Für die Parametrisierung von Stoff- und Wärmetransportmodellen, welche z. B. im Rahmen der Gefährdungsabschätzung im Altlastenbereich Anwendung finden, werden in der Modellierungspraxis zum gegenwärtigen Zeitpunkt zwei Ansätze verfolgt. Ersterer besteht darin, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen über theoretische Zusammenhänge ermittelbar sind. Der zweite Ansatz besteht darin, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen aus Ergebnissen von objektspezifisch und naturnah durchgeführten Laborversuchen bestimmbar sind.
Unter der Annahme, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen über theoretische Zusammenhänge ermittelbar sind (Ansatz 1), besteht ein deutlich geringerer Zeitbedarf, da keine objektspezifischen Untersuchungen erforderlich sind. Nachteilig sind die daraus resultierenden, sehr komplexen Parametermodelle mit einer hohen Anzahl an Kennwerten und Parametern, welche verfügbar sein müssen, jedoch teilweise nicht ermittelbar sind. Erzielte Ergebnisse zeigen teilweise erhebliche Abweichungen von der Realität und sind kaum bzw. nur schwer verifizierbar. Beispielsweise ergibt die Ermittlung des Kd-Wertes aus Literaturwerten, der für die Quantifizierung der Sorption/Desorption benötigt wird, eine deutliche Überschätzung der Sorption/Desorption im Vergleich zu objektspezifisch ermittelten Werten. Im Gegensatz dazu steht der Ansatz, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen aus Ergebnissen von objektspezifisch und naturnah durchgeführten Laborversuchen ermittelbar sind (Ansatz 2). Ein Vorteil ist hierbei, dass die objektspezifisch zu beachtenden komplexen Wirkungen in den ermittelten Parametern bereits enthalten sind. Sehr einfache und damit nachvollziehbare Parametermodelle führen zu einer mehrfach nachgewiesenen, sehr guten Übertragbarkeit in den Feldbereich. Nachteilig ist der teilweise sehr große Zeitbedarf für die Durchführung laborativer Untersuchungen (bis zu 6 Monate für die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten). Daraus resultiert der Anspruch, dass jeder Laborversuch vollständig auswertbar ist und keine Wiederholungen durchgeführt werden müssen.
Durch das im Jahr 2018 fertiggestellte AiF-Projekt „Entwicklung eines verfahrenstechnischen Laborsystems für die automatisierte Ermittlung von Migrationsparametern für den Boden- und Grundwasserbereich“ (Projektleitung Dost, P.) können Kennwerte (für die quantitative Charakterisierung von Bodeneigenschaften und damit für die Vergleichbarkeit von Böden) und Parameter (für die Quantifizierung von Prozessen) im Bereich Quell- und Transportterm¬ erstmals automatisiert und unter Berücksichtigung einer definierten Versuchsplanung, einer Versuchsdurchführung bzw. -steuerung sowie einer Versuchsauswertung einschließlich Plausibilitätsprüfung ermittelt werden. Dadurch wurde das Problem der aus der teilweise langen Versuchszeit resultierenden Notwendigkeit der Vermeidung einer Wiederholung von Laborversuchen gelöst. Die Versuchsplanung von Laborversuchen nimmt dabei eine übergeordnete Rolle ein, um die Anzahl sowie die zeitliche Verteilung der Stützstellen (Probennahmezeitpunkte) festlegen zu können. Dies erfordert jedoch die Bereitstellung und Visualisierung der entsprechenden boden- und stoffspezifischen Funktionsverläufe auf der Grundlage bereits ermittelter Quell- und Transporttermparameter. Gleiches gilt für die Kennwerte, welche als Erwartungswerte für die Versuchsplanung herangezogen werden müssen und später im Sinne einer Plausibilitätsprüfung der im Laborversuch ermittelten Kennwerte und Parameter dienen.
Um dieses Problem lösen zu können, erfolgte im Rahmen der Dissertation, jedoch außerhalb des AiF-Projektes, die Entwicklung einer Datenbank (LabD), welche alle bisher von der BGD ECOSAX GmbH ermittelten Quell- und Transporttermparameter einschließlich Kennwerte enthält. Dadurch konnte gleichzeitig die Grundlage für die im Rahmen der Versuchsplanung erforderliche Auswahl des Laborversuchsverfahrens gelöst werden.
