Modellierung der regionalen Nitrattransportprozesse im Grundwasser des länderübergreifenden...

Modellierung der regionalen Nitrattransportprozesse im Grundwasser des länderübergreifenden Oberrheingrabens (F/D/CH) zwischen Karlsruhe und Basel im Rahmen des Projektes INTERREG III MoNit

Projektstand 17.01.2006Ergebnisse Tranportmodell

Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbHInstitut de Mécanique des Fluides et des Solides,

StraßburgSteinbeis-Transferzentrum 734,

Grundwassermodellierung

Untersuchungsgebiet:Arbeiten Grundwassermodell:

• Modellaufbau• Stationäre Strömungseichung für Stichtag 20.10.1986• Instationäre Strömungseichung für 1986 – 2002

• Langjähriger Transport von Tritium 1963 bis 1997•Identifikation vom durchflusswirksamen Hohlraumanteil

• Näherungsweise stationärer Transport von Sauerstoff (30 J)•Eichung der Abbauraten von O2 und NO3

• Langjähriger Transport von NO3 (stationäre Strömung) 1960-2000

• Nitrattransport mit instationärer Strömung (1986 – 2002)

Untersuchungsgebiet:Simulation Tritium:

Randbedingungen:• Zeitlich variabler Tritiumeintrag gemäß Neubildung unter

Berücksichtigung der ungesättigten Zone•Flächige Neubildung•Randzuflüsse

• Zeitlich variabler Tritiumeintrag entsprechend Niederschlag:

•Baggerseen• Zeitlich variabler Tritiumeintrag aus Stationswerten für die

Fließgewässer

Betrachtungszeitraum: 1963 – 1998

Vergleich mit gemessenen Tritiumwerten • 466 Messstellen• 498 Werte

Untersuchungsgebiet:Messstellen mit gemessenen Tritiumwerten

Kalibrierungsschritte (1)

• Basislauf: – Strömungsmodell vom Oktober 2005– Berechnete Tritiumkonzentrationen in den

Neuenburgschichten zu niedrig und in den Breisgauschichten zu hoch

• Anpassung 1: – Verringerung der Durchlässigkeit in den Breisgau-

Schichten– Erhöhung der Durchlässigkeit in den Neuenburgschichten– Berechnete Tritiumkonzentrationen in allen Schichten zu

niedrig

Kalibrierungsschritte (2)

• Anpassung 2:– Erhöhung der Tritiumkonzentrationen in

den Fließgewässern entsprechend der Messwerte im Neckar (Station Obertürkheim)

– Verbesserte Nachbildung der gemessenen Tritiumkonzentrationen

• Anpassung 3:– Variation der effektiven Porositäten

Tritiumeintrag

1980 1985 1990 1995 2000 2005

N iederschlag

Neckar

Mittlere Abweichung

Basislauf 1. Anpassung 2. Anpassung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Messung - Berechnung

0 20 40 60Messung

Variation der effektiven Porosität

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4ne

Tritium

###########

######

### #####

######

########

######

########

###############

Untersuchungsgebiet:Vergleich gemessenes und berechnetes Tritium

1e-55e-51e-55e-41e-43e-35e-31e-35e-2

> 5#S4 - 5#S3 - 4#S2 - 3#S1.5 - 2#S1 - 1.5#S0.5 - 1#S-0.5 - 0.5#S-1 - -0.5#S-1.5 - -1#S-2 - -1.5#S-3 - -2#S-4 - -3#S-5 - -4#S< -5#S

#S < -5

#S -5 - -4

#S -4 - -3

#S -3 - -2

#S -2 - -1.5

#S -1.5 - -1

#S -1 - -0.5

#S -0.5 - 0.5

#S 0.5 - 1

#S 1 - 1.5

#S 1.5 - 2

#S 2 - 3

#S 3 - 4

#S 4 - 5

infiltrierendexfiltrierend

# -30 - -15# -15 - -5# -5 - 5# 5 - 15# 15 - 30

Untersuchungsgebiet:Messdaten als Vergleichsgrößen für Sauerstoff- und Nitratmodellierung:

Messstellen O2 und NO3 mit Messungen von 1997

Messstellen mit Nitratganglinien

Untersuchungsgebiet:Identifikation der Zuströmung zu den Messstellen:

Differenzierung nach:• Grundwasserneubildung• Zufluss vom Rand• Zufluss vom Gewässersystem• Zufluss vom Rhein• Zufluss aus dem Grundwasser (Def.: Anteil der übrigen

Randbedingungen kleiner als 30%

Untersuchungsgebiet:Messstellen vom Rand beeinflusst:

Anteil Randzustrom größer als 30%

Untersuchungsgebiet:Messstellen vom Rhein beeinflusst:

Anteil Rheinwasser größer als 30%

Untersuchungsgebiet:Messstellen von der Neubildung beeinflusst:

Anteil Neubildung größer als 30%

Untersuchungsgebiet:Messstellen vom Gewässernetz beeinflusst:

Anteil Gewässernetz größer als 30%

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

## ###

####### #

# # ####

#### ##

#### #

#######

########

###### #

gemesseneO2 –Konzentration[mg/l]

## ###

####### #

# # ####

#### ##

#### #

#######

########

###### #

Untersuchungsgebiet:Messstellen vom Grundwasser beeinflusst:

Anteil:•Neubildung•Rheinwasser•Gewässernetz•Randzustromkleiner als 30%

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

gemesseneO2 –Konzentration[mg/l]

Untersuchungsgebiet:Simulation Sauerstoff:

Randbedingungen:• Stationäres Strömungsfeld• Neubildung: 10 mg/l• Rhein: 7 mg/l• Gewässer, Randzufluss: 5 mg/lSimulationszeit: näherungsweise stationäre Sauerstoffverteilung nach 30 JahrenAbbau 0. Ordnung (konstanter Abbau)Anpassung der AbbauratenVergleich mit gemessenen Sauerstoffdaten• 1010 Messwerte für 1997• Mittelwerte für 596 Ganglinien

Untersuchungsgebiet:Anpassung Sauerstoffabbau:

Variation der homogenen Abbauverteilung:• Beste Anpassung bei 0,23 mg/l a• Mittlere Abweichung 3,01 mg/l

Differenzierte Abbauverteilung• 0,02 mg/l a – 2,2 mg/l a• Mittlere Abweichung 2,85 mg/l

Untersuchungsgebiet:Differenzierter Sauerstoffabbau:

#S -30 - -15#S -15 - -5#S -5 - 5#S 5 - 15#S 15 - 30

1e-55e-51e-55e-41e-43e-35e-31e-35e-2

> 5#S4 - 5#S3 - 4#S2 - 3#S1.5 - 2#S1 - 1.5#S0.5 - 1#S-0.5 - 0.5#S-1 - -0.5#S-1.5 - -1#S-2 - -1.5#S-3 - -2#S-4 - -3#S-5 - -4#S< -5#S

#S < -5

#S -5 - -4

#S -4 - -3

#S -3 - -2

#S -2 - -1.5

#S -1.5 - -1

#S -1 - -0.5

#S -0.5 - 0.5

#S 0.5 - 1

#S 1 - 1.5

#S 1.5 - 2

#S 2 - 3

#S 3 - 4

#S 4 - 5

infiltrierendexfiltrierend

#S -5 - -3#S -3 - -1#S -1 - -0.5#S -0.5 - 0.5#S 0.5 - 1#S 1 - 3#S 3 - 5

<5E-095 - 10 E-0910 - 15 E-0915 - 20 E-09>20 E-09

O2 –Abbaurate[mg/l * s]

Untersuchungsgebiet:Gemessener / berechneter O2 1997 :

Abbau von 0,23 mg/l a

gemessen / observée [mg/l]

0 5 100

Untersuchungsgebiet:Gemessener / berechneter O2 1997 :

0 5 100

DifferenzierzterAbbau:0,02 mg/l a – 2,2 mg/l a

Untersuchungsgebiet:Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen:

gemessen berechnet

O2 –Konzentration[mg/l]

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

Untersuchungsgebiet:Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen:

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

# < -10# -10 - -5# -5 - -2.5# -2.5 - -1# -1 - 1# 1 - 2.5# 2.5 - 5

Differenz gemessen – berechnet [mg/l]

Untersuchungsgebiet:Simulation Sauerstoff:

3400000 34500000

Untersuchungsgebiet:Bereiche geringer Sauerstoffkonzentration:

Abbau von NO3 bei O2 < 3 mg/l

Untersuchungsgebiet:Simulation des Nitrattransports:

Nitratzufluss aus Neubildung:• Nitratfrachtverteilung für 1950, 1980, 1990 und 2000• Ermittlung der Nitratkonzentration aus Neubildung• Lineare Interpolation der NitratzuflusskonzentrationNitratkonzentration der Oberflächengewässer: 4-9 mg/lNitratkonzentration des Randzuflusses aus EinzugsgebietsbetrachtungSimulationszeitraum: 1950 – 2000Stationäre StrömungAbbau 0. Ordnung:• Abbau in den Bereichen mit O2<3 mg/l• Abbauverteilung des Sauerstoffs * 1,55 (aus Stöchiometrie)Vergleich Messwerte und Modellrechnung:• 1997 (Bestandsaufnahme der Grundwasserqualität im Oberrheingraben)• Ganglinien

