzeit des Grundwassers in a U Wasserwerksbrunnen % vermutet LCKW - Fahne im 1. oder 2. GWL im Gewerbegebiet Hakenfelde nach [ BGC, 2003] nach [ BGC, 2003] Bahnlinienverläufe des Grundwassers ausgehend vom Gewerbegebiet klassifiziert nach der Fließzeit Diese Berechnungen wiesen eine Fließzeit des Grundwassers vom Gewerbegebiet zu den Brunnen der betroffenen Fassung von ca. 30 Jahren aus. In Anbetracht der unscharf verfügbaren Informationen zur Dauer der Kontamination im Gewerbegebiet konnte hierdurch ein Zusammenhang der LCKW-Befunde im Gewerbegebiet und in der Fassung nicht ausgeschlossen werden. Der vertikale Verlauf der Bahnlinien erwies sich mit Bezug zur Ausbildung der Geschiebemergelschicht plausibel. Dagegen gelang es mit plausiblen Modellvariationen nicht, die vom Gewerbegebiet ausgehenden Bahnlinien am Zentrum des LCKW-Zutritts der Wasserfassung ankommen zu lassen. Dieses Zentrum wird durch vier Brunnen an der SE-Winkel der Fassung definiert, während die betrachteten Bahnlinien stets auf die deutlich weiter nördlich gelegenen Brunnen treffen. Weitere hier nicht vertiefend diskutierte Charakteristika des Kontaminationsbildes an der Fassung zeigten ebenfalls, dass eine detaillierte historische Betrachtung der Grundwasserströmung die Herkunft der Schadstoffe aus dem Schadenszentrum im Gewerbegebiet nicht belegen kann. Durch nachgesetzte Transportmodellierungen zur Überprüfung eines möglichen Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 6 Einflusses der hydrodynamischen Dispersion konnte keine andere Einschätzung getroffen werden. In Anbetracht der Tatsache, dass an den im Transfergebiet im direkten Anstrom zur Wasserfassung gelegenen Grundwassermessstellen bisher keine LCKW gefunden wurden, galt es grundsätzlich prüfen, ob die These einer Stationarität der Fahne bei Ansatz plausibler Parameter zur Beschreibung des Stofftransports modelltechnisch gestützt werden kann. Die im Untersuchungsgebiet vorgefundenen LCKW-Komponenten bilden wahrscheinlich folgende Zerfallskette: PCE -> TCE -> cDCE -> VC (-> Methan) Dabei sind PCE und TCE als primär eingetragene Stoffe anzusehen. Es wurde der Versuch unternommen, den Transport dieser Zerfallskette bis einschließlich VC zusammenhängend zu modellieren. Da für das Projektgebiet keine Informationen zu Parametern der Retardation und des Abbaus der LCKW vorlagen und auch eine Beschreibung des hydrogeochemischen Milieus nur sehr begrenzt möglich war, wurden die Parameter des Stofftransports aus Literaturstudien abgeleitet. Zum Ansatz kamen letztlich Erwartungswerte der Parameter, die sich an den Medianwerten der aus Literaturauswertungen ermittelten Wertebereiche orientierten. Tabelle 1 zeigt die letztlich verwendeten stoffspezifischen Retardationsfaktoren und Halbwertzeiten. Tab. 1 Der Zerfallskettenmodellierung zugrunde liegende Migrationsparameter Parameter PCE TCE cDCE VC Retardationskoeffizient [-] 3 2,5 1,7 1,1 Halbwertszeit [d] 500 300 750 800 Die Modellierung wurde eindimensional mit der Software ZERKET [1] entlang einer Stromröhre durchgeführt, die zuvor im Grundwassermodell durch dreidimensionale Bahnlinienberechnungen ausgehend vom wahrscheinlichsten Eintragsort im Gewerbegebiet ausgewiesen wurde (s. Abb. 4). Die Grundwasserströmung in dieser Stromröhre wurde den entsprechenden Werten des dreidimensionalen Grundwassermodells angepasst. