Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Alt

Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Alt
Leitfaden zur radiologischen
Untersuchung und Bewertung
bergbaulicher Altlasten
Leitfadenfachband Grundwasserpfad
bei Halden des Alt- und Uranbergbaus
Textband
Anlagenband
Stand: Januar 2001
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ................................................................................................. 1
2
Konzeptionelle Vorgehensweise bei der Verwendung von
hydrogeologischen Modellen zur Bewertung der radiologischen
Relevanz des Grundwasserpfades ......................................................... 3
2.1
Ausgangssituaton und Konzept ................................................................. 3
2.2
Problemstellung ......................................................................................... 8
2.2.1
Umsetzung der Problemstellung in ein konzeptionelles Modell .................. 8
2.2.1.1
Räumliche Abgrenzung ........................................................................... 10
2.2.1.2
Zeitlicher Bezug ....................................................................................... 11
2.2.1.3
Genauigkeitsanforderungen an das Modell.............................................. 12
2.3
Erstellung eines hydrogeologischen Modells ........................................... 13
2.3.1
Allgemeine Gesichtspunkte ..................................................................... 13
2.3.2
Bemessung des Modellgebietes .............................................................. 17
2.3.3
Datenermittlung ....................................................................................... 21
2.3.3.1
Datenakquisition ...................................................................................... 21
2.3.3.2
Modelldatensammlung............................................................................. 22
2.3.3.3
Datenunsicherheiten................................................................................ 24
2.3.3.4
Datenergänzung ...................................................................................... 26
2.3.4
Abstraktion und Schematisierung des Systems ....................................... 26
2.3.4.1
Allgemeine Vorgehensweise.................................................................... 26
2.3.4.2
Abstraktion und Schematisierung eines Objektstandortes ....................... 28
2.4
Erstellung eines mathematischen (numerischen) Modells........................ 32
2.4.1
Auswahl des Berechnungsverfahren ....................................................... 38
2.4.2
Programmanwendung ............................................................................. 43
2.4.2.1
Diskretisierung......................................................................................... 45
2.4.2.2
Knotenpunkte .......................................................................................... 48
2.4.2.3
Elemente ................................................................................................. 49
2.4.3
Standortmodell ........................................................................................ 50
2.4.3.1
Prüfen und Anwenden des Standortmodells ............................................ 50
I
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2.4.3.2
Istzustandsberechnung............................................................................ 52
2.4.3.3
Prognoserechnung .................................................................................. 53
2.4.3.4
Parametervariation .................................................................................. 56
2.4.3.5
Grenzfallbetrachtungen ........................................................................... 56
2.4.3.6
Modellpflege ............................................................................................ 57
2.4.4
Empfehlungen für Prozeduren zur Qualitätssicherung bei der
Modellanwendung, QS-Maßnahmen........................................................ 57
2.4.5
Dokumentation des Bearbeitungszyklus .................................................. 58
2.4.5.1
Anforderungsphase ................................................................................. 58
2.4.5.2
Entwurfsphase......................................................................................... 59
2.4.5.3
Erstellungsphase ..................................................................................... 60
2.4.5.4
Anwendungsphase .................................................................................. 60
2.4.5.5
Reviews ................................................................................................... 61
3
Qualifizierung von Programmen und Modellen ................................... 62
3.1
Problemstellung der Modellbewertung ..................................................... 62
3.2
Verifikation............................................................................................... 63
3.3
Kalibrierung ............................................................................................. 66
3.4
Validierung............................................................................................... 68
3.5
Behandlung von Unsicherheiten und Konservativitäten ........................... 69
3.6
Anforderungen an die Programmdokumentation...................................... 70
3.6.1
Quelltext .................................................................................................. 71
3.6.2
Gestaltung der Ein- und Ausgabe ............................................................ 74
3.6.3
Programmbeschreibung........................................................................... 79
3.6.4
Fehlerbehandlung.................................................................................... 82
3.6.4.1
Eingabefehler .......................................................................................... 82
3.6.4.2
Programmfehler ....................................................................................... 83
3.6.5
Anwendungsbeispiele .............................................................................. 83
3.6.6
Dokumentation von Programmverifizierungen ......................................... 84
3.7
Fazit zur Qualifizierung der Programme................................................... 85
II
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
4
Bergbauliche Objektstandorte.............................................................. 87
4.1
Radioaktive Kontamination des Grundwassers durch Austrag von
Radionukliden aus Halden des Alt- und Uranerzbergbaus ....................... 88
4.2
Typisierung von möglichen Objektstandorten des Alt- und
Uranbergbaus.......................................................................................... 91
4.2.1
Standorte mit Objekten in der wasserungesättigten Zone ....................... 93
4.2.2
Standorte mit Objekten in der wassergesättigten Zone .......................... 103
5
Hilfestellung zur standortspezifischen Programmauswahl .............. 107
5.1
Grundlagen der Programmauswahl ....................................................... 110
5.2
Programmgruppen................................................................................. 114
5.3
Übersicht über wichtige Simulationsverfahren ....................................... 116
5.4
Einsatzbereiche der verschiedenen Programme und
Simulationsverfahren ............................................................................. 119
5.5
Zusätzliche Transportoptionen............................................................... 121
6
Programme der Abschätzung bzw. Bestimmung des
Wasserhaushaltes und der Strömung in der ungesättigten Zone.... 125
6.1
Theoretische Grundlagen ...................................................................... 125
6.2
Anwendungsbereiche ............................................................................ 125
6.3
Programmauflistung............................................................................... 125
6.4
Leistungsmerkmale für Programme ....................................................... 127
6.4.1
Bestimmung der Grundwasserneubildung bzw. der
Wasserhaushaltsbilanzierung einer Halde ............................................. 127
6.4.2
Numerische Modellierung der Sickerwasserbewegung .......................... 129
6.5
Anwendungsbeispiele ............................................................................ 136
7
Ausbreitungsprognosen mittels analytischer Verfahren.................. 137
8
Programme der Grundwasser-Modellierung ..................................... 139
8.1
Theoretische Grundlagen ...................................................................... 139
8.2
Anwendungsbereiche ............................................................................ 139
8.3
Programmauflistung............................................................................... 139
8.4
Leistungsmerkmale für Programme ....................................................... 140
III
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
8.5
Anwendungsbeispiele ............................................................................ 141
9
Programme der Grundwasser- und SchadstofftransportModellierung ........................................................................................ 142
9.1
Theoretische Grundlagen ...................................................................... 142
9.2
Anwendungsbereiche ............................................................................ 148
9.3
Programmauflistung............................................................................... 150
9.4
Leistungsmerkmale für Programme ....................................................... 151
9.5
Anwendungsbeispiele ............................................................................ 157
10
Berichtswesen ..................................................................................... 158
10.1
Anforderungen an die Anwendungsdokumentation von Rechencodes... 158
10.1.1
Beschreibung von Anwendungsrechnungen .......................................... 159
10.1.2
Führen eines Logbuchs ......................................................................... 159
10.1.3
Archivierung........................................................................................... 160
10.1.4
Ergebnisdarstellung ............................................................................... 160
10.2
Berichtswesen und QS-Dokumentation ................................................. 162
11
Bewertung der Modellierungs- und Simulationsergebnisse ............ 163
11.1
Bewertung der Ergebnisse..................................................................... 163
11.1.1
Validierung und Plausibilitätsbetrachtungen im Rahmen von
Prognoserechnungen ............................................................................ 166
11.1.2
Bewertung von Modell- und Parameterunsicherheiten........................... 167
11.1.3
Methoden der Behandlung von Unsicherheiten ..................................... 168
11.2
Beispielsanwendungen im Rahmen der Sanierung von bergbaulichen
Objekten des Uran- und Altbergbaus ..................................................... 170
12
Literatur................................................................................................ 172
Anlage 1: Checklisten
Anlage 2: Tabelle Programmliste
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
IV
1
Einleitung
Die Ausbreitung von aus bergbaulichen Objekten freigesetzten Radionukliden im
Grundwasser ist eine wesentliche Komponente bei der Bewertung der langfristigen
Strahlenexposition durch die Hinterlassenschaften des Uranerz- und Altbergbaus. In
der Regel sind im Rahmen dieser Studie zur Verwendung von hydrogeologischen
Modellen bei der radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten
unter dem Begriff "bergbauliche Objekte" Halden zu verstehen.
Der Transport von Radionukliden aus bergbaulichen Altlasten in der Hydrosphäre
erfolgt überwiegend über den Eintrag von Sickerwässern in das Grundwasser.
Weiterhin können die Altlasten direkt mit dem Grundwasserleiter in Kontakt stehen und
von Grundwässern durchflossen werden (vgl. Kapitel 4).
Grundwässer können in Abhängigkeit vom Stoffbestand der Altlast und den
physikochemischen und hydrochemischen Bedingungen sowie der Retardation des
geologischen Untergrundes am Standort Radionuklide bzw. andere Schadstoffe über
weite Strecken transportieren.
Um im Rahmen der Bewertung eines Altlastenstandortes fundierte Aussagen über die
radiologische Relevanz von Radionukliden im Grundwasser treffen zu können, ist es
erforderlich,
den
Schadstofftransport
einschließlich
der
Wechselwirkung
der
Radionuklide mit den Gesteinen des geologischen Untergrundes und dem sich daraus
ergebenden Radionuklidkonzentrationsverlauf innerhalb und an den Grenzen des zu
bewertenden Altlastenstandortes zu kennen (Abb. 1-1).
1
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Radioaktives
Inventar
- Wasserhaushalt
- Struktur des Untergrundes
- Grundwasserhydraulik
Physikal.- Chemische
Eigenschaften des Aquifers
Radionuklidspezifisches
Wirkungspotential
Stoffspezifisches
Migrationsverhalten
im Aquifer
Gemessene oder
potentielle
Freisetzungsrate
Objekt- und
Standortcharakteristik
Stoffcharakteristik
Nutzungscharakteristik
Bewertung
Abb.1-1: Zu betrachtende Eigenschaften und Prozesse längs des Grundwasserpfades
Bei standortspezifischen Analysen zur Bewertung der radiologischen Relevanz
bergbaulicher Objekte werden im Rahmen der hydrogeologischen Modellierung
Prozessabläufe, die zu einer Freisetzung von Radionukliden und somit zu einer
Belastung des Grundwassers führen, identifiziert und ihr Einfluss z. T. analytisch oder
mit Hilfe von numerischen Rechenprogrammen (Rechencodes) simuliert. Die
Aussagesicherheit und der Vertrauensgrad der Berechnungen hängt dabei vom
Kenntnisstand der freisetzungsrelevanten Daten und der ablaufenden Prozesse sowie
von der Qualität der Umsetzung dieser Daten und Prozesse in den mathematischen
Modellen ab. Der Grad der Qualifizierung der jeweils verwendeten Rechencodes nimmt
Einfluss auf die Aussagesicherheit der Rechenergebnisse und deshalb auch auf die
Akzeptanz
der
Analysen.Darüber
hinaus
sind
spezielle
Probleme
bei
der
Datenerhebung und Modellierung zu berücksichtigen. Diese resultieren aus den z. T.
langen
Prognosezeiträumen und
den großräumigen,
heterogenen
und
einer
Datenerhebung nur teilweise direkt zugänglichen Altstandorten des Bergbaus.
Für die numerischen Rechnungen ist es notwendig, ein dem Stand von Wissenschaft
und Technik entsprechendes Instrumentarium zur Verfügung zu haben. Dies bedeutet,
dass anerkannte und abgesicherte Methoden anzuwenden sind und entsprechende
qualifizierte Rechencodes verfügbar sein müssen.
2
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2
Konzeptionelle Vorgehensweise bei der Verwendung von
hydrogeologischen Modellen zur Bewertung der
radiologischen Relevanz des Grundwasserpfades
2.1
Ausgangssituaton und Konzept
Das Ziel einer standortspezifischen Untersuchung (Analyse) zur Bewertung der
radiologischen Relevanz eines bergbaulichen Objektes ist es, die maximale
Radionuklidkonzentration im Grundwasser an einem mit dem Modellierer bzw. Auftraggeber und Behörde festzulegenden expositionsrelevanten Aufpunkt zu prognostizieren.
Dieser Aufpunkt ist
·
ein vorhandener genutzter Grundwasserentnahmeort (z. B. Trinkwasserbrunnen,
Hauswasserbrunnen)
oder
·
der Ort einer absehbaren zukünftigen Nutzung des Grundwassers und damit ein
zukünftiger Expositionsort, der vom Auftraggeber in Abstimmung mit der Behörde
vorzugeben ist
oder lässt sich
·
als
ein
Ort
des
flächenhaften
Eintrages
von
Grundwasser
in
eine
wasserwirtschaftlich nutzbare Vorflut beschreiben /LAWA 99/.
Mit Hilfe von Transportmodellen, die auf hydrogeologische Modelle aufbauen, lässt
sich die räumliche und transiente Schadstoffausbreitung im Abstrom einer Halde
vorhersagen und die Konzentrationsverteilungen im Grundwasser berechnen. In
diesem Fall ist in der Regel eine mehrdimensionale Betrachtung mit komplexen
Rechenprogrammen notwendig.
Bei der hier vorgelegten Vorgehensweise ist die Notwendigkeit für hydrogeologische
Modellierungen nicht gegeben bei Objekten, die ihren geochemischen Endzustand
erreicht haben und deren Radionuklidkonzentrationen im Sickerwasser bzw. im
Grundwasser am abstromigen Haldenfuß unterhalb des expositionsorientierten
3
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Ausschlusskriteriums liegen (s. Ausschlusskriterium im Leitfadenelement Grundwasserpfad). Die Bewertung des Istzustandes eines Objektes erfolgt vorzugsweise
anhand von Messungen.
Die Zielsetzung der Modellierung des Schadstofftransportes besteht daher immer in
der
Prognose
einer
möglichen
maximalen
Schadstoffkonzentration
für
eine
nachfolgende Expositionspfadberechnung.
Die Mechanismen des Schadstofftransportes im Grundwasser werden in einem
"konzeptionellen Modell" abstrahiert, dessen Komplexität von den oben gegebenen
Fallunterscheidungen,
den
vorhandenen
Daten
und
der
Komplexität
des
hydrogeologischen Systems am Standort abhängig ist.
Die wesentlichen Arbeitsschritte bei der Erstellung eines konzeptionellen Modells zur
Hydrogeologie des Standortes und zur Prognose des Transportes von Radionukliden
im Grundwasser (Abb. 2.1-1) liegen im Rahmen dieses Leitfadens in der
·
·
Problemstellung
·
Lage des Bewertungsaufpunktes
·
Anforderung an das Modellergebnis
Erstellung eines konzeptionellen hydrogeologischen Modells
·
Beschreibung des Systems (Datenakquisition)
·
Abstraktion und Schematisierung des Systems (konzeptionelles Modell)
·
Verwendung einer analytischen Lösung und/oder
·
Erstellung eines numerischen Modells
·
·
Programmauswahl
·
Modellaufbau und Programmanwendung
·
Numerisches Standortmodell
Überprüfung und Anwendung des Standortmodells
4
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
Ergebnisdarstellung
Der nachfolgende Teil des Fachbandes zur Verwendung von Grundwasser- und
Schadstofftransportprogrammen
folgt
weitgehend
den
Empfehlungen,
die
im
“Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten” /LEG 96/,
die auch in den Ausarbeitungen der SMU-Materialien zur Altlastenbehandlung
/SMU 95, SMU 97, 97b-e/ Verwendung fanden, sowie in den hydrogeologischen
Beiträgen der FHDGG "Hydrogeologische Modelle" /FHD 99/ beschrieben wurden.
Darauf aufbauend wird in den weiteren Abschnitten eine allgemeine Hilfestellung beim
Einsatz von analytischen und numerischen Rechenprogrammen zur Bewertung des
Grundwasserpfades im Abstrom von Objekten des Alt- und Uranbergbaus gegeben.
Vorausgesetzt
werden
im
Fachband
geologische
und
hydrogeologische
Grundkenntnisse z. B. zur Beschreibung des Standortes und Charakteristika von
Grundwasserleitern. Der Stand von Wissenschaft und Technik bei der Klassifizierung
von Grundwasserleitsystemen wurde bereits vielfach dargestellt, z. B. in /SMU 95/ und
/SMU 97, 97b-e/. Im Rahmen dieses Berichtes wird daher auf eine ausführliche
Darstellung, wenn es zum Verständnis der Vorgehensweise, z. B. der Modellerstellung,
nicht dringend erforderlich ist, verzichtet.
Des Weiteren wird auf eine Beschreibung der notwendigen erweiterten Datenerhebung
und der fachgerechten Durchführung von Untersuchungen verzichtet. Auch hierzu
wurde
bereits
im
Bereich
der
konventionellen
Altlastenuntersuchungen
ein
umfangreiches auf Basis von z. B. DIN-, und DVWK-Richtlinien erstelltes Regelwerk
bzw. Handlungsempfehlungen publiziert. Der Stand von Wissenschaft und Technik von
Untersuchungs- und Erkundungsprogrammen zur notwendigen Datenakquisition für die
Parameterermittlung wird z. B. in /SMU 95/ und /SMU 97, 97b-e/ beschrieben.
Zur Beachtung empfohlen werden u. a. die umfangreichen Abhandlungen, die im
Rahmen von Leitfäden zur Bewertung konventioneller Altlasten z. B. in den Ländern
Sachsen
(SalfaWeb,
http://www.umweltsachsen.de/lfug)und
Baden-Würtemberg
/LFU 96/ (AlfaWeb, http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/) im Internet zu
finden sind. Mit dem "Leitfaden Erkundungsstrategie Grundwasser" der Landesanstalt
Umweltschutz Baden-Württemberg /LFU 96/ liegt eine ausführliche Dokumentation in
Form
eines
Handbuches
(Teil
I:
Strategie,
Teil
II:
12
Fallbeispiele)
vor
(http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/print/mza19.pdf). Weiterhin werden
5
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
für entsprechende hydrogeologische Standortypen, die z. T. im Kapitel 4 zur Charakterisierung möglicher Standorte dargestellt werden, hydrogeologische Erkundungsprogramme
in
(http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/print/heft19.pdf)
(/LFU 88/, Anlage 1, in Altlasten-Handbuch Teil II - Untersuchungsgrundlagen)
beschrieben.
6
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Ablaufplan zur Verwendung von Grundwassermodellen
zur Bewertung der radiologischen Relevanz
Zielsetzung
Definition der Anforderungen
an das hydrogeologische Modell
Datenakquisition
Schematisierung des hydraulischen Systems zu einem
konzeptionellen hydrogeologischen Modell
Programmauswahl
Aufbau des numerischen Modells und
Programmanwendung
Qualifizierung des Standortmodells
Verifikation, Kalibrierung, Validierung
Modellrechnung
Ergebnisdarstellung
Vorlage beim Entscheidungsträger
Abb.2.1-1 Ablaufplan zur konzeptionellen Herangehensweise bei der Verwendung
von numerischen Modellen zur radiologischen Bewertung bergbaulicher
Altlasten (erw. nach /LEG 96/)
7
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Problemstellung
2.2
Ziel einer hydrogeologischen Modellierung im Rahmen dieser Studie ist die Prognose
der maximalen Radionuklidkonzentration an einem im Modell noch festzulegenden
Aufpunkt (s. Abschnitt 2.1)
2.2.1
Umsetzung der Problemstellung in ein konzeptionelles Modell
Vor Beginn der Modellierung muss ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell
entwickelt werden, das die Behandlung der Problemstellung in einem mathematischnumerischen Modell erlaubt. Als Ergebnis der Modellierung wird eine Prognose der
maximalen Radionuklidkonzentration an einem definierten Bewertungsaufpunkt
erwartet. Die konzeptionelle Modellbildung beginnt bei der Interpretation von
hydrogeologischen Primärdaten, deren Schematisierung zum hydrogeologischen
Modell führt, und endet nach erfolgreicher Auswahl eines geeigneten Rechenprogramms beim eigentlichen Simulationsmodell (mathematisch-numerischen Modell)
für die zu untersuchenden Strömungs- und Transportprozesse (s. auch Abb. 5-1). Es
ist empfehlenswert, die Etappen der Modellbildung möglichst klar zu trennen, um
weitgehend eigenständige und damit separat nutzbare Modelle zu schaffen.
Die Lage des Aufpunktes und die hydrogeologischen Standortverhältnisse entscheiden
über den Aufwand und Umfang der dazu erforderlichen Arbeiten.
Notwendige Randbedingungen und Bewertungsmaßstäbe der Analyse sind daher vor
der Entwicklung eines konzeptionellen Modells aus den hydrogeologisch-hydraulischen
Standortgegebenheiten und vorliegenden Erkenntnissen zu den Komtaminationsquellen abzuleiten und/oder mit dem Auftraggeber der Analyse festzulegen.
Ändern sich die Randbedingungen der durchzuführenden Analyse bezüglich Aufwand
und Umfang, so ist auch meist eine Änderung des konzeptionellen Modells notwendig.
Die Wahl des Modellkonzeptes,
·
ob ein Standort analytisch oder numerisch ein-, zwei- und dreidimensional
betrachtet werden muss, oder
·
ob der Darcy-Ansatz für poröse Medien bzw. ein Kluftströmungsansatz verwendet
werden muss,
8
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
entscheidet sich oft schon durch die Problemstellung (z. B. Bewertung eines möglichen
Hausbrunnens in einer eindimensionalen Betrachtung oder Bewertung eines
flächenhaften kontaminierten Eintrages in eine Vorflut in einer dreidimensionalen
Betrachtung).
Entscheidend für den Aufbau des Modellkonzeptes und damit auch für die Qualität des
Modellierungsergebnisses ist eine fundierte Datenakquisition. Beide sind eng
miteinander verknüpft: Eine hohe Aussagegenauigkeit erfordert meist eine komplexe
Behandlung des Systems und diese wiederum eine größere Datenakquisition.
Eine Beschreibung des Problems und seine Lösung erfolgt i. d. R.. unter Verwendung:
·
einer ingenieurmäßigen Abschätzung (Expertenentscheidung, 'expert judgement')
nach den vorliegenden Messdaten und/oder
·
eines rechnerisch-analytischen Ansatzes und/oder
·
von numerischen Simulationsrechnungen mittels Rechenprogrammen unterschiedlicher Art.
Vor der eigentlichen rechentechnischen Bewertung (analytisch oder numerisch) ist die
Problemstellung in eine mit rechentechnischen Mitteln lösbare Modellvorstellung zu
transformieren.
Für die Bewertung des Wasserpfades einer bergbaulichen Altlast bedeutet dies, dass
in der Regel zuerst die Modellparameter bestimmt werden müssen, die das
Freisetzungsverhalten der Schadstoffe innerhalb des Objektes (Quelle, siehe
Leitfadenfachband Sickerwasserpfad) und die Strömung bzw. den Transport der
Schadstoffe im geologischen Untergrund beschreiben.
Parameter sind notwendige Eingangsdaten der durch analytische oder numerische
Verfahren zu lösenden Transportgleichung und der ihr zugrunde liegenden Fließgesetze. Sie sind daher im Vorfeld von Modellrechnungen immer über eine vorausgehende
detaillierte Datenzusammenstellung zu ermitteln. Insbesondere ist für eine Bewertung
des Freisetzungsverhaltens der Schadstoffe aus dem Objekt die Kenntnis einer
Schadstoffkonzentration im Sickerwasser oder Grundwasser erforderlich.
9
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Fehlende Daten für das Modell sind für evtl. weitergehende Untersuchungen genau zu
spezifizieren um diese effektiver und zielorientierter vornehmen zu können. Eng
verbunden mit dieser Datensammlung ist ein Grundwassermonitoring. Prognosen zur
Ausbreitung von Schadstoffen in Raum und Zeit können gleichzeitig dazu beitragen,
Lage, Ausbau und Betrieb von Grundwassermessstellen zu optimieren und damit
zugleich verbesserte Randbedingungen für eine Beweissicherung des Sanierungserfolges zu schaffen.
Vor einer Modellierung bzw. Datensammlung zum Modell sollten nach /LEG 96/
folgende Fragen in Bezug auf das Verhalten des Systems in Raum und Zeit bzw. zur
Definition der räumlichen Verteilung der benötigen Datenbasis und der Anforderungen
an das Modell beantwortet werden:
1. Welche Ausdehnung hat der Untersuchungs- bzw. Bilanzraum?
2. Wie ist das Modellgebiet zu gestalten?
3. Wie ist das Erkundungsgebiet zur Datensammlung zu wählen?
4. Welchen zeitlichen Bezug müssen die Resultate haben?
5. Wie hoch sind die Genauigkeitsanforderungen an das Modell bzw. der zu
treffenden Aussage?
2.2.1.1
Räumliche Abgrenzung
Der erste Arbeitspunkt zur Erstellung eines hydrogeologischen Modells ist die
Abgrenzung des Modellraumes. Bei einem Altlastenobjekt gehören hierzu das Objekt
selbst, evtl. das bereits kontaminierte Gebiet und die unmittelbar angrenzende
räumliche Umgebung bis zum Bewertungsaufpunkt.
In der Regel sind die Einzugsgebiete von Trinkwassergewinnungsanlagen, sofern sie
beeinflusst werden können, zu berücksichtigten und auch andere, konventionelle
Altlasten einzubeziehen.
Die Festlegung des Bilanzraumes dient der Definition von Randbedingungen für den
Modellraum. Das Erkundungsgebiet, für welches eine Datensammlung angestrebt wird,
10
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
ist größer als das Bilanzgebiet, dieses ist gleich oder größer als das Modellgebiet,
dieses wiederum meist größer als die zu bewertende Objektfläche.
2.2.1.2
Zeitlicher Bezug
Ein zeitlicher Bezug ist sowohl für die Eigenschaften des Grundwassersystems als
auch für den Bewertungszeitraum vorzugegeben. Im Rahmen der Definition der
Systemeigenschaften stellen sich folgende Fragen:
1. Ist das Strömungsfeld stationär oder transient?
2. Ändern sich die eingeleiteten Schadstoffkonzentrationen mit der Zeit?
3. Handelt es sich bei dem zu bewertenden Objekt um eine kontinuierliche
Kontaminationsquelle mit einer konstanten Schadstofffreisetzung oder sind
Freisetzungsverläufe anzusetzen?
Für die Abschätzung der Grundwassergefährdung1 als den ersten Schritt zur
Dosisermittlung ist ein Zeitrahmen für den Prognosezeitraum, für welchen eine
Bewertung zu erfolgen hat, festzulegen. Beispielsweise erfordert die Aussage über die
Situation eines Objektes zu einem Zeitpunkt (z. B. Istzustand) eine andere
Lösungsstrategie als die Angabe von zeitlichen Entwicklungen. Es ist zu klären:
·
Liegen instationäre hydraulische Verhältnisse vor?
·
Liegen wasserungesättigte Bedingungen vor?
·
Können instationäre Strömungsbedingungen (transiente Strömungsfelder) durch
stationäre angenähert werden?
·
Wie verhält sich die Kontaminationsquelle und damit die Einleitungskonzentration
im Laufe der Zeit?