Die in der Datenbank enthaltenen Quell- und Transporttermparameter sowie bodentypischen Kennwerte können für eine erste objektspezifische Gefährdungsabschätzung direkt verwendet werden. Der Objektbezug wird dabei durch die nachgewiesenen Korrelationsbeziehungen zwischen standortspezifischen Kennwerten und den in der Datenbank in Abhängigkeit der Kennwerte enthaltenen Parametern hergestellt. Mithilfe der Kenntnis existierender Korrelationsbeziehungen und Abhängigkeiten bodenphysikalischer sowie stoffabhängiger Kennwerte und Parameter ist es gelungen, die beschriebene Bereitstellung und Visualisierung zu realisieren. Durch die Ermittlung von Korrelationskoeffizienten einschließlich ihrer Signifikanz wird verdeutlicht, wie intensiv einzelne Parameter und Kennwerte zusammenhängen und diese sich auf durchzuführende Laborversuche auswirken können.
Die existierende Heterogenität der Boden- und Grundwasserzone stellt weiterhin einen hohen Anspruch an die Durchführung von Laborversuchen und ihrer Interpretation dar. Der Ungleichförmigkeitsgrad resultiert stets aus einer integralen Mischprobe und kann die Heterogenität nur unzureichend abbilden. Er liefert lediglich einen Hinweis auf heterogene Verhältnisse der jeweiligen Bodenprobe. Das Verhalten zwischen effektiver und hydraulisch gering wirksamer Porosität kann genau wie die Größe der Abweichung zwischen dem richtungsabhängigen kf-Wert nach DARCY und dem strömungsunabhängigen kf-Wert nach BEYER ein Maß für die Beschreibung der Heterogenität des Bodens darstellen.
Die alleinige Verwendung von Literaturwerten im Rahmen einer Gefährdungsabschätzung, einer Sickerwasserprognose oder einer Modellierung kann zu signifikanten Abweichungen im Vergleich zur Realität führen, gerade aufgrund der großen Varianz existierender Literaturwerte und teilweise nicht bekannter Randbedingungen. Für Sanierungsmaßnahmen und den damit verbundenen Kosten ist eine Überschätzung der Gefährdung genauso problematisch wie deren Unterschätzung. Aus einer Unterschätzung der Gefährdung könnte die Entscheidung folgen, dass eine Grundwassersanierung nicht erforderlich ist. Später würden jedoch Kontaminationskonzentrationen festgestellt werden, die Sanierungsmaßnahmen erfordern.
Ein weiteres, wesentliches Ergebnis der Dissertation ist der Nachweis der direkten Übertragbarkeit der mittels des entwickelten Labormanagementsystems (LMS) bestimmten Migrationsparameter in den Feldbereich. Damit wurde ein grundsätzlicher Beitrag für eine fachliche und wirtschaftliche Begründung der Durchführung objektspezifischer Laborversuche zur Quell- und Transporttermparameterermittlung geleistet. Da die Probleme der Unter- wie der Überschätzung der Grundwassergefährdung bei der Genehmigung von Sanierungsmaßnahmen zunehmend von den genehmigenden Behörden und Auftraggebern festgestellt werden, wird auch zukünftig der Bedarf an Laborversuchen zur repräsentativen Ermittlung von Migrationsparametern steigen.:THESEN
1. EINLEITUNG
2. KENNTNISSTANDSANALYSE
2.1. VERGLEICH ZWISCHEN LITERATUR- UND LABORERGEBNISSEN
2.1.1. Zielstellung der Beispiele
2.1.2. Beispiel 1: Sickerwasserprognose
2.1.3. Beispiel 2: Fahnenprognose
2.2. KENNWERTE UND PARAMETER
2.2.1. Begriffsverwendung
2.2.2. Definition von Kennwerten und Parametern
2.2.3. Einteilung von Kennwerten und Parametern
2.3. DEFINITION QUELL- UND TRANSPORTTERM
2.4. HETEROGENITÄT IM BODEN- UND GRUNDWASSERBEREICH
