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Stofftransport und Stoffhaushalt

Während dieser Woche wird in die Software PhreeqC eingeführt. PhreeqC ist ein thermodynamisches Gleichgewichtsprogramm, es berechnet die Speziesverteilung an Hand einer eingegebenen Analyse (gelöste Stoffe), bekannter Phasen (Minerale oder Gase) auf der Basis der Thermodynamik. Die Software ist verfügbar über den USGS (United States Geological Survey) - es gibt beim USGS eine ganze Web-Seite mit Dokumentation, Einführung, Software (download).

1. Tag

1. Doppelstunde

Hintergrund: Themen des Stofftransportes, Aufgabenfelder. Am Ende der Seite einige Fragen zur Reflektion, wo Stofftransport bei aktuellen Aufgaben benötigt wird.

  • Folien zur Vorlesung: Einführung - Lernziele und Aufbau der Vorlesung, Besprechung der Prüfungsleistung am Ende der Woche, Organisation (Geländetag). Wasserinhaltsstoffe - was sich im Wasser alles befindet (Tabelle).
  • Folien zur Vorlesung: Wiederholung - graphische Darstellung (Piper), was bedeutet die Lage im Piper-Diagramm, Beispiel Kalahari und Namibia mit Karbonatwässern, Dolomit-, Salzwässern und Flutwässern (keine klare Kationen-Signatur. Verteilung der Konzentrationen, Hauptionen, Spurenstoffe, Seltene Erden. Typische Werte von Wasserinhaltsstoffen.

2. Doppelstunde

Zusammenstellung der wichtigsten Richtlinien zur Wasserqualität, national und international. Die Trinkwasserverordnung, die Mineralwasserverordnung, die Arzneimittelverordnung, Empfehlungen der World Health Organization und der Environmental Protection Agency der USA (EPA) sind zusammengestellt. Hier kann man nachlesen, welche Grenzwerte für einzelne Stoffe gelten oder welche Empfehlungen es gibt.

  • Wiederholung der Grundlagen.: Massenwirkungsgesetz, Ionenaktivitätsprodukt, Ionenstärke, Aktivitätskoeffizient $\gamma$, Berechnung des Sättigungsindexes
  • Fallstudie Deponie Ihlenberg. Untersuchung des möglichen Einflusses der Deponie Ihlenberg auf das Grundwasser vor Lübeck. Der volle Bericht kann bei der Stadt Lübeck oder auf dem Dokumentserver unter uhydro.de/open eingesehen werden.

Übung zum ersten Tag: Nachmittag - Einführung in PhreeqC

Die Software kann über folgenden Link heruntergeladen werden.

Sollte der Link über den USGS nicht funktionieren, kann die Datei auch über diese Seite geladen werden:

Einige neue Begriffe wurden eingeführt. Zunächst wird jedes Programm mit dem Schlüsselwort TITLE erföffnet, danach kann Kommentar und Text stehen.

TITLE Meerwasser

Eine Analyse wird mit dem Schlüsselwort SOLUTION 1 Name definiert. Jede Analyse hat eine Nummer, danach steht der Name der Analyse, um diese wiederzuerkennen.

SOLUTION 1 (NORDSTROM et al. 1979)
        units   ppm
        pH      8.22
        pe      8.451   # Achtung
        density 1.023
        temp    25.0
        Ca              412.3
        Mg              1291.8
        Na              10768.0
        K               399.1
        Fe              0.002
        Mn              0.0002  pe
        Si              4.28
        Cl              19353.0
        Alkalinity      141.682 as HCO3
        S(6)            2712.0
        N(5)            0.29    gfw   62.0
        N(-3)           0.03    as    NH4
        O(0)            1.0     O2(g) -0.7

Dazu einige Kommentare: Sulfat wird als S(6) definiert, ebenso Nitrat als N(5). Hydrogenkarbonat wird als Alkalinity 141.682 as HCO3 definiert.

Die Verdunstung einer Probe erfolgt mit dem Schlüsselwort REACTION 1 Name. Jede Reaktion hat eine Nummer, danach kann ein Name ergänzt werden. Für die Verdunstung wird negatives Wasser hinzutitriert. Die Menge des entnommenen Wassers ist hier 52.73 mol. Die Gesamtmenge ist immer 1 kg und entspricht ca. 55.5 mol pro kg.