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 7 % U % U ± % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % U % %U U U %U % U % U %U % U %U %U % % U %U U %U % Legende U % Wasserwerksbrunnen anl_15 Gewerbegebiet Hakenfelde 0 250 500 Meter (in Anlehnung an [BGC, 2003]) Bahnlinien rückwärts ausgehend von den Brunnen berechnet (Strömungsregime 2002) Horizontaldiskretisierung der Stromröhre Grundwasseranreicherung (GWA) Abb. 4 Stromröhre mit Diskretisierung des Zerfallskettenmodells Nach einer Sensitivitätsanalyse bezüglich der in Tab. 1 aufgeführten Transportparameter konnten für die dort dokumentierten Werte in guter Übereinstimmung mit den bisherigen im Transfergebiet vorliegenden Erkundungsergebnissen die in der Abb. 5 dokumentierten Konzentrationskurven entlang des Fließweges zwischen Gewerbegebiet und Wasserfassung nach 30 Jahren berechnet werden. Zu beachten ist dabei, dass der angenommene Eintrag von PCE und TCE nach einer Wirkzeit von 25 Jahren infolge einer dann stattgefundenen Grundwassersanierung auf die heute dort vorgefundenen Werte gemindert wurde. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 8 300 250 Konzentration [µg/l] 200 PCE TCE cDCE 150 VC 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Fließweg [m] Abb. 5 Berechnete Konzentrationsverteilungen der Zerfallskettenglieder entlang des Fließweges nach 30 Jahren Wie durch diese Untersuchungen belegt, erweisen sich Kurvenverläufe zu diesem Zeitpunkt jenseits eines Fließweges von ca. 2.500 m als praktisch stationär. Im Rahmen der Sensitivitätsanalyse wurde ermittelt, dass bei Ansatz einer deutlich größeren Halbwertzeit für VC zwar ein deutlicher Eintrag in die Wasserfassung berechenbar wäre, dann aber auch im Transfergebiet deutlich höhere VCKonzentrationen als die erkundeten erwartet werden müssten. Diese Berechnungen können aufgrund des fehlenden Lokalbezuges der verwendeten Parameter nicht als Nachweis der Stationarität der LCKW-Fahne angesehen werden. Sie zeigen jedoch, dass eine solche Annahme auch bei Verwendung grundsätzlich plausibler Parameter berechtigt sein kann. Die bisher vorgestellten Untersuchungsergebnisse zusammenfassend und unter Hinzuziehung der Tatsache, dass in den Brunnen die Stoffe PCE und TCE gefunden wurden, die einerseits im Transfergebiet nicht angetroffen wurden und andererseits durch ihr typisches Retardations- und Abbauverhalten einen Transport über einen derart langen Fließweg nicht erwarten lassen, wurde die These der Wirkung weiterer Schadstoffquellen als Ursachen für den LCKW-Einbruch in die Wasserfassung als wahrscheinlich erachtet und eine Untersuchung zur Ausweisung wahrscheinlicher Positionen dieser Quellen nachgesetzt. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 9 4. Untersuchungen zur Ausweisung wahrscheinlicher Eintragsbereiche LCKW Während die bisherigen Untersuchungen von einer bekannten Quelle ausgegangen sind, muss die Suche nach weiteren, die LCKW-Kontamination in den Wasserwerksbrunnen potenziell hervorrufenden Quellen von den an der Wasserfassung bekannten Informationen ausgehen. Hier sehen wir zuerst die Verteilung der LCKW-Befunde innerhalb der Fassung, die durch ein ausgeprägtes Schadenszentrum am SE-Winkel der Galerie gekennzeichnet ist. Insofern galt es zunächst die Einzugsgebiete der in diesem Schadenszentrum gelegenen Brunnen durch rückwärts gerichtete Bahnlinienberechnungen zu ermitteln. Problematisch bei dieser Vorgehensweise war, dass