1 Der Begriff "Gefährdung" ist im Strahlenschutz an eine Dosis gebunden, die eine Referenzperson erhält.
Diese Dosis resultiert nicht nur aus den Eigenschaften des Bergbauobjektes (Inventar und
Freisetzungsverhalten) und des Transportes am Standort, sondern auch aus einer vorhandenen Nutzung.
11
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
Ändert
sich
die
Stoffzusammensetzung
oder
die
Neubildungsrate
(Sickerwasserdynamik)?
·
Sind technische Maßnahmen zur Zurückhaltung von Kontaminationen (z. B. eine
Objektabdeckung) vorhanden oder geplant?
Diese und andere Gegebenheiten beeinflussen das zeitliche Verhalten der möglichen
Schadstofffront im Grundwasser.
Der Prognosezeitraum wird in der Regel durch den Auftraggeber vorgegeben. So
werden zur Zeit im Einklang mit den Empfehlungen der IAEA /IAEA 81, 84/ im
Sächsischen Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung (SMUL) und im
Landesamt für Umwelt und Geologie (LfUG) Bewertungszeiträume von 200 bis 1000
Jahren diskutiert.
Die zeitliche Entwicklung des Schadstoffaustrages aus den Halden und industriellen
Absetzanlagen des Uran- und Altbergbaus wird im Rahmen dieses Leitfadens im
Leitfadenfachband
Sickerwasserpfad
eingehend
behandelt.
Die
Grundwasser-
gefährdung durch die mögliche Kontaminationsquelle ist durch die dort gegebenen
Empfehlungen abzuleiten.
2.2.1.3
Genauigkeitsanforderungen an das Modell
Die Fragen:
·
Wie hoch muss die Aussagegenauigkeit des Modellergebnisses sein?
·
Welches ist die gerade noch akzeptable Ungenauigkeit in der Modellrechnung?
sind standortspezifisch unter Berücksichtigung des radiologischen Inventars und den
vorhandenen Schutzgütern (Bewertungsaufpunkten) zu beantworten. Konkret muss die
Entscheidung, ob die Richtgröße von 0,1 mSv/a über eine vorhandene oder in
absehbarer Zukunft geplanten Nutzung des Grundwassers am Bewertungsaufpunkt
eingehalten wird, mit hinreichender Genauigkeit getroffen werden können.
Die Genauigkeitsanforderung an das Ergebnis der Modellierung muss diesem
Anspruch genügen. Sie sollte in einem ersten Schritt zu Beginn der Auftragsvergabe
12
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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zusammen mit der Problemstellung vorab vom Auftraggeber der Analyse und der
zuständigen Behörde festgelegt werden.
Die Anforderungen an die Genauigkeit der Resultate sind entscheidend für die
Erstellung des konzeptionellen Modells und der Auswahl des zweckmäßigsten
Programms bzw. des Lösungsverfahrens. Die Festlegung dieser Genauigkeitskriterien
hat unmittelbaren Einfluss auf den zu erhebenden Datenumfang und die Komplexität
des Standortmodells.
Für eine Sanierungsentscheidung lassen sich hieraus die Kosten und der Zeitaufwand
für die Beschaffung von Daten in der erforderlichen Qualität und Quantität sowie der
Aufwand der eigentlichen Modellierung abschätzen.
2.3
Erstellung eines hydrogeologischen Modells
Ein hydrogeologisches Modell ist eine schematisierte (vereinfachende) Abbildung der
natürlichen Bedingungen, die aus der geologischen,
hydrogeologischen und
hydraulischen Interpretation der Ergebnisse der Standortuntersuchungen (Daten)
resultiert. Ein hydrogeologisches Modell umfasst die Abgrenzung des Modellgebietes
(Berechnungsgebiet) mit seinen hydraulischen Randbedingungen, die Abfolge, die
Mächtigkeit und die Verbreitung der Ablagerung und der geologischen Schichten, die
(meist in so genannte hydraulisch wirksame Bereiche zusammengefasst) als
hydrogeologische (hydrostratigraphische) Einheiten bezeichnet werden.
Für numerische oder analytische Modellrechnungen werden zur Beschreibung der
ablaufenden Prozesse im System zusätzliche Vereinfachungen und Annahmen
getroffen. Die Genauigkeitsanforderungen an die Modellparameter richten sich nach
der mit dem Auftraggeber und den zuständigen Behörden abzustimmenden
erforderlichen Aussagegenauigkeit.
2.3.1
Allgemeine Gesichtspunkte
Die Erstellung eines hydrogeologischen Modells erfordert die Lösung mehrerer
voneinander abhängiger Teilaufgaben. Aus dem Datenpool müssen die relevanten
Systemparameter herausgefiltert und von weniger wichtigen Informationen getrennt
werden. Dazu lässt sich kein allgemeingültiges Verfahren angeben. Der Modellierer
13
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Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
muss von Fall zu Fall entscheiden, welche Daten für seine konzeptionelle
Modellvorstellung notwendigerweise zu ermitteln sind (s. Abb. 2.3-1). Bei der
Beurteilung von Radionuklid- und Schwermetallfreisetzungen aus Bergbauhalden ist
die
geogene
Hintergrundkonzentration
zu
berücksichtigen.
Entsprechend
der
Berechnungsgrundlage Bergbau (BglBb) ist bei der Berechnung der Strahlenexposition
dieses natürliche radioaktive Hintergrundniveau in Abzug zu bringen. Zur Ermittlung
dieses Niveaus sind Messungen im Anstrom durchzuführen.
14
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Abb. 2.3-1: Vorgehensweise bei der Entwicklung eines
hydrogeologischen Modells nach /FHD 99/
Die
Ergebnisse
einer
Transportmodellierung
hydrogeologischen
sind
Modellierung
Schadstoffkonzentrationen
und
und
nachfolgender
Laufzeiten
von
Schadstoffwolken im Grundwasser. Sie liefern Aufschluss über die Beeinflussung des
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Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Grundwassers, geben Auskunft über das hydraulische Langzeitverhalten des
Standortes und beantworten folgende Fragen:
·
wann die Schadstoffe aus einem Objekt das Grundwasser erreichen,
·
wann eine bestimmte Schadstoffkonzentrationsfront über den Grundwasserpfad
eine Wassergewinnungsanlage erreicht,
·
in welcher Konzentration die Schadstoffe über den Grundwasserpfad in die
Oberflächengewässer eintreten und diese kontaminieren können,
·
wie hoch prognostisch die Schadstoffkonzentration an einem Aufpunkt ist?
Der Aufwand einer Modellierung ist der o.g. Problemstellung angemessen zu
betreiben. Die Modellierung soll ein für die Fragestellung adequates Ergebnis liefern.
Weiterhin ist die Entscheidung über die Dimensionalität des Modells (eindimensional,
mehrdimensional) zu treffen und die Modellränder sind zu definieren. Bei transienten
Problemstellungen sind Anfangsverteilungen, z. B. von Grundwasserspiegelhöhen
bzw.
Druckverteilungen,
festzulegen
und
ihnen
geeignete
Randbedingungen
zuzuordnen (s. Abschnitt 2.3.2).
Zur Abstraktion gehört auch die manuelle oder rechentechnische Glättung von
geringen Unregelmäßigkeiten z. B. in Druckverteilungen und die Gewichtung des
Informationsgehalts der verfügbaren Daten. Das heißt, Feld- und Labordaten können
nicht ohne Aufbereitung oder ohne Plausibilitätsüberprüfung verwendet werden.
Die Ergebnisse der auf die hydrogeologische Modellierung in der Regel folgenden
Schadstofftransportrechnung (z. B. Konzentrationsverteilungen) können zur Sanierungsentscheidung herangezogen werden. Die Notwendigkeit der Verwendung solcher
Transportrechnungen wird im Leitfadenelement Grundwasserpfad beschrieben.
Die Transportmodellierung im Grundwasser unterscheidet sich grundlegend von der
Modellierung von Verschmutzungsfahnen in Oberflächengewässern oder in der
Atmosphäre. Die Datenerhebung in Grundwassersystemen ist zumeist nur punktuell
über Bohrungen möglich. Des weiteren lassen sich durch einen großen Abstand der
Bohrungen die Aquifereigenschaften zwischen den Messpunkten nur grob interpolieren.
16
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
So ist schon die Bestimmung der Fließrichtung, die in Oberflächengewässern
offensichtlich ist, mit Schwierigkeiten verbunden. Typische Unsicherheiten bei der Beurteilung der Fließrichtung können z. B. auf die Heterogenität und Anisotropie des
Grundwasserleiters zurückgeführt werden. Nicht geeignete hydrogeologische Modelle
entstehen u. a. durch Fehlinterpretation der Daten oder beruhen auf einer falschen
Interpolation
von
Daten,
z.
B.
von
Daten
verschiedener
Messpegel
mit
unterschiedlicher Teufe und damit möglicherweise aus zwei hydraulisch getrennten
Aquiferen.
2.3.2
In der
Bemessung des Modellgebietes
Regel werden die Modellgebiete
durch
die
hydrogeologischen
und
wasserwirtschaftlichen Bedingungen an den Standorten der Altlastenobjekte definiert.
Liegen keine Voruntersuchungen vor bzw. besitzen diese keinen ausreichenden
Datenumfang (Feldmessungen), so lassen sich z. B. aus vorliegenden Kartenwerken
bereits einige grobe Abschätzungen über die Ausdehnung des Aussagegebietes
machen (Abb. 2.3-2).
17
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Abb. 2.3-2: Festlegung eines Modellgebietes (Berechnungsgebiet nach /SMU 97/)
anhand der hydrogeologischen Bedingungen und Größe des Aussagegebietes (Gebiet für dessen Grundlage eine Sanierungsentscheidung
getroffen wird, i. d. R.. Untersuchungsobjekt einschließlich des
Bewertungs-aufpunktes)
Mit einfachen Formeln, z. B. nach /WAL 92/, kann über eine Abschätzung des
Wirkungsbereichs eines Injektions- oder Förderbrunnens die horizontale Ausdehnung
einer Schadstoffwolke abgeschätzt werden. Ein erstes Modell kann danach
dimensioniert und die Größe festgelegt werden.
Der Untersuchungsraum bzw. Bilanzraum beinhaltet alle für die Fragestellung
relevanten hydrogeologischen Strukturen und Einheiten sowie die maßgebenden
Fließsysteme, u. a.:
·
Beschreibung der regionalhydrogeologischen Situation:
·
Verbreitung geologischer Einheiten nach Lithologie
·
Wesentliche tektonische Strukturen (z. B. Störungen)
·
Vertikale und horizontale Abgrenzung der hydrostratigraphischen Einheiten
·
Abgrenzung der Haupteinzugsgebiete der Grundwasserleiter und
18
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
eine
hydraulische
Abgrenzung
eines
Bilanzraumes
zur
Definition
der
Randbedingungen
Das eigentliche Modellgebiet liegt innerhalb des Bilanzraumes und wird nach
hydrogeologisch-hydraulischen Kriterien bemessen. Angestrebt werden sollte, die
Modellgrenzen an den natürlichen hydraulischen Grenzen zu orientieren, um die noch
zu formulierenden Modellrandbedingungen auf eine definierte Datenbasis zu stellen.
Die notwendigen Arbeitsschritte sind:
·
Festlegen der Modellgrenzen (einschließlich der Modellbasis)
·
Festlegen der Randbedingungen entlang der Modellgrenzen.
Abb. 2.3-3 zeigt ein Beispiel einer Festlegung des Modellgebietes (Modellraumes)
eines Haldenstandortes in einem Flusstal.
19
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Grundwasserscheide
Randzufluss
Grundwasserscheide
Abb. 2.3-3: Festlegung eines Modellraumes bzw. Modellgebietes an Hand eines topographischen Blockbildes des Untersuchungsraumes, ergänzt nach
/FHD 99/
20
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2.3.3
Datenermittlung
2.3.3.1
Datenakquisition
Das hydrogeologische Modell basiert auf Daten und Informationen unterschiedlicher
Qualität und Herkunft. Da der Umfang der notwendigen Daten und die Entwicklung des
hydrogeologischen
Modells
an
die
Erfordernisse
des
Einzelfalls
sowie
die
Aufgabenstellung bzw. Zielsetzung des Modells gebunden ist, kann der Umfang der
erforderlichen Daten nicht allgemeingültig festgeschrieben werden.
Zu
Beginn
erfolgt
eine
hydrogeologische
Bestandsaufnahme,
bei
der
die
grundwasserhydraulische Situation als Basis für die nachfolgende Transportmodellierung qualitativ erfasst werden muss.
Dazu ist eine Datenakquisition notwendig, die in vielen Fällen auf bereits vorhandene
Informationen über das interessierende Gebiet basieren kann.
Als Eingangs- bzw. Basisdaten für ein hydrogeologisches Modell werden in der Regel
Daten zu folgenden Bereichen benötigt:
·
Topographie (u. a. Relief, Gewässernetz, siehe Abb. 2.3-3 ),
·
Hydrologie (u. a. Vorfluter, Niederschlag, Evapotranspiration),
·
Geologie (u. a. Lithologie, Stratigraphie, Tektonik),
·
Hydrogeologie (Hydrostratigraphische Einheiten, Grundwasserhydraulik und
-beschaffenheit).
Die notwendigen Daten für ein hydrogeologisches Modell lassen sich nach /FHD 99/ in
·
Primärdaten (im Wesentlichen Messwerte) und
·
Sekundärdaten (im Wesentlichen abgeleitete Daten) unterscheiden. Hierbei
handelt es sich einerseits um
-
beschreibende Daten, die einer Interpretationbedürfen, z. B. geologische und
hydrogeologische
Karten,
Vorflutverhältnisse,
Lithologie, Korngrößenverteilung und
21
Schichtenverzeichnisse,
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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-
anderseits um quantitative Daten, z. B. Geländehöhen, Aquifermächtigkeiten,
Durchlässigkeitsbeiwerte,
durchflusswirksame
Hohlraumanteile
(effektive
Porositäten), Grundwasserstände, Grundwasserbeschaffenheiten, flächenhafte
Grundwasserneubildungraten.
Außerdem ist zwischen statischen und dynamischen Daten zu unterscheiden:
-
statisch (zeitlich konstant): u. a. kf -Wert (Durchlässigkeitsbeiwert), durchflusswirksamer Hohlraumanteil (effektive Porosität), Aquifermächtigkeit,
-
dynamisch (zeitlich variabel): u. a. Grundwasserstände, Grundwasserentnahmen,
Grundwasserneubildungen, Grundwasserbeschaffenheit, Leakageraten, Flussinund exfiltrationsraten.
Des Weiteren sind punktuelle und raumbezogene Eingangsdaten zu unterscheiden.
Die punktuellen Daten, u. a. geologische Schichtprofile aus Bohrungen, müssen auf
der Grundlage der hydrogeologischen Vorkenntnisse und des hydrogeologischen
Sachverstandes zunächst zoniert und evtl. mit entsprechenden geostatistischen
Verfahren in die Fläche bzw. den Raum regionalisiert werden.
Wichtige Quellen zur Datensammlung im Rahmen hydrogeologischer Modellierungen
sind z. B. das Fachinformationssystem (FbU) des Bundesamtes für Strahlenschutz
(BfS), die geologischen Landesämter, forst- und landwirtschaftliche Dienststellen,
wasserwirtschaftliche und gewässerkundliche Dienststellen, Wasserversorgungsbetriebe, Träger der Liegenschaft, Bergbaubetriebe (z. B. WISMUT), Träger größerer
Bauvorhaben und der Deutsche Wetterdienst.
Die Checklisten in Anlage 1 (Tabellen aus /LEG 96/, ergänzt) sind ein Hilfsmittel zur
Datensammlung
und
sollten
vom
Modellierer
für
seine
individuelle
und
standortspezifische Fragestellung vor der Modellauswahl beantwortet werden. Anhand
der Checklisten kann er entscheiden, welche Punkte für die Problemlösung von
Bedeutung sind.
2.3.3.2
Modelldatensammlung
Alle Eingangsdaten zum Modell sind systematisch zu sammeln und laufend zu
aktualisieren.
22
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Weiterhin sind die verwendeten Eingangsdaten einer Qualitätsprüfung zu unterziehen,
die verschiedenen Aspekte, wie
·
Eignung der Daten hinsichtlich der Fragestellung,
·
Unschärfe, Fehlergrenzen, Bandbreiten, Wahrscheinlichkeitsverteilung,
·
Vergleichbarkeit verschiedener Verfahren (z. B. Korngrößenanalysen, Pumpversuch),
·
Art der Durchführung und Auswertung des hydrogeologischen Untersuchungsverfahrens,
·
Maßstabseffekte und
·
Plausibilitätskontrollen
sind zu berücksichtigen.
Die Datendokumentation umfasst sämtliche Bearbeitungsschritte:
·
Erhebung und Aufbereitung der Eingangsdaten,
·
Aufstellen von Hypothesen sowie
·
Regionalisierung und Bewertung.
Die Daten- und Datenermittlungsdokumentation muss logisch und nachvollziehbar
sein. Dabei ist für das Verständnis und die Bewertung möglicher Modellrechnungen
eine
strenge
Trennung
des
hydrogeologischen
Modells
vom
numerischen
(mathematischen) Modell vorzunehmen.
Zur Archivierung, Dokumentation und Weiterverarbeitung von komplexen Daten
werden
in
zunehmendem
Maße
Datenbankprogramme
in
Verbindung
mit
Geoinformationssystemen (GIS) eingesetzt. In diesen liegen die Daten bereits
digitalisiert vor und sind mit entsprechender Software innerhalb kürzester Zeit
verfügbar (z. B. im FbU /FEL 99/).
Auf dem kommerziellen Markt gibt es bereits Grundwassermodelle (Programme) mit
Schnittstellen zu Geographischen Informationssystemen z. B. ATKIS - Amtliches
Topographisches Kartographisches Informationssystem -, so dass interaktiv am
Bildschirm auf der Basis digitaler Daten ein Grundwassermodell erstellt werden kann.
23
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Die Eingabe der Daten als Datenbank in Verbindung mit einem Geoinformationssystem
ermöglicht eine spätere Plausibilitätskontrolle und vereinfacht somit eine Fortführung
der Arbeiten.
2.3.3.3
Datenunsicherheiten
Die Unschärfe (Bandbreite) der ermittelten Daten ist eine Charakteristik der Geologie.
In der Regel weisen die Ausgangsdaten Bandbreiten auf, die z. T. im hydrogeologischen Modell berücksichtigt werden müssen. Die Unschärfe der Datenbasis kann
mehrere Ursachen haben:
-
geostatistische Verteilung,
-
fehlerhafte oder nicht ausreichende Ausgangsdaten und
-
unterschiedliche Qualität der interpretierten Daten.
Neben der natürlichen Bandbreite besitzen z. B. kf-Werte (Durchlässigkeitsbeiwerte)
eine unterschiedliche Qualität, je nachdem ob sie anhand einer Korngrößenverteilung
im Labor oder anhand eines Pumpversuches im Felde ermittelt wurden. Diese auch als
Frage
der
Übertragbarkeit
von
Labordaten
(Upscaling-Problematik)
bekannte
Unsicherheit ist in der Bestimmung der Modellparameter zu berücksichtigen.
Liegen zum Beispiel im Modellgebiet hydraulische Daten auch für die Bereiche
zwischen den einzelnen Messstellen vor, so kann mit diesen Daten das Modell
deterministisch beschrieben werden. Ist eine solche Datenüberdeckung nicht
erreichbar, muss aus Punktdaten sinnvoll auf deren räumliche Verteilung geschlossen
werden. Aus der Struktur der Grundwassergleichen und der punktuellen Verteilung der
Aquiferparameter kann man schließen, ob eine eher groß- oder kleinräumige Struktur
der Aquiferkenngrößen vorliegt. Daraus ergeben sich unterschiedliche Modellkonzeptionen.
Bei einer kleinräumigen, über kurze Distanzen variierenden Aquiferstruktur bietet die
stochastische
Modellierung
die
Möglichkeit,
aus
dem
Einfluss
variierender
Modellgrößen, denen ein bestimmtes statistisches Verhalten zugrunde gelegt werden
kann, Aussagen über das statistische Verhalten des Gesamtsystems zu erhalten.
24
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Bei einer großräumigen Struktur der Modellparameter hingegen müssen vor dem
Hintergrund von Aquifergenese und hydrogeologischen Randbedingungen die
Modellparameter flächenhaft zoniert (s. Abb. 2.3-4) und im Rahmen der Modelleichung
bestimmt werden. Für den Fall geringster Information können mit Hilfe eines
Grundwassermodells immer noch Aussagen für den ungünstigsten Fall (Worst Case
Studie) gemacht werden. Dabei werden in den Grenzen plausibler Annahmen die
Modellgrößen so angesetzt, dass sie in ihrer Größe und Kombination die für die
Fragestellung ungünstigste Wirkung erzielen.
Durch eine geeignete Wahl des konzeptionellen hydrogeologischen Modells kann
somit aus einer vorgegebenen Datenlage maximaler Nutzen gezogen werden. Auch
Bereiche, für die nur wenige Informationen vorliegen, können mit berücksichtigt
werden, wenn auch unter Einschränkung der Aussagegenauigkeit. Mit dem Modell sind
gleichzeitig der maximale Umfang und die maximale Genauigkeit der erzielbaren
Aussagen festgelegt.
Das Grundwassermodell liefert nicht nur Aussagen für einen bestimmten Datensatz. Es
ermöglicht auch eine Sensitivitätsanalyse, z. T. als Sensibilitätsanalyse bezeichnet,
also eine Bestimmung des Einflusses einzelner Modellgrößen und ihrer räumlichen und
zeitlichen Verteilung auf das Modellergebnis und damit eine Eingrenzung ihres
möglichen Wertebereichs. Für den Außenstehenden ist diese Sensitivitätsanalyse, die
oft implizit im Rahmen der Modelleichung durchgeführt wird, der Schlüssel zum
Verständnis des Modellaufbaus und der resultierenden Modellaussagen. Sie sollte
deshalb bei jedem Grundwassermodell gut dokumentiert sein.
Im numerischen Modellen kann die Bandbreite von Modellparametern beispielsweise in
Form einer Wahrscheinlichkeitsverteilung quantifiziert werden. Als rechentechnisches
Hilfsmittel
zur
Bewertung
Modellergebnissen
dienen
dieser
Datenunsicherheiten
Unsicherheits-
und
auf
der
Basis
Sensitivitätsanalysen
von
/BAL 98/
(Abschnitt 3.5). Die einfachere Form der Bewertung von Datenbandbreiten auf das
Ergebnis stellen Parametervariationen (Abschnitt 2.4.3.4) dar. Grundsätzlich ersetzen
sie aber nicht eine notwendige Datenakquisition.
Auch bei Durchführung und Auswertung eines hydrogeologischen Untersuchungsverfahrens (z. B. Pumpversuch, Tracertest, Packertest) müssen die Qualitätsunterschiede der ermittelten Daten berücksichtigt werden.
25
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2.3.3.4
Datenergänzung
In
meisten
den
Fällen
stehen
wesentliche
Informationen
über
die
Untergrundeigenschaften oder zu den hydraulischen Randbedingungen nicht oder nur
unvollständig zur Verfügung. Ihre vollständige Beschaffung wird häufig - falls überhaupt
möglich - am Zeitaufwand und an begrenzten finanziellen oder technischen Mitteln
scheitern. Die vorhandenen Lücken können z. T. durch sinnvolle Annahmen oder
Interpolationen geschlossen werden.
Während der Bearbeitung sind die ergänzten Daten immer wieder auf Plausibilität
(Plausibilitätsbetrachtung) zu untersuchen. Die aus speziellen Standortuntersuchungsprogrammen zur tiefergehenden Interpretation des Standortes erfolgten weitergehenden Felduntersuchungen sind zu dokumentieren und zu Modellparametern
zusammenzufügen. Die Ergebnisse der Feldarbeiten sind zu beschreiben.
2.3.4
Abstraktion und Schematisierung des Systems
2.3.4.1
Allgemeine Vorgehensweise
Der Bearbeiter entwickelt aus der vorliegenden Datensammlung die ersten
Modellvorstellungen über die Hydrodynamik des Standortes.
Die schrittweise Umsetzung des hydrogeologischen Systems des Standortes mit Hilfe
der vorliegenden Daten in ein hydrogeologisches Modell und möglicherweise in das
darauf aufbauende mathematische Modell ist zwangsläufig mit einer Vereinfachung der
Darstellung des natürlichen Systems verbunden.
Liegt ein Überblick zu den Daten vor, folgt der entscheidende Schritt zur
konzeptionellen Modellbildung. Das natürliche hydrogeologische System vor Ort wird
durch ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell dargestellt, dessen Eigenschaften
die ablaufenden Prozesse am Standort möglichst exakt nachbilden soll, um eine
Vorhersage des künftigen Systemverhaltens (Prognose) vornehmen zu können. Diese
Prognosen müssen die Altlastengenese, die aktuellen Standortbedingungen und deren
prognostische, in der Regel anthropogen bedingten Veränderungen berücksichtigen.
26
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
In der zunächst durchzuführenden Abstraktion und Schematisierung des Systems
werden die wesentlichen zum Verständnis des Standortes beitragenden Prozesse
herausgefiltert.
Durch die getroffenen Vereinfachungen
wird
der
notwendige
Rechenaufwand für die Modellierung in vernünftigen Grenzen gehalten. Das Ergebnis
ist ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell, für das der Anwender nach der
Charakterisierung
des
Grundwassersystems
am
Standort
ein
geeignetes
Simulationsprogramm (Code) auswählt.
Dabei sollten sich sowohl der Anwender als auch der Auftraggeber bewusst machen,
dass
bei
vielen
Problemstellungen
der
erfahrene
Einsatz
analytischer
Lösungsverfahren in Verbindung mit einem “expert judgement” zu brauchbaren
Ergebnissen führen kann.
Die hierbei z. T. verwendeten analytischen Lösungen liefern bei meist geringem
datentechnischem Aufwand schnelle Ergebnisse mit einem hohen Vertrauensgrad. Sie
sind aber aufgrund ihrer einfachen Struktur nur für spezielle Fragestellungen
anwendbar. Die Anwendbarkeit und eine Beschreibung ihrer Einsatzmöglichkeiten wird
im Kapitel 7 beschrieben.
Für die konzeptionelle Modellbildung ist die Beantwortung folgender Fragen zur
Schematisierung des hydraulischen Systems des Standortes hilfreich:
1. Wie lassen sich Vereinfachungen unregelmäßiger geometrischer Berandungen
durchführen?
2. Wie lassen sich aus der Datensammlung Homogenbereiche, d.h. Bereiche
gleichen Systemverhaltens (z. B. hydrogeologische Einheiten) definieren (s.o.)?
3. Lassen sich die Fließvorgänge auf bevorzugte Richtungen (z. B. nur horizontale
Strömungen, Stromröhren) beschränken?
4. Kann das Problem auf ein stationäres Strömungsfeld begrenzt werden?
5. Ist eine Beschränkung auf repräsentative Inhaltsstoffe (z. B. einzelne Radionuklide)
erlaubt?
6. Sind Bildungen von zeitlichen und/oder räumlichen Mittelwerten der Anfangs- und
Randbedingungen erlaubt?