REACTION 1 
        H2O     -1.0 
        52.73 moles 

Zwei Proben werden mit dem Befehl MIX gemischt. Die zu mischenden Proben werden mit ihren Anteilen benannt.

MIX 1
 	1 0.5
        2 0.5

Übungsaufgabe zum ersten Tag:

  • Einlesen einer einfachen Analyse des Meerwassers. Auswerten der Ausgabe Datei mit Ionenbilanzfehler, Speziesverteilung, Sättigungsindizes. Verdunsten Sie das Meerwasser bis auf 5 % Rest und beschreiben Sie, welche Stoffe ausfallen.

 Tabelle der typischen Zusammensetzung von Wasser des Meeres, des Festlandes und dere Atmosphäre

Freiwillige Übungsaufgabe:

Eine aufwändigere Analyse des Grundwassers von Heilbronn. Erstellen Sie die Eingabe-Datei selber. Hier muss die richtige Datenbank ausgewählt, da es auch Spurenstoffe gibt. Wenn Sie Zweifel über die Schreibweise haben, schauen Sie in der Datenbank nach. Beantworten Sie die folgenden Fragen für die Analyse von Heilbronn

  • Welche Datenbank erfüllt alle Anforderungen?
  • Wie ist das Ionengleichgewicht - Ist die Analyse OK?
  • Welches sind die häufigsten As Spezies.
  • Sind diese Konzentrationen kritisch (WHO, TWV)? Dazu kann man in den Richtlinien nachschauen. Die Trinkwasserverordnung und die WHO geben dazu Informationen.

2. Tag: Exkursion in die Wiehre und zur Wonnhalde

Treffpunkt an der Johanniskirche um 9:15. Geländearbeit bis um 12:00. Thema ist die Aufnahme von Geländedaten und die Orientierung im Gelände für eine Stofftransportaufgabe.

operating instructions

Various functions are available as part of the map.

mouse/touch operation
  • moving by grabbing the map with a mouse-click you can move the map around
  • overview map using the + button in the bottom right of the map you can expand an overview map
  • zooming in and out using the + and - buttons in the top left of the map you can obtain more or less detail in the map
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  • retrieving information the map may contain elements that contain more information, by clicking these a popup will show this information
  • fullscreen display using the ✈ button the map can be maximized to fullscreen display, use the ✕ button to return to page display.
keyboard operation

Keyboard operation becomes available after activating the map using the tab key (the map will show a focus indicator ring).

  • moving using the arrow keys you can move the map
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  • switching themes or maps clicking on the ≡ icon on the right-hand side of the map you can view and select available maps and themes
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  • fullscreen display using the ✈ button the map can be maximized to fullscreen display, use the ✕ button to return to page display.

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Points of Interest
id symbol latitude longitude description
1 marker-green 47.9888118º 7.847670º

Johanniskirche, Freiburg

2 marker-red 47.9871410º 7.846551º

Verdachtsfläche A, Wiehre/Freiburg

3 marker-blue 47.974279º 7.845582º

Verdachtsfläche B, Wonnhalde/Freiburg

Geländeinformationen zur Festlegung des Konzeptmodelles.

3. und 4. Tag: Reaktionen und Transport

Theorie Reaktion - Lösung von Phasen (Gase und Minerale)

Die Grundlagen für die Erweiterung von Transportmodelle um Lösung von Gasen, Lösung von Flüssigkeiten und Lösung von Mineralen werden besprochen.

