Grundwassermodellierung: Schadstofffahnen gezielt erfassen

Wie lässt sich eine Schadstofffahne sicher erfassen?

Wenn Schadstoffe im Grundwasser nachgewiesen werden, ist ihre Ausbreitung eine zentrale Frage für die Sanierungsplanung. Wo befindet sich die Schadstofffahne? Wie bewegt sich das Grundwasser? Und welche Fördermenge benötigen Entnahmebrunnen, um die Fahne hydraulisch zu erfassen?

Für die Untersuchung einer BTEX-Belastung hat M&P Ingenieurgesellschaft Nord – Teil von SIERA – ein numerisches Grundwassermodell erstellt und kalibriert. Das Modell verbindet vorhandene Messdaten mit hydrogeologischen Randbedingungen und Informationen zur Grundwasserneubildung. Anschließend wurde mit Particle Tracking untersucht, welche Fördermengen für eine hydraulische Erfassung der modellierten Schadstofffahne erforderlich sind.

Die Ergebnisse liefern eine Grundlage für die Planung der Sanierungsmaßnahme. Sie zeigen zugleich, warum Modellprognosen immer zusammen mit ihren Annahmen und Unsicherheiten betrachtet werden müssen.

Messdaten und Standortbedingungen bilden die Grundlage

Ein Grundwassermodell bildet die Strömungsverhältnisse im Untergrund rechnerisch ab. Damit seine Ergebnisse für die konkrete Fragestellung nutzbar sind, muss es die verfügbaren Informationen zum Standort berücksichtigen.

Für das untersuchte Projekt wurden vorhandene Messdaten, hydrogeologische Randbedingungen und Angaben zur Grundwasserneubildung zusammengeführt. Auf dieser Basis entstand ein Modell, mit dem sich die Grundwasserströmung und die Wirkung geplanter Entnahmebrunnen untersuchen lassen.

Anschließend wurde das Modell kalibriert: Berechnete Grundwasserstände wurden mit gemessenen Werten verglichen und das Modell entsprechend angepasst. Dabei wurde eine sehr gute Übereinstimmung erzielt. Das stärkt die Grundlage für die weiteren Berechnungen. Es bedeutet jedoch nicht, dass sämtliche Eigenschaften des Untergrunds oder die genaue Grenze der Schadstofffahne vollständig bekannt sind.

Mit unvollständigen Daten verantwortungsvoll umgehen

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand eine BTEX-Kontamination. BTEX bezeichnet die Stoffe Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole. Für die Planung der hydraulischen Sicherung war entscheidend, die Ausdehnung der Belastung im Modell zu berücksichtigen.

Die Schadstofffahne konnte nicht in allen Richtungen vollständig abgegrenzt werden. Statt die unbekannten Bereiche auszublenden, wurde ein konservativer Ansatz gewählt: Ihre angenommene Ausdehnung wurde vorsorglich erweitert.

Damit berücksichtigt die Modellierung eine größere Fahne, als die vorhandenen Daten eindeutig belegen. Dieser Schritt ist für die Interpretation der Ergebnisse wichtig. Die berechnete Erfassung bezieht sich auf die im Modell angesetzte Fahnenausdehnung – nicht auf einen bereits nachgewiesenen Sanierungserfolg im Gelände.

Particle Tracking prüft die hydraulische Erfassung

Mit Particle Tracking lassen sich rechnerische Fließwege innerhalb des Grundwassermodells verfolgen. Für das Projekt wurde damit untersucht, ob das geplante System aus Entnahmebrunnen die modellierte Schadstofffahne hydraulisch erfasst und welche Fördermengen dafür angesetzt werden müssen.

Die Simulationen ergeben für das untersuchte Basisszenario drei Entnahmebrunnen mit jeweils rund 225m³ Fördermenge pro Tag. Zusammen entspricht das rechnerisch rund 675m³  pro Tag. Unter diesen Modellannahmen wird die angesetzte Fahne vollständig erfasst.

Eine Modellberechnung ist dabei ein Planungsinstrument. Sie unterstützt die Auswahl und Auslegung einer Maßnahme, ersetzt aber nicht die Prüfung ihrer Wirkung im späteren Betrieb.

Was passiert, wenn sich eine Annahmeändert?

Hydrogeologische Parameter sind nicht überall im Untergrund mit gleicher Sicherheit bekannt. Deshalb wurde zusätzlich untersucht, wie empfindlich das Ergebnis auf eine Änderung der hydraulischen Durchlässigkeit reagiert.

Bei verdoppelter hydraulischer Durchlässigkeit steigt die berechnete erforderliche Fördermenge auf rund 345m³  pro Tag und Brunnen. Für drei Brunnen ergibt das rechnerisch rund 1.035m³  pro Tag. Der Unterschied zum Basisszenario zeigt, wie stark eine geänderte Annahme die Auslegung beeinflussen kann.

Die Sensitivitätsanalyse liefert keinen zweiten, allgemeingültigen Förderwert. Sie macht sichtbar, wie die Prognose auf eine veränderte Annahme reagiert. Für die Sanierungsplanung ist diese Information ebenso wichtig wie das Ergebnis des Basisszenarios.

Modellierung als Grundlage für die Sanierungsplanung

Numerische Grundwassermodelle helfen, komplexe Strömungsverhältnisse nachvollziehbar zu untersuchen und geplante Maßnahmen vor ihrer Umsetzung zu bewerten. Im vorliegenden Projekt verbindet das Modell vier wesentliche Schritte: Datenauswertung, Kalibrierung, eine vorsorglich erweiterte Fahnenausdehnung und die Prüfung von Fördermengen unter unterschiedlichen Annahmen.

Für M&P Ingenieurgesellschaft Nord innerhalb von SIERA liegt der Wert der Modellierung nicht in einer einzelnen Zahl. Entscheidend ist, dass Planungsentscheidungen auf dokumentierten Daten beruhen und Unsicherheiten sichtbar bleiben. So lässt sich besser beurteilen, welche Anforderungen an die hydraulische Sicherung gestellt werden.

Die Ergebnisse beschreiben die berechnete Erfassung der BTEX-Fahne im untersuchten Modell. Ob die Maßnahme unter den tatsächlichen Bedingungen dauerhaft wie vorgesehen wirkt, muss im Rahmen der weiteren Planung und des Betriebs überprüft werden.

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