27
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
7. Muss eine konstante oder variable Schadstofffreisetzungsrate angesetzt werden?
8. Kann
eine
Wechselwirkung
der
Sickerwasserkomponenten
untereinander
vernachlässigt werden?
9. Sind
vereinfachte
Retardationsmechanismen
anzusetzen
(z.
B.
lineare
Adsorption/Desorption nach dem KD-Konzept)?
10. Lassen sich verschiedene radioaktive, chemische und biologische Abbauprozesse
zusammenfassen?
2.3.4.2
Abstraktion und Schematisierung eines Objektstandortes
Die Nachbildung des Objektstandortes und seiner potentiellen Kontamination erfordert
eine Vereinfachung der Abbildung des natürlichen Systems. Diese Schematisierung ist
erforderlich, da i. d. R.. weder die Datendichte genügend hoch ist, noch die
verfügbaren Rechenmodelle eine ausreichende Auflösung liefern können, um das
natürliche System vollständig und fehlerfrei nachzubilden.
Die modellhafte und näherungsweise Nachbildung des natürlichen Systems setzt eine
vereinfachende
Zusammenfassung
vorhandener
Daten
durch
Mittelwert-
und
Integralbildung sowie die Abschätzung nicht verfügbarer Kennwerte voraus.
Der erste Schritt war die Umsetzung des Standortes in ein Modellgebiet
(Berechnungsgebiet) in Abhängigkeit vom Untersuchungs- und Erkundungsgebiet
(Abb. 2.3-3), welches nach hydrogeologischen Gesichtspunkten in flächenhafte oder
räumliche Modelleinheiten weiter unterteilt werden kann.
Der nächste wesentliche Schritt bei der Erstellung des hydrogeologischen Modells ist
das Abstrahieren und Schematisieren des geologischen Untergrundes, d.h. die
Überführung
geologischer
Einheiten
mit
vergleichbaren
hydrogeologischen
Eigenschaften in so genannte hydrostratigraphische Einheiten. Die Abgrenzung der
hydrostratigraphischen Einheiten im Modellraum beinhaltet im Wesentlichen ein
Vereinfachen. Die vom Modellierer festzulegenden hydrogeologischen Einheiten mit
vergleichbaren hydraulischen und hydrochemischen Eigenschaften werden hinsichtlich
ihrer hydraulischen Wirksamkeit zusammengefasst (Abb. 2.3-4).
28
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb.2.3-4: Entwicklung eines hydrogeologischen Modells durch Abstrahieren,
Vereinfachen und Schematisieren, ergänzt nach /FHD 99/
Wie aus der Abb. 2.3-4 ersichtlich, erfordern hydrogeologische (hydrostratigraphische)
Einheiten, als Struktureinheiten mit vergleichbaren hydrogeologischen Einheiten, in der
Regel die Abgrenzung bzw. das Zusammenfassen von
·
Grundwasserleitern (Aquifere, GWL)
·
Grundwasserhemmern (GWH) und
·
geologischen Strukturen (z. B. Störzonen in Festgesteinen), die hinsichtlich ihrer
hydraulischen Funktion gesondert zu bewerten sind.
In einem weiteren Schritt werden die räumlichen Geometrien, z. B. Verbreitung und
Mächtigkeiten der Aquifere, in vertikaler und horizontaler Ausrichtung erfasst,
dargestellt und ihnen hydrogeologische Kennwerte zugeordnet. Wichtig hierbei ist,
dass auch die innere Struktur eines Grundwasserleiters oder -hemmers, soweit sie die
Hydraulik und den Transport von Radionukliden oder anderen Schadstoffen
beeinflussen können, zu berücksichtigen sind. Dies kann, wie in der Abb. 2.3-5
demonstriert,
durch
eine
Aufteilung
in
Homogenbereiche
(Zonen)
eines
Grundwasserleiters mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften geschehen.
Abb. 2.3-5 zeigt die vorgenommene Aufteilung und Zuordnung der hydraulischen
Eigenschaft Gebirgsdurchlässigkeitsbeiwert an Hand eines 2D-Schnittes, der die
Frontalansicht des Blockbildes in Abb. 2.3-4 wiedergibt. Die Zonen 1 und 2 des tieferen
Grundwasserleiters
werden
dabei
charakterisiert
durch
die
unterschiedlichen
hydraulischen Eigenschaften von Bereichen mit geklüfteten Gneiss oder geklüften
Granit (s.Abb. 2.3-4).
29
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 2.3-5: Zonierung der Homogenbereiche und Zuordnung der hydraulischen
Kennwerte am Beispiel der Gebirgsdurchlässigkeit, nach /FHD 99/,
ergänzt.
Hydrogeologische Kennwerte charakterisieren die geometrischen und hydraulischen
Eigenschaften der hydrogeologischen Einheiten, wie
·
Gesteinsart und -zusammensetzung,
·
Gebirgsdurchlässigkeitsbeiwerte (kf-Werte) bzw. Transmissivitäten
·
wirksame Schichtmächtigkeiten
·
durchflusswirksame
Hohlraumanteile
(effektive
Porositäten)
und
Speicher-
koeffizienten.
Die räumliche Verteilung der Kennwerte und ihre Bandbreite sind nach geologischen
Kriterien auf Basis
·
der Aquifergenese,
·
der Faziesverteilung
·
der tektonischen Struktur und
·
der Anisotropie
zu beurteilen.
Im Anschluss an die Strukturierung des Modellraumes und die Zuordnung der
Kennwerte zu Modellparametern sind Daten zur Grundwasserdynamik sowie zur
Grundwasserbilanz zu interpretieren, um die Modellrandbedingungen auch quantitativ
zu erfassen (Abb. 2.3-6).
30
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 2.3-6: Bestimmung der Modellrandbedingungen, nach /FHD 99/, ergänzt
In der Grundwasserhydraulik werden hierzu als wesentliche Bestandteile die
Grundwasserstände und der Verlauf der Oberflächenwässer bzw. der Verlauf der
Oberflächen- und Grundwasserscheiden erfasst und anhand der Kennwerte
·
flächenhafte Grundwasserneubildungsraten,
·
Randzu- und -abflüsse am Modellrand,
·
Grundwasserspiegel- bzw. Druckhöhen,
·
Wechselwirkungen mit Oberflächengewässern bzw. anderen Grundwasserleitern,
·
Grundwasserentnahmen bzw. -infiltrationen und
·
eventuell zu diesem Zeitpunkt bereits die Grundwasserbewegung (Fließrichtung
und Fließgeschwindigkeiten)
aufgenommen.
Das hieraus resultierende Modell ist während des Aufbaus sukzessive mit weiteren
Parametern zu bestücken.
Die
im
Rahmen
der
Parameterermittlung
verwendeten
hydrogeologischen
Modellansätze und ihre Programme (z. B. Pumpversuchsauswertungsprogramme) zur
Definition von hydraulischen Modellparametern sind Teil der Parametererkundung und
-aufbereitung
Herbeiführung
und
einer
nicht
Teil
der
hydrogeologischen
Sanierungsentscheidung.
31
Sie
Modellanwendung
werden
daher
in
zur
diesem
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Gliederungspunkt nicht weiter behandelt. Eine ausgiebige Abhandlung zum Vorgang
einer hydrogeologischen Modellerstellung sind in /BAL 98/ und /LAR 02/ beschrieben.
Der Modellierer muss sich im Laufe der folgenden Berechnungen immer der
vereinfachenden Darstellung bewusst bleiben. Durch eine zu grobe Schematisierung
kommt es zu Einschränkungen in der Gültigkeit der durchgeführten Simulationen, z. B.
Überschreitung
der
Grenzen
von
angewendeten
Fließgesetzen.
Die
Modellqualifizierungsschritte (Kalibrierung und Validierung siehe Abschnitte 3.3 und
3.4) sind folglich zur Überprüfung der Schematisierung überaus wichtig. Kommt es
dabei zu nicht nachvollziehbaren Ergebnissen, so sind die vereinfachenden und
zusammenfassenden Annahmen der Abstraktion zu überprüfen und ggf. zu ändern
(iterative Vorgehensweise).
Für einfache Problemstellungen, z. B. homogene Grundwasserleiter und fest
vorliegender Bewertungsaufpunkt, bietet sich die Anwendung einer analytischen
Lösung zur Abschätzung einzelner Einflussgrößen und zum ersten Kennen lernen des
Modellgebiets an. Die Ergebnisse können bei einer ggf. später notwendigen
numerischen Modellierung gute Dienste in der Plausibilitätskontrolle leisten. Sie helfen
auch, den notwendigen Leistungsumfang eines auszuwählenden numerischen
Programms genauer zu definieren.
Bei der Wahl einer analytischen Lösung zur Bewertung des Standortes wird ebenfalls
der hier aufgezeichneten konzeptionellen Vorgehensweise gefolgt und kehrt nach der
Bewertung der Ergebnisse wieder zum Abstraktionsschritt zurück, um evtl. ein
numerisches Rechenverfahren einzusetzen.
2.4
Erstellung eines mathematischen (numerischen) Modells
Die Erstellung eines hydrogeologischen Modells ist die Voraussetzung für die
Entwicklung eines numerischen Modells, wenngleich das hydrogeologische Modell
nicht notwendigerweise in ein numerisches Modell umgesetzt werden muss.
Das hydrogeologische Modell wird in ein mathematisches Modell überführt. Dabei fließt
die Vorstellung des Modellierers über die mathematischen Zusammenhänge der
relevanten Systemparameter ein. Die mathematische Beschreibung der maßgebenden
Strömungs-und Stofftransportprozesse stellt immer eine Approximation der realen
Naturprozesse dar. Bei vielen mathematischen Modellansätzen bleibt ein Teil der
32
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
ermittelten Daten unberücksichtigt, weil diese entweder einen vernachlässigbaren
Einfluss auf das Ergebnis haben oder weil sie mathematisch nicht berücksichtigt
werden können. Im mathematischen Modell werden die ermittelten Daten auf wenige
Parameter reduziert.
Die mathematische Modellbildung erfolgt grundsätzlich unter Definition eines
repräsentativen Elementarvolumens (REV) (Abb. 2.4-1). Das Elementarvolumen
begründet das räumliche Auflösungsvermögen der Betrachtung. Es muss einerseits
hinreichend
groß
sein,
damit
Fluktuationen
mikroskopischer
Eigenschaften
vernachlässigbar sind und andererseits hinreichend klein, damit die lokale Variabilität
der makroskopischen Eigenschaften erfassbar bleibt. Das mathematische Modell wird
aus Erhaltungsgleichungen am REV abgeleitet. Im einzelnen sind das die
Phasenmassenerhaltung, die Phasenimpulserhaltung, die Phasenenergieerhaltung
und die Stoffmassenerhaltung.
Abb. 2.4-1: Bestimmung des Aquifertyps nach Größe des REVs (Quelle GLA, Krefeld)
Im einfachen Fall der Grundwasserströmung in porösen Medien wird das mathematische
Modell
aus
der
Kontinuitätsgleichung
(Massenerhaltung)
und
dem
DARCY-Gesetz (Impulserhaltung) gebildet. Dazu gehören zusätzliche konstitutive
Bedingungen und Nebenbedingungen.
33
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Bei Stofftransportprozessen beschreibt das mathematische Modell zusätzlich die
maßgebenden Transportmechanismen:
·
Advektion,
·
molekulare Diffusion,
·
Dispersion und
·
Adsorption.
Die Erhaltungsgleichungen werden zunächst in der Regel am REV endlicher Größe
Dx, Dy, Dz abgeleitet. Dabei entstehen Differenzengleichungen. Führt man den
Grenzübergang dx®0, so entstehen partielle Differentialgleichungen. Diese wiederum
werden für die numerische Lösung in der Regel diskretisiert, s. Abschnitt 2.4.2.1.
Einige Verfahren verzichten auf diesen Abstraktionsschritt, d. h. die Modellgleichungen
werden unmittelbar als Differenzengleichungen abgeleitet (sog. Bilanzmethoden wie
Finite-Volumen-Verfahren, s. Abschnitt 5.2).
Neben
den
Erhaltungsgleichungen
gehören
zum
mathematischen
Modell
Randbedingungen und, im Fall nichtstationärer Aufgaben, Anfangsbedingungen.
Zusätzlich
zu
den
Mechanismen
des
Grundwassertransportes
ist
bei
der
Transportmodellierung die Wasser/Gesteinwechselwirkung zu berücksichtigen. Dabei
sind Gleichgewichtsreaktionen und Nichtgleichgewichtsreaktionen zwischen den
verschiedenen Spezies im Wasser und Gestein, der Abbau einer Spezies infolge
biochemischer Vorgänge oder für radioaktive Elemente auch der Zerfall zu betrachten
(s. Abschnitt 9.1).
Eine Hilfestellung bei der Erstellung eines mathematischen Modells bieten die
nachfolgenden Fragen (erweitert nach /LEG 96/) zum Systemverständnis der
relevanten physikalischen und chemischen Prozesse.
1. Welche Gleichung beschreibt im konkreten Fall die Fließrichtung und die
Grundwassergeschwindigkeit?
2. Welchen Wechselwirkungen unterliegt der transportierte Stoff?
3. Reagiert der transportierte Stoff mit dem Gestein des Aquifers oder dem geogenen
Stoffgehalt des Grundwassers?
34
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Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
4. Unterliegt der Schadstoff keiner Retardation im Gestein und/oder
5. ist der radioaktive Zerfall, ein Abbau oder eine Fällung anzusetzen?
6. Findet Matrixdiffusion statt?
7. Reagieren die Inhaltsstoffe des in das Grundwasser eintretenden Sickerwassers
miteinander und sind entstehende Metaboliten zu betrachten?
8. Sind Dichteeinflüsse zu berücksichtigen?
Durch eine Beantwortung der aufgeführten Fragen wird man sich für ein
Rechenprogramm entscheiden müssen, welches die Vorstellung des Modellierers vom
natürlichen Geschehen im hydrogeologischen Modell in die Sprache der Mathematik
übersetzt. In den meisten Fällen wird das mathematische Modell durch einen Satz von
Gleichungen (z. B. partiellen Differentialgleichungen) definiert.
Die
hydrostratigraphischen
Einheiten
bilden
als
wesentliche
Elemente
des
hydrogeologischen Modells die Grundlage für die Erstellung eines mathematischen
(numerischen) Grundwassermodells. Dies beinhaltet den Aufbau der Modellgeometrie
unter Berücksichtigung der geologischen Strukturen, wobei sich noch Rückwirkungen
auf die zunächst gewählten Modellgrenzen ergeben können.
Die Umsetzung der hydrostratigraphischen Einheiten in Modellstrukturen (Netzwerk
von Elementen) beinhaltet:
·
das Festlegen der Modellschichten,
·
den Verlauf von geologischen Strukturen (z. B. Rinnenstrukturen in quartären
Grundwasserleitern; Störungszonen in Festgesteinen),
·
das Überprüfen der gewählten Modellgrenzen,
·
die räumliche Diskretisierung des Modellgebiets,
·
sowie die Berücksichtigung von zeitlichen Veränderungen bei instationären
Modellen.
Nach diesen Vorgaben und der Aufgabenstellung wird die Dimensionalität des Modells
(2D-, 3D-Modell) festgelegt. Für die jeweiligen Modellschichten bzw. homogenen
35
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Zonen des numerischen Modells erfolgt auf Grundlage der hydrogeologischen
Kennwerte die Festlegung der Modellparameter (Werteverteilung). Darüber hinaus sind
die Kennwerte im Hinblick auf die Modellkalibrierung (Sensitivitätsanalyse und
Aussagesicherheit) zu bewerten. Im Anschluss an die Auswertung der Kennwerte zur
Grundwasserhydraulik bzw. der Daten zur Grundwasserbeschaffenheit kann
·
der Modellansatz (stationär, instationär) sowie
·
der Aquifertyp (gespannt, ungespannt etc.)
festgelegt werden.
Abschließend werden Art, Zeitabhängigkeit und Lage der Modellrandbedingungen
festgelegt und quantitativ mathematisch formuliert:
·
Grundwasserneubildung
·
Randzu- und -abflüsse,
·
Grundwasserstände,
·
Oberflächengewässer (Leakagefaktoren nach DIN 4049, Gewässergeometrien)
sowie
·
Entnahmen und Infiltrationen von Wässern.
Bei instationärer Modellierung
sind darüber hinaus die Anfangsbedingungen
festzulegen. Die Randbedingungen sind im Hinblick auf die Modellkalibrierung (incl.
Sensitivitätsanalyse) zu bewerten.
Bei der Umsetzung des hydrogeologischen Modellansatzes in komplexere numerische
Gitternetze (Diskretisierung) erfolgt als nächstes die Übertragung der geologischen
Struktur mit ihren Schichtgliedern in ein Maschennetz von Elementen (Modellgitter).
Dabei
folgt
die
Begrenzung
des
Modellgitters
meist
der
Umrandung
des
hydrogeologischen Modells (Abb. 2.4-2). Hierbei ist darauf zu achten, dass in
Bereichen von wichtigen Modellstrukturen (u. a. Schichtgrenzen, innere und äußere
Modellränder) das Gitternetz von Elementen verdichtet werden sollte (s. Abb. 2.4-2).
Die Art der Diskretisierung richtet sich unter anderem nach der Art des verwendeten
Programms (Finite Element, Finite Differenzen, Finite Volumen-Ansatz) und nach der
erforderlichen Genauigkeit.
36
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 2.4-2: Aufbau eines Modellgitters an Hand des hydrogeologischen Modells.
Der nächste Schritt erfolgt im Hinblick auf die mathematische Formulierung von
hydraulischen Randbedingungen auf den Rändern des Modells.
Man unterscheidet drei Arten von Randbedingungen:
1. Potential-Randbedingungen (Randbedingungen 1. Art, DIRICHLET-Randbedingung, z. B. Festpotentialrandbedingungen über Grundwasserstände in einem
stationären System)
2. Stromrandbedingungen (Randbedingung 2. Art, NEUMANN-Randbedingung, z. B.
Zufluss und Abflüsse aus dem Modell, Grundwasserneubildungsraten)
3. Gemischte Randbedingung (Randbedingung 3. Art, CAUCHY-Randbedingungen,
z. B. Leakage-Raten eines Vorfluters)
Bei der Definition der Randbedingungen im Modell können i. d. R.. zwei
Vorgehensweisen in Betracht gezogen werden:
Der erste Weg orientiert die Modellränder entlang geologischer Strukturen (z. B.
Störungen) oder hydraulischer Elemente (z. B. Vorfluter), aus deren hydraulischen
Eigenschaften sich geeignete Potential- oder Stromrandbedingungen ableiten lassen.
Sind solche hydraulisch wirksame Strukturen nicht vorhanden oder liegen zur Defintion
nur unzureichende Informationen hinsichtlich ihrer hydraulischen Eigenschaften vor, so
können die Modellränder evtl. soweit von dem eigentlichen Berechnungs- bzw.
Aussageraum festgelegt werden, dass sich die Unsicherheiten in der Definition der Art
der Randbedingungen nicht auf das Strömungsgeschehen im Berechnungsraum
37
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
auswirken. Das erste Modell ist dann erheblich größer als der eigentliche Bereich für
den eine Aussage getroffen werden soll. Nach Übernahme der Randbedingungen aus
dem großen Modell auf die Ränder des Aussageraumes kann das Modell wieder auf
den Aussageraum beschränkt werden.
In diesem Fall muss durch ein Vergleich von Grundwasserströmungsrechnungen
nachgewiesen werden, dass eine Variation der Randbedingungen an diesen
Modellrändern keine merkliche Veränderung des Strömungsfeldes im zentralen Teil
des Modells hervorruft /BAL 98/.
2.4.1
Auswahl des Berechnungsverfahren
Zur Umsetzung des hydrogeologischen Modells in ein mathematisches (numerisches)
Modell ist vom Modellierer zunächst unter einer großen Anzahl von derzeit zur
Verfügung stehenden Grundwasserprogrammen eine problemorientierte Auswahl zu
treffen. In enger Verbindung damit muss geklärt werden, ob für die konkrete
Problemstellung ein numerisches Modell überhaupt erforderlich oder ob eine
analytische Lösung ausreichend ist.
Die Grundanforderung an die in den einzelnen Teilbereichen des Grundwasser- und
Schadstofftransportes verwendeten numerischen Programme bildet der Nachweis auf
deren Einsatzfähigkeit zur Erfassung und Lösung des gestellten Problems. Der Nachweis (Verifikation) ist für alle im Rahmen von Sanierungsentscheidungen genutzten
Rechenprogramme notwendig, z. B. durch Vergleichsrechnungen mit anderen Programmen (Benchmark-Rechnungen) oder mit analytischen Lösungen (s. Kapitel 3).
Es existieren beispielsweise für viele Teilprozesse in der Grundwasser- und
Transportmodellierung Programmpakete zur numerischen Berechnung und Simulation
des
zeitlichen
Verlaufs
von
Stoffkonzentrationen
in
wässrigen
Lösungen
(Sättigungszone). Bei der Modellierung des Objektstandortes sind sie meist nur unter
gesättigten Randbedingungen am Standort (s. Abschnitt 4.2.2) anwendbar. Für eine
Prozessbeschreibung in der ungesättigten Zone (s. Abschnitt 4.2.1), z. B.
Verwitterungsprozesse
und
Sickerwasserströmung,
die
im
Haftwasserbereich
ablaufen, ist die Anzahl vorhandener kommerzieller Programme wesentlich geringer (s.
Kapitel 5). Hier werden i. d. R.. zuerst Sickerwasserbilanzierungsprogramme zur
Berechnung des flächenhaften Eintrages von Schadstoffen in die gesättigte Zone
(Grundwasser)
angewendet.
Da
diese
38
Programme
insbesondere
für
Art,
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Kontaminationshöhe und Menge der Freisetzung der Schadstoffe im Objekt (Quelle)
wichtig sind, werden sie im Leitfadenfachband Sickerwasserpfad behandelt.
Analytische Lösungsverfahren (s. Abschnitt 7) sind i. d. R.. die exakte, in
geschlossener Form darstellbare Lösung eines mathematischen Problems. Sie bleiben
meist
auf
lineare
Feldprobleme
mit
einfacher
Geometrie,
homogenen
Materialparametern und stark schematisierten Anfangs- und Randbedingungen
beschränkt. Bei den numerischen Lösungsverfahren ist das zu modellierende Gebiet
durch eine Reihe von Stützstellen (Knoten) zu diskretisieren (vgl. Abschnitt 2.4.2.1).
Die mathematischen Gleichungen werden an diesen Knoten zunächst einzeln
berechnet. Danach erfolgt eine Integration (Interpolation) aller Einzelergebnisse über
das gesamte Modellgebiet. Prinzipiell ist jede Geometrie und Parameterverteilung
erfassbar. Auch können beliebige Anfangs- und Randbedingungen gewählt werden.
Die begrenzte Leistungsfähigkeit von Rechnern und ein geringer Datenpool zur
notwendigen Modellparameterdefinition setzt dem allerdings Grenzen.
Bei der Auswahl und Anwendung eines Rechenmodells wird oft man nur schwer der
Versuchung widerstanden, ein "hochgezüchtetes", kompliziertes, umfangreiches
numerisches Programmsystem, evtl. mit einer ansprechenden graphischen Oberfläche,
zu verwenden. Der Modellierer und der Auftraggeber sollten sich jedoch immer
bewusst machen, dass bei vielen Problemstellungen bereits mit Erfahrung und durch
den Einsatz analytischer Lösungsverfahren aussagefähige Resultate erreicht oder
zumindest erste Abschätzungen vorgenommen werden können /LEG 96/. Dem steht in
der Anwendung hochentwickelter Programme häufig ein erheblicher Arbeits- und
Rechenzeitaufwand bei der Einarbeitung und einer zu feinen Auflösung relativ
unkomplizierter Aufgaben gegenüber. Meist sind dreidimensionale Berechnungen nur
notwendig, wenn die Aquifermächtigkeit groß gegenüber seiner lateralen Ausdehnung
ist oder die Problemstellung, z. B. flächenhafter Schadstoffeintrag in eine Vorflut, dies
verlangt.
Das heißt nicht, dass analytische Lösungen und einfache numerische Modelle immer
ausreichend sind. Die Entscheidung für das eine oder das andere liegt allein in der
Problemstellung und den vorhandenen Daten. Als Hilfestellung sollten die nachfolgend
aufgelisteten grundsätzlichen Überlegungen zur Programmauswahl (ergänzt nach
/LEG 96/) vor der Entscheidung für ein Modell betrachtet werden:
1. Was sind die Ziele der hydraulischen Modellierung?
39
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2. Was und wie viel ist über das Aquifersystem bekannt?
3. Gibt es Pläne, zusätzliche Daten zu erheben?
4. Welcher Zeitrahmen wird der Modellierung unterlegt (Prognose-, BewertungsZeitraum)?
5. Welche Dimensionalität erfordert die Problemstellung?
6. Sind standortspezifische Modellrandbedingungen/Anfangsbedingungen erfassbar?
7. Wie hoch ist die Genauigkeitsanforderung?
8. Welche Hardware steht zur Verfügung?
9. Welche Finanzmittel stehen bereit?
10. In welchem Zeitrahmen sind Ergebnisse zu liefern?
Die Beantwortung der ersten beiden Fragen kann bereits ergeben, dass die Ziele mit
einem einfachen Modell bzw. einer analytischen Lösung erreicht werden können
(Frage 1), oder man gelangt zu dem Schluss, dass nicht genügend Informationen für
die Erstellung eines komplexen Modells zur Verfügung stehen (Frage 2).
Lässt sich die dritte Frage mit ja beantworten, so ergibt sich der Vorteil, dass durch die
Anwendung eines Modells im Vorfeld der Untersuchungen die Bereiche festgelegt
werden können, an denen zusätzliche Informationen durch neue Daten eine größere
Erkenntnisdichte
liefern.
Diese
Wechselwirkung
zwischen
Modellierer
und
Datenerheber ist nicht oft gegeben, sollte aber angestrebt werden.
Die Antwort auf die vierte Frage beeinflusst die Komplexität des zu verwendenden
Modells. Zur Prognose der Grundwassergefährdung durch eine Halde mit geringem
Schadstoffinventar ist ein weniger komplexes Modell ausreichend, da in vielen Fällen
der Endzustand der Auswirkung einer Schadstoffquelle mit dem Istzustand gleichzusetzen ist. Die Kontamination des Grundwassers ist durch Feldmessungen (z. B.
Radionuklidkonzentrationen im Grundwasser) belegt und es wird nicht erwartet, dass
diese sich zukünftig erhöht (s. Leitfadenfachband Sickerwasserpfad).
40
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
In diesen Fällen kann durch einfache Modelle das Ergebnis der Messungen
nachvollzogen werden und durch eine analytische Abschätzung (z. B. einer
Bilanzierung der Inventar/Schadstofffrachten bei gleich bleibenden Bedingungen) eine
über den Istzustand hinausgehende zukünftige Erhöhung der Kontamination verneint
werden.