Die Anwendung von PhreeqC wird Schritt für Schritt um die einzelnen Reaktionen erweitert, die für die Modellierung dieses Falles erforderlich sind. Diese Reaktionen sind:

  • Gasaustausch nach Henry für die Lösung von Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder Ammoniak
  • Einstellung von Gleichgewichten mit Mineralphasen wie Calcit, Dolomit, Feldspäten, Alumosilikaten, Pyroxene oder auch Schadstoffen, die in fester Form vorliegen und eine Wasserlöslichkeit besitzten wie Carnotit (Uran-Karbonate), Calomel (Quecksilber-Verbindungen)
  • Zugabe von Stoffen mit dem Befehl REACTION (der ist schon aus der Verdunstung bekannt)
  • Zugabe von Stoffen, die Redoxreaktionen auslösen (organische Verbindungen, die leicht abgebaut werden)

Die Lösung von Gasen kann mit dem Schlüsselwort GAS_PHASE speziell für Gase oder mit dem Befehl EQUILIBRIUM_PHASES erreicht werden. Die erste Option bietet mehr Möglichkeiten, die zweite ist einfacher und universeller - sie wird auch für die Lösung von Mineralphasen verwendet.

GAS_PHASE 1-5  Air
       -fixed_pressure
       -pressure       1.0
       -volume         1.0
       -temperature  10.0
      CH4(g)          0.0
      CO2(g)          0.000316
      O2(g)           0.2
      N2(g)           0.78

Hierbei wird ein Gas nach dem Gasgesetz $ p*V = n*R*T$ mit dem Druck $p$, dem Volumen $V$, der Molzahl $n$, der allgemeinen Gaskonstante $R$ und der Temperatur $T$ in seiner Verteilung gerechnet und dann bis zur Löslichkeitskonstante in Wasser gelöst. Das obige Beispiel beschreibt die Lösung von Luft. Sie können es eingeben und in der Output-Datei nachsehen, wieviele Mol in Wasser gelöst vorliegen und wie sich dieses auf den pH-Wert und auf das Redox-Potential auswirkt. Einfacher ist die Ausertung, wenn der Befehl SELECTED_OUTPUT verwendet wird.

Eine Lösung von Gas bis zum Löslichkeitsgleichgewicht, bei dem nicht Drücke oder Volumina angegeben werden müssen, kann einfacher mit dem Befehl EQUILIBRIUM_PHASES erfolgen.

EQUILIBRIUM_PHASES
        CO2(g)          -2.0    

Hierbei wird $CO_{2}(g)$ solange gelöst, bis ein Sättigungsindex von -2.0 erreicht wird. Für Gase entspricht dieser Wert dem Logarithmus des Partialdruckes. In diesem Beispiel wird bei -2.0 also bis zu einem Partialdruck von 0.01 (=$10^{-2}$) gelöst. Wird hier 0.0 eingegeben, so wird bis zur Sättigung gelöst - das entspräche einer reinen Kohlendioxid-Atmosphäre mit dem Partialdruck 1 und einem log(Partialdruck)=0. Anschließend wird die Lösung von Mineralphasen behandelt. Die Lösung von Calcit oder anderen Mineralphasen erfolgt ganz einfach mit dem Schlüsselwort EQUILIBRIUM_PHASES:

EQUILIBRIUM_PHASES
        Calcite          0.0    

Die Lösung erfolgt bis zum angegebenen Sättigungsindex - bei 0.0 als bis zur Sättigungsgrenze für dieses Mineral. In der Hilfe sind eine Reihe nützlicher Optionen gegeben. Danach wird das Thema Redox-Reaktionen behandelt. Die Redoxkette von Sauerstoffzehrung über Nitratreduktion, Eisenreduktion und Sulfatreduktion bis zur Methanogenese wird noch einmal kurz wiederholt. Zur Wiederholung der Grundbegriffe die Folien zum Thema RedOx. Dabei wird auch noch einmal die Redox-Messung und Bestimmung besprochen. Hierbei sind die Parameter pe - negativer dekadischer Logarithmus der Elektronenkonzentration - und der Redoxwert in mV. Dies ist die Grundlage für die Modellierung der Redoxreaktionen mit PhreeqC. Hierfür widd das Schlüsselwort REACTION noch einmal genauer erläutert. Die Redoxreaktion am Beispiel des Trinkwassers von Ebnet werden mit einem Fallbeispiel demonstriert (siehe die Redox Ebnet).

