Quantification of vulnerability classes through mass transport scenario modeling using the ETI concept

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): XVII, 204 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Die Beurteilung der intrinsischen Vulnerabilität hinsichtlich einer Grundwassersverschmutzung ist Teil der Einschätzung des Risikos einer Grundwasserkontamination. Allerdings schätzen die bisher üblichen Beurteilungsmethoden für die Vulnerabilität diese nur qualitativ und nicht quantitativ ab. Diese Studie zielt darauf die Beurteilung der Vulnerabilität zu verbessern, indem subjektive, intrinsische Vulnearbilitätsindizes quantitativ beschrieben werden. Dazu wird ein kombinierter Ansatz zur Quantifizierung der intrinsischen Vulnerabilitätsklassen entwickelt, bei dem das Emission-Transmission-Immission (ETI) Konzept als Modell des Schadstofftransportes angewendet wird. Dieser Ansatz führt zu quantifizierten, objektiven und messbaren Klassen der spezifischen Vulnerabilität. Ein neuer Beitrag der Studie ist die Einbeziehung der Ergebnisse von Versuchen mit einer spezifischen, experimentellen Einheit, ‘Diffusions Zelle’ genannt, bei der Anwendung des ETI Konzepts als Grundlage des Modellierungsprozesses der Quantifizierung. Die häufig verwendeten, quantitativen Ansätze nutzt zurzeit lediglich theoretische und aus der Literatur stammende Daten im Modell, welches jedoch nicht in der Lage ist, die Mechanismen der Schadstoffsorption bis zu dem Erreichen des Grundwasser zu beschreiben. Eine integrierte Methodik, die aus vier Hauptteilen besteht: (1) Bestimmung der adsorbierten Menge an Nitrat durch die Analyse der Massenbilanz mittels Diffusionszelle (2) Verwendung des Wertes der maximalen Mengen an adsorbierten Nitrat, der anhand der Freundlich- Isotherme mittels des ETI Tools basierend auf einem iterativen Konzept bestimmt wurde, zur Bestimmung durchschnittlich benötigte Zeit, die Nitrat (aus mineralischen und künstlichen Quellen) benötigt bis zum Erreichen des Grundwassers (3) Ermittlung der intrinsischen Vulnerabilität unter Nutzung des DRASTIC Modells und Bestimmung der spezifischen Attribute: durchschnittlich benötigte Zeit bis Nitrat das Grundwasser erreicht, unterteilt nach den verschiedenen Grundwassertiefen. Danach wurde eine Karte für die gesamt benötigte Zeit, die Nitrat braucht, bis es das Grundwasser erreicht, erstellt (4) Integration der Karten der intrinsischen Vulnerabilität mit den resultierenden spezifischen Attribut-Karten wurde aufgebaut. Acht repräsentative, ungestörte Bodenproben wurden aus der Region Schwalmtal/Nettetal (Teil des Kreises Viersen, Deutschland) gesammelt. Das Untersuchungsgebiet wurde gewählt, da dort intensiv Landwirtschaft getrieben wird, die Schutzkapazität des Bodens gegen Schadstoffe reduziert und der Grundwasserleiter oberflächennah und porös ist. Die bereits existierende Diffusionszelle wurde durch Justierungen optimiert, wobei durch die Vernachlässigung der Advektionseffekte die Nitratadsorption der sandigen Böden optimiert wurde. Der vernachlässigte Effekt wurde durch Durchlässigkeitsversuche bestimmt, wodurch die Werte für die hydraulische Druckhöhe ermittelt wurden. Für die Interpretation des Adsorptionsverhaltens der Böden mit unterschiedlichen Korngrößen wurden die Bodeneigenschaften untersucht. Die Konzentrationen der im Versuch angewendeten Nitratlösungen betrugen 25, 100 und 250 mg/L, welche basierend auf den in der Literatur vorzufindenden Werten für die Düngung in der Region gewählt wurden. Eine statistische Analyse der Karten der DRASTIC- Parameter wurde durchgeführt. Diese ergab, dass das höchste Verschmutzungsrisiko durch den Parameter „Bodenmedium“ bestimmt wird. Weiterhin zeigt die Sensitivitaetanalayse, in der einzelne Parameter aus der Berechnung entfernt werden, eine geringe Übereinstimmung zwischen dem Index der Variation der Empfindlichkeit und den theoretischen Werten für alle DRASTIC- Parameter, mit Ausnahme der Grundwassertiefe, auf. Zwei modifizierte Ansätze der DRASTIC Methode wurden unter Berücksichtigung der Beladungsrate jeder Bodenprobe konfiguriert. Das Parameter „Bodenmedium“ wurde aufgrund der vorherigen Ergebnisse für die Modifikation ausgewählt. Die Integration der Karten resultierte in spezifischen/ integrierten Vulnerabilitätskarten, die neu ermittelte Vulnerabilitätsklassen auf der Basis von quantifizierten Ergebnissen darstellen. Als Endergebnis wurden spezifische Vulnerabilitätskarten des quantifizierten Index der Nitratverschmutzung für die Schwalmtal/Nettetal-Region erstellt. Die entwickelte Methode der Quantifizierung ist generell anwendbar zur Beurteilung der Vulnerabilität flacher Grundwasserleiter gegen Verschmutzung, sofern die maximal adsorbierte Menge an Schadstoff und andere wichtige hydrogeologische Daten als Eingangswerte für das ETI Tool zur Verfügung stehen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Al-Kharabsheh, Noor M.

Gutachterinnen und Gutachter

Azzam, Rafig
Rüde, Thomas R.

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-040040
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-04004