eine eigentlich notwendigerweise zumindest quasi-instationär durchzuführende Bahnlinienberechnung ausgehend von den Brunnen aufwandsbedingt nicht zu rechtfertigen war. Um dies zu umgehen, wurden für die einzelnen Zeitabschnitte, innerhalb derer die oben beschriebenen quasi-stationären Bahnlinienberechnungen durchgeführt wurden, stationäre Bahnlinienberechnungen durchgeführt. Diese zeigten, welche Teile des Einzugsgebietes der Fassung in deren einzelnen Betriebsphasen überhaupt einen Zustrom zu den höher kontaminierten Brunnen aufwiesen. Die Abb. 6 zeigt das Ergebnis einer solchen Berechnung für das gegenwärtige Bewirtschaftungsregime, wobei die Bahnlinien, die von den höher belasteten Brunnen ausgehen, graphisch hervorgehoben dargestellt sind. ± + ¸ # + + + ++++++ + + ++ + + + + + + + ¸ + # + + ++ + + + ¸ # + #S S # # S # S ¸ # ¸ # + # S # S # #S S # S + + ¸ # #S S # # ¸ # ¸ ¸ # ¸ # ¸ # # ¸ #¸ #¸ + ¸ # + ¸ # ¸ # ¸ + # ¸ # ¸ # + ¸ # anl_14.2 + 5 Legende Wasserwerksbrunnen klassifiziert nach den analysierten Maximalwerten LCKW (einschließlich VC) in µg/l Abb. 6 + + # S 11 Bahnlinenverläufe farblich klassifiziert nach Fließzeit des Grundwassers in a + Tetrachlorethen + 1 - 1.5 1.5 - 2 S # 2 - 2.5 S # 3-4 S # # S punktuelle Konzentrationsdarstellungen erkundete LCKW - Komponenten GWLK 1 GWLK 2 GWLK 1 u. 2 250 500 1.000 Meter Start an Brunnen mit ∑ LCKW >= 1µg/l Start an den Brunnen SPAsued12/83V bis 14/83V Trichlorethen cis - Trichlorethen Vinylchlorid Gewerbegebiet Hakenfelde (in Anlehnung an [BGC, 2003]) Ausgehend von den Bewirtschaftungsregime 0 Start an Brunnen mit ∑ LCKW < 1µg/l Brunnen LCKW - Fahne im 1. oder 2. GWL im Gewerbegebiet Hakenfelde nach [ BGC, 2003] rückwärts berechnete Bahnlinien für Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 das gegenwärtige D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 10 Die so gewonnenen Ergebnisse waren aufschlussreich interpretierbar, konnten jedoch nicht die zeitlichen Übergänge zwischen den verschiedenen historischen Strömungsbildern hinreichend beschreiben. Aus diesem Grund wurde abschließend eine rückwärts gerichtete instationäre Stofftransportmodellierung ausgehend von den Brunnen durchgeführt. FEFLOW bietet hierzu die Option einer kompletten Umkehrung der Gradienten des Strömungsfeldes bei der Transportberechnung (vgl. Abb 7). Hierzu sind bei stationären Strömungsverhältnissen keine Änderungen an den Strömungsrandbedingungen vorzunehmen. Sind jedoch, wie im vorliegenden Fall, instationäre Strömungsrandbedingungen zu berücksichtigen, so ist deren zeitlicher Verlauf an der Ordinate der Randbedingungsganglinie zu spiegeln (s. Abb. 7). Dies resultiert aus der im Modell stattfindenden Kopplung zwischen Strömungs- und Transportrandbedingung. Diese bildet in schematisierter Weise das an den Brunnen erfasste Durchbruchsverhalten ab (s. Abb. 7). Im vorliegenden Fall wurde das erfasste Durchbruchsverhalten als über die jeweils vergangenen fünf Jahre verlaufende Stufe abgebildet. Da die Berechnung zeitlich rückwärts verlaufen muss, wirkt die Transportrandbedingung dann in den ersten fünf Berechnungsjahren und schaltet dann ab. So ist leicht nachvollziehbar, dass beispielsweise während dieser fünf Jahre im Modell auch die Strömungsrandbedingungen wirken müssen, die während des in den letzten fünf Jahren stattgefundenen Schadstoffeinbruchs gewirkt haben. Daher resultiert die Notwendigkeit der