Für Prognoserechnungen von Standorten z. B. mit hohem Schadstoffinventar oder
spezieller Ablagerungsgeschichte spiegelt der Istzustand nicht ohne weiteres das
Maximum des möglichen Schadstoffaustrages wider. Hier sind lang andauernde
geochemische Prozesse (s. Leitfadenfachband Sickerwasserpfad) möglich, die den
Durchbruch einer zukünftigen größeren Schadstoffkonzentration begünstigen. In
diesem Fall sind transiente Schadstofftransportrechnungen notwendig, die den
zeitlichen Verlauf der Grundwasserkontamination darstellen. Dabei muss bewertet
werden, ob auch die Grundwassersituation transient zu betrachten ist oder ob sie als
stationär betrachtet werden kann.
Auch die weiteren Fragen (5,6,7) bestimmen die Modellkomplexität bei der
Programmauswahl. So erfordert die Frage nach der notwendigen Dimensionalität des
Berechnungsgebiets, die Frage der Randbedingungen bzw. der Anfangsbedingungen
und ihre Auswirkungen auf das Aussagegebiet eine genaue Kenntnis des Standortes
und der hydrogeologischen, hydraulischen und chemischen Eigenschaften. Wird der
Standort durch seine Komplexität und Verteilung von (Konzentrations-) Quellen und
Senken geprägt, so sind i. d. R.. auch komplexere Modelle auszuwählen, wenn eine
konservative Vorgehensweise den Genauigkeitsanforderungen der Problemstellung
nicht genügt.
Die Fragen 8 bis 10 sind eher anwenderspezifisch zu beantworten, d.h. derjenige, der
ein Modell und ein Rechenprogramm zur Anwendung bringt, muss sich bei der
Programmauswahl bewusst sein, dass eine ausführliche Dokumentation und eine
große Anzahl von Beispielanwendungen die Einarbeitungszeit in ein Programmsystem
wesentlich verkürzen.
Ein weiterer Zeitfaktor ist die Leistungsfähigkeit des Postprocessings, d.h. der
Ergebnisdarstellungsmodule in den Programmen. Eine schnelle und übersichtliche
Darstellung der Ergebnisse, zumal in dreidimensionalen Berechnungsgebieten,
vereinfacht das Problemverständnis erheblich. Zudem sind zur Erstellung von
Eingabedaten Preprozessoren z. B. Netzgeneratoren erforderlich.
41
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Weiterhin wird zwischen dem interaktiven Dialog (Handeingabe) und dem interaktiven
graphischen Dialog per Mausklick unterschieden. Häufig weisen Programme, gerade
im PC-Bereich, eine etwas unzeitgemäße Eingabestruktur (z. B. formatierte
Eingabedateien) /LEG 96/ auf. Hier muss abwogen werden, ob die Leistungsfähigkeit
und die Kosten des Programms diese Nachteile aufwiegen.
Schließlich ist noch der Rechenzeitbedarf eines Programms zu berücksichtigen. In der
Entscheidung zwischen einer Workstation und einem PC spielen die Kosten der
Hardware die entscheidende Rolle. Es gibt heute schon sehr leistungsfähige
Programme zur Grundwassermodellierung, die auf dem PC lauffähig sind. Ein
ausgefeiltes Pre- und Postprocessing ist z.Zt. meist auf den leistungsfähigeren
Workstations zu finden.
Weiterhin
wichtig
für
den
Anwender
ist
die
Unterstützung
durch
den
Programmentwickler.
Zur Erleichterung der Softwareauswahl wurde in Anlage 2 aus eigenen Erfahrungen
und unter Berücksichtigung der in /LEG 96/ bzw. von /WAL 92/ und /FEI 91/
gegebenen Anregungen eine Checkliste zur Auswahl von Grundwasserprogrammen
zusammengestellt.
Nach Durchsicht der Liste sind die gewünschten Eigenschaften der Rechencodes auf
der Basis seines schematisierten Systems anzukreuzen. Anschließend wird auf Basis
der Liste der notwendige Leistungsumfang der Programmsoftware festgestellt und mit
den Angaben in der Tabelle „Programme“ (Anlage 2) verglichen.
Ist es nicht möglich, eine gute Übereinstimmung zwischen benötigtem und
angebotenem Leistungsumfang zu erzielen, muss ein existierendes Modell in den
Programmen modifiziert werden. Alternativ ist ein neues schematisiertes System zu
erstellen. Dabei stellt sich die Frage, ob auf die nicht vorhandenen Eigenschaften in
der verfügbaren Software nicht verzichtet werden kann.
Da der Programmkatalog in Anlage 2 sehr umfangreich ist und laufend aktualisiert
werden muss, wird an dieser Stelle auf eine weitergehende Auflistung von
Grundwasserprogrammen, die relativ schnell veraltet wäre, verzichtet. Nach /LEG 96/
sind ohne tieferes Verständnis der physikalischen Prozesse und mathematischen
Werkzeuge in der Anwendung von Grundwassermodellen keine verlässlichen
42
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Ergebnisse zu erzielen. Die Gefahr von Fehlaussagen infolge unreflektiert eingesetzter
Modellsoftware ist groß /LEG 96/2.
2.4.2
Programmanwendung
Auf die Programmauswahl folgt die Programmanwendung. Im Prinzip unterscheiden
sich die empfohlenen Wege für die Anwendung eines analytischen und eines
numerischen Modells nicht.
Beim
Einsatz
numerischer
Verfahren
besteht
allerdings
das
Problem
der
Nachprüfbarkeit der numerischen Ergebnisse (Plausibilitätsbetrachtung). So lassen
numerische Modelle, z. B. beim Modellaufbau, dem Anwender große Spielräume bei
der Gestaltung seiner Modellvorstellung (Interpretation). Häufig kann nicht vermieden
werden, dass der Modellierer seine subjektiven Einschätzungen über den Standort und
über “sein“ hydrogeologisches Modell bei der Festlegung der Modellparameter
verwendet.
Die Zuordnung der hydrogeologischen Einheiten, die Parameterwahl aus einem
größeren Datenpool wird zwangsläufig durch die Modellvorstellung des Modellierers
und durch die Möglichkeiten, die das verwendete Verfahren bietet (z. B. die Methode
der Finiten Elemente, Aufteilung des Kontinuums in diskrete Punkte, Gitterdichte,
Form, Grad und Dimension der einzelnen Elemente), geprägt sein. Aufgrund der
Endlichkeit der Modelle sowohl im zeitlichen als auch im räumlichen Sinn müssen
darüber hinaus Anfangs- und Randbedingungen vorgegeben werden /SCH 84; IST 89;
BUS 93/.
Die „klassische“ Programmanwendung beinhaltet die vier Schritte:
·
Programm - Verifikation,
·
numerische Modell – Kalibrierung,
·
numerische Modell – Validierung,
2 “Weiterhin sollte nicht erwartet werden, dass hier (in /LEG96/) verschiedene Grundwasserprogramme
vorgestellt, ihre Leistungsfähigkeit miteinander verglichen und Empfehlungen für den jeweils besten
Einsatz gegeben werden. Eine solche Aufgabe wäre eher der Organisation Stiftung Warentest zu
43
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
Standortmodellrechnung.
Vor Nutzung eines neuen Programms ist der Qualifizierungsstand des Programms
abzufragen. Insbesondere bei einer für das Programm evtl. neuartigen Problemstellung
ist es zuerst zu verifizieren (s. Kapitel 3). Von soliden bzw. weit verbreiteten
Grundwasserprogrammen kann man inzwischen verlangen, dass Verifikationsbeispiele
im Lieferumfang enthalten sind und somit dieser Schritt nicht mehr allzu großen Raum
einnehmen muss. Er bleibt aber notwendig erhalten, wenn eine neuartige
Problemstellung vom Programm gelöst werden soll.
Der Verifikationsschritt muss vor der spezifischen Programmanwendung geschehen,
da die Verifikation schon bei der Programmauswahl ein wichtiges Kriterium darstellt.
Der nächste wichtige Schritt in der Modellierung, z. B. eines Grundwassersystems, ist
die Kalibrierung des Modells (der Begriff wird synonym mit dem Begriff Eichung
verwendet). Dadurch wird die Schnittstelle zwischen dem mathematischen Modell und
den Feldmessungen geschaffen. Auch dies ist ein Qualifizierungskriterium für die
Verwendung bzw. Auswahl eines Programms (Codes), da diese Option z. T. schon
automatisch vom Programm durchgeführt werden kann.
Der nachfolgende Validierungsschritt bezieht sich in erster Linie auf die verwendete
Modellvorstellung bzw. auf das aufgebaute Modell. Als Validierung bezeichnet man die
Überprüfung, ob ein numerisches Modell die in der Natur gemachten Beobachtungen
(Messungen) korrekt wiedergeben kann. Sie erfolgt mittels eines geeichten Modells mit
einem Datensatz, der vom Eichdatensatz, d.h. von Daten und an Modellpunkten, die
zur Eichung verwendet wurden, unabhängig ist. Es gilt zu prüfen, ob das Modellergebnis die Naturbeobachtungen (u. a. Feldmessungen) wiedergibt.
Im Kapitel 3 werden die o.a. Qualifizierungskriterien genauer beschrieben. Den
Vorgang einer Programmanwendung nach /LEG 96/ zeigt Abb. 2.4-3. Typische
Beispiele und eine ausgiebige Abhandlung zur Verwendung von Programmen sind in
/BAL 98, FIS 00 und LAR 02/ beschrieben.
stellen. Auch die schnelle Weiterentwicklung der angebotenen Modellsoftware läßt eine solche Arbeit in
diesem Rahmen nicht zu.” Zitat aus /LEG96/
44
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Der Start der eigentlichen numerischen Programmanwendung beginnt mit dem
Modellaufbau, d.h. mit der Umsetzung des hydrogeologischen Modells in ein Gitter von
Elementen (Netzerstellung). Dieser als Diskretisierung des Berechnungsgebiets
bezeichnete Vorgang und die Belegung von Elementen soll nachfolgend kurz
beschrieben
werden,
da
eine
korrekte
Diskretisierung
des
Modells
die
Grundvoraussetzung für die Durchführung einer Modellrechnung darstellt.
Abb. 2.4-3: Aktivitäten der Programmanwendung, erweitert nach /LEG 96/
2.4.2.1
Diskretisierung
Der Vorgang der Diskretisierung des Modellgebiets wird am Beispiel einer Verwendung
der Methode der Finite Elemente dargestellt. Der Vorgang unterscheidet sich prinzipiell
nicht von der Verwendung anderer Rechenmethoden, z. B. Finite Differenzen, wenn
auch jede Methode für sich besondere Diskretisierungsmerkmale aufweist.
Ein mathematisches Modell wird diskretisiert, indem man einen Homogenbereich, z. B.
eine hydrogeologische Einheit (Schicht) oder ein Gebiet gleicher Systemeigenschaften
durch eine Anzahl von Knoten (-punkten) und Elementen ersetzt und so ein FiniteElement-Netz aufbaut. Für ein- zwei- und dreidimensionale Probleme sowie
45
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
radialsymmetrische Geometrien stehen verschiedene Elementtypen zur Verfügung. Die
Elemente können prinzipiell jede Größe und Form annehmen. Die äußere Berandung
und Größe eines Gitters sind nahezu beliebig, werden aber sinnvollerweise an
typischen z. B. hydrogeologischen Randbedingungen orientiert. Ebenso können
verschiedene dimensionale Elemente in einem Netz verwendet werden. Für jedes
Element sind die Materialparameter der diskretisierten hydrogeologischen Einheit (z. B.
einem quasi homogenen Aquifer) anzugeben. Die Parameter sind konstant in einem
Element und können von Element zu Element variieren.
Für die Zwecke der Netzgenerierung stehen in ausgereiften Programmsystemen (z. B.
SPRING /GKW 97/, FEFLOW /DIE 96/ so genannte Netzgeneratoren zur Verfügung,
die für ein Gesamtmodell, aber auch für besondere Modellbereiche, spezifische Netze
generieren. Die Netzgeneratoren ersparen dem Modellierer, die Knoten und Elemente
einzeln einzugeben. Liegen solche Programmmodule nicht vor oder möchte der
Anwender spezielle Gitter erzeugen, so sind einige Grundregeln der Netzgestaltung zu
beachten, deren Einhaltung jeweils zu überprüfen ist. Eine ungünstige Netzgeometrie
kann die Berechnungsergebnisse verfälschen und somit zu Fehleinschätzungen
führen.
Bei der Erstellung eines Netzes spielt die notwendige Genauigkeit der Ergebnisse und
die benötigte Rechenzeit eine besondere Rolle. Beide sind von der Anzahl der Knoten
des gewählten Netzes abhängig. Ein grobes Netz mit einer geringen Element- bzw.
Knotenzahl liefert i. d. R.. ein weniger genaues Ergebnis als ein feines Netz.
Die benötigten Rechenzeiten und damit die Kosten steigen, je engmaschiger das Netz
ist. Bei gleichem Elementnetz kann aber durch die Wahl der benutzten Elemente die
Anzahl der Stützstellen (Knoten) verändert werden. Je nach Wahl des Elementtyps
wird dann die Knotenzahl eines quadratisch räumlichen Finiten Elementes von 8
Stützstellen (Eckpunktknoten) bis auf 27 Stützstellen (zusätzliche flächen- bzw.
Seitenzentrierte Knoten und einem Mittelpunktsknoten) erweitert.
Bei der Netzgenerierung sind zudem die verwendeten Lösungsansätze wesentlich. So
kann bei Verwendung eines Gradientenansatzes (z. B. quadratischen Lösungsansatzes) die Anzahl der Elemente am Interface, z. B. scharfe Leitfähigkeitskontraste
zwischen zwei angrenzenden Schichten, begrenzt werden. Ein linearer Ansatz benötigt
zur Vermeidung von Modellungenauigkeiten, z. B. Oszillationen am Übergang, meist
eine Reihe von zusätzlichen Elementen. Deshalb ist es wichtig, zur Optimierung der
46
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Problemlösung den notwendigen Verfeinerungsgrad des Netzes abzuschätzen, der
eine akzeptable Lösung liefert.
Linear-
und
Gradientenansatz
kennzeichnen
unterschiedliche
Modelle
zur
Beschreibung der räumlichen Verteilung der Zustandsgrößen im Elementmatrixsystem.
Eng verbunden mit der Wahl eines Linear- oder Gradientenansatzes ist die
Formulierung der Austauschansätze und der Umfang des Mittelungsprozesses ('space
averaging‘, s. Abb. 2.4-4) für das Elementmatrixsystem.
Abb. 2.4-4: Unterschied zwischen Gradienten und Linearansatz, aus /JAN 96/
Bei Linearansätzen wird die räumliche Verteilung der Zustandsgrößen im Matrixsystem
vereinfacht durch einen Mittelwert approximiert. Zwischen den Elementen wird ein
mittlerer, linearer Gradient angenommen, der die Quantität des Austausches bestimmt
Bei
der
Wahl
Mittelungsprozeduren
für
das
(Abb.
2.4-4).
eines
Linearansatzes
Matrixsystem
sind
erforderlich.
folglich
Zum
einen
zwei
die
Homogenisierung der hydrogeologischen Parameter für das REV und zum anderen die
Mittelung der Zustandsgrößen für einen bestimmtem Matrixbereich.
Gradientenansätze vermeiden diese zweite Mittelungsprozedur und berücksichtigen
die räumliche Verteilung der Zustandsgrößen in der Matrix und beziehen sich auf eine
lokale Betrachtung des Matrixsystems. Die beschreibenden Gleichungen für das
Matrixsystem sind nicht abhängig von den globalen Koordinaten, sondern beziehen
sich auf eine lokale Koordinate in Richtung des lokalen Gradienten. Dies impliziert
47
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
auch die Unabhängigkeit der Zustandsgröße an einem Ort des Matrixsystems von
einem anderen. Das Matrixsystem kann deshalb in unabhängige 'Submodelle' unterteilt
werden.
Die Austauschprozesse beziehen sich nun nicht mehr auf einen mittleren, sondern auf
einen wesentlich realitätsnäheren Gradienten. Da der Gradient gerade am Interface
von zwei Elementen mit starken Durchlässigkeitskontrasten besonders steil ist, können
Austauschvorgänge mit Gradientenansätzen meist wesentlich besser simuliert werden
als mit Linearansätzen.
Der Weg zur Optimierung d.h. der Genauigkeitsbestimmung erfolgt i. d. R.. über
wiederholte Rechnungen mit sukzessiv verfeinerten Netzen. Zu Beginn steht meist ein
grobes Netz, welches im Laufe der Arbeit problemorientiert, besonders in
interessierenden Bereichen, verfeinert wird. Die Resultate der Verfeinerungen werden
miteinander verglichen. Die numerischen Lösungen sollten bei zunehmender
Verfeinerung gegen ein Ergebnis konvergieren. Unterscheiden sich die Ergebnisse nur
noch geringfügig, so ist ein Optimum zwischen Verfeinerungsgrad und notwendiger
Rechenzeit erreicht. Wenn die Ergebnisse signifikant voneinander abweichen, so wird
eine weitere Verfeinerung oder eine Überprüfung der Zeitschrittwahl notwendig sein.
Die Erzeugung eines Finite-Element-Gitters, bei dem Arbeits- und Rechenaufwand in
einem akzeptablen Verhältnis zum Genauigkeitsgrad des Ergebnisses stehen soll,
erfordert ein beträchtliches Maß an Erfahrung. Insbesondere sollte für die
Diskretisierung eines Grundwasserproblems der Modellierer bereits über Kenntnisse
auf dem Gebiet der Grundwasserhydraulik vorweisen können, da er das entstehende
Gitter
am
Problem
orientieren kann (z.
B.
Elementkanten
an
Stromlinien,
Verfeinerungen in Bereichen mit starken Gradienten usw.).
Im Folgenden werden nach eigenen Erfahrungen und /LEG 96/ einige Hilfestellungen
zur korrekten Platzierung von Knotenpunkten und Elementen unter Einhaltung der
Stabilitätskriterien gegeben.
2.4.2.2
Knotenpunkte
Grundsätzlich sind in einem Finite-Element-Netz jedem Knoten in Abhängigkeit von der
Dimensionalität zwei oder drei Koordinaten und eine Knotennummer zugeordnet. Eine
nachträgliche Optimierung der Knotennummern (z. B. nach dem Algorithmus von
48
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Cuthill McKee /SCH 84/) ist zur Reduktion der Rechenzeit notwendig und sollte in
jedem Fall vom Rechenprogramm selbst übernommen werden.
Aber auch bei einer automatischen Netzgenierung müssen vom Modellierer spezielle
Knoten gesetzt werden, z. B. an:
-
Rändern des Berechnungsgebiets bzw. zur Definition von Randbedingungen
(Modellrandknoten, Randbedingungsknoten),
-
Punktquellen oder -senken (Randbedingungsknoten, z. B. zur Definition von
Extraktions- bzw. Infiltrationsbrunnen),
-
jedem Punkt, an dem exakte ortsabhängige Eingangsdaten, z. B. Grundwasserstände vorhanden sind und die zur Eichung des Modells verwendet werden
können (Eichknoten),
-
jedem Punkt, an dem exakte Berechnungsergebnisse benötigt werden, z. B.:
Beobachtungsbrunnen (Bewertungsknoten),
-
hydraulischen Bereichsgrenzen z. B. Übergängen von Einheiten unterschiedlicher
Leitfähigkeit, Störzonen, Störungen (Übergangsknoten),
-
Materialgrenzen, z. B. Schichtflächen, Übergänge von Schadstoffein- und
-ablagerung zum geogenen Untergrund (Übergangsknoten).
Knoten sind dort möglichst dicht zu setzen, wo schnelle Veränderungen von
Feldvariablen (z. B. starke Konzentrations- oder Druckgradienten u. a. im
Dammbereich) erwartet werden.
2.4.2.3
Elemente
Jedes Element wird durch eine bestimmte Anzahl von Knoten und deren Koordinaten
definiert. Die Anordnung der Eckpunktknoten bestimmen Größe, Form und Lage der
Elemente. In Gebieten mit komplizierter Geometrie (z. B.: auskeilende Schichten) oder
Geologie (z. B. Störungszonen, Klüfte) wird man viele Elemente bzw. Stützpunkte
benötigen, während für einfache Aquifergeometrien, z. B. homogene Aquifere
gleichmäßiger Mächtigkeit, oder in weniger wichtigen Bereichen eine Diskretisierung
mit weniger Knoten und Elementen zulässig ist. Für jedes Element bzw. jede
Elementgruppe (hydrogeologischen Einheit) sind Modellparameter anzugeben.
49
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Folgende Hinweise zur Wahl der Form und der Platzierung der Elemente per Hand
sind dabei zu beachten:
-
Die Ränder benachbarter Elemente dürfen sich weder überlappen noch dürfen
Lücken entstehen, und
-
Elemente dürfen nicht die Grenze zwischen zwei Materialien schneiden, da die
Materialparameter in einem Element konstant sind.
Die Elementgröße bestimmt die Größe des Zeitschritts. Daher ist die Verwendung von
stark
verzerrten
Elementen,
insbesondere
bei
der
Berechnung
instationärer
Strömungen oder bei der Modellierung von Transportprozessen, zu vermeiden. Die
Elementgrößen dürfen sich nicht abrupt ändern. Übergangszonen sollten fließend
durch mehrere Elementreihen definiert werden.
2.4.3
Standortmodell
Nach Abschluss des mathematischen Modellaufbaus und der Durchführung von
qualifizierenden Maßnahmen (Kapitel 3) ist das hydrogeologische Modell des
Standortes (Standortmodell oder Simulationsmodell) erstellt. Das Modell soll bei jedem
Standort die Besonderheiten am Standort adäquat widerspiegeln. Dabei ist nicht eine
vollkommene Naturtreue des Modells entscheidend, sondern die spezifischen
Prozesse müssen problemorientiert und modellhaft abgebildet sein.
2.4.3.1
Prüfen und Anwenden des Standortmodells
Bei der Modellprüfung wird ermittelt, ob das Standortmodell und die zugrunde gelegte
Datenbasis den formulierten Aufgabenstellungen und Qualitätszielen entspricht und
damit das Modell für die Prognoseanwendung zur Verfügung steht oder ob
·
die Datenbasis nicht ausreicht und deshalb ergänzt,
·
das hydrogeologische Modell erweitert,
·
ein anderes mathematisches Modell oder ein anderer Code gewählt bzw.
·
die Aufgabenstellung oder die Qualitätsziele revidiert
werden müssen.
50
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Die bei der Erstellung des hydrogeologischen Modells des Standortes beschriebenen
Systemzusammenhänge müssen im mathematischen Modell quantitativ überprüft
werden. Dabei geht es nicht um die Prüfung einzelner Messgrößen, wie z. B.
punktueller Daten von Aquiferparametern oder Grundwasserständen, wie sie für die
Modellkalibrierung verwendet werden (s. Abschnitt 3.3), sondern um die Überprüfung
des
angenommenen
Grundwasserverhaltens
im
gesamten
Modellgebiet
in
Abhängigkeit von Aquiferparametern und Randbedingungen.
Das Flussdiagramm (Abb. 2.4-3) zeigt die Einbindung der Prüfung im Zuge der
Erstellung des hydrogeologischen Modells.
Je nach Fragestellung kann eine Überprüfung des Gesamtverhaltens entweder direkt
durch Feldmessungen oder indirekt durch Vergleich von Ergebnissen der Berechnung
der mathematischen Modelle mit Naturbeobachtungen vorgenommen werden. Eine
Überprüfung nur durch Feldmessungen ist selten möglich. Jedoch können die aus der
Verteilung der Aquiferparameter und aus den hydraulischen Randbedingungen
resultierenden Systemgrößen wie Grundwasserstände, Stromlinien, Durchflussmengen
etc. mit Hilfe des mathematischen Grundwassermodells berechnet werden und mit den
Feldbeobachtungen überprüft werden. Die Prüfung ist integraler Bestandteil der
Modellentwicklung und liefert Erkenntnisse darüber, ob das zugrunde liegende
hydrogeologische Modell das natürliche System plausibel und mit ausreichender
Genauigkeit abbilden und in welchen Grenzen dieses Modell angewendet werden
kann.
Ideal für eine hohe Genauigkeit und Prognosefähigkeit des Standortmodells sind
Ergebnisvergleiche des mathematischen Modells mit zusätzlichen Feldmessungen. Mit
Hilfe des mathematischen Modells können notwendige Feldmessungen wesentlich
effizienter ausgelegt werden (Positionen, Entnahme- und Einspeiseraten bei
Großpumpversuchen, Tracertests etc.). Die zusätzlichen Feldmessungen wiederum
bieten eine ideale Grundlage zur Überprüfung und gegebenenfalls zur Nacheichung
des Standortmodells.
Bei
der
ersten
Anwendung
des
Standortmodells
wird
die
Richtigkeit
der
hydrogeologischen Modellannahmen (s. Abschnitt 2.3) mit Hilfe einer mathematischen
Beschreibung der Systemzusammenhänge geprüft. Dabei werden auf Grundlage direkt
gemessener oder im Rahmen der Modellbildung angesetzter Systemparameter die
resultierenden Strömungs- und Transportvorgänge im Modellgebiet berechnet. Durch
51
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Vergleich mit den gemessenen Systemzuständen (räumliche Verteilung und
Zeitverhalten von Grundwasserständen, Ein- und Austragsmengen sowie bei
Transportmodellen die Stoffkonzentrationen) kann damit indirekt die Richtigkeit der
Systemannahmen des hydrogeologischen Modells kontrolliert werden.
In einem nächsten Arbeitsschritt ist zu bewerten, ob und wieweit das Standortmodell im
Hinblick auf die Aufgabenstellung und die vorgegebenen Qualitätsanforderungen eine
geeignete Beschreibung der Natur darstellt. Hierzu müssen Fehlerbetrachtungen unter
räumlichen
und
zeitlichen
Aspekten
durchgeführt
werden,
die
in
einer
Genauigkeitsbeschreibung des Standortmodells münden.
Der
Vergleich
zwischen
erreichter
Modellgenauigkeit
und
vorgegebenen
Qualitätsanforderungen legt den Rahmen der Anwendbarkeit des hydrogeologischen
Modells fest. Bei unzureichender Genauigkeit und damit einem Anwendungsrahmen,
welcher der vorgegebenen Aufgabenstellung nicht gerecht wird, muss in einer
Kosten-Nutzen-Analyse geklärt werden, ob in einem weiteren iterativen Schritt die
Datengrundlage (Abschnitt 2.3.3) oder die hydrogeologische Systemvorstellung
(Abschnitt 2.3.4) zu erweitern sind.
Die abschließende Gesamtbewertung der Ergebnisse liefert durch Rückkopplung mit
den zu Anfang formulierten Qualitätszielen die Vertrauensbasis für die Ergebnisse und
deren Anwendbarkeit des Hydrogeologischen Modells. Sie steckt den Rahmen der
Prognosefähigkeit der hydrogeologischen Modellvorstellung ab.
Die Prüfung und Bewertung des Standortmodells liefert zusätzliche Erkenntnisse über
das
betrachtete
Interpretation
der
System.
Aus
natürlichen
diesem
Systemverständnis
Gegebenheiten
möglich.