REACTION 1
        CH2O(NH3)0.07     1.0
        1. 2. 3. 4. 8. 16. 32 64. 125. 250. 500. 1000. mmol
TITLE Ebnet
SOLUTION 1    #Values from Freiburg Ebnet, 2007
	units  mg/l
	temp        	10.0
	pH          	8.22 
	Ca       		33.3
	Mg       	      3.5
	K       	      1.5
	Na            	7.5
      C(4)              80.0  as HCO3- charge 
	S(6)         	10.8	as SO4-2
	Cl           	11.8  
	N(5)          	14.5	as NO3-
 	Fe            	0.02
REACTION 1 Streusalz
      Al(OH)3
      0 0.0001 0.001 0.01 moles
SELECTED_OUTPUT
      -file Ebnet.txt
      -pH
      -totals      Ca C(4) Na Cl Al
      -molalities  Ca+2 CaHCO3+ CaSO4 CaCO3 CaOH+ CaHSO4+ Al(OH)4- Al(OH)3 Al(OH)2+ AlOH+2 Al+3 AlSO4+ Al(SO4)2- AlHSO4+2 
END

Danach wird nach der Geländearbeit das Konzeptmodell für ein Stofftransportmodell erstellt. Dabei werden Beispiel für Konzeptmodelle dargestellt. Eine Fallstudie, die mit PhreeqC gerechnet wurde ist der Stofftransport von einem Hg und Cd kontaminierten Holzlager in Bad Krozingen bis nach Hausen. Das Konzeptmodell wurde von Dörthe Carstens erstellt, deren Masterarbeit an der AL Universität erstellt wurde.

 Konzeptmodell des Stofftransportes von einer Altlast bei Bad Krozingen nach Hausen mit den Bereichen ungesättigte Zone, gesättigte Zone und mit den hydrochemischen Prozessen, die dabei eine Rolle spielen

Link zur Verwendung von Aquion (PhreeqC)

Beispiel für die Reaktion von Pyrit:

TITLE Ebnet
SOLUTION 1    #Values from Freiburg Ebnet, 2007
	units  mg/l
	temp        	10.0
	pH          	8.22 
	Ca       		33.3
	Mg       	      3.5
	K       	      1.5
	Na            	7.5
      C(4)              80.0  as HCO3- 
	S(6)         	10.8	as SO4-2
	Cl           	11.8  charge
	N(5)          	14.5	as NO3-
 	Fe            	0.02
REACTION 1
	O2(g)             0.1
	FeS2              1
      0.01 moles in 100 steps
SELECTED_OUTPUT
      -file Pyrit-EQ.txt
      -pH
	-pe
      -totals      Ca C(4) Na Cl Fe S(6) S(-2) Fe(2) Fe(3)
      -molalities  Fe+2 Fe+3 
END

Übungen, Fallbeispielen und Aufgaben

Sie können die Wirkung auf eine Regenwasseranalyse testen. Die Regenwasseranalyse ist gegeben:

        units		mg/l
        pH              7.0   # gegeben
        temp            10.0
        Ca              2.5
        Mg              0.215
        Na              0.705
        K               0.18
        Cl              1.18
        C(4)            5.0 as HCO3-
        S(6)            2.35 as SO4
        N(5)            1.18 as NO3

Geben Sie nun zunächst CO2(g) aus der Atmosphäre mit einem Partialdruck von 10-3.5 und dann im Boden Calcit, Gips und einen Partialdruck von CO2(g) von 10-1.5 hinzu. Mit SELECTED_OUTPUT können Sie selektiv Ausgaben in eine Datei machen.

SELECTED_OUTPUT
       -file            Regenwasser.txt
       -pH
       -pe
       -charge_balance
       -percent_error
       -totals          Ca Mg Cl Sr Na 
       -gases           CO2(g)
       -equilibrium_phases   Calcite
       -saturation_indices   Calcite
       -molalities           Ca+2  HCO3-  Mg+2
       -activities           Ca+2  HCO3-  Mg+2

Sie können ebenso die Wirkung auf eine Grundwasseranalyse testen. Wir stellen uns vor, dass das Wasser einer Quelle zunächst verdunstet und danach ein Gleichgewicht mit der Atmosphäre hergestellt wird. Was passiert?

