Applied numerical modeling of saturated / unsaturated flow and reactive contaminant transport - evaluation of site investigation strategies and assessment of environmental impact

Abstract

In this thesis numerical models of variably saturated flow and reactive transport processes in porous media are employed as assessment tools in two different fields of application. The first thematic complex studied is the computer based evaluation of investigation strategies for contaminated soils and aquifers. For this purpose the 'Virtual Aquifer' (VA) concept is introduced and demonstrated by an assessment of the so called center line method for contaminant plume investigation. Errors and uncertainties in the estimation of contaminant degradation rates from center line data, which is often collected at field sites, are analysed. This is done by application at synthetic contaminated aquifers models, which are generated in the computer by numerical simulation of contaminant spreading. Monte Carlo simulations and sensitivity studies are performed to quantify the influences of sampling error magnitude, aquifer heterogeneity and model parameterisation on the estimated rate constants. In a second application example, the VA concept is used for the development and testing of a new approach for biodegradation parameter estimation. The performance of this method is studied in heterogeneous synthetic aquifers. Also, the propagation of errors and uncertainties from estimated rate parameters to a prognosis of the contaminant plume lengths is studied to obtain an indicator for the significance of the estimated degradation potential. The performance of the new parameter estimation method is assessed by comparison to frequently used approximations by first order kinetics. The second thematic complex addressed in this thesis is the evaluation of environmental impact of contaminant emissions from road constructions by type scenario modelling. Two general concepts for modelling of flow and transport, i.e. the Eulerian and the Lagrangian points of view, are combined in this study to assess the extent of leaching from contaminated demolition waste within road structures to the groundwater surface. Transport simulations are performed for a number of typical subsoil units of Germany to analyse the sensitivity of contaminant transport behaviour on subsoil properties. The relevant contaminant transport and attenuation processes in road constructions and the different subsoils are identified. The study allows to draw important conclusions on how these mechanisms could be used or enhanced to reduce contaminant leaching to groundwater.

Diese Arbeit stellt die Verwendung numerischer Modelle gesättigt / ungesättigter Strömungs- und reaktiver Stofftransportprozesse in porösen Medien als Bewertungsinstrument in zwei verschiedenen Anwendungsfeldern vor. Der erste hier betrachtete Themenkomplex behandelt die computerbasierte Evaluierung von Erkundungsstrategien für kontaminierte Böden und Grundwasserleiter. Hierzu wird das Konzept der 'Virtuellen Aquifere' (VA) eingeführt und anhand einer Bewertung der sogenannten Center-Line Methodik zur Schadstofffahnenerkundung demonstriert. Die Center-Line Methode wird in der Praxis häufig zur Erhebung von Daten angewendet, auf deren Grundlage Schadstoff-Abbauratenkonstanten abgeschätzt werden können. Die Bewertung dieser Vorgehensweise wird durch eine Analyse der dabei auftretenden Fehler und Unsicherheiten vorgenommen, indem die Methode bei synthetischen kontaminierten Aquifermodellen angewendet wird, die am Computer durch numerische Simulation der Schadstoffausbreitung generierten wurden. Durch Monte-Carlo Simulationen und Sensitivitätsanalysen werden die Einflüsse von Messfehlern, Aquifer-Heterogenität und Modellparametrisierung quantifiziert. In einem zweiten Anwendungsbeispiel wird die VA-Methodik zur Ableitung und Prüfung eines neuen Ansatzes zur Schätzung von Parametern mikrobieller Abbaukinetiken angewendet. Die Eignung des Verfahrens wird in synthetischen heterogenen Aquiferen geprüft. Darüber hinaus wird die Fehler- und Unsicherheitspropagation von den geschätzten Abbauparametern zu mit diesen prognostizierte Schadstofffahnenlängen untersucht, um Indikatoren für die Aussagekraft der Parameter zu erhalten. Das Verfahren wird durch einen Vergleich mit häufig angewendeten Näherungen durch Kinetiken erster Ordnung bewertet. Der zweite im Rahmen dieser Arbeit behandelte Themenkomplex ist die Bewertung der Umweltauswirkungen von Schadstoffausträgen aus Straßenbauten durch Typszenarienmodellierung. Hier werden zwei allgemeine Konzepte zur Modellierung von Strömung und Transport, der Eulerische und der Larangesche Ansatz, miteinander kombiniert. Das Ausmaß des Schadstoffeintrags aus belastetem im Straßenbau eingesetztem Recycling-Bauschutt ins Grundwasser wird durch Einsatz der mit einander gekoppelten numerischen Modelle GeoSys/Rockflow und SMART bewertet. Die Transportsimulationen werden für eine Reihe typischer Unterbodeneinheiten Deutschlands durchgeführt, um die Sensitivität des Schadstofftransportverhaltens auf die Unterbodeneigenschaften zu untersuchen. Die relevanten Schadstofftransport- und Attenuierungsprozesse im Straßenaufbau und den Unterböden werden identifiziert. Die Studie ermöglicht wichtige Schlüsse im Hinblick eine Nutzung und Förderung dieser Mechanismen zu einer weiteren Reduktion der Schadstoffeinträge ins Grundwasser.