Die
heraus
wird
Interpretation
eine
ist
Gegenstand des Gutachtens. Sie stellt die Basis sowohl für die Darstellung des
Istzustandes als auch für die Durchführung von Prognosen und damit die Anwendung
des Standortmodells dar.
2.4.3.2
Istzustandsberechnung
Als nächster Schritt der Modellrechnung wird am Standort die heute herrschende
Grundwassersituation und evtl. die derzeit vorliegende Kontaminationssituation durch
das Modell nachvollzogen, d.h. der Istzustand des Standortes wird berechnet. Dies
geschieht, indem man die vorhandenen Modellparameter, nach ihrer Eichung, d.h. der
52
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Abstimmung mit gemessenen Felddaten, verwendet, um bestimmte derzeitig
herrschende Situationen, z. B. Momentaufnahme der Ausbreitung einer Schadstofffahne, nachzubilden.
2.4.3.3
Prognoserechnung
Auf der Basis einer abgeschlossenen Modellerstellung muss unter Verwendung
bestimmter Annahmen das Systemverhalten (Szenarien) vorhergesagt werden können.
Hierzu gehört u. a. die Frage nach der Reaktion einer Kontaminationsfahne auf eine
Systemänderung oder auf eine Sanierung des Objektes. Die Fähigkeit der
geologischen Barriere im Untergrund und im Abstrom eines bergbaulichen Objektes
zur Rückhaltung von Schadstoffen kann in verschiedenen Szenarien und mit
unterschiedlich angenommenen Systemeigenschaften simuliert werden.
Da
nicht
immer
alle
in
der
Zukunft
wirksamen
Veränderungen
oder
Systemverhaltensweisen vorausgesagt werden können, sind obere und untere
Grenzfälle anzunehmen und der Streuungsbereich der Ergebnisse anzugeben. Das
Resultat ist ein Ergebnisbereich, der mit den entsprechenden Kriterien (s.
Ausschlusskriterium im Leitfadenelement Grundwasserpfad) eine Abschätzung der
Grundwassergefährdung erlaubt. Voraussetzung zur Lösung der Prognoseproblematik
ist eine ausreichende Kenntnis über den Standort und seine Daten. Diese sind i. d. R..
Ergebnisse von Untersuchungen aus der Erkundungsphase.
Das Zeitverhalten sowie die Größenordnung und Komplexität des Austrages von
Radionukliden aus Halden bzw. IAA und die Standortbedingungen schließen für
Prognosen der Schadstoffausbreitung technische Experimente in der Regel aus.
Ausnahmen beschränken sich auf Labor- und Feldversuche zur Parameterbestimmung
sowie lokale Spezialprobleme.
Im Rahmen von Expertenmeinungen ('expert judgement') sind Prognosen, die
ausschließlich auf Feldmessungen beruhen, nur für einfache Fragestellungen möglich.
Bei vorliegenden Feldmessungen werden die Modellvorstellungen in Form von Interoder Extrapolationen dieser Daten bzw. mittels einfacher analytischer Rechnungen in
Prognosen umgesetzt. Ungeeignet für Ausbreitungsprognosen sind statistische
Verfahren, da im Allgemeinen weder das Datenmaterial ausreichend ist noch solche
Verfahren prognostische Veränderungen der Standortbedingungen (z. B. Nutzungsänderungen) berücksichtigen können. Auf Sonderfälle beschränkt sind auch einfache
53
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Ausbreitungsprognosen aus Messwerten, z. B. die Abschätzung von Fließzeiten aus
Grundwassergleichenplänen. Entsprechende Ansätze sind bestenfalls zur Gefährdungsabschätzung, nicht aber zur radiologischen Bewertung bergbaulicher Altlasten
geeignet.
Mathematische Grundwassermodelle sind dagegen gleichzeitig Darstellungs- und
Prognosewerkzeuge für komplexe Szenarien. Sie liefern qualitativ und quantitativ
differenziertere Prognosen, d.h. auch bei zeitlich, örtlich und mengenmäßig komplexen
Vorgängen und Prozessen. Nach /VOI 98/ stehen als universelles Instrument für
gesicherte Ausbreitungsprognosen nur mathematische Modellierungen und Simulationen der Strömungs- und Stofftransportprozesse zur Verfügung.
Eine einfachere Anwendung eines mathematischen Modells ist die Prognose des
Istzustandes bei Verwendung von Altdaten. D.h.: Ist Datenmaterial aus der
Vergangenheit verfügbar, kann versucht werden, die Entwicklung bis zur heutigen
Situation mit dem numerischen Modell nachzuvollziehen. Diese Vorgehensweise wird
in /LEG 96/ als „History Matching“ bezeichnet.
Nach /LEG 96/ können die Rand- und Anfangsbedingungen, die in der Vergangenheit
geherrscht haben, als Startparameter dienen. Da aber diese Werte häufig nicht oder
nicht vollständig zur Verfügung stehen, müssen Annahmen getroffen werden.
Oft lassen sich die Ablagerungs- und Einlagerungsgeschichte der bergbaulichen
Hinterlassenschaften nicht verifizieren. Bei der vielfach mangelhaften Datenbasis zur
veränderten Entwicklung ist nach /LEG 96/ das „History Matching“ oftmals die einzige
Methode, den hydrogeologischen Werdegang des Systems sowie die ausgetragene
Schadstoffmenge und Kombination abzuschätzen und auf dieser Basis eine Prognose
für die Zukunft zu wagen.
So kann beispielsweise der Versuch unternommen werden, unter Zugrundelegung
eines stationären Strömungsfeldes und eines konstanten Schadstoffaustrages eine
Schadstoffverteilung
in
der
Vergangenheit
anzunehmen
und
den
heutigen
Systemzustand auf dieser Basis vorauszusagen. Ist das Vorgehen erfolgreich, so ist
die Wahrscheinlichkeit hoch, dass das Ergebnis einer nachfolgenden Prognoserechnung auf der Basis der Modellvorstellung ebenfalls den zukünftigen Zustand
beschreiben kann /LEG 96/. Einen eindeutigen Beweis der Richtigkeit des Ergebnisses
liefert dieses Vorgehen aber nicht.
54
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Der Einsatz numerischer Berechnungsmethoden erlaubt wesentliche Erweiterungen
gegenüber den analytisch handhabbaren Aufgabenstellungen, so die Behandlung
gekoppelter Prozesse (Konvektion, hydraulische thermische mechanische Wechselwirkungen) und komplexer räumlicher Modellgeometrien (Kluftnetzwerke).
Der Preis für die großzügige Problemauswahl ist die Anfälligkeit numerischer
Lösungsverfahren gegenüber Diskretisierungsfehlern (numerische Dispersion bzw.
Oszillationen) sowie zusätzlichen Stabilitätsproblemen (keine Lösungskonvergenz) bei
iterativen Lösungsverfahren. Für komplizierte Problemstellungen muss stets der
Nachweis der Konsistenz des numerischen mit dem physikalischen Modell erbracht
werden (Verifikation). Hierzu bieten sich Vergleiche zwischen analytischen und
numerischen Berechnungsergebnissen an. Hauptanliegen dabei ist es, geeignete Ortsund Zeitdiskretisierungen für das numerische Modell zu finden, die es erlauben,
analytische Vorgaben so genau wie möglich nachzuvollziehen. Gleichzeitig sind die
Stabilitätskriterien von numerischen Methoden zu beachten. Hierunter versteht man:
Eine numerische Lösung verhält sich instabil, wenn der durch die diskrete Approximation induzierte Abbruchfehler über alle Grenzen geht. Das heißt, die Lösung
der Differentialgleichung und die Näherungslösung divergieren.
Konsistenz zwischen Differentialgleichung und ihrer diskreten Approximation (z. B.
Finite Elemente Gleichung) bedeutet, dass der Abbruchfehler zwischen beiden
Gleichungen für beliebig kleine Orts- und Zeitauflösungen (dx und dt) gegen Null geht.
Das heißt für verschwindende Orts- und Zeitschritte sind Differentialgleichungen und
ihre diskrete Approximation identisch.
Stabilität bedeutet nicht automatisch Konsistenz. Unter Umständen können stabile
numerische Lösungen gefunden werden, die keine Lösung der ursprünglichen Differentialgleichungen darstellen.
Konvergenz bedeutet, dass der Abbruchfehler zwischen exakter und genäherter
Lösung (Diskretisierungsfehler) für beliebig kleine Orts- und Zeitauflösungen (dx und
dt) gegen Null geht. Das Äquivalenztheorem besagt, dass die Konvergenz zwischen
exakter Lösung der Differentialgleichung und Näherungslösung gewährleistet ist, wenn
Stabilität und Konsistenz gesichert sind.
55
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Die numerische Dispersion ist eine Erscheinung bei der numerischen Lösung von
Differentialgleichungen, die auf Diskretisierungsfehlern beruht. Numerische Dispersion
entsteht durch die Interpolation der Transportgröße zwischen den Gitterpunkten. So
erscheinen im diskreten Modell stromaufwärts Konzentrationen, obwohl die Front diese
Gitterknoten physikalisch noch gar nicht erreichen konnte.
2.4.3.4
Parametervariation
Ebenso wie im Kalibrierungsprozess (s. Abschnitt 3.3) sind die Modellparameter in
vernünftigen Grenzen zu variieren und die Auswirkungen zu bewerten. Mit dieser
Vorgehensweise gelingt es dem Modellierer, ein Verständnis zu seinem Modell und
den ablaufenden Prozessen zu erlangen. Durch Wahl der größten und kleinsten
Durchlässigkeiten (oder anderer Parameter) können obere und untere Grenzen der
Modellergebnisse definiert werden. Bei einer Streubreite von Parametern liegt das der
Natur am nächsten kommende Resultat dann irgendwo zwischen den beiden
Extremwerten.
2.4.3.5
Grenzfallbetrachtungen
Grenzfallbetrachtungen gehen über das Ziel des Leitfadens hinaus, sollen aber im
Hinblick auf einen späteren Entscheid über die günstigste Sanierungsvariante hier mit
genannt werden. Wie bei der Parametervariation kann durch die Modellierung von
Grenzfällen die Wirksamkeit oder Wirkung einer Sanierungsmaßnahme aufgezeigt
werden. Bei einer sich abzeichnenden Sanierungsentscheidung einer Altlast kann
beispielsweise der Effekt von Extrema einer Sanierung modelliert werden:
·
Keine Maßnahme wird ergriffen; der Standort wird sich selbst überlassen
(Prognose auf der Basis des Istzustandes).
·
Die Halde wird saniert, z. B. abgedeckt. (Prognose auf der Basis einer Systemveränderung)
Damit lässt sich zeigen, ob ein Sanierungsziel überhaupt und wenn ja mit welchen
Mitteln erreichbar ist.
56
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2.4.3.6
Modellpflege
Die Modellpflege bietet die Möglichkeit, durch die Integration neuer Daten, die über den
bei der Modellerstellung abgedeckten Erkundungsrahmen hinausgehen, zum einen
eine höhere Modellgenauigkeit und zum anderen aktualisierte Modellaussagen zu
erhalten. Bei Grundwassermodellen kann damit eine zunehmend verbesserte
Prognosegenauigkeit erreicht werden.
Die Modellpflege umfasst
·
die
Integration
neuer
Erkenntnisse
und
Messdaten
und
ggf.
bei
Grundwassermodellen eine Nacheichung,
·
die Integration aktueller Bewirtschaftungsdaten,
·
bei Grundwassermodellen das Vorhalten eines aktuellen Modells und ggf. die
Konvertierung auf eine aktuelle Software,
·
die Bereitstellung aktueller Datensätze und
·
zusätzliche Modellanwendungen bei Bedarf.
2.4.4
Empfehlungen für Prozeduren zur Qualitätssicherung bei der
Modellanwendung, QS-Maßnahmen
Allgemeine Anforderungen an die Qualitätssicherung von Software sind u. a. in
internationalen Normen wie der DIN ISO 9000 /DIN 90/ niedergelegt. Für das Modell
als Ergebnis einer ingenieurgeologisch-technischen Bearbeitung gibt es solche
allgemeinen Anforderungen jedoch nicht. Deshalb muss die Qualitätssicherung von
Programmanwendungen sicherstellen, dass die Verwendung des Modells in einer
Software für Analysen des Wasserpfads adäquat erfolgt und die Ergebnisse der mit
den Programmen durchgeführten Rechenläufe nachvollziehbar, reproduzierbar und
vertrauenswürdig sind. Die hier wiedergegebenen Empfehlungen sollen bewirken, dass
Softwareprodukte (Codes), die für die im Rahmen des Leitfadens beschriebene
Problemstellung erworben wurden bzw. modifiziert und eingesetzt werden, einem
Standard genügen. Weiterhin geben sie Hinweise, wie Modelle durch Prozeduren,
Dokumentation und Reviews (Ergebniskontrolle) adäquat zu erstellen sind und wie die
Qualität der Ergebnisse durch Verifizierung und Validierung abzusichern sind.
57
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Diese Empfehlungen sollten bei jeder Verwendungsart von Codes und Modellen
berücksichtigt werden. Sie sollen einerseits die Notwendigkeit der Flexibilität bei der
Auswahl und Anwendung von Software berücksichtigen und andererseits der
Forderung genügen, überzeugend darzustellen, dass mit der genutzten Software und
dem Modell hinsichtlich der für die Fragestellung erforderlichen Genauigkeit akzeptable
Ergebnisse erzielt werden können.
2.4.5
Dokumentation des Bearbeitungszyklus
Bei der Erstellung eines hydrogeologischen Standortmodells ist, wie in vorherigen
Abschnitten beschrieben, ein Bearbeitungszyklus zu durchlaufen, der den Werdegang
von der ersten Idee zur Erstellung des Modells bis zur Fertigstellung des
Standortmodells als mathematisches Modell beschreibt. Dieser Bearbeitungszyklus ist
zu dokumentieren. Der Anwendungsbereich und die Komplexität des notwendigen
Modells können Entscheidungsmerkmale für die Detaillierung des im Folgenden
vorgegebenen Bearbeitungszyklus sein.
Der zu dokumentierende Bearbeitungszyklus wird in Phasen unterteilt, deren
Arbeitsvorgänge in den folgenden Abschnitten näher beschrieben werden.
2.4.5.1
Anforderungsphase
Ausgehend von einer Analyse der zu behandelnden Problemstellung, der Ermittlung
von Radionuklidkonzentration an einem Bewertungsaufpunkt, werden in dieser Phase
Anforderungen an das Modell und die einzusetzenden Programme formuliert. Die
benötigten Eingabegrößen und die zu erzeugenden Ergebnisgrößen werden
zusammengestellt. Die Art ihrer Darstellung wird festgelegt. Ausgehend von den
Phänomenen, die diese Ergebnisgrößen beeinflussen, verschafft man sich Klarheit
über
akzeptable
und
wünschenswerte
Modellannahmen
und
eventuelle
Vereinfachungen (z. B. Komplexität, Dimensionalität, Zeitverhalten, Genauigkeit,
Weglassen oder Vereinfachen (Schematisierung) der Modellierung einzelner Effekte)
und gelangt somit zu einer zusammenfassenden Darstellung des zu lösenden
Problems (konzeptionelles Modell). Dabei sind immer die vorhandenen Geldmittel zur
Bearbeitung der Problemstellung zu berücksichtigen und die Akzeptanzkriterien, z. B.
zur Güte des Endergebnisses, für eine erfolgreiche Verifizierung und Validierung zu
spezifizieren.
58
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
2.4.5.2
Entwurfsphase
Ausgehend vom erarbeiteten konzeptionellen hydrogeologischen Modell wird das
mathematische Modell (z. B. Formulierung eines Anfangsrandwertproblems) erstellt
und ein adäquates Lösungsverfahren ausgewählt oder entwickelt. Aus den numerischtechnischen Anforderungen an die Umsetzung des konzeptionellen Modells und die
Benutzerfreundlichkeit resultiert die Wahl einer DV-Umgebung einschließlich der zu
verwendenden Programme. Notwendige externe Schnittstellen (z. B. für Prä- und
Postprocessing) müssen spezifiziert werden.
Weiterhin müssen Festlegungen zur Gliederung der Modellierung im Grobentwurf
getroffen werden. Grundlage hierfür ist die Unterteilung der Gesamtaufgabe, die von
einem Programm oder verschiedenen Programmen zu lösen ist, in einzelne
Teilaufgaben (z. B. reiner Grundwassertransport, vereinfachter Schadstofftransport
oder Ein- oder Mehrkomponententransport unter Berücksichtigung des Radionuklidzerfalls). Jede dieser Teilaufgaben muss so spezifiziert werden, dass sie
innerhalb eines Programms durch ein eigenständiges Modul oder durch verschiedene
Programme gelöst werden kann. Der Kontrollfluss des Gesamtablaufes, d.h. der
logische Zusammenhang zwischen den einzelnen Aufgabenbereichen und den ihnen
zugeordneten Modulen oder Programme wird spezifiziert. Damit verbunden ist eine
Definition der Aufgabenbereiche sowie evtl. der einzusetzenden Softwarebibliotheken.
Neben dem Kontrollfluss wird auch der Datenfluss zwischen den Modulen oder den
Programmen festgelegt.
Im Einklang mit dem Gesamtkonzept der Modellierung sollten Hinweise bzw.
Nachweise der Verifizierung der Programme und der Modellvalidierungen gegeben
bzw. erstellt werden. Weiterhin sollten im Rahmen der Erarbeitung des Grobentwurfs
Einzeltestpläne für das Modellverhalten erstellt werden.
Der Grobentwurf des Modells sollte hinreichend transparent gestaltet werden, so dass
er auch für Personen, die nicht an seiner Erstellung beteiligt waren, verständlich ist.
Dies kann durch eine formalisierte Darstellung erreicht werden, deren Grad vom
Umfang und der Komplexität des Modells bzw. der Software abhängt.
Nach Erarbeitung des Grobentwurfs ist die Erstellung von einzelnen Modellen
(Testmodelle) unabhängig voneinander möglich.
59
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Für die eigentliche Berechnung sollte eine Liste der globalen Variablen und der
genutzten Unterprogramme zur Modellierung erstellt werden. Alle Variablen der
Programme sollen deklariert werden. Globale Programm-Variablen sollten in der
Modelleingabebeschreibung an einer Stelle zusammengefasst deklariert werden.
Die Kommentierung der Modellierung soll es dem Leser des Ergebnisberichts
ermöglichen, sich über das Modell und das Programmsystem, die Aufgabenstellung,
die Modellstruktur und den Datenfluss zu informieren. Alle nötigen Informationen zum
vollständigen Verständnis des Modells müssen erhalten sein.
Anhand
der
Beschreibung
der
einzelnen
Modellschritte
sollte
über
eine
Kommentierung eine eindeutige Verbindung zum Grobenentwurf des Modells
ermöglicht werden. Anhand dessen kann man sich einen Überblick verschaffen, in
welchem Kontext die einzelnen Modelle im gesamten Modellierungsvorgang stehen.
2.4.5.3
Erstellungsphase
Der Aufbau und die Erstellung des Gesamtmodells sollten entsprechend der in der
Entwurfsphase
festgelegten
Gliederungstiefe
in
einer
oder
in
mehreren
Gliederungsebenen erfolgen. Für jede dieser Ebenen sind die für den Grobentwurf des
Modells
gestellten
Anforderungen
an
den
Umfang
der
Spezifizierung,
die
Darstellungsweise und Dokumentation sinngemäß zu übertragen.
Ein sorgfältig erstelltes und qualitätsgesichertes Modell ermöglicht zusammen mit den
Festlegungen zu den verwendeten Parametern eine problemlose und fehlerfreie
Modellrechnung.
Bei der Aufdeckung von Mängeln oder Fehlern ist eine Änderung des Modells
erforderlich. Nach erfolgreicher Absolvierung von Tests kann das Modell angewendet
werden.
2.4.5.4
Anwendungsphase
Die Modellanwendungen umfassen neben der eigentlichen Modellrechnung des
Grundwasserpfades, sowohl Plausibilitätsbetrachtungen (evtl. Validierungen) als auch
Betrachtungen (z. T. Rechnungen) zu Modell- und Parameterunsicherheiten im
60
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Rahmen der Ergebnisbewertung. Aus den Anwendungen können naturgemäß
Wünsche, Vorschläge oder Forderungen zu vorzunehmenden Modelländerungen
entstehen. Diese können im wesentlichen resultieren aus
-
aufgetretenen Fehlern,
-
der Notwendigkeit einer verbesserten Darstellung und Auswertung der Ergebnisse,
-
der Erweiterung des Anwendungsbereichs des Modells,
-
einer veränderten Modellierung bestimmter Effekte und
-
einer veränderten Vorgehensweise bei der Lösung des mathematischen Problems.
Das geänderte Modell stellt eine neue Modifikation oder Modellversion dar, die mit
ausreichendem Verweis auf die durchgeführten Änderungen abgelegt wird.
2.4.5.5
Reviews
Zur Beurteilung der Ergebnisse der durchgeführten Modellierung sollten formale
interne Kontrollen (Reviews) durchgeführt werden. Weiterhin sollen auch zu jeder
Phase der Modellierung die Ergebnisse überprüft werden.
Die Zahl und der Umfang der Reviews sollten der Art, Größe und der Komplexität der
jeweiligen Modellierung angemessen sein. Die Reviews beziehen sich auf
·
Format und Inhalt,
·
Transparenz,
·
Konsistenz,
·
Vollständigkeit, sowie
·
Übereinstimmung mit der Aufgabenstellung.
Der Zweck von Reviews ist die Bewertung der Eignung der Modellergebnisse und der
getroffenen Aussagen. Solche Reviews erfolgen am Ende der Modellrechnungen, die
damit abgeschlossen werden.
61
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
3
Qualifizierung von Programmen und Modellen
Um den Nachweis der adequaten Beschreibung der physikalischen und chemischen
Prozesse am Standort führen zu können, müssen aus der Gesamtheit der Prozesse
standortspezifisch die relevanten identifiziert werden. Als Fazit der Anforderungen an
eine komplexe Modellierung im Rahmen der Altlastenbewertung müssen sowohl die zu
bestimmenden Modelleingangsdaten akquiriert sein als auch die Möglichkeiten der
programmtechnischen Umsetzung von retardierenden Prozessen während der
Migration von Radionukliden in der geologischen Barriere in den Modellen vorhanden
sein. Der Nachweis der Qualifizierung der Programme und der Modelle muss durch
eine Verifikation und Validierung geführt werden.
3.1
Problemstellung der Modellbewertung
Eine Prognose der zukünftigen Gefährdungen, die von bergbaulichen Altlasten
ausgehen können, ist für lange Zeiträume durchzuführen (vgl. Abschnitt 2.2.1.2). Es
müssen vielfach Prozesse behandelt werden, deren Langzeitverhalten nicht direkt mit
Hilfe von Experimenten im Labor oder Feld beobachtet werden kann. Lediglich
Analogieschlüsse ermöglichen es, Phänomene, die Messungen im erforderlichen
Umfang nicht zugänglich sind, zu modellieren. Dies stellt somit eine erhöhte
Anforderung an die verwendeten Modelle dar.
Ähnliches gilt für das natürliche Barrierensystem des geologischen Untergrundes
(geologische Barriere). Hier sind Korrekturmaßnahmen nur begrenzt möglich, falls
zukünftige
Erkenntnisse
eine
Fehleinschätzung
des
Rückehaltepotentials
der
Geosphäre gegenüber einer Schadstoffausbreitung aus einem Altlastenobjekt deutlich
machen.
Es ist daher sicherzustellen, dass die verwendeten Modelle die für die Wirkungsweise
der Barrieren relevanten Vorgänge im erforderlichen Umfang realitätsnah wiedergeben
(Validierung). Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Wiedergabe des physikalischen
Sachverhaltes, der durch ein numerisches Gleichungssystem beschrieben wird. Hier
muss sichergestellt werden, dass alle relevanten Prozesse physikalisch korrekt
modelliert werden (Verifikation). Werden, wie es i. d. R.. der Fall sein wird,
Vereinfachungen vorgenommen, so müssen diese begründbar konservativ sein. Dies
gilt für den gesamten angesprochenen Einsatzbereich der Modelle.
62
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Verifikationsnachweise für allgemein als Stand von Wissenschaft und Technik
anerkannte
(d.h.
von
der
überwiegenden
Mehrheit
der
wissenschaftlichen
Gemeinschaft akzeptierte) Programme müssen nicht bei jeder Anwendung geführt und
überprüft werden, wenn sich der geplante Einsatz im Rahmen der spezifizierten
Gültigkeitsgrenzen der Modelle bewegt.
3.2
Verifikation
Als Verifikation bezeichnet man die Überprüfung, ob die in den Programmen
implementierten Gleichungen mathematisch korrekt sind und ob die richtigen
physikalischen Prozesse wiedergegeben werden.
Die Verifikation von neuen Programmen kann z. B. wie folgt durchgeführt werden:
1. Überprüfungen, inwieweit die Software alle dokumentierten Anforderungen erfüllt.
Dies schließt die Behandlung von Testfällen ein, kann jedoch darüber
hinausgehen.
2. Tests, die sicherstellen, dass die Software nach der Installation auf einer anderen
Hardware richtig arbeitet.
Für alle Softwareentwicklungen sollten Verifizierungen durchgeführt und dokumentiert
werden. Der Grad der Formalisierung und der Umfang der Verifizierung sollten
entsprechend
dem
Typ,
der
Komplexität
und
der
Entwicklungshistorie
des
Rechencodes gewählt werden.
Analytische Modelle bedürfen keiner umfangreichen Verifikation. Ein Programm, das
analytische
Lösungen
errechnet,
kann
an
einfachen
Beispielen
mit
einer
Handrechnung überprüft werden.
Ist die Entscheidung zugunsten eines numerischen Modells gefallen, so ist es vor
seiner ersten Anwendung zu verifizieren. Das heißt, es ist zu überprüfen, ob das
gewählte Modell (Programm) und das implementierte Rechenverfahren (FiniteElemente, Finite-Differenzen, Random-Walk .... vgl. z. B. Kapitel 5) unter Einhaltung
der jeweiligen Stabilitätskriterien im mathematischen Sinn korrekte Lösungen liefert
oder ob Programmfehler vorliegen. Segol /SEG 94/ verfasste hierzu eine grundlegende
Arbeit mit diversen Benchmarktests.
63
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Zusammenfassend lassen sich folgende Methoden zur Modellverifizierung von
Grundwasser- und Transportprogrammen anwenden:
·
Vergleich numerischer Analysen mit geschlossenen (analytischen) Lösungen,
·
Vergleich der Ergebnisse unterschiedlicher numerischer Verfahren (z. B.: FiniteElemente-Verfahren mit dem Finite-Differenzen-Verfahren oder Random-WalkVerfahren),
·
Orts- und Zeitschrittweitenvariation (Konvergenzbetrachtungen).
Bei der Programmverifikation wird i. d. R.. zunächst eine Problemstellung gerechnet,
zu der auch eine analytische Lösung existiert. Die beiden sich ergebenden Lösungen
werden miteinander verglichen. Dabei sollte bereits durch eine grobe Annäherung der
Problemstellung und durch eine Anzahl von Knotenpunkten bzw. Elementen eine
zumindest qualitative Übereinstimmung mit den analytischen Ergebnissen zu erzielen
sein /KIN 87/.
