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D. Schäfer, Durchführung von Modellrechnungen zur Optimierung des Grund- wassermonitorings bezüglich einer LCKW-Kontamination in Berlin Spandau 1

Fachtagung „Grafikgestützte Grundwassermodellierung“, Köln im Juni 2004

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



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 LCKW-Befunde 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 LCKW-Quellen gesucht werden soll. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden in [2] dokumentiert.

Abb. 1 Standortsituation mit in [3] vermuteten Ausbreitungsrichtungen der LCKW ausgehend vom

Gewerbegebiet

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02/70V

SPA171

SPA103

0091013

UM 8

UM 4

UM 2

UM 13

UM 12

UM 10

SPA179

SPA099 SPA064

SPA053

SPA052SPA038

SPA037

Sen 3137

Sen 0513

Stbr. 120

Stbr. 080

Stbr. 061

Stbr. 043

Stbr. 038

SPA 156

Stbr. 142

Stbr. 137

Stbr. 131

Stbr. 129

Stbr. 106

Stbr. 098

Stbr. 065

Stbr. 011

20/72V18/83V

06/83V05/83V04/83V03/82VSPA sued

SPA sued 01/82

07/83V

10/83V

UM 9

UM 7

UM 6UM 5

UM 3

UM 1

UM 11

Ra 31

Ra 30Ra 29 Ra 28

21/83V

19/72V17/83V

16/83V

15/83V

11/83V

SPA182

SPA180

SPA061

SPA063UPSPA063OP

Stbr. 139

Stbr. 121

Stbr. 115

Stbr. 113

Stbr. 057

Stbr. 040

Stbr. 00312/83V14/83V13/83V

09/72V08/83V

GWA

Infitrations-

becken 5-6

GWA

Infitrations-

becken 3

GWA

Infitrations-

becken 1-2

GWA

Infitrations-

becken 4GWA

Polizeischlenke

GWA Kuhlake ±

0 500250Meter

anl_1

Legende

Analysierte Messstellen

ohne Befund

GWLK 1

SPA156

mit Befund

nachgewiesen

unterhalb des Geschiebemergels

oberhalb des Geschiebemergels

Ausbreitungsrichtungen der LCKW -Fahne im Transfergebiet

Grundwasseranreicherung (GWA)

modellbasierte GW-Gleiche für Strömungssituation 2000 im GWLK 2

� GWLK 2 GWLK 1 u. 2�

Y

>

SPA182

Vinylchlorid

TetrachlorethenTrichlorethencis - Trichlorethen

+

+

+

+

punktuelle Konzentrationsdarst. -erkundete LCKW - Komponenten

Gewerbegebiet Hakenfelde

Modellbr. Bauwasserhaltung 1-3 der Wasserstadt

Modellbr. Grundwassersanierung auf dem Siemensgelände

Wasserwerksbrunnen%U

%U

%U

im Rahmen der Epignoserechnungen berücksichtigte Grundwasserentnahmen

- durch Bauwasserhaltungen- durch Eigenversorgungsanlagen

LCKW - Fahne im 1. oder 2. GWLim Gewerbegebiet Hakenfelde

%

%

nach [ BGC, 2003]

vermutet

nach [ BGC, 2003]

�



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).



Abb. 2 Gegenüberstellung gemessener und simulierter Ganglinien des Grundwasserstandes

an der Messstelle Sen0513

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

28,40

28,60

28,80

29,00

29,20

29,40

29,60

29,80

30,00

30,20

30,40

30,60

30,80

31,00

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

h [

mN

N]

Messung

Berechnung



Abb. 3 zeigt ein derart ermitteltes Bahnlinienbild, wobei der Graustufenverlauf entlang der Stützpunkte die jeweils zurück gelegte Fließzeit dokumentiert.