2.5. PROZESSANALYSE UND MODELLVORSTELLUNG
2.5.1. Prozessvorstellung
2.5.2. Einporensystem
2.5.3. Doppelporensystem
2.5.4. Stofftransport im Doppelporensystem
2.6. KORRELATIONSBEZIEHUNGEN UND ABHÄNGIGKEITEN
2.6.1. Definition und Abgrenzung des Begriffs der Korrelation
2.6.2. Korrelationsbeziehungen zwischen Kennwerten
2.6.3. Korrelationsbeziehungen zwischen Kennwerten und Parametern
2.6.4. Weitere Korrelationsbeziehungen und Abhängigkeiten zwischen Kennwerten und Parametern
2.7. ERMITTLUNG VON MIGRATIONSPARAMETERN
2.7.1. Forderung an die Parameterermittlung
2.7.2. Parameterermittlung im Feldbereich
2.7.3. Parameterermittlung im Laborbereich
2.8. ÜBERBLICK EXISTIERENDER LABORVERSUCHSVERFAHREN
2.8.1. Zielstellung Auswahl Laborversuchsverfahren
2.8.2. Batch- und Säulenversuche
2.8.3. Vor- und Hauptversuche
2.9. MAßSTABSFAKTOREN UND ÜBERTRAGBARKEIT
2.10. VERSUCHSPLANUNG LABORATIVER UNTERSUCHUNGEN
2.10.1. Anwendungsbereich existierender Datenbanken
2.10.2. Anwendungsbereich existierender Normen
2.10.3. Stützstellenplanung laborativer Untersuchungen
2.11. AUTOMATISIERTE ERMITTLUNG VON MIGRATIONSPARAMETERN IM LABOR
3. DEFIZITANALYSE
4. ZIELSTELLUNG
5. ENTWICKLUNG DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS)
5.1. AUFBAU DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS)
5.2. START DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS)
5.3. ENTWICKLUNG DER SYSTEMKOMPONENTEN
5.3.1. Versuchsplanung
5.3.2. Versuchsdurchführung (Versuchssteuerung)
5.3.3. Versuchsauswertung
5.4. VEREINFACHTE GEFÄHRDUNGSABSCHÄTZUNG (GFA)
5.5. VISUALISIERUNG VON FUNKTIONEN
5.5.1. Visualisierungskonzept in Planung, Durchführung und Auswertung
5.5.2. Optimierung von Funktionen – Methode der kleinsten Quadrate
6. AUFBAU DATENBANK MIGRATIONSPARAMETER (LABD)
6.1. DATENAUSWAHL
6.1.1. Bearbeitungsgrundlagen
6.1.2. Datenzusammenstellung
6.2. TEST AUF NORMALVERTEILUNG
6.2.1. Anderson-Darling-Test
6.2.2. Ergebnisse Test auf Normalverteilung
6.3. TEST AUF AUSREIßER
6.3.1. Dean-Dixon-Test
6.3.2. Ergebnisse Test auf Ausreißer
6.4. HYDRAULISCH WIRKSAME POROSITÄT IN LITERATUR UND PRAXIS
7. KORRELATIONSBEZIEHUNGEN
7.1. TEST AUF KORRELATION
7.1.1. Rangkorrelationskoeffizient
7.1.2. Signifikanztest der Korrelationsbeziehung
7.2. ERGEBNISSE DER KORRELATIONS- UND SIGNIFIKANZANALYSE
7.2.1. Zusammenstellung der Korrelationskoeffizienten
7.2.2. kf-Wert nach BEYER und DARCY
7.2.3. Porositätsanteile, longitudinale Dispersivität und Massentransfer
7.2.4. Ungleichförmigkeitsgrad
7.2.5. Feldkapazitäten und van GENUCHTEN-Parameter
7.2.6. Bedeutung der Korrelationsbeziehungen in Theorie und Praxis
8. QUELL- UND TRANSPORTTERMBESTIMMUNG UNTER VERWENDUNG VON LABORMANAGEMENTSYSTEM (LMS) UND DATENBANK (LABD)
8.1. VERWENDETE GRUNDLAGEN
8.2. LCKW-SCHADENSFALL
8.3. PSM-SCHADENSFALL
8.4. PROJEKTEINGABE UND MANAGEMENT IM LMS
8.5. LABORVERSUCHE QUELLTERMBESTIMMUNG – ELUTION
8.5.1. IBSV zur Ermittlung der Elutionsraten
8.5.2. Versuchsplanung Elution
8.5.3. Versuchsdurchführung Elution
8.5.4. Versuchsauswertung Elution
8.6. LABORVERSUCHE QUELLTERMBESTIMMUNG – DIFFUSION
8.6.1. IBSV zur Ermittlung diffusionslimitierter Stoffaustragsraten
8.6.2. Versuchsplanung, -durchführung und -auswertung Diffusion
8.7. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – MIKROBIELLER ABBAU
8.7.1. IBSV zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten
8.7.2. Versuchsplanung mikrobieller Abbau
8.7.3. Versuchsdurchführung mikrobieller Abbau
8.7.4. Versuchsauswertung mikrobieller Abbau
8.7.5. Einsatz des LMS für die Ermittlung mikrobieller Abbauraten ohne Erwartungswerte der LabD
8.8. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – SORPTION
8.8.1. Versuchskonzeption ohne Erwartungswerte
8.8.2. Batchversuche zur Ermittlung der Sorptionskoeffizienten
8.8.3. Versuchsplanung Sorption (Vorversuche)
8.8.4. Versuchsdurchführung Sorption
8.8.5. Versuchsauswertung Sorption
8.9. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – RETARDATION
8.9.1. Klassischer SV zur Ermittlung der Retardationskoeffizienten
8.9.2. Versuchsplanung Retardation
8.9.3. Versuchsdurchführung Retardation
8.9.4. Versuchsauswertung Retardation
9. VEREINFACHTE GEFÄHRDUNGSABSCHÄTZUNG (GFA)
9.1. DURCHFÜHRUNG SICKERWASSERPROGNOSE
9.1.1. Anwendung von ALTEX-1D
9.1.2. Monitoring Quellterm
9.1.3. Prognose einer vollständigen Flächenversiegelung
9.2. DURCHFÜHRUNG FAHNENPROGNOSE
9.2.1. Voraussetzungen
9.2.2. Fahnenprognose LCKW-Schadensfall
9.2.3. Fahnenprognose PSM-Schadensfall
9.2.4. Qualitätssicherung und Übertragbarkeit der Ergebnisse
10. VERHÄLTNIS ZWISCHEN EFFEKTIVER UND HYDRAULISCH GERING WIRKSAMER POROSITÄT – EINE KENNGRÖßE DER HETEROGENITÄT?
10.1. PROBLEMSTELLUNG
10.2. TRACERVERSUCHE ZUR CHARAKTERISIERUNG DER HETEROGENITÄT
10.2.1. Versuchsdurchführung
10.2.2. Tracerversuche mit heterogener Materialverteilung im Linerkern
10.2.3. Tracerversuche mit homogener Materialverteilung im Linerkern
10.3. QUALITÄTSSICHERUNG – RANDBEDINGUNG SUFFOSION
10.4. VERGLEICH UND INTERPRETATION DER ERGEBNISSE
11. ZUSAMMENFASSUNG
12. AUSBLICK
QUELLENVERZEICHNIS
ANLAGEN
Anlage 01 – Vorteile und Nachteile der Vor- und Hauptversuche
Anlage 02 – Verwendete Keywords der durchgeführten Literaturrecherche
Anlage 03 – Ergebnisse Test auf Normalverteilung
Anlage 04 – Ergebnisse Test auf Ausreißer
Anlage 05 – Ergebnisse Rangkorrelationskoeffizienten und Signifikanz
Anlage 06 – Aufbau intermittierend betriebener Säulenversuch (IBSV)
Anlage 07 – Ermittlung der Wasserdurchlässigkeit (kf-Wert nach DARCY)
Anlage 08 – Ermittlung der effektiven Porosität
Anlage 09 – Durchführung Elution (IBSV)
Anlage 10 – Ermittlung der Elutionsraten 0. und 1. Ordnung
Anlage 11 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Elution
Anlage 12 – Durchführung Diffusion (IBSV)
Anlage 13 – Ermittlung der diffusionslimitierten Stoffaustragsrate
Anlage 14 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Diffusion
Anlage 15 – Durchführung mikrobieller Abbau (IBSV)
Anlage 16 – Ermittlung der mikrobiellen Abbaurate 1. Ordnung
Anlage 17 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Abbau
Anlage 18 – Ermittlung der Sorptionskoeffizienten
Anlage 19 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Sorption
Anlage 20 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Retardation
Anlage 21 – Sickerwasserprognose ALTEX-1D
Anlage 22 – Fahnenprognose
Anlage 23 – Effektive Porosität und Heterogenität
Anlage 24 – Geometrische Suffosion
Anlage 25 – Hydraulische Suffosion
ABKÜRZUNGS- UND SYMBOLVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72527 |
| Date | 27 October 2020 |
| Creators | Dost, Philipp |
| Contributors | Liedl, Rudolf, Weiß, Holger, Schirmer, Mario, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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