Bei weiterer Verfeinerung des Gitters müssen die numerischen Resultate gegen die
analytischen Lösungen konvergieren. Andernfalls liegt ein Modellfehler (z. B.
ungünstige Diskretisierung, Missachtung von Stabilitätskriterien, falsche Rand- bzw.
Anfangsbedingungen, falsche Parameterauswahl usw.) vor oder das ausgewählte
numerische Modell ist nicht geeignet, das gegebene Problem zu lösen. Dann muss ein
anderes verwendet werden oder der Anwender muss überprüfen, ob er die Problematik
korrekt abstrahiert hat.
Gleichzeitig muss nachgewiesen werden, dass natürliche Prozesse durch ein
Programm auch simuliert werden können. Dieser Nachweis erfolgt durch eine
numerische Verifizierung einer Approximation (Modell) oder eines Verfahrens
(Programm). Bei komplexeren Problemstellungen ist ein Vergleich von Ergebnissen,
die mit verschiedenen numerischen Methoden gewonnen wurden, sinnvoll /KIN 87/. In
/LEG 96/ wird z. B. dieses Vorgehen durch den Vergleich einer Finite-ElementeLösung mit einer Random-Walk-Lösung dokumentiert. International wurden bereits in
den
80-iger Jahren Verifikationsstudien auf Anregung von Genehmigungsbehörden für
Endlager radioaktiver Abfälle durchgeführt. Diese Verifizierungrechnungen wurden
anhand einer Reihe von Beispielen vorgenommen und die Ergebnisse der
numerischen Berechnungen mit analytischen Lösungen oder den Ergebnissen von
64
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
anderen Programmen verglichen. An den internationalen Projekten (Benchmarktests)
zur
Verifikation
von
Grundwassermodellen
Radionuklidtransportmodellen
(INTRACOIN
(HYDROCOIN
/OECD 88/)
/OECD 92/)
nahmen
und
verschiedene
Entwickler mit diversen Codes teil, die auch heute noch in der Anwendung sind (vgl.
Anlage 2). Die Testbeispiele und die Aufgabenstellungen sind in Hydrocoin – Level 1:
Code Verification /OECD 88/ zusammengefasst. Ein Fazit der Vergleichsrechnungen
war, dass die beteiligten Institutionen und Programme grundsätzlich in der Lage sind,
die Druckfelder der numerischen Grundwasserströmungssimulationen zu berechnen.
Unterschiede
in
den
Ergebnissen
ergaben
sich
aus
den
so
genannten
Stromlinienberechnungen (particle tracking) /BOG 87/. Eine Zusammenfassung aller
Testbeispiele und die Ergebnisse der einzelnen beteiligten Programme und
Institutionen findet sich in /OECD 92/.
Die erfolgreiche Teilnahme an diesen Tests bzw. das dokumentierte Nachrechnen der
Testfälle bietet auch heute noch den Grundstock
einer Qualifizierung von
Rechencodes.
Ein weiterer Ansatz, ein Modell zu verifizieren, kann über eine Gitter- und
Zeitschrittweitenvariation
erfolgen.
Dabei
wird
dieselbe
Aufgabenstellung
mit
verschiedenen Zeitschrittweiten, Gittergeometrien und Verfeinerungen berechnet. Die
Ergebnisse müssen sich bei allen Variationen gleichen bzw. bei zunehmender
Verfeinerung gegen eine Lösung konvergieren. Außerdem dürfen bei kleinen Gittergeometrieänderungen nur kleine Ergebnisänderungen akzeptiert werden /LEG 96,
BAL 98/.
Verifikationsarbeiten zielen auf eine konkrete Erfahrung im Umgang mit einem
numerischen Programm. Deshalb sollte zu Beginn einer Programmnutzung der hierfür
notwendige Zeitaufwand nicht gescheut werden. Die gewonnene Sicherheit und die
Kenntnis der Programmbesonderheiten reduzieren die Fehlerhäufigkeiten bei der
späteren Anwendung und können so zu erheblichen Aufwandseinsparungen führen.
Gilt ein Rechenprogramm für den Verwendungszweck als verifiziert und ist der Code
etabliert, so kann auf diesen Verifikationsschritt verzichtet werden. Statt dessen ist die
Quelle der Verifikation zu benennen.
Zur Modellierung komplexerer Strukturen, die nicht mehr analytisch zu lösen sind, ist
es ratsam, Schritt für Schritt vorzugehen und sich so der zu behandelnden Problematik
zu nähern. Nach jeder Rechnung sind die Lösungsfelder auf Stabilität und Plausibilität
65
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
zu überprüfen. Treten Instabilitäten auf, so kann dem durch Überprüfung der
Stabilitätskriterien (z. B. der Courant-, Neumann-. Peclet-Kriterien) und entsprechender
Änderung der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung entgegengetreten werden.
Auch die Variation der frei wählbaren Randbedingungen eröffnet Optionen für die
Stabilisierung. Man läuft allerdings Gefahr, sich bei den Anpassungsarbeiten von den
natürlichen Gegebenheiten zu entfernen /LEG 96/.
Eine Minimalforderung für die Verifizierung ist die Entwicklung und Durchführung von
Tests, die das korrekte Arbeiten der Software zeigen. Die Testfälle sollten den
gesamten durch die Dokumentation definierten Anwendungsbereich überdecken und
alle wesentlichen Optionen und Zustände des Programms überprüfen. Zum Beispiel
sollten alle Nutzerschnittstellen, spezielle Abbruchbedingungen, die Fehlerbehandlung
und Restarts überprüft sowie Läufe mit Eingabewerten an den Grenzen des
Anwendungsbereichs durchgeführt werden. Wie schon beschrieben, sollten nach der
Modifizierung eines Programms (Software) oder nach ihrer Installation auf eine neue
Hardware bzw. unter einem neuen Betriebssystem die Testfälle erneut gerechnet
werden. Alle Tests sollten in einem Bericht dokumentiert werden.
Der
Verifizierungsbericht
muss
die
Ergebnisse
der
geplanten
Umsetzung
dokumentieren und die Einhaltung der im Ablaufplan festgelegten Akzeptanzkriterien
aufzeigen. Der Anwender oder der Entwickler muss sicherstellen, dass die gesamte
Verifizierungsdokumentation auf dem aktuellen Stand der jüngsten Modifikationen der
Anforderungen und des Entwurfs gehalten wird.
Man kann heute von einem Grundwasserprogramm erwarten, dass es für viele
Standardsituationen verifiziert ist. Die Verifikationsergebnisse sollten im Lieferumfang
enthalten sein ebenso wie einige gut dokumentierte Beispiele für den eigenen Einstieg.
So
erspart
sich
der
Anwender
die mühsame
Programmierung
analytischer
Lösungsansätze und die Durchführung eigener Verifikationsläufe /LEG 96/.
3.3
Kalibrierung
Der nächste wichtige Schritt in der Modellierung eines Altlastenstandortes bzw. seines
Grundwassersystems ist die Kalibrierung des Modells (der Begriff wird synonym mit
Begriff „Eichung“ verwendet). Durch eine Kalibrierung wird die Schnittstelle zwischen
dem mathematischen Modell und den Feldmessungen geschaffen. Die Eichung oder
66
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Kalibrierung eines hydrogeologischen Modells bildet eine wesentliche Grundlage für
eine sichere prognostische Modellaussage.
Zu beachten ist dabei, dass bei Modellen mit vielen hydrogeologischen Einheiten eine
Eichung oft nicht eindeutig durchführbar ist, denn sowohl die Kombination einer
geringen Durchlässigkeit mit einer angepassten Grundwasserneubildung, als auch
hohe Durchlässigkeiten mit einer entsprechend angepassten Grundwasserneubildung
erbringen theoretisch dieselben Wasserstände. Welcher dieser Parameter letztlich
variiert werden kann, hängt vom Kenntnisstand über die Hydrogeologie des zu
untersuchenden Standortes ab (Plausibilitätskontrolle).
Ein großer Teil der für die Simulation notwendigen Parameter sowie Anfangs- und
Randbedingungen stehen einer direkten Bestimmung durch Messungen nicht zur
Verfügung (beispielsweise die Dispersionslängen). Ein Vergleich der simulierten
Größen mit den Beobachtungsdaten eröffnet aber einen Weg, der zur indirekten
Bestimmung der Modellparameter führt. Variationen der Modellparameter liefern
während der Eichphase Informationen über die Sensitivität einzelner Kenngrößen und
erhöhen die Einsicht in die spezielle Problematik.
Insbesondere bei der Transportmodellierung ist es schwierig, die relevanten Größen (z.
B.: Sorptionsverhalten) im Feld zu bestimmen. Zu diesen Parametern ist eine
Modelleichung nur integral über einen Vergleich der Rechenergebnisse mit im Feld
gemessenen Konzentrationsverteilungen möglich. Es ist ratsam, sich dabei an der am
Standort beobachteten Entwicklung der Konzentrationsverteilung über die Zeit zu
orientieren und ein so genanntes „History Matching“ /LEG 96/ durchzuführen. Dabei
werden die heute beobachtete Schadstofffahne und ihre zeitliche Entwicklung in der
Vergangenheit durch das numerische Modell berechnet.
Eine Strömungseichung allein auf der Basis gemessener Piezometerhöhen führt nicht
notwendigerweise zur korrekten Kalibrierung eines Transportmodells. Deswegen wird
eine gekoppelte Eichung von Strömungs- und Transportmodell empfohlen. In /CAR 88/
findet sich eine Übersicht über Schätzverfahren zur Parameterbestimmung. Die
fehlenden Daten werden durch den Modellierer abgeschätzt, wobei im Wesentlichen
seine Erfahrung bei der manuellen Schätzung und anschließenden „Trial-and-ErrorModellierung“ einfließen. /KIN 87/ weist auf analytische und numerische Verfahren zur
Schätzung fehlender Parameter hin. /HÄF 92/ gibt mit der Methode der inversen
67
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Modellierung, die bereits in einigen Codes implementiert wurde, eine weitere
Möglichkeit an, die relevanten Systemparameter zu bestimmen.
Generell ist die Eichung eines Strömungs- und Transportmodells die zeitintensivste
Aufgabe während einer Modellierung. Nach /LEG 96/ zahlt sich aber eine gründliche
Arbeit an dieser Stelle, aufgrund der teilweise erheblichen Zeitersparnis in den
Schritten "Validierung“ und "Anwendung", aus. Umgekehrt kann eine oberflächliche
Abarbeitung dieses Punkts zu schweren Fehlern in der Ergebnisaussage führen,
welche die Wiederholung der gesamten Arbeit zur Folge haben kann /LEG 96/.
3.4
Validierung
Als Validierung bezeichnet man die Überprüfung, ob ein numerisches Modell die in der
Natur gemachten Beobachtungen (Messungen) wiedergeben kann. Sie erfolgt mittels
eines bereits kalibrierten Modells an Daten (oder Punkten), die nicht zur Kalibrierung
verwendet wurden. Im Gegensatz zur Verifikation, die sich auf die physikalische
Korrektheit der Gleichungssysteme im Programm bezieht, wird eine Validierung an
einem bestehenden Modell durchgeführt.
In Deutschland gibt es keine gesetzlichen Vorschriften, die explizit eine Validierung von
verwendeten Modellen verlangen. Hingegen ist gefordert, dass das bei der Bewertung
von
Altlastenstandorten
Wissenschaft
verwendete
und Technik
Recheninstrumentarium
entspricht.
Die
dem
wissenschaftliche
Stand
von
Herausforderung
derartiger Analysen liegt in den langen Zeiträumen, für die Prognosen aufzuzeigen
sind.
Der
erste
Schritt
der
Validierung
ist
eine
vollständige
Beschreibung
der
transportrelevanten Prozesse, die im jeweiligen Fall zu modellieren sind. Aus dieser
Gesamtheit der Prozesse sind die relevanten zu identifizieren. Dies kann durch
nachvollziehbare
Plausibilitätsbetrachtungen
oder
auch
mit
Hilfe
von
Durchbruchskurve
eines
Sensitivitätsanalysen (Abschnitt 11.1) erfolgen.
So
kann
beispielsweise
ein
Modell
anhand
der
Tracerversuchs zuerst geeicht werden. Mit den hierbei bestimmten Parametern muss
die Durchbruchskurve eines zweiten Tracertests, der unabhängig vom ersten
durchgeführt wurde, mit genügender Genauigkeit vorausgesagt werden können (FeldValidierung).
68
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
In /LEG 96/ wird unter Verifikation auch der Prozess (Vergleich numerischer Lösungen
mit Resultaten von Labor- und Feldexperimenten) verstanden, der hier unter dem
Begriff Validierung eingeordnet ist. Die Aufgabe der Überprüfung mit einem weiteren
Tracertest bzw. einem unabhängigen Datensatz wird von /WAL 92/ als FeldValidierung bezeichnet.
Eine Validierung im strengen Sinne ist in der Praxis nicht möglich. Hierzu wäre es
notwendig, eine genügend große Datenmenge über einen langen Zeitraum zu
sammeln, um beispielsweise eine Vorhersage zu überprüfen.
3.5
Behandlung von Unsicherheiten und Konservativitäten
Hinsichtlich der Modellierung des natürlichen Systems eines Standortes sollten
mögliche, aus vergangenen Entwicklungen ableitbare, Veränderungen durchaus
berücksichtigt werden. Modelle, die instationäre Vorgänge in einem solchen System
behandeln können, sollten in der Lage sein, den derzeitigen Zustand zu berechnen
(vgl. Abschnitt 2.4.3.2). Dabei müssen Annahmen bezüglich der Anfangsbedingungen
zu
Beginn
der
Rechnung,
aber
auch
über
die
zeitliche
Entwicklung
der
Standortbedingungen getroffen werden.
Diese
Annahmen
können
durch
Interpretation
von
Ergebnissen
von
Standortuntersuchungen oder durch Plausibilitätsüberlegungen gewonnen werden.
Wichtig ist hierbei zu klären, inwieweit es nur einen einzigen Lösungsweg gibt oder ob
man aufgrund verschiedener Annahmen zum gleichen Ergebnis gelangen kann. Ist
letzteres der Fall, so besteht die Option, Experimente am Standort durchzuführen, die
eine Entscheidung über die Gültigkeit eines der Modelle ermöglichen.
Diese Fragestellung erfordert eine sorgfältige Auslegung der jeweiligen Experimente.
Die Alternative hierzu wäre, alle Modellvarianten in den Analysen mitzuführen und
anhand der Ergebnisse für den Vergleich mit den Grenzwerten die konservative, d.h.
diejenige mit pessimistischstem Ergebnis, heranzuziehen.
Eine Modellierung eines Standortes kann z. B. durch konservative Modellannahmen
und/oder Parameterwahl geschehen, wobei häufig der Nachweis der Konservativität
nicht im Voraus, d.h. ohne Kenntnis des Endergebnisses, zu führen ist.
69
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Ein anderer Weg kann mit Hilfe der Unsicherheitsanalyse beschritten werden, bei der
mit Hilfe probabilistischer Verfahren die durch Parameter-, Szenarien-, oder
Modellunsicherheiten bedingte Unsicherheit des Endergebnisses quantifiziert wird.
Gegenstand einer derartigen Analyse sind Wahrscheinlichkeitsverteilungen der
Zielgrößen, verbunden mit einer Angabe über den Vertrauensgrad dieser Aussage.
Wichtig ist bei der Interpretation des Ergebnisses solcher Unsicherheitsanalysen, dass
auch für eine Überschreitung der zulässigen Richtwerte der Strahlenbelastung von Null
verschiedene Wahrscheinlichkeiten errechnet werden können. Bei der Bewertung
dieser Ergebnisse ist daher die Größe der Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten
von Richtwerten zu berücksichtigen.
3.6
Anforderungen an die Programmdokumentation
Neben den Forderungen, dass ein Modell die vorliegende Problemstellung adäquat
abbildet und der ausgewählte Rechencode die vorgegebene Modellvorstellung auch
adäquat behandelt (insbesondere ist eine Begründung im Hinblick auf den
Anwendungsbereich
des
Codes
zu
liefern),
ist
die
Forderung
nach
einer
entsprechenden Programmdokumentation Teil der qualitativen Absicherung des
Ergebnisses und damit der späteren Aussage.
Eine ordnungsgemäße Dokumentation ist für eine fachgerechte Anwendung von
Grundwasserströmungs- und Transportprogrammen im Sinne dieses Leitfadens und
für eine eventuelle Überprüfung, z. B. durch einen von der Genehmigungsbehörde
eingesetzten Gutachter, notwendig. Sie sollte damit auch als ein wichtiges
Qualitätsmerkmal bei der Auswahl eines Programms berücksichtigt werden.
Über die eigentliche Programmbeschreibung (Handbücher)
hinaus sollte ein
transparent gestalteter Quelltext Bestandteil einer adäquaten Programmdokumentation
sein. Ist ein Programmlisting aufgrund der Größe des Programms nicht möglich, sollte
eine Übersicht des Programmaufbaus in der Dokumentation dargestellt werden und
eventuell
das
Programmlisting
auf
Datenträger
Anmerkungen in Abschnitt 3.6.1).
70
überlassen
werden
(siehe
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
3.6.1
Quelltext
Der gesamte Quelltext eines Rechencodes wird als Bestandteil der Programmdokumentation angesehen und sollte als solcher einem Benutzer des Codes für solche
Anwendungen zur Verfügung stehen. Von der Anforderung der Überlassung des
Quelltextes kann dann abgesehen werden, wenn es sich um kommerzielle Software
handelt, deren Qualität durch eine allgemeine Anwendung, z. B. Verifizierung durch ein
breites Anwenderspektrum, als gesichert angesehen werden kann.
Bei Anwendung einer kommerziellen Software steht bekanntlich dem Bedürfnis einer
Qualitätsüberprüfung von Routinen im Quelltext des Rechencodes zur Absicherung der
Modellaussagen der Schutz des Entwicklers vor einer nicht erlaubten Verwendung von
Teilen seines Produktes für andere Entwicklungen entgegen. Da aber in den meisten
Fällen die Software aus vielen Einzelroutinen (Haupt- und Unterprogrammen) besteht,
deren Qualität einzeln nicht unbedingt überprüft werden muss (z. B. Plotsoftware,
automatische Netzgenerierung, Visualisierungssoftware), sollte es dem Anwender
möglich gemacht werden, auf den Kern des Rechencodes, d.h. die implementierten
physikalischen Gleichungen zum Transport von Grundwasser- und Schadstoff,
zurückzugreifen. Bei einem Großteil der kommerziellen Programme basieren diese
Grundgleichungen ohnehin auf wissenschaftlichen Veröffentlichungen, welche nicht
geschützt sind. Der Rückgriff des Anwenders oder eventuell eines Gutachters kann
·
in einer Überlassung des Quelltextes des Hauptprogramms bestehen oder
·
in einem Programmlisting der Programmroutinen mit den implementierten
Gleichungen.
Zusätzliche eigene Entwicklungen des Programmherstellers wie Netzgeneratoren,
Visualisierungstools, Eichroutinen etc. bleiben davon unberührt.
Wird ein Quelltext mit der Programmbeschreibung mitgeliefert, sollte er zur
Übersichtlichkeit
mit
Kommentaren
versehen
sein,
die
einerseits
den
Entwicklungsstand des Rechencodes dokumentieren und andererseits das Verständnis
des Rechencode-Ablaufs ermöglichen. Dies schließt eine Erläuterung der für das
Verständnis des Programmablaufs wichtigsten Variablen und Steuergrößen ein.
Nachträgliche Änderungen im Rechencode (neue Versionen) sollten ebenfalls im
Vorspann dokumentiert sein sowie an den entsprechenden Stellen im Quelltext
kenntlich gemacht werden. Dieser sehr hohe Anspruch an den Quelltext, kann durch
71
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
einen hohen Verifizierungsstand abgemildert werden. Bei einem nachgewiesen
Verifizierungsstand kann auf eine Überlassung des Quellcodes verzichtet werden.
Transparenz des Rechencodes
Ein Rechencode sollte übersichtlich strukturiert sein, d.h. der Programmablauf muss
transparent und der Datenfluss klar nachvollziehbar sein (Das Beispiel eines
Datenflusses während eines Programmablaufes zeigt die Abb. 3.6-1, eine Anwendung
des Programms SPRING enthält Anlage 4). Deshalb werden Rechencodes im
Allgemeinen je nach Umfang in ein Hauptprogramm und Unterprogramme gegliedert.
Bei sehr komplexen Rechencodes können weitere Unterteilungsebenen vorhanden
sein. Die Aufteilung in Unterprogramme sollte so erfolgt sein, dass jedes
Unterprogramm möglichst nur einen einzigen klar definierten und erkennbaren
Aufgabenbereich bearbeitet. Die Auswahl von Namen für die Unterprogramme sollte
derart gestaltet sein, dass der Aufgabenbereich jeweils daraus ablesbar ist.
72
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 3.6-1: Datenflussplan eines Programms (Beispiel: Programmpaket SPRING)
Der Typ der im Rechencode verwendeten Variablen sollte explizit deklariert sein. Die
Benennung der Variablen sollte so erfolgt sein, dass ihre Bedeutung aus der
Bezeichnung zu erkennen ist. Die Variablenbezeichnungen sollten im gesamten
Rechencode möglichst einheitlich sein.
73
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
3.6.2
Gestaltung der Ein- und Ausgabe
Für die Ein- und Ausgabe des Rechencodes sollte ein konsistentes Maßsystem in SIEinheiten eingehalten werden. Für Umrechnungen im Prä- und Postprozessing sollten
für den Benutzer Skalierungen möglich sein.
Zur
Vermeidung
von
Eingabefehlern
in
hochentwickelten,
umfangreichen
Programmsystemen ist meist die Verwendung entsprechender Eingabeprozeduren
erforderlich, die sich hinsichtlich ihres Automatisierungsgrades an der Komplexität der
Problemstellung
orientieren.
Während
des
Einlesevorgangs
sollte
ein
Echo
ausgedruckt werden. Eingabefehler, die vom Rechencode erkannt werden können (z.
B. bei Überschreiten von Felddimensionierungen), sollten abgefangen werden. So
genannte Kontrollalgorithmen in den Programmen erleichtern die Suche nach Fehlern.
Für gefundene Fehler sollten interpretierbare Fehlermeldungen ausgedruckt werden.
74
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 3.6-2: Beispiel einer Eingabedatei (Auszug aus der Eingabe für das Programm
SPRING)
Die Ausgabe eines Rechenlaufs gliedert sich in das Ausgabelisting und in
Ergebnisdateien, in denen Daten für ein späteres Postprozessing oder für Restartläufe
abgelegt werden. Beide sollten im Sinne einer Qualitätssicherung eindeutig der
behandelten Problemstellung zugeordnet werden können. Daher sollten im Kopf eines
75
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
jeden Ergebnisausdrucks Informationen ausgegeben werden, die eine eindeutige
Identifikation des individuellen Rechenlaufs erlauben. Hierzu gehören z. B.:
-
der Name des verwendeten Rechencodes einschließlich der Versionsnummer und
der
Modifikationsnummer
sowie
seine
Charakterisierung
hinsichtlich
der
behandelten Phänomene,
-
der Name der Institution, bei welcher der Rechencode entwickelt wurde sowie evtl.
der Name der hierfür verantwortlichen Person,
-
der Name des Anwenders,
-
die Bezeichnung des Rechenlaufs mit der ortsüblichen Bezeichnung des Modells
sowie Datum und Uhrzeit, sowie
-
die Namen der Dateien, in denen die Ergebnisse abgelegt sind.
Die Druckausgabe sollte Informationen enthalten, die eine Beurteilung der Ergebnisse
hinsichtlich der Problemstellung ermöglichen. Die Druckausgabe von Ergebnisgrößen
sollte wählbar sein, um in Zweifelsfällen auch die grafische Ausgabe überprüfen zu
können. Das Ausgabelisting (Beispiel s. Tab. 3.6-1) sollte so gestaltet sein, dass nach
zusammengehörigen Ausgabegrößen, z. B. Programmsteuerparameter, Ergebnisse
der Grundwasserströmungs- und Radionuklidtransportberechnung, gruppiert wird. Ein
Beispiel einer Ausgabeliste anhand der Ergebnisse einer Radionuklidtransportsimulation zeigt die nachfolgende Tabelle.
76
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Tab. 3.6-1: Beispiel eines Ausgabelistings (Auszug zum Ergebnis einer Radionuklid
kettenberechnung Lengenfeld /LAR 02/ mit dem Programm SPRING)
*********************************************************************
*********************************************************************
------ S Y S T E M S P R I N G [email protected]
@ @@@@@ @@@@
@@@@@
BERECHNUNG VON GRUNDWASSERSTROEMUNGEN
@ @
@
@
@ @
@
MITTELS FINITER ELEMENTE
@
@
@@@@
@@@@@
PROGRAMM X T R A , VERSION 1.22 (2000)
@ @
@
@ @
@
@
GKW, BOCHUM, C. Blömer
@
@
@
@
@ @
@
*********************************************************************
NUKLID-Transport 3D-Modell, IAA Lengenfeld
GRS Köln, J. Larue, 19.09.2000
Testfall C3, instationäre Berechnung der Radionuklidausbreitung
zur stationären Grundwasserströmung, Testfall B3
allg. Parameterdatei: C3xtra.para
Stoff-Parameterdatei: C3xtra.konz
Ausgabedateien:
C3horistat.plx, C3bila.plx, C3hori7.plx, C3vert.plx
-----------------------------------------------------------Steuerparameter:
-----------------------------------------------------------Ausfuehrliches Protokoll
Bilanzen alle 1 Zeitschritte
iterativer PCG-Gleichungsloeser fuer Stroemung
iterativer PCG-Loeser + Operatorsplit fuer Transport
Keine gleichen Konzentrationen an GLEI-Knoten
Stationaere Stroemung, Instationaerer Transport
Gesaettigt/Ungesaettigte Rechnung
10 Iterationen mit Daempfungsfaktor 0.500000
Startwerte fuer Potentiale = Lagehoehe
Startwerte fuer U-234 = 0
Startwerte fuer Th-230 = 0
Startwerte fuer Ra-226 = 0
Instationaerer Rechnung mit Daten aus : inst
Berechnung mit fester Zeitschrittweite von
5.00000 Jahre
Letzter Berechnungszeitpunkt: 5000.00000 Jahre
Abspeichern jedes 10.ten Zeitschrittes
-----------------------------------------------------------allgemeine Fluidparameter:
-----------------------------------------------------------Fluidkompressibilitaet:
4.3999e-10
Fluiddichte (c=0):
1000.0000
Viscositaet:
0.0010
-----------------------------------------------------------allgemeine Matrixparameter:
-----------------------------------------------------------Matrixkompressibilitaet:
2.3999e-10
Zone
1 - Matrixdichte:
2650.0000
durchfl. Porositaet:
0.1000
-----------------------------------------------------------van Genuchten Parameter (gesaettigt/ungesaettigte Rechnung):
-----------------------------------------------------------S_res - Restsaettigung
a
- Kehrwert des Wassereintrittdrucks
m
- Porengroessenindex
kr_min - untere Schranke rel. K-wert in der Klasse
l
- Parameter l in rel-K-wert- Funktion
K-Werte-Grenzen (Klasseneinteilg.) | S_res | a
| m
| kr_min
| l
9.81000000e-4 < k <= 9.81000000e-7 | 0.4000 | 2.50000e-4 | 1.3500 | 0.00000000 | 0.50
globale untere Schranke fuer den rel. K-wert: 0.01000000
-----------------------------------------------------------Dispersivitaeten:
-----------------------------------------------------------globaler Skalierungsfaktor:
10.0000
Verhaeltnis a_l:a_th = 1 :
10.0000
Verhaeltnis a_l:a_tv = 1 :
100.0000
-----------------------------------------------------------NUKLID-Transport - Aufbau der Nuklidkette:
-----------------------------------------------------------(Nr. 4) U-234, Zerfallsrate 9.008000e-14 [1/s]
77
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
-- (100.000%) --> (Nr. 5) Th-230
-----------------------------------------------------------Parameter der einzelnen Stoffe:
------------------------------------------------------------------ (Nr. 4) U-234:
Diffusionskoeffizient:
0.00000 [m2/s]
Zone
1: Lineares Sorbtionsmodell:
linearer Sorbtionskoeff.: 0.00015000 [m3/kg]
-----------------------------------------------------------Steuerparameter der instationaeren Randbedingungen:
-----------------------------------------------------------Inst. Randbedingungen fuer KM01:
- werden nicht interpoliert!