TITLE Wasserprobe Quelle
SOLUTION 1  Quelle
      pH              	7.03
      pe                -1.5
      temp            	15.9
      units 		mg/L
      Ca  		206.0
      Mg  		41.7
      Na  		5.94
      K  		8.22
      C(4) 		329.0 as HCO3
      S(6) 		431.0 as SO4
      N(5) 		0.126 as NO3
      Cl 		3.55
      Sr		12.0
SAVE SOLUTION 1
END
TITLE Verdunste das Quellwasser
REACTION 1 Verdunstung von 50 % des Wassers
        H2O     -1.0
        27.75 moles
USE SOLUTION 1
SAVE SOLUTION 2
END
TITLE
EQUILIBRIUM_PHASES 1
        CO2(g)    -3.5
USE SOLUTION 2
END

Beachten Sie dabei die Verwendung der Schlüsselwörter USE # und SAVE # wobei # hier für die Nummer einer Lösung steht. Mit den Befehlen USE und SAVE können Sie angeben, welche Lösung verwendet werden soll, wenn sich dies nicht aus dem Befehl ergibt, oder eine Lösung unter einer neuen Lösungsnummer speichern, nachdem eine Reaktion stattgefunden hat, damit sie diese im nächsten Rechenschritt als Ausgangslösung verwenden können - mit dem Befehl USE.

Adsorption und Austausch

Die Grundlagen der Adsorption und des Ionenaustausches wurden wiederholt. Ionenaustausch betrifft vor allem Kationen (in unserern Breiten und unseren Böden) und unter den Kationen vor allem die Schwermetalle und Metalle. Die Hauptionen Natrium und Kalikum, sowie Ca und Mg sind weniger betroffen. Der Kationenaustausch ist besonders wichtig bei folgenden Problemen und Fragestellungen:

  • Seawater-Intrusion und damit verbundene chemische Veränderungen des Grundwassers
  • Transport von Metallen und Schwermetallen wie z. Bsp. Blei, Cadmium
  • Tracer-Transport in Böden und im Aquifer, Retardation

Zur Wiederholung der Grundbegriffe die Folien zum Thema Absorption und Austausch. Die Sorption wird mit dem Schlüsselwort EXCHANGE eingeführt. Schauen Sie sich das folgende Beispiel an:

TITLE Quelle und Grundwasser
SOLUTION 1  Grundwasser
      pH              	7.03
      temp            	15.9
      units 		mmol/L
      Ca  		100.0
      Mg  		100.0
      Na  		0.00
      K  		10.0
      Sr		10.0
      C(4) 		400.0 as HCO3
      Cl 		30.0
EXCHANGE 1 Gemessene Belegung des Austauschers
	CaX2     0.3
	MgX2     0.2
	NaX       0.5
SELECTED_OUTPUT
       -file            Exchange.txt
       -step
       -totals          Ca Mg Na K Sr Cl
END

Mit dem Schlüsselwort EXCHANGE werden Austauschplätze X definiert, die mit den Ionen Ca, Mg und Na in einer bekannten Menge (Mol) vorbelegt sind. Wenn das Ion zweiwertig ist, belegt es zwei Austauschplätze, daher wird CaX2 und MgX2 aber NaX geschrieben. Das Interessante bei diesem Beispiel ist, dass die Wasseranalyse vorher kein Na besitzt, nach dem Austausch mit dem Austauscher aber Na im Wasser gelöst ist, das vom Austauscher stammt - dafür ist (in gleicher Menge) Ca, Mg und Sr aus dem Wasser auf den Austauscher transferiert worden. Die Konzentrationen der Anionen verändern sich nicht, da wir hier von Kationenaustausch sprechen. Wenn Austauschplätze für Anionen und entsprechende Reaktionen definiert sind, kann allerdings auch Anionenaustausch gerechnet werden (dies ist in den Tropen und Subtropen wichtig). Die Austauschphasen sind in der Datenbank definiert. Wenn Sie also sehen wollen, welche Austauchreaktionen sie modellieren können, so müssen Sie in der Datenbank nach den Begriffen EXCHANGE_PHASES, EXCHANGE_MASTER_SPECIES und EXCHANGE_SPECIES suchen.