zeitlichen Spiegelung aller Randbedingungsfunktionen. Förderung Konzentration Konzentrationsdurchbruch an den Brunnen (Messung) Rückwärtsrechnung Spiegelung der Zeitachse T r a n s t o r t Konzentration S t r ö m u n g Förderung Vorwärtsrechnung Konzentrationsvorgabe an den Brunnen (Randbedingung) Modellzeit Abb. 7 Modellzeit Vorbereitendes Datenhandling der Randbedingungen zur Rückwärtssimulation mit dem Transportmodell Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 11 Die Konzentrationsrandbedingung wird normiert zu 100 % angegeben. Die Ergebnisse der rückwärts gerichteten Transportberechnung dürfen nicht mehr in der Weise als Konzentrationen interpretiert werden, dass die zu einem bestimmten Berechnungszeitpunkt vom Modell an einem Ort formal ausgewiesenen Konzentrationen zu diesem Zeitpunkt dort nachweisbar gewesen wären. Dies resultiert aus dem Umstand, dass zwar der konvektive Transport in seiner Richtung umgekehrt wird, jedoch nicht der dispersive. Bei der rückwärts gerichteten Transportmodellierung kommt es dispersionsbedingt mit zunehmendem Berechnungsfortschritt in der Vergangenheit zu einem wachsenden Verschmieren der formal berechneten Konzentrationsfronten. Wir interpretieren einen solchen vom Modell an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit ausgewiesenen Konzentrationswert qualitativ als Wahrscheinlichkeit, mit der sich dort und zu diesem Zeitpunkt das den Brunnen kontaminiert zugetretene Wasser befand. Diese Interpretation der Berechnungsergebnisse lehnt sich auch an den Gedanken an, der dem Random-Walk-Verfahren zugrunde liegt. Dort wird die Wirkung der hydrodynamischen Dispersion, vereinfacht formuliert, über Wahrscheinlichkeitsverteilungen abgebildet. Die so berechneten Bereiche mit höher ausgewiesenen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten halten wir dann auch für höffiger bei der Suche nach potenziellen Eintragsstellen der LCKW in das Grundwasser. In der Abb. 8 wird ein Berechnungsergebnis für einen 10 Jahre in der Vergangenheit liegenden Zeitpunkt dargestellt. Anzumerken ist, dass die formal ausgewiesenen Konzentrationswerte keine absoluten Wahrscheinlichkeitswerte in % darstellen, sondern nur qualitativ in dem Sinn interpretiert werden dürfen, dass höher ausgewiesene Zahlen auch höhere Wahrscheinlichkeiten erwarten lassen. G ± G G G G G G G G G G G G G G G GGG G G GGGGG G G GG MASS 10 11 21 31 41 51 61 71 81 91 - Abb. 8 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Legende G 0 750 1.500 Meter Brunnen WW Spandau Straße Schiene Gewässer Gewerbegebiet Hakenfelde Berechnete Wahrscheinlichkeitsverteilung der Lage der LCKW nach einem 10 Jahre in die Vergangenheit gerichteten Berechnungszeitraum Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 12 Auf diese Weise können die wahrscheinlichen Lagebereich der LCKW von Ergebniszeitpunkt zu Ergebniszeitpunkt nachvollzogen werden. Diese beschriebenen Ergebnisse lassen sich auf verschiedene Art und Weise aggregieren. Die Abb. 9 zeigt eine Verschneidung der in fünfjährigen Abständen analog Abb. 8 ausgegebenen Verteilungen der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des mit den Brunnen geförderten kontaminierten Wassers. Auf diese Weise erhält man einen zusammenfassenden Überblick über alle erkundungswürdigen Bereiche des Einzugsgebiets. Bei dieser auf die wahrscheinlichen Transporträume und Eintragsflächen fokussierten