-----------------------------------------------------------Extremwerte (BQ/m3) U-234
:
0.00 (
369)
0.00 (
369)
Gesamt-Extremwerte : (BQ/m3)
0.00
0.00
Extremwerte Potential :
42.00 (
60369)
45.00 ( 130821)
1.ter Iterationsschritt (Potential):
gesaettigt und ungesaettigter Bereich:
max. Aenderung
25.00000 am Knoten 130001 (
20.00 ->
45.00)
mit. Aenderung 10.899193
-----------------------------------------------------------Reaktionsmengen (m3/ZE) an Knoten mit festem Potential:
-----------------------------------------------------------50001 8.34997434
50042 16.6851342
50083 16.6416815
50124 16.5726661
50165 16.4833741
Entnahmemenge fuer Knoten mit vorg. Potential:
-58740.4043
Zuflussmenge fuer Knoten mit vorg. Potential:
7740.9571
Gesamtmenge
fuer Knoten mit vorg. Potential:
-50999.4472
-------------------------------------------------Massenbilanz:
-------------------------------------------------Eingegebener Gesamtein-/ausfluss:
51000.0000
Berechnete Differenzmenge:
-50999.4472
Gesamtausfluss:
-58740.4043
Gesamteinfluss:
58740.9571
Differenz:
0.5528
-------------------------------------------------************************************************************
1.ter Zeitschritt (
5.00 Jahre)
************************************************************
Extremwerte (BQ/m3) U-234
: -0.00604 (
300) 0.222342 (
20341)
Gesamt-Extremwerte : (BQ/m3) -0.00604
0.222342
----------------------Berechnete Potentiale
----------------------1 45.001041
2 44.9857386
3 44.9652516
4 44.9421802
5 44.9163681
---------------------------------------------------Berechnete Filter/Abstandsgeschwindigkeiten (m/ZE)
---------------------------------------------------v=(vx,vy,vz) -> Filtergeschwindigkeit
V ( = v/n)
-> Abstandsgeschwindigkeit
nr
vx
vy
vz
|v|
|V|
288 5.945450e-10 9.039210e-13 -6.31805e-10 0.0273781457 0.1368907284
----------------------------Berechnete Saettigungsgrade
----------------------------1 0.80978283
2 0.80810293
3 0.8058918
4 0.8034522
5 0.80078402
78
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Programmbeschreibung
3.6.3
Neben dem Quelltext ist die Programmbeschreibung der wichtigste Bestandteil der
Dokumentation eines Rechencodes. Der Zweck einer Programmbeschreibung ist es,
·
eine Anleitung zur Verwendung des Rechencodes zu geben,
·
den Anwendungsbereich des Rechencodes und die implementierten Gleichungen
zu erläutern,
·
die durchgeführten Maßnahmen zur Qualifizierung des Rechencodes
(siehe Verifizierung von Rechencodes) aufzuzeigen und
·
einen Anwender in die Lage zu versetzen,
·
die Eignung des Rechencodes für seine Problemstellung zu beurteilen,
·
die Anpassung des Rechencodes an spezielle Gegebenheiten zu ermöglichen
und
·
auf Fehlermeldungen des Programms zu reagieren (z. B. Hinweis auf
Eingabefehler).
Im Allgemeinen wird die Dokumentation eines Programms unterteilt in die
Entwicklerdokumentation, die vom Programmentwickler erstellt bzw. gepflegt wird
und i. d. R.. nicht dem Anwender übergeben wird, und das Benutzerhandbuch, das
als wichtiger Bestandteil beim Kauf eines Programms dem Anwender zu übergeben ist.
Benutzerhandbuch
Ziel des Benutzerhandbuches ist es,
-
eine Anleitung zur Bedienung des Programms auch anhand von Beispielen zu
geben bzw.
-
eine Anleitung zur Anwendung des Rechencodes zu geben, hinsichtlich der für
einen
Rechenlauf
notwendigen
Hardware,
der
benötigten
Dateien,
der
erforderlichen Daten und der berechneten Ergebnisgrößen und
-
einen Benutzer in die Lage zu versetzen, den Rechencode hinsichtlich der
implementierten Gesetzmäßigkeiten (Gleichungen, Korrelationen), deren Anwendungsbereiche und Genauigkeit beurteilen zu können.
79
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Für eine Beurteilung des Rechencodes hinsichtlich seines Anwendungsgebietes ist
eine Darstellung der ursprünglichen Motivation der Codeentwicklung sowie seiner
Entwicklungs- und Anwendungshistorie von Nutzen (s. o.).
Die vermittelten Informationen sollten so umfassend sein, dass die wesentlichen
Gesichtspunkte zusammenfassend dargestellt werden, so dass einem Anwender die
Beurteilung und Nutzung eines Rechencodes ermöglicht wird. Literaturverweise sollten
sich auf die Fälle, in denen allgemeingültige Sachverhalte dargestellt werden,
beschränken.
Im Handbuch sind die physikalischen Sachverhalte zu beschreiben, zu deren
Simulation der Rechencode entwickelt wurde. Dies umfasst auch eine kurze Darlegung
der Einzelphänomene. Neben dieser Beschreibung sind auch die im Rechencode
verwendeten Gleichungen anzugeben. Vereinfachungen sind zu begründen, deren
Anwendungsbereich ist anzugeben. Die Auswirkungen von Vereinfachungen auf die
Ergebnisse innerhalb des Anwendungsbereiches sind darzulegen.
Die Beschreibung des jeweils verwendeten numerischen Lösungsverfahrens sollte in
einem solchen Umfang erfolgen, dass ein Anwender in die Lage versetzt wird, die
ermittelten Ergebnisse hinsichtlich ihrer Plausibilität und hinsichtlich ihrer Genauigkeit
beurteilen zu können. Die Stabilitätskriterien des Verfahrens sind im Hinblick auf die
räumliche und zeitliche Diskretisierung zu erläutern.
Die Umsetzung der dem Rechencode zugrunde liegenden physikalischen Grundgleichungen in die Form, wie sie für das jeweilige Lösungsverfahren benötigt werden,
ist zu beschreiben. Die entsprechenden Gleichungen sind anzugeben, z. B. als
Differenzengleichungen. Die Reihenfolge ihrer Verarbeitung und deren Auswirkung auf
die Resultate ist darzulegen.
Die Eingabebeschreibung im Handbuch muss einen Benutzer in die Lage versetzen,
ohne fremde Hilfe die Eingabedatei der vorliegenden Problemstellung zu erstellen. Sie
muss eine detaillierte Beschreibung aller Eingabegrößen mit Hinweisen auf die
entsprechenden Passagen der Beschreibung des implementierten Modells bzw. auf die
entsprechenden
Gleichungen
enthalten.
Falls
Vorbelegungen
von
Variablen
vorgesehen sind, sind deren Werte anzugeben und deren Aktivierung zu erläutern.
80
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Die Ausgabebeschreibung sollte weiterhin einen Benutzer in die Lage versetzen, die
Ergebnisse seiner Simulation selbstständig hinsichtlich ihrer Plausibilität und
Genauigkeit zu beurteilen. Dies erfordert eine exakte Definition der ausgegebenen
Größen einschließlich der verwendeten Einheiten mit Verweis auf die entsprechenden
Passagen der Beschreibung des implementierten Modells bzw. der entsprechenden
Gleichungen.
Ein Benutzer des Rechencodes sollte beurteilen können, inwieweit die ihm zur
Verfügung stehende Rechenanlage einschließlich des Betriebssystems und der
Peripherie ausreicht, um den Code im Hinblick auf die zu bearbeitende Problemstellung einsetzen zu können oder ob Ergänzungen notwendig sind.
Verwendet
ein
Rechencode
Eingabedateien,
z.
B.
um
Ergebnisse
aus
Unterprogrammen oder auch anderen Rechenprogrammen zu übernehmen, so sind
diese im Detail zu erläutern. Aus Gründen der Portabilität sind formatierte Dateien
vorzuziehen.
Im Allgemeinen speichern Rechencodes Ergebnisse von Simulationsrechnungen zur
Weiterverarbeitung in Ausgabedateien. Wenn die Initialisierung der notwendigen
Dateien nicht automatisiert ist, ist für diese anzugeben, wie die notwendigen Dateien
einzurichten sind. Es ist zu erläutern, welche Größen dort ausgegeben werden und bei
welcher Ausgabeoption dies geschieht.
Verwendet ein Rechencode Zwischendateien zum zeitweiligen Ablegen von Werten,
die nicht automatisch angelegt werden, so ist die notwendige Größe (Speicherplatz),
u.U. in Abhängigkeit von der Problemstellung, anzugeben. Da es i. d. R.. nicht
notwendig sein wird, diese Dateien zu überprüfen, werden sie im Allgemeinen
unformatiert angelegt werden können.
Der Programmablauf ist in grafischer Form darzustellen. Je nach Komplexität des
Rechencodes sollten dafür verschiedene Stufen unterschiedlichen Detaillierungsgrades vorgesehen werden, z. B. Ablauf des Gesamtcodes, einzelner Module,
einzelner relevanter Unterprogramme. Hiermit soll es einem entsprechenden
Anwender ermöglicht werden, den Programmablauf zu eventueller Fehlersuche
nachvollziehen zu können. Außerdem soll der Programmablauf in Verbindung mit dem
Quelltext so transparent gemacht werden, dass ein Anwender beurteilen kann, wie
81
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Modifikationen am günstigsten durchzuführen sind und welche Auswirkungen sie
haben.
Es sind Anweisungen zur Installation des Rechencodes auf verschiedenen Rechnern
bzw. unter verschiedenen Betriebssystemen zu dokumentieren.
Insgesamt ist jedoch eine ausführliche Benutzerführung zur Vorgehensweise der
Anwendung des Programms, z. B. wann und in welcher Reihenfolge welche Module zu
benutzen sind, die wichtigste Aufgabe des Benutzerhandbuches.
3.6.4
Fehlerbehandlung
Im Rahmen der Fehlerbehandlung unterscheidet man zwei Arten von Fehlern, die bei
der Anwendung eines Programms auftreten können:
·
Eingabefehler, die bei der Eingabe der notwendigen Daten und Parameter des
Modells in das Programm durch den Anwender auftreten können,
·
Programmfehler, so genannte 'Bugs', die durch fehlerhafte Programmierung durch
den Codeentwickler oder durch Fehler bei einem nachträglichen Einbringen neuer
Programmroutinen entstehen können
Schwerwiegend auf das Ergebnis wirken sich Modellanwendungsfehler aus. Dabei
handelt es sich um Fehler, die den Gültigkeitsbereich des Programms und die darin
enthaltenen Gleichungen verletzen. Hierunter fallen u. a. Fehler durch Verwendung
von ungeeigneten Modulen oder Solvern (Gleichungslöser) und Diskretisierungsfehler.
Sie können i. d. R.. vom Programm nicht erkannt werden und sind nur in einer
Überprüfung der Modellanwendung durch den Nutzer des Programms, durch den
Programmentwickler oder durch einen Gutachter erkennbar. Sie sind nur durch eine
entsprechend umsichtige Modellanwendung und durch qualitätssichernde Maßnahmen
zu vermeiden. Diese Fehlersuche und -behebung gehört deshalb in den Bereich der
Qualitätssicherung des Modells.
3.6.4.1
Eingabefehler
Für solche Fehler in der Eingabe oder während der Berechnung, die vom Rechencode
erkannt werden, sind die ausgedruckten Fehlermeldungen näher zu erklären. Neben
82
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
einer genauen Erläuterung der Art des Fehlers sollte dabei auch auf die häufigsten
Ursachen eingegangen werden. Falls möglich, sollten dabei auch Querverweise auf
andere Eingabegrößen, die mit dem Fehler zusammenhängen können, erfolgen. Die
Fehlermeldungen und die zugehörige Dokumentation sollte so gestaltet sein, dass ein
Anwender in der Lage ist, den Fehler richtig zuzuordnen und zu korrigieren.
3.6.4.2
Programmfehler
Programmierungsfehler treten unter Umständen in jedem Programm auf. Sie sind
meist Folge einer stetigen Weiterentwicklung des Programms mit dem dazugehörigen
Eingriff in die z. T. komplexe Programmstruktur und den Abhängigkeiten der
verschiedenen Programmroutinen untereinander.
Für alle Anwender erreichbar sollten alle bisher bekannt gewordenen Programmfehler
(Bugs) aufgelistet werden und Lösungs- oder Umgehungsvorschläge hierzu gemacht
werden. Dies kann z. B. in Form einer Fehlerliste auf der Internetseite des Entwicklers,
durch eine Benachrichtigung der Programmanwender oder in Form von so genannten
Nutzertreffen geschehen. In jeder neuen Programmversion sind die bis zu diesem
Zeitpunkt aufgetretenen Programmfehler zu beheben. Dass dies oft nicht der Fall ist,
zeigen verschiedene kommerzielle Programme, bei denen die Fehlerliste z. T.
integraler Bestandteil der Programmdokumentation geworden sind.
Das Auftreten von Fehlern macht aber eine Reaktion des Programmentwicklers
zwingend erforderlich, falls der Fehler unter regulären Bedingungen, d.h. bei einer
entsprechend der Dokumentation fehlerfreien Eingabe für ein für das Programm
spezifizierten Anwendungsgebiet entsprechende Rechnung und unter einer der
Dokumentation entsprechenden Hard- und Softwarekonfiguration, auftritt.
3.6.5
Anwendungsbeispiele
Zur Erleichterung der Einarbeitung der Codeanwender sind in der Programmdokumentation nachvollziehbare Beispiele für die Anwendung des Codes darzustellen.
Diese Beispiele sollten möglichst den gesamten Aufgabenbereich des Rechencodes
umfassen und sowohl einfache als auch komplexe Problemstellungen behandeln. Sie
sollen den Anwender schrittweise an die mit dem Code bearbeitbaren Fragestellungen
heranführen. Vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Beispiele aufeinander aufbauen. Die
83
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Benutzung solcher Testbeispiele als erste Anwendungsbeispiele durch einen neuen
Programmnutzer ist sinnvoll. Ein Anwender sollte anhand der Beispiele in der Lage
sein, für alle Anwendungsbereiche des Rechencodes die Eingabe selbständig und
hinsichtlich der Stabilität und Genauigkeit der Ergebnisse in optimaler Form zu
erstellen.
3.6.6
Dokumentation von Programmverifizierungen
Für alle Softwareentwicklungen (Programme) im Rahmen dieses Leitfadens sollten
Verifizierungen i. d. R.. durch den Programmentwickler dokumentiert worden sein. Der
Grad der Formalisierung und der Umfang der Verifizierung sollte entsprechend dem
Typ, der Komplexität und der Entwicklungshistorie des Rechencodes gewählt werden.
Eine Minimalforderung für die Verifizierung ist die Entwicklung und Durchführung von
Tests, die das korrekte Arbeiten der Software zeigen. Die Testfälle sollten den
gesamten durch die Dokumentation definierten Anwendungsbereich überdecken und
alle wesentlichen Optionen und Zustände des Programms überprüfen. Z. B. sollten alle
Nutzerschnittstellen, spezielle Abbruchbedingungen, die Fehlerbehandlung und
Restarts durch den Entwickler überprüft sowie Läufe mit Eingabewerten an den
Grenzen des Anwendungsbereichs durchgeführt worden sein. Nach der Modifizierung
der Software oder ihrer Installation auf neuer Hardware oder unter neuen
Betriebssystemen sollten die Testfälle erneut gerechnet werden. Alle durchgeführten
Tests sind zu dokumentieren, dabei muss der Programmentwickler sicherstellen, dass
die gesamte Verifizierungsdokumentation auf dem aktuellen Stand der jüngsten
Modifikationen der Anforderungen und des Entwurfs gehalten wird.
Bei
der
Entwicklung
komplexer
Programme
sollten
zur
Dokumentation
der
Verifizierungsaktivitäten der Entwicklungsorganisation zwei Berichte erstellt werden:
der Verifizierungsplan und der Verifizierungsbericht.
Der Verifizierungsplan hält die Strategie, die Aufgaben und Methoden der
Verifizierung
fest,
definiert
die
Testfälle
und
Testprozeduren
und
legt
die
Akzeptanzkriterien bei der Bewertung der Testergebnisse fest. Das Dokument sollte in
der Entwurfsphase erstellt werden und kann während der Implementierungsphase im
Detail ergänzt werden. Es sollte detaillierte Spezifizierungen für alle durchzuführenden
Tests enthalten und alle anderen Verifizierungsaktivitäten genügend detailliert
beschreiben, um objektive Kriterien zur Bewertung der Ergebnisse zu erhalten.
84
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Der Verifizierungsbericht dokumentiert die Ergebnisse der Verifizierung und zeigt die
Einhaltung der im Verifizierungsplan festgelegten Akzeptanzkriterien auf. Er kann auf
eine vorgenommene Dokumentation der Verifizierungsrechnungen, z. B. eingetragen in
standardisierten Formblättern, basieren. Die Ergebnisse der formalen Tests sollten
analysiert und die Akzeptanz der die Software betreffenden Folgerungen formuliert
werden. Auch die übrigen Verifizierungsaktivitäten sollten analysiert und ihre
Ergebnisse im Kontext der Akzeptanzkriterien des Verifizierungsplans interpretiert
werden.
Die Aufzeichnungen über den Prozess der Verifizierung (verwendete Techniken,
durchgeführte Tests, genutzte Testdateien, Ergebnisse) und dazu verfasste Berichte
(Zitate) sollten dem Ergebnis der Modellierung beigefügt werden.
3.7
Fazit zur Qualifizierung der Programme
Die in den Kapiteln 6 bis 9 durchgeführte Auswertung der internationalen Literatur
sowie der in Sachsen durchgeführten Marktanalyse /SMU 95/ (s. Anlage 2) macht
deutlich, dass eine sehr große Anzahl von Programmen zur Simulation von Strömungsund Transportprozessen vorhanden ist. Viele der unterschiedlichen Programmversionen unterliegen einer ständigen Weiterentwicklung. So nimmt nicht nur das
Spektrum, sondern auch die Leistungsfähigkeit dieser Programme ständig zu. In den
letzten Jahren ist dabei die Nutzerfreundlichkeit vieler Programme wesentlich
verbessert worden. So wurden moderne Menuetechniken entwickelt und die
Implementierung grafischer Möglichkeiten nach dem Stand der Technik durchgeführt.
Als Fazit der Sammlung kann festgestellt werden, dass alle untersuchten Programme
zur Simulation von Grundwasserströmungen herangezogen werden können. Dabei ist
aber nicht die grundsätzliche Verwendung dieser Programme maßgeblich (nach den
Programmbeschreibungen können die meisten Programme fast alles), sondern der o.a.
Nachweis, dass das entwickelte Programm bzw. Verfahren das zu modellierende
Problem genügend genau zu lösen vermag. Dieser Nachweis ist durch eine
erfolgreiche Teilnahme an Verifikations- bzw. Validierungsbenchmark oder der
Nachrechnung der Testbeispiele (s. Abschnitt 3.2) zu erbringen.
Neben den reinen numerischen Unterschieden im Lösungsverfahren sind nach
Meinung der GRS daher die untersuchten Grundwasserprogramme in Abhängigkeit
85
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
ihrer Leistungsstärke, ihrer Abbildungsgenauigkeit, der quadratischen oder linearen
Approximation des Druckfeldes im Grunde gleichwertig.
Unterschiede
zeigen
jedoch
die
Programme
bezüglich
der
Simulation
von
Transportvorgängen von Schadstoffen. Hier sind maßgeblich die numerische
Behandlung in mehrdimensionalen Anwendungen sowie die Behandlung von
Prozessen wie Retardation, Berücksichtigung von biologischen Abbauprozessen und
radioaktiver Zerfall unterschiedlich implementiert. Deshalb sind die genannten
Standards zur Qualitätssicherung einzuhalten.
86
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
4
Bergbauliche Objektstandorte
Der Austrag von Radionukliden und deren Ausbreitung im Grundwasser ist in der
Regel ein langdauernder Prozess, der von sich zeitlich ändernden Randbedingungen
bestimmt wird. Die maßgeblichen Transportmechanismen sind Konvektion, molekulare
Diffusion, Dispersion, Adsorption, chemische Reaktionen, wie Immobilisieren sowie der
radioaktive Zerfall radioaktiver Substanzen. Diese Transportmechanismen sind durch
stark unterschiedliche räumliche und zeitliche Maßstäbe gekennzeichnet. Das
Spektrum reicht z. B. von der molekularen Diffusion bis zur makroskopischen
Dispersion oder von der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Spezies bis
zu Fließzeiten beim konvektiven Transport von Schadstoffen in der Größenordnung
von Jahren bis Jahrhunderten bzw. Halbwertzeiten natürlicher Radionuklide bis zu
Millionen von Jahren. Um diese Fülle von Maßstabseffekten und wechselnden
Randbedingungen einzuengen, werden nachfolgend Beispiele verschiedener Typen
von möglichen Haldenstandorten auf Basis ihrer hydrogeologischen Lage zum
Grundwasserleiter beschrieben.
87
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Radioaktive Kontamination des Grundwassers durch Austrag von
4.1
Radionukliden aus Halden des Alt- und Uranerzbergbaus
Aus hydrogeologischer Sicht lassen sich im Rahmen dieses Leitfadens grundsätzlich
zwei
Standorttypen
unterschiedlichen
von
Aufbau
Halden
der
differenzieren.
Halden
finden
(Weitere
sich
Informationen
im
zum
Leitfadenfachband
Sickerwasserpfad).
Abb. 4.1-1: Abflussverhältnisse von Typ A - Halden
a) Typ A:
Hierzu gehören Halden, die keinen direkten Kontakt zum Grundwasser haben,
d.h. oberhalb des Grundwasserniveaus stehen. Diesen Typ von Halden (Abb.
4.1-1) entsprechen die Mehrzahl der zu betrachtenden Halden des Alt- und
Uranbergbaus. Dazu gehören alle Haldenstandorte, an denen Bergematerial
und/oder Bergbaurückstände auf den gewachsenen Boden aufgehaldet wurde.
Der Austrag von Radionukliden durch Sickerwasser wird über die Infiltration
von Niederschlägen in die Halde bestimmt und ist abhängig in erster Linie von
den zugrunde liegenden meteorologischen Bedingungen, der Heterogenität
und dem Nuklidfreisetzungsverhalten des abgelagerten Materials und den
Sickerwasser-Verhältnissen sowie den geochemischen Milieubedingungen in
der Halde (s. Leitfadenfachband Sickerwasserpfad). Eine Ausnahme bilden oft
Hanganschüttungen, bei denen sich (je nach Beschaffenheit des Schüttgutes
und
des
Überganges
zum
Gebirge)
88
ein
im
Talhang
befindlicher
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Grundwasserhorizont
in
die
Aufschüttung
fortsetzt
und
damit
z.
T.
wassergesättigte Bedingungen vorliegen.
Abb. 4.1-2: Abflussverhältnisse von Typ B - Halden
Typ B:
Dieser Typ von Halden (Abb. 4.1-2), die ständig oder zeitweise mit dem Grundwasser
im Kontakt stehen, ist selten. Hierzu gehören Halden, die in Talniederungen angelegt
wurden oder Auffüllungen von Restlöchern im Grundwasserniveau. Die Radionuklide,
die aus diesen Halden mit dem Grundwasser abtransportiert werden, werden neben
der Grundwasserneubildung (GWN) auf dem Objekt zusätzlich über den unterirdischen
Grundwasserzu- (Qz) und abfluss (QA) beeinflusst. Dabei muss der unterirdische
Durchfluss
(QKGW)
durch
das
Objekt
bezogen
auf
den
Gesamtabfluss
im
Grundwasserleiter (vertikale Ausdehnung der Halde im Grundwasser hKGW bezogen auf
Grundwasserleitermächtigkeit hGW, s. Abb. 4.1-2) betrachtet werden.
Während bei Halden des Typs A der eigentliche zu modellierende Radionuklidtransport
mit dem Grundwasser erst bei Eintritt der Radionuklid-haltigen Haldensickerwässer in
die gesättigte Zone beginnt und die Durchströmung der nicht wassergesättigten
Ablagerung meist als Freisetzungsanteil von Schadstoffen über die Versickerung von
Niederschlägen in das Grundwasser definiert und bewertet werden kann (s.
Leitfadenfachband Sickerwasserpfad), werden im Fall von Halden des Typs B für
Prognoserechnungen standortspezifische Modellrechnungen mit Programmen, die die
Freisetzung, den Transport und evtl. die Rückhaltung der Radionuklide im
wassergesättigten Teil der Halde beschreiben, erforderlich.
89
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Im Falle von Halden des Typs A ist letztlich für eine über eine orientierende
Untersuchung hinausgehende Bewertung der radiologischen Relevanz des Grundwasserpfades (Berechnung des Dosisbeitrages des Grundwassers) nur der Weg der
freigesetzten Radionuklide vom Eintragsort Halde zu einem Ort möglicherweise
gefährdeter Grundwassernutzung von unmittelbarem Interesse. Deshalb werden in den
weiteren
Analysen
Sickerwasserströmung
der
und
Transport
in
der
hangparallelen
ungesättigten
Zone
Zwischenabfluss)
über
(vertikale
den
im
Leitfadenfachband Sickerwasserpfad dargestellten Rahmen nicht weiter betrachtet.
Bedeutend hingegen sind dabei die hydrogeologischen Bedingungen beim Übergang
Festgestein-Lockergesteinsgebirge
zur
Ablagerung,
insbesondere
bei
einem
horizontalen Einstrom in den Grundwassererfüllten der Halde .