EXCHANGE 1 Einfache Darstellung der Austauscher
         X      1.0              # mol pro kg Wasser
        -equilibrate with solution 1

Eine Alternative Darstellung von Austauschern erfolgt, indem die vorhandenen Menge Austauscher in mol angegeben wird (bedenken Sie, immer in mol pro 1 kg Wasser oder 55,5 mol Wasser - Sie müssen also berechnen wie viel Austauscher sie pro kg Boden haben, dann wie viel Wasser in einem kg Boden ist und danach die Austauschermenge auf 1 kg Wasser hochrechnen). Mit dem Befehl -equilibrate with solution 1 wird der Austauscher dann mit einer vorhandenen Lösung ins Gleichgewicht gebracht und entsprechend belegt.

Oberflächenkomplexierung - Surface

Oberflächenkomplexierung ist die Bindung von geladenen Wasserinhaltsstoffen an die Eisenhydroxid-Hydrathülle des Festgesteins. Diese wird als Hfo (hydrous ferro-oxide bezeichnet. Sie hat starke (strong=s) und schwache (weak=w) Bindungen, je nachdem welche Seite der Hydrathülle der Wasserphase zugewandt ist. Beide haben unterschiedliche Eigenschaften, die in der Datenbank definiert sind. Sie können die Oberflächenkomplexierung auch direkt in die Eingabe-Datei schreiben, wenn sie in der Datenbank nicht definiert ist.

SURFACE_SPECIES				
	Hfo_sOH = Hfo_sOH			
		log_k 0.0		
	Hfo_wOH = Hfo_wOH			
		log_k 0.0		
				
	Hfo_sOH  + Hg+2 = Hfo_sOHg+ + H+			
		log_k 7.76		
	Hfo_wOH  + Hg+2 = Hfo_wOHg+ + H+			
		log_k 6.45				

Der Prozess der Oberflächenkomplexierung wird mit dem Schlüsselwort SURFACE eingefügt. Die Oberfläche wird in Quadratnmeter pro Gramm Boden angegeben.

SURFACE 1-100			
	-equilibrate with solution 1-100					
	Hfo_wOH	7.16E-03  600	3.19E+00    # mol Bindungen, m^2/g Oberfläche, g Eisenhydroxid/kg
	Hfo_sOH	1.79E-04

Ein Beispiel ist die Bindung von Quecksilber (Hg) and Oberflächenkomplexe. Um überprüfen zu können, wo das Quecksilber sitzt, müssen Sie die Austauschbelegung in SELECTED_OUTPUT mit ausgeben.

-molalities Hfo_sOHg+  Hfo_wOHg+ Hg Hg2+2 Hg(OH)2 HgClOH HgOH+ HgCl2 HgCl+ Hg+2 Hg(OH)3- HgCl3- HgCl4-2	

Übungsaufgabe

Zur Wiederholung habe ich Ihnen Folien zur Advektions-Dispersions-Gleichung vorbereitet und hochgeladen. Spreadsheets zur Berechnung der ADV in 2 Dimensionen. Zur Nachrechnung in 1D auch die Umsetzung der ADV-Gleichung für 1D-Transport als Excel-Spreadsheet.

Transportmodellierung

Es geht um die Fragestellung, wie lange eine Schwermetallkontamination benötigt, um ein Trinkwasserschutzgebiet zu erreichen. Die Vorlesungsfolien können hier heruntergeladen werden. Für die Umsetzung der Modellierung muss zunächst ein Konzeptmodell erstellt werden. Das Konzeptmodell beschreibt die einzelnen Modellschritte (SOLUTION, EQUILIBRIUM_PhASES, EXCHANGE, TRANSPORT).