Untersuchungsgebiet:Simulation langjähriger Nitrattransport:Eintrag 1950

Nitratfracht: Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet:Heterotrophe Denitrifikation:

OHCOOOCH2222

22232275445 NOHCOHNOOCH

Heterotrophe DenitrifikationMikrobiell katalysierte Oxidation von natürlichem org. Kohlenstoff (CH2O) mit Sauerstoff und, bei Sauerstoffmangel, mit Nitrat als Oxidationsmittel.

Oxidation mit Sauerstoff:

1 Mol O2 pro Mol CH2032 g O2 pro Mol CH2O

Oxidation mit Nitrat:

4/5 Mol NO3- pro Mol CH20

49,6 g NO3- pro Mol CH2O

Faktor O2 : NO3 = 49,6/32 = 1,55

Untersuchungsgebiet:Nitratkonzentration 1997:

GemessenBerechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet:Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997:

0 25 50 75 1000

Verringerung Nitrateintragum 25% auf Acker

0 25 50 75 1000

• Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet:Differenz der Nitratkonzentrationen 1997:

0 25 50 75 100-100

Untersuchungsgebiet:Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten:

Schicht

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-20

20551 108 59 22 19 23 18 24 26 71

Schicht

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-20

Verringerung Nitratzuflusskonzentration am Rand und in der Tiefe

551 108 59 22 19 23 18 24 26 71

0 25 50 75 1000

• Randzuflusskonzentration•Oberes 1/3: 100%•Mittleres 1/3: 30%•Unteres 1/3 10%•200 mg/l maximal

0 25 50 75 1000

0 25 50 75 100-100

Schicht

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-20

551 108 59 22 19 23 18 24 26 71

Schicht

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-20

551 108 59 22 19 23 18 24 26 71

Über FilterstreckeIntegegrierte Auswertung

0 25 50 75 1000

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

# < -10# -10 - -5# -5 - -2.5# -2.5 - -1# -1 - 1# 1 - 2.5# 2.5 - 5

# < -40# -40 - -20# -20 - -5# -5 - 5# 5 - 20# 20 - 40# > 40

Untersuchungsgebiet:Gemessen / Berechnete Nitratwerte 1997:

Messstellen 0 bis 20 m

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

# < -10# -10 - -5# -5 - -2.5# -2.5 - -1# -1 - 1# 1 - 2.5# 2.5 - 5

# < -40# -40 - -20# -20 - -5# -5 - 5# 5 - 20# 20 - 40# > 40

# 0 - 1.5# 1.5 - 4# 4 - 6# 6 - 8# > 8

# < -10# -10 - -5# -5 - -2.5# -2.5 - -1# -1 - 1# 1 - 2.5# 2.5 - 5

# < -40# -40 - -20# -20 - -5# -5 - 5# 5 - 20# 20 - 40# > 40

Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

Berechnet Schicht 5 Gemessen

BerechnetMittelwert für Schicht 1-5

Gemessen

Untersuchungsgebiet:Ausgewählte Nitratganglinien:

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 20020

150gemessen, observéeberechnet, calculée

Grundwassermessstelle, piézomètre: 59/161-0Nitrat-Konzentration, concentration en nitrates

Stationäre Strömung

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 20020

Instationäre Strömung

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 20020

Grundwassermessstelle, piézomètre: 1996X0168Nitrat-Konzentration, concentration en nitrates

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 20020

Untersuchungsgebiet:Einfluss des Nitratabbaus Schicht 1:

Ohne AbbauMit Abbau

Untersuchungsgebiet:Einfluss des Nitratabbaus Schicht 5:

Ohne AbbauMit Abbau

Untersuchungsgebiet:Zusammenfassung:

Tritium-Modellierung:• Hohlraumanteil von 25%Sauerstoffmodellierung:• Verteilung des Sauerstoffabbaus• Identifikation von AufstiegsbereichenNitratmodellierung:• Einfluss der Eintragsverteilung auf Modellergebnis groß• Beste Übereinstimmung bei 75% Nitratkonzentration auf Ackerflächen• Randzuflusskonzentration in den unteren Schichten verringert• Nitratabbau sensitiv für:

•Untere Schichten•Nitratkonzentrationen < 30 mg/l

• Meist gute Anpassung der Ganglinien• Vergleich mit Stichtagsmessung 1997: große Streuung

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