Nach /KAR 81/ sind Festgesteine wie Granite, Granulite, Gneise, Glimmerschiefer und
Phylitte in den Bergbauregionen Sachsens und Thüringens weit verbreitet. Eine
wasserwirtschaftliche Nutzung von Grundwässern ist i. d. R.. auf das aufgelockerte
Anstehende (Verwitterungszone), z. B. den grusigen Lockergesteinshorizonten der
Granite, und den Talsedimenten begrenzt. In der Regel nimmt eine Wasserführung in
den überwiegenden kristallinen Festgesteinen in der Reihenfolge Granulite - Granite Gneise - Glimmerschiefer - Phylitte ab. Ausgenommen hiervon sind Bereiche von
größeren Störungszonen, deren Wasserführung in Abhängigkeit des Zerklüftungsgrades erheblich differieren können. Die zur Modellbeschreibung notwendigen
Prozesse und Daten zur Ermittlung der Standortcharakteristik sind in Abb. 4.1-3
dargestellt.
Die nachfolgende Differenzierung von Standorttypen wird daher nicht nach den
einzelnen Gesteinsarten durchgeführt, sondern differenziert die Standorte nach Lage
des Objektes und Lage der einzelnen hydraulischen Strukturen in Festgesteinen bzw.
in Lockergesteinen allgemein.
90
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Grundwasserneubildung
- Mächtigkeit
- hydraulische
Durchlässigkeit
- Retentionsvermögen
Hydrogeologie
Grundwasserüberdeckung
Wasserwegsamkeit
Grundwasserleiter
- strömungsmechanische
Bedingungen
- Stofftransport
Grundwasserhydraulik
Standortcharakteristik
Abb. 4.1-3: Prozesse und Daten zur Ermittlung der Standortcharakteristik
4.2
Typisierung von möglichen Objektstandorten des Alt- und
Uranbergbaus
Die folgende hydrogeologische Standorttypisierung, basiert auf Empfehlungen eines
Leitfadens des Ministeriums für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes
Nordrhein-Westfalen zu "Grundwasseruntersuchungen in Festgesteinen bei Altablagerungen und Altstandorten" /COL 91/. Entsprechende hydrogeologische Standorttypen
finden sich auch in Anlage 5 von /LFU 99a/ und eine Beschreibung für darauf
bezogene Erkundungsprogramme in Anlage 1 von /LFU 99b/.
Die Standorttypisierung dient zum einem zur schnellen Relevanzprüfung des
Wasserpfades für eine radiologische Betrachtung und zum anderen zur ersten
Einschätzung des nowendigen Modellierungsaufwandes. Dabei wird der Begriff
Bedeutung des Grundwasserleiters bezüglich einer aktuellen oder absehbaren
Nutzung und damit hinsichtlich einer notwendigen Expositionspfadberechnung
verwendet.
Diese nachfolgende Standorttypisierung wurde den Erfordernissen bei der Betrachtung
von Halden des Alt- und Uranbergbaus dahin gehend angepasst, dass aus /COL 91/
nur die Standorttypen übernommen wurden, die für Haldenstandorte in Sachsen,
Thüringen und Sachsen-Anhalt typisch sind.
91
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 4.2-1: Legende der nachfolgenden Abbildungen zu den geologischen
Standorttypen (aus /COL 91/)
92
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Standorte mit Objekten in der wasserungesättigten Zone 3
4.2.1
Hydrogeologischer Standorttyp 1
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Festgesteine an, die in größerer
Tiefe
von
gering
durchlässigen
Festgesteinen
unterlagert
sind.
Der
freie
Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des Objektes.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau, Schadstoffrückhaltevermögen und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 1 ist als groß einzustufen, da das Objekt in einem Festgesteins-Grundwasserleiter
liegt und nur einen geringen vertikalen Abstand zur Grundwasseroberfläche besitzt.
Die gesättigte Zone kann bei einem Anstieg der Grundwasseroberfläche bis in das
Objekt hineinreichen und es durchströmen. Eine Beeinflussung des Grundwasser
3 Eine entsprechende Gliederung findet sich auch in "Schadstoffeintrag ins Grundwasser" /LFU 99a/
93
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
leiters hinsichtlich einer aktuellen oder absehbaren Nutzung des Wassers muss im
Einzelfall geklärt werden.
Hydrogeologischer Standorttyp 2
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Festgesteine an, die seitlich an
gut durchlässige Lockergesteine angrenzen. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter
der Basis des Objektes. Aufgrund der Abstromverhältnisse im Untergrund (entgegen
der ursprünglichen topographischen Hangneigung) ist ein Übertritt von schadstoffbefrachtetem Grundwasser vom Festgesteins-Grundwasserleiter in den Lockergesteins-Grundwasserleiter möglich.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
(Festgestein) bzw. des GwLeiters (Lockergestein)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit (Festgestein, Lockergestein)
-
Entfernung des Objektes
rückhaltevermögen im Aquifer
zum
GwLeiter
(Lockergestein),
Schadstoff-
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 2 ist als groß einzustufen, da das Objekt in einem Festgesteins-Grundwasserleiter
liegt. Die Gefährdung des Lockergesteins-Grundwasserleiters ist abhängig von der
Entfernung vom Objekt sowie von der GwFließrichtung, GwFließgeschwindigkeit und
94
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Verdünnung. Eine Beeinflussung der beiden Grundwasserleiter muss im Einzelfall
geklärt werden.
Hydrogeologischer Standorttyp 3
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Festgesteine an, in die geringer
durchlässige Festgesteine linsenförmig eingelagert sind. Der freie Grundwasserspiegel
liegt unter der Basis des Objektes. Im Bereich der geringer durchlässigen Festgesteine
kommt es zu Wasseraustritten in Form von Schichtquellen
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt (freier + schwebender GW-Stand)
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters +
Stauers
-
GwFliessrichtung und GwFliessgeschwindigkeit
-
Schadstoffrückhaltevermögen des GwLeiters
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 3 ist als relativ groß einzustufen. Die Gefahr der Kontamination von
Oberflächengewässern durch die Zufuhr belasteter Wasseraustritte aus Hang- bzw.
Schichtquellen ist jedoch zu berücksichtigen. Eine Beeinflussung des Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
95
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Hydrogeologischer Standorttyp 4
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Festgesteine an, die durch eine
geringer durchlässige Festgesteins-Zwischenschicht in zwei Grundwasserstockwerke
gegliedert sind. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des Objektes. Das
Grundwasser im unteren Stockwerk ist gespannt.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung,
GwLeiters
-
Verbreitung,
Mächtigkeit,
Aufbau
und
Schadstoffrückhaltevermögen des GwHemmers
-
Verbreitung,
GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit im oberen und unteren GwLeiter
Mächtigkeit,
Mächtigkeit,
Aufbau
Aufbau
und
und
Gebirgsdurchlässigkeit
des
oberen
Gebirgsdurchlässigkeit
Gebirgsdurchlässigkeit
des
bzw.
unteren
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 4 ist als groß einzustufen. Insbesondere der obere Grundwasserleiter ist durch
das Objekt gefährdet. Die Gefährdung des unteren Grundwasserleiters ist dagegen
von der Gebirgsdurchlässigkeit des eingeschalteten Grundwasserhemmers abhängig,
dem u.U. die Funktion einer natürlichen geologischen Barriere zukommt. Außerdem ist
das hydraulische Potential des unteren Grundwasserleiters zu beachten. Die
Beeinflussung eines jeden Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
96
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Hydrogeologischer Standorttyp 5
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an, die in
größerer Tiefe von gut durchlässigen Festgesteinen unterlagert sind (vgl. Typ 8). Die
Grundwasserdruckfläche liegt im Bereich der gering durchlässigen Festgesteine. Zur
Tiefe hin kann es zu einem Stofftransport durch Diffusion kommen. Die geringe Durchlässigkeit an der Basis verursacht einen hohen Sickerwassereinstau mit Austritten.
Untersuchungsparameter
-
Druckspiegelhöhe, Sickerwassereinstauhöhe
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone), Schadstoffrückhaltevermögen
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit
-
Sickerwasseranfall
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 5 ist als gering einzustufen. Bei entsprechend großer Mächtigkeit und günstigem
Aufbau des Grundwasserhemmers im Liegenden bildet dieser eine natürliche
geologische Barriere, die das Eindringen von Sickerwasser in den Untergrund
behindert. Die Gefahr einer Kontamination von Oberflächengewässern durch
Sickerwasseraustritte ist jedoch zu berücksichtigen. Grundwasserhemmer besitzen
aufgrund
ihrer
geringen
Ergiebigkeit
keine
Wasserversorgung.
97
Bedeutung
für
die
öffentliche
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Hydrogeologischer Standorttyp 6
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an (vgl. Typen 7
und 12). Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des Objektes. Die geringe
Durchlässigkeit an der Basis verursacht einen hohen Sickerwassereinstau mit
Austritten. Zur Tiefe hin kann es zu einem Stofftransport durch Diffusion kommen.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit
-
Schadstoffrückhaltevermögen des GwHemmers
-
Sickerwasseranfall
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 6 ist als gering einzustufen. Bei entsprechender Mächtigkeit und günstigem
Aufbau des Grundwasserhemmers im Liegenden bildet dieser eine natürliche
geologische Barriere, die das Eindringen von Sickerwasser in den tieferen Untergrund
behindert. Die Gefahr einer Kontamination von Oberflächengewässern durch Hangbzw. Sickerwasseraustritte ist zu berücksichtigen. Grundwasserhemmer besitzen
aufgrund
ihrer
geringen
Ergiebigkeit
keine
Wasserversorgung.
98
Bedeutung
für
die
öffentliche
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Hydrogeologischer Standorttyp 7
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an, in die eine
gut durchlässige Festgesteins-Zwischenschicht eingelagert ist. Diese Zwischenschicht
streicht nicht, oder nur in sehr großer Entfernung, an der Erdoberfläche aus. Die
Objektbasis bindet nicht in die Zwischenschicht (GwLeiter) ein. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Objektbasis. Die geringe Durchlässigkeit an der Basis verursacht
einen hohen Sickerwassereinstau mit Austritten.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone)
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit, hydraulische Verbindung zwischen
dem Objekt und dem GwLeiter
-
Schadstoffrückhaltevermögen des GwHemmers
-
Sickerwasseranfall
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 7 ist im Wesentlichen davon abhängig, ob eine hydraulische Verbindung zwischen
dem Objekt und dem Grundwasserleiter existiert. Daher kommt der Beurteilung des
Grundwasserhemmers hinsichtlich der Gebirgsdurchlässigkeit besondere Bedeutung
zu.
Bei
entsprechend
großer
Mächtigkeit
und
günstigem
Aufbau
des
Grundwasserhemmers im Liegenden bildet dieser eine natürliche geologische Barriere,
99
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
die das Eindringen von Sickerwasser in den Untergrund behindert. Die Gefahr einer
Kontamination von Oberflächengewässern (ähnlich den Typen 6 und 11) durch
Sickerwasseraustritte ist
jedoch zu
berücksichtigen.
Eine
Beeinflussung
des
Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
Hydrogeologischer Standorttyp 8
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an, die in
größerer Tiefe von gut durchlässigen Festgesteinen unterlagert sind. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des Objektes. Die geringe Durchlässigkeit an der
Basis verursacht einen hohen Sickerwassereinstau mit Austritten (vgl. Standorttyp 5).
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone), Schadstoffrückhaltevermögen
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit, hydraulische Verbindung zwischen
dem Objekt und dem GwLeiter
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 8 ist als gering einzustufen. Bei entsprechend großer Mächtigkeit und günstigem
Aufbau des Grundwasserhemmers im Liegenden bildet dieser eine natürliche
geologische Barriere, die das Eindringen von Sickerwasser in den Untergrund
behindert. Die Gefahr einer Kontamination von Oberflächengewässern durch Sicker
100
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
wasseraustritte
ist
jedoch
zu
berücksichtigen.
Eine
Beeinflussung
des
Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
Geologischer Standorttyp 9
Im Untergrund des Objektes stehen gering mächtige, gut durchlässige Lockergesteine
mit unregelmäßigen Einschaltungen geringer durchlässiger Lockergesteine (z. B.
Hangschutt, Fließerde)
an.
Diese Schichten werden von gut durchlässigen
Festgesteinen unterlagert. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des
Objektes.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau Gebirgsdurchlässigkeit
(Lockergestein), Schadstoffrückhaltevermögen
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
(Festgestein), Schadstoffrückhaltevermögen
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit (Festgestein, Lockergestein)
des
GwLeiters
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 9 ist als sehr groß einzustufen, da das Objekt innerhalb eines Lockergesteins-Grundwasserleiters liegt. Eine Beeinflussung des Grundwasserleiters muss
im Einzelfall geklärt werden.
101
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Geologischer Standorttyp 10
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Festgesteine (verkarstete
Karbonatgesteine) oder gut durchlässiges Gebirge mit oberflächennahen Bergbauauffahrungen an. Der freie Grundwasserspiegel liegt unter der Basis des Objektes.
Fließsysteme im Karst oder den Auffahrungen weisen, jahreszeitlich bedingt,
unterschiedliche Grundwasserstände und Grundwasserfließrichtungen auf.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
(Festgestein)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit (Festgestein)
-
Mächtigkeit und Schadstoffrückhaltevermögen überlagernder Lockergesteine
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 10 ist als sehr groß einzustufen, da das Objekt in einem Grundwasserleiter liegt.
Die Grundwasser-Stände und die Grundwasser-Fließgeschwindigkeiten im Karst und
den Auffahrungen können sich jahreszeitlich bedingt extrem verändern und eine
direkte Verbindung mit dem GwLeiter besitzen. Die Beeinflussung des Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
102
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
4.2.2
Standorte mit Objekten in der wassergesättigten Zone4
Geologischer Standorttyp 11
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an. Der freie
Grundwasserspiegel liegt über der Basis des Objektes. Die geringe Durchlässigkeit an
der Basis des Objektes verursacht einen hohen Sickerwassereinstau mit Austritten
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter bzw. im Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit
-
Mächtigkeit und Schadstoffrückhaltevermögen des GwHemmers
-
Sickerwasseranfall
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 11 ist sehr gering einzustufen. Bei entsprechend großer Mächtigkeit und günstigem Aufbau des Grundwasserhemmers im Liegenden bildet dieser eine natürliche
geologische Barriere, die das Eindringen von Sickerwasser in den Untergrund
behindert
und
damit
den
Transport
in
einen
weiter
entfernten
genutzten
Grundwasserleiter. Die Gefahr der Kontamination von Oberflächengewässern durch
den Direkteintrag von Sickerwasser in die Vorflut ist zu berücksichtigen.
Grundwasserhemmer besitzen aufgrund ihrer geringen Ergiebigkeit keine Bedeutung
für die öffentliche Wasserversorgung.
4 Objekte mit Grundwasserkontakt (nach "Schadstoffwirkung und -transport" /LFU 99b/)
103
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Geologischer Standorttyp 12
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an, in die eine
gut durchlässige Festgesteins-Zwischenschicht (GwLeiter) eingelagert ist. Diese
Zwischenschicht streicht an der Erdoberfläche aus, und es kommt zum Austritt von
Wässern. Die Basis des Objektes bindet in die Zwischenschicht ein. Der freie
Grundwasserspiegel liegt über der Basis des Objektes. Es kommt zum Sickerwassereinstau im Objekt.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter bzw. in dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers;
Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone)
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit
-
Schadstoffrückhaltevermögen des GwLeiters und des GwHemmers
-
Quellaustritte
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 12 ist groß einzustufen, da das Objekt in direktem Kontakt mit dem Grundwasserleiter steht. Die Beeinflussung eines jeden Grundwasserleiters muss im
Einzelfall geklärt werden.
104
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Geologischer Standorttyp 13
Im Untergrund des Objektes stehen gering durchlässige Festgesteine an, die seitlich
an gut durchlässige Lockergesteine angrenzen. Der freie Grundwasserspiegel liegt
über der Basis des Objektes. Die geringe Durchlässigkeit an der Basis verursacht
einen hohen Sickerwassereinstau mit Austritten. Aufgrund der Abstromverhältnisse ist
ein Übertritt von schadstoffbefrachtetem Grundwasser aus dem Bereich erhöhter
Durchlässigkeit des GwHemmers in den Lockergestein-Grundwasserleiter möglich.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter bzw. in dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers
(Festgestein); Bereiche erhöhter Durchlässigkeit (Auflockerungszone)
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
(Lockergestein)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit (Festgestein,
Entfernung des Objektes zum GwLeiter (Lockergestein)
-
Schadstoffrückhaltevermögen überlagernder Lockergesteine und des GwHemmers
Lockergestein),
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 13 hängt im Einzelfall sehr stark von der hydraulischen Verbindung zwischen dem
Objekt
und
dem
angrenzenden
Lockergesteins-Grundwasserleiter
ab.
Das
Grundwasser unmittelbar unter dem Objekt ist - bei geringer Gebirgsdurchlässigkeit
des Grundwasserhemmers - kaum gefährdet. Die Gefahr der Kontamination von
Oberflächengewässern durch Sickerwasseraustritte und eine mögliche nachträgliche
Versickerung in den Lockergesteinsgrundwasserleiter ist hoch. Die Beeinflussung
eines jeden Grundwasserleiters muss im Einzelfall geklärt werden.
105
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Geologischer Standorttyp 14
Im Untergrund des Objektes stehen gut durchlässige Lockergesteine an, die von gering
durchlässigen Festgesteinen unterlagert werden. Der freie Grundwasserspiegel liegt
über der Basis des Objektes.
Untersuchungsparameter
-
GwStand unter bzw. in dem Objekt
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwLeiters
(Lockergestein), Schadstoffrückhaltevermögen
-
Verbreitung, Mächtigkeit, Aufbau und Gebirgsdurchlässigkeit des GwHemmers
(Festgestein)
-
GwFließrichtung und GwFließgeschwindigkeit (Festgestein, Lockergestein)
Möglichkeit der Grundwasserkontamination
Die Möglichkeit einer Kontamination des Grundwassers durch ein Objekt am Standort
Typ 14 ist als sehr groß einzustufen, da das Objekt in einem Grundwasserleiter liegt
und von Grundwasser durchströmt wird. Die Beeinflussung des Grundwasserleiters
muss im Einzelfall geklärt werden.
106
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
5
Hilfestellung zur standortspezifischen Programmauswahl
Wie in den vorherigen Kapiteln beschrieben, können für die Bewertung der
Objektstandorte verschiedene Standorttypen herangezogen werden, um den Beitrag
des Wasserpfades zur Strahlenexposition zu anzugeben und eine Sanierungsentscheidung zu treffen. Technische sowie ingenieurgeologische Barrieren, z. B.
Behälter oder Dichtungsfolien, sind bei Halden in der Regel nicht vorhanden und
brauchen deshalb nicht in das Modell einbezogen bzw. hinsichtlich ihrer Qualität
überprüft werden.
In /SMU 97, 97b-e/ wurden Entscheidungshilfen definiert, die aufbauend auf
allgemeine Kriterien die Modellauswahl erleichtern soll. In Anlehnung an diese
Entscheidungshilfe
wird
in
Abb
5-1
ein
Ablaufschema
zur
konzeptionellen
Modellbildung, d.h der Vorgehensweise von der Erstellung eines hydrogeologischen
Modells bis zur Programmauswahl, mit Angabe der entsprechenden Abschnitte dieses
Leitfadens dargestellt.
Die Auswahl eines geeigneten Rechenprogramms ist ein iterativer sequentieller
Prozess. In Abhängigkeit vom radiologischen Inventar eines Objektes und dem
Freisetzungsverhalten der Radionuklide (s. Leitfadenfachband Sickerwasserpfad)
sowie des Standorttyps sollte zuerst geprüft werden, ob man mit einer einfachen
Abschätzung bzw. einem Expertenurteil zum gewünschten Ergebnis, d. h. zu einer
Bewertung der über den Wasserpfad Zustandekommenden Strahlenexposition kommt.
Dies ist in der Regel bei den Standorttypen der Fall, bei denen die Möglichkeit einer
Kontamination des Grundwassers als gering bezeichnet werden und die einer direkten
Nutzung des Grundwassers als Trinkwasser nicht zugänglich sind. Mit zunehmender
Komplexität der Hydrogeologie am Standort und der Wahl des Bewertungsaufpunkts
sollten in der Reihenfolge die Möglichkeit der Anwendung von analytischen Verfahren
bis
zu
gekoppelten
Grundwassertransportmodellen
mit
analytischen
bis
eindimensionalen numerischen Lösungen des Schadstofftransportes überprüft werden.
Hauptaugenmerk sollte dabei auf die Höhe der Radionuklidfreisetzung aus dem Objekt
und auf die Anteile der Schadstoffflüsse im Verhältnis zum Grundwasserfluss gelegt
werden. Deshalb wird empfohlen, bei der Bewertung von Bergehalden, die im
ungesättigten Bereich liegen, Bilanzierungsmodelle, wie sie die Programme HELP,
BOWAHALD etc. verwenden, zu benutzen, um auf Basis der Teilströme eine z. B.
analytische Berechnung der möglichen Radionuklidkonzentration im Grundwasser
durchzuführen. Dies kann allgemein im Rahmen einer vereinfachten Bilanzierung oder
107
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
durch vereinfachte konservative Stömungsanalysen geschehen. Die Konservativität
dieser Betrachtunsweise wird meist durch die Nichtberücksichtigung einer im weiteren
Abstrom des Objektes auftretenden konzentrationsvermindernden Dispersion und
Retardation der Radionuklide getragen. Reicht diese vereinfachte aber konservative
Betrachtungsweise nicht aus eine Entscheidung über den Dosisbeitrag des
Grundwassers zur Exposition zu bestimmen, so ist den Strömungsanalysen eine
vereinfachte Schadstofftransportmodellierung, z. B. analytisch oder eindimensional
anzuschliessen. Lässt sich das hydrogeologische Gesamtsystem aufgrund seines
Aufbaus nicht konservativ vereinfachend beschreiben oder liefert die vereinfachte
Betrachtungsweise keine hinreichend konservative Ergebnisse so sind weitergehende
mehrdimensionale Analysen des Grundwasser- und Radionuklidtransportes notwendig.
Für diese weitergehenden Berechnungen sind die Ergebnisse der Bilanzierung in eine
Grundwasser- bzw. vereinfachten Transportmodellierung einzubeziehen. Dies kann,
wie z. B. an einem Beispiel in /LAR 02/ demonstriert wird, zuerst mit Hilfe eines
Verdünnungsansatzes geschehen. Dieser Ansatz geht von einer zeitlich konstanten
Einheitskonzentration im Freisetzungsraum (i. d. R..
das Objekt)
aus und
vernachlässigt die heterogene Verteilung der Schadstoffe im Objekt. Der über die
Wasserbilanzierung bestimmte Sickerwasser- bzw. Grundwasserdurchfluss durch das
Objekt bestimmt dann den Schadstofffluss in das bzw. mit dem Grundwasser. Im
Abstrom
des
Objektes
Konzentrationshöhen
können
als
dann
prozentualer
zeitlich
Anteil
der
als
auch
ortsvariabel
Einheitskonzentration
die
unter
Berücksichtigung einer Retardation evtl. unter Berücksichtigung des Zerfalls und
Dispersion der Radionuklide berechnet werden.
Die
Verwendung
von
sehr
aufwändigen
Programmen
der
Strömungs-
und
Transportmodellierung ist sowohl für den gesättigten als auch für den ungesättigten
Bereich arbeits- und kostenintensiv. Die Anwendung solcher Programme sollte
deshalb auf solche Objekte mit hohem Risikopotential beschränkt bleiben, d.h. die ein
hohes, z. T. transientes Freisetzungsverhalten (als Ergebnis der Bewertung einer
Halde im Leitfadenfachband Sickerwasserpfad) zeigen und/oder sich an einem
Standort befinden, für den eine als hoch bzw. sehr hoch zu bezeichnende Möglichkeit
der
Grundwasserkontamination
prognostiziert
wird
und/oder
ein
transientes
hydrauliches Grundwasserfliessverhalten durch Nutzung des Grundwassers (z. B.
Trinkwasserbrunnen) oder durch stark wechselnde Vorflutverhältnisse auftritt.
108
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
sind bei Halden
ja
nein
Abb.5-1: Ablaufschema einer konzeptionellen Modellbildung
Auf der Basis einer durchgeführten Recherche werden in Anlage 2 und den
nachfolgenden Kapiteln Programme aufgelistet und z. T. kurz beschrieben, deren
Verwendung im Rahmen diese Leitfadens zur radiologischen Bewertung des
Grundwasserbeitrages an der Gesamdosis als adequat erscheinen. Die aufgeführte
Programmliste hat nicht den Anspruch der Vollständigkeit und im Einzelfall sind die
109
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
dort aufgeführten Programme auf Eignung zur Anwendung auf eine bestimmte
Problemstellung zu überprüfen.
Es wurden u. a. solche Programme zusammengestellt, die auf der Grundlage der
Studie /SMU 97, b-e/ bei der Bewertung des Wasserpfades zur Ableitung von
Sanierungsentscheidungen für Halden und IAA verwendet werden können. Dabei
wurden nur die Programme der SMU-Studie /SMU 95/ aufgenommen, die in den
Stufen Detailerkundung (DE) und Sanierungserkundung (SU) der Altlastenbewertung
in Sachsen anwendbar sind. Die in der Tabelle aufgelisteten Grundwasserströmungsund Schadstofftransportprogramme wurden unter Beachtung der internationalen und
nationalen Literatur ergänzt.
5.1
Die
Grundlagen der Programmauswahl
Notwendigkeit
der
Durchführung
von
Sanierungsmaßnahmen
an
einem
bergbaulichen Objekt (Halde, IAA) kann nur dann mit Hilfe von numerischen
Simulationsrechnungen
beurteilt
werden,
wenn
auf
der
Grundlage
einer
Standortcharakterisierung (s. Abschnitt 4.1) und bereits vorliegender Daten (s.
Abschnitt 2.3.3) notwendige Modellparameter ermittelt wurden. Die hydrogeologischen
Situationen, die im Umfeld bergbaulicher Objekte auftreten können, sind charakterisiert
durch die hydrogeologischen Grundwasserleitsysteme und die im Abschnitt 4.2
beschriebenen Standorttypen. Nachfolgend werden noch einmal kurz die wesentlichen
Unterscheidungskriterien der Grundwassersysteme und Typen von Grundwasserleitern
aufgelistet.
Grundsätzlich werden die Gesteine des geologischen Untergrundes im Hinblick auf
ihre hydraulischen Eigenschaften, insbesondere der Durchlässigkeit, nach Aquiferen
(z. B. Typ: gespannte, halbgespannte und ungespannte Grundwasserleiter),
Aquicluden, Aquitarden und Aquifugen (s. /LEG 96/ und DVWK-Regelwerke) eingeteilt.
Bedeutungsvoll für das methodische Vorgehen der Modellabstrahierung des
Grundwassersystems (s. Abschnitt 2.3.4.) sind darüber hinaus Kenntnisse zu den
hydrologischen Standorttypen von Grundwasserleitern und -stauern, die im Abschnitt
4.2.1 und 4.2.2 sowohl für den Locker- als auch Festgesteinsbereich dargestellt
wurden. Dabei leitet sich wie in Abb. 5-1 ersichtlich, das konzeptionelle hydrogeologische Modell