Untersuchungen geht zunächst der Fließzeitbezug verloren. G ± G G G G G G G G G G G G G G G GGG G G GGGGG G G GG MASS 10 11 21 31 41 51 61 71 81 91 - Abb. 9 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Legende G 0 750 1.500 Meter Brunnen WW Spandau Straße Schiene Gewässer Gewerbegebiet Hakenfelde Verschneidung von in Fünf-Jahres-Abständen ausgegebenen Verteilungen der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Um diesen zusammenfassend darstellen zu können, werden Isoliniendarstellungen eines vorab zu definierenden Niveaus des Wahrscheinlichkeitspotenzials für die verschiedenen Ausgabezeitpunkte überlagert dargestellt. Die Abb. 10 zeigt beispielsweise 10%-Isolinien für die in die Vergangenheit gerichteten Fließzeiten von 5, 10, 20 und 30 Jahren. Bei allen zeitlichen Auswertungen ist zu beachten, dass bei diesen Transportberechnungen keine Retardation berücksichtigt wurde, was näherungsweise für VC zutrifft. Diese zeitbezogene Auswertung kann bei der Quellsuche hilfreich sein, wenn Abschätzungen über die Transformationszeiten der in den Brunnen gefundenen Stoffe vorliegen oder wenn es Zeiträume für eine historische Recherche potenzieller Schadstoffquellen festzulegen gilt. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau Abb. 10 Überlagerung von Isolinien des 10%-Wahrscheinlichkeitspotenzials für verschiedene in die Vergangenheit gelegenen Berechnungszeitpunkte Die vorgestellte Methodik der in die Vergangenheit gerichteten Transportmodellierung erwies sich als gut handhabbares und sehr aussagekräftges Instrument bei der Festlegung von Recherchegebieten für LCKW-Quellen in Abhängigkeit der aus den Modellergebnissen ableitbaren Treffsicherheit. Diese Aussage fand ihre Bestätigung darin, dass zwischenzeitlich von der Auftraggeberschaft veranlasste Recherchen und Untersuchungen deutliche Indizien für eine LCKW-Quelle in einem Bereich ergaben, für den nach ca. 15 Berechnungsjahren die höchsten Wahrscheinlichkeiten ausgewiesen wurden. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 13 D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grundwassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 5. Literatur [1] Schäfer, D.: Beitrag zur digitalen Simulation komplexer eindimensionaler Migrationsprozesse. – Diss. TU Dresden, Dresden, 1988 [2] GCI: Modellrechnungen zur Optimierung des Monitorings zum LCKW-Abstrom aus dem Gewerbegebiet Hakenfelde (Berlin-Spandau). GCI GmbH, Königs Wusterhausen, 2003, unveröffentlicht [3] BGC: Grundwasserprojekt Gewerbegebiet Hakenfelde – Stoffausbreitung in Richtung Wasserwerk Spandau. Boden- und Grundwasser-Consulting GmbH, Potsdam, 2003, unveröffentlicht 6. Danksagung Wir danken den Berliner Wasserbetrieben für die Möglichkeit, das im Rahmen ihres Wasserressourcen-Managements erstellte ständig verfügbare Grundwassermodell für das Einzugsgebiet des betroffenen Wasserwerks zu nutzen. Somit war eine kurzfristige Problemlösung realisierbar. Insbesondere bedanken wir uns bei Frau Dlubek und Herrn Günther für die konstruktive Mitarbeit. Herrn Troschke von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung des Landes Berlin danken wir für die intensive Unterstützung und die angenehme kreative Zusammenarbeit während des gesamten Projektes. Der Senatsverwaltung danken wir für die Erlaubnis zur Veröffentlichung dieses Fachbeitrages. Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004 14