TITLE Simple-Transport and ion exchange example

SOLUTION 0  Initial solution for column
        units            mmol/kgw
        temp             25.0
        pH               7.0    
        Ca               1.0
	  C(4)		 2.0 as HCO3-
SOLUTION 1  CaCl2
        units            mmol/kgw
        temp             25.0
        pH               7.0    
        Na               100.0
        Cl               100.0
SOLUTION 2-100  Initial solution for column
        units            mmol/kgw
        temp             25.0
        pH               7.0    
        Ca               1.0
	  C(4)		 2.0 as HCO3-
EXCHANGE 1-100
        X                0.150  # mol/L
        -equilibrate 1
TRANSPORT
        -cells           100
        -length          100*10.0
        -shifts          100
        -time_step       864000
        -flow_direction  forward
        -boundary_cond   flux    flux
        -dispersivity    100*50.0
        -correct_disp    true
        -punch_cells     50
        -punch_frequency 1
SELECTED_OUTPUT
        -time            true
        -step            true
        -distance        true
        -solution        true
        -file            transport.txt
        -totals          Ca Na Cl 
        -molalities      Ca+2 Na+
        -molalities      CaX2 NaX 
END

Übungsbeispiele

Anwendungsbeispiel Transport mit Reaktion: Dieses Beispiel dient Ihnen nur als Hintergrundinformation für eigenständiges Arbeiten

Aufgabe zum Reaktiven Transport

Sie sollen den Stofftransport von der Wonnhalde bis zur Dreisam in einem Modell darstellen. Es gibt eine Altlast auf der Wiese der Wonnhalde und eine in der Wiehre. Beschreiben Sie, wann deren Stoffe die Dreisam erreichen - sie haben dafür eine Messstelle direkt an der Dreisam. Erstellen Sie ein Transportmodell und simulieren Sie den Transport des belasteten Wassers unter Berücksichtigung von Ionenaustausch.

Die Analyse des Regenwassers vor der Infiltration und des Grundwassers im Aquifer von der Altlast bis zur Dreisam sieht folgendermaßen aus:

TITLE Ebnet
SOLUTION 1 Regenwasser
    units         mg/l
    pH            5.5   
    temp          10.0
    Ca            2.5
    Mg            0.215
    Na            0.705
    K             0.18
    C(4)          7.5 as HCO3-
    S(6)          5.0 as SO4
    N(5)          1.18 as NO3
    Cl            1.18
END
TITLE Ebnet
SOLUTION 1    Grundwasser im Günterstal
	units         mg/l
	temp          10.0
	pH            8.22 
	Ca            33.3
	Mg            3.5
	K             1.5
	Na            7.5
        C(4)          85.0  as HCO3-  
	S(6)          10.8  as SO4-2
	Cl            11.8  
	N(5)          14.5  as NO3-
 	Fe            0.02
END

Der Austauscher X hat eine Kapazität von 0.005 mol. Es wird davon ausgegangen, dass die Austauscher vor der Belastung im Gleichgewicht mit dem unbelasteten Grundwasser stehen.

  • Gruppe 1: Sie modellieren eine Altlast mit 5 mg/L Cu im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung.
  • Gruppe 2: Sie modellieren eine Altast mit 5 mg/L Cd im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung.
  • Gruppe 3: Sie modellieren eine Altlast mit 10 mg/L Pb im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung ( Bericht).
  • Gruppe 4: Sie modellieren eine Altast mit 1 mg/L Cu im Neubildungswasser auf der Wonnhalde (3) - Szenario ehemaliges Holzlager in der Wiehre.
  • Gruppe 5: Sie modellieren eine Altast mit 1 mg/L As3+ im Neubildungswasser in der Wonnhalde (3) - Szenario ehemaliges Holzlager, Bericht.
4.2.1 Durchgangskurven

Wann werden die Stoffe die Messstelle erreichen?

4.2.2 Konzentrationen

Wie hoch sind die Konzentrationen?

4.2.3 Verteilung

Wie sind die Stoffe im Wasser und auf dem Austauscher verteilt?

5. Auswertung und Diskussion

Schlussbesprechnung der Ergebnisse der Arbeitsgruppen.

6. Literatur

  1. Appelo, C. Anthony J., and Dieke Postma. Geochemistry, groundwater and pollution. CRC press, 2004.
  2. Merkel, Broder J., and Britta Planer-Friedrich. Grundwasserchemie: praxisorientierter Leitfaden zur numerischen Modellierung von Beschaffenheit, Kontamination und Sanierung aquatischer Systeme. Springer-Verlag, 2008.
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