Abb. 3 Bahnlinienverläufe ausgehend vom Gewerbegebiet klassifiziert nach der Fließzeit

des Grundwassers

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

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anl_10.1

0 5 0 02 5 0M e t e r

±

Legende

nachgewiesen

unterhalb des Geschiebemergels

oberhalb des Geschiebemergels

Ausbreitungsrichtungen der LCKW -Fahne im Transfergebiet

Vinylchlorid

TetrachlorethenTrichlorethen

cis - Trichlorethen

++

+

+

punktuelle Konzentrationsdarstellungen -erkundete LCKW - Komponenten

Bahnlinenverläufe farblich klassifiziert nach Fließzeit des Grundwassers in a

nach [ BGC, 2003]

vermutet


nach [ BGC, 2003]


Gewerbegebiet Hakenfelde(in Anlehnung an [BGC, 2003])

GWLK 1� GWLK 2 GWLK 1 u. 2��

# 0 - 5# 5 - 10# 10 - 15

# 15 - 20# 20 - 25# 25 - 30

# 30 - 35# 35 - 60

> 40#



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.



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.

anl_15

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±

0 500250Meter

Legende

Grundwasseranreicherung (GWA)

Horizontaldiskretisierung der Stromröhre



Bahnlinien rückwärts ausgehend von denBrunnen berechnet (Strömungsregime 2002)



0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Fließweg [m]

Ko

nze

ntr

ati

on

[µ

g/l

]

PCE

TCE

cDCE

VC

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 VC-Konzentrationen 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.



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.

Abb. 6 Ausgehend von den Brunnen rückwärts berechnete Bahnlinien für das gegenwärtige

Bewirtschaftungsregime

±

0 500 1.000250Meter

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anl_14.2 + 5

Legende Bahnlinenverläufe farblich klassifiziert nach Fließzeit des Grundwassers in a


nach [ BGC, 2003]

Wasserwerksbrunnen klassifiziert nach den analysierten Maximalwerten LCKW (einschließlich VC) in µg/l


Vinylchlorid

TetrachlorethenTrichlorethen

cis - Trichlorethen

++

+

+

punktuelle Konzentrationsdarstellungen -erkundete LCKW - Komponenten

GWLK 1� GWLK 2 GWLK 1 u. 2��

#S 1 - 1.5#S 1.5 - 2#S 2 - 2.5

#S 3 - 4

#S 11

Start an Brunnen mit ∑ LCKW >= 1µg/l

Start an Brunnen mit ∑ LCKW < 1µg/l

Start an den BrunnenSPAsued12/83V bis 14/83V



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.

Abb. 7 Vorbereitendes Datenhandling der Randbedingungen zur Rückwärtssimulation mit dem Transportmodell

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ng

För

deru

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Vorwärtsrechnung Rückwärtsrechnung

Modellzeit Modellzeit

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zent

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n

Kon

zent

ratio

n

Konzentrationsdurchbruch an den Brunnen

(Messung)

Konzentrationsvorgabe an den Brunnen

(Randbedingung)

S t r ö m u n g

T r a n s t o r t



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 Wahrschein-lichkeitsverteilungen 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.

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GGGGGGGGGGGGGG

G

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GGG

G

G

G

±

0 1.500750Meter

MASS

1011 - 2021 - 3031 - 4041 - 5051 - 6061 - 7071 - 8081 - 9091 - 100

Legende

Brunnen WW SpandauStraßeSchieneGewässerGewerbegebiet Hakenfelde

G

Abb. 8 Berechnete Wahrscheinlichkeitsverteilung der Lage der LCKW nach einem 10 Jahre in die

Vergangenheit gerichteten Berechnungszeitraum



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.

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±

0 1.500750Meter

MASS

1011 - 2021 - 3031 - 4041 - 5051 - 6061 - 7071 - 8081 - 9091 - 100

Legende

Brunnen WW SpandauStraßeSchieneGewässerGewerbegebiet Hakenfelde

G

Abb. 9 Verschneidung von in Fünf-Jahres-Abständen ausgegebenen Verteilungen der Aufenthalts-

wahrscheinlichkeiten

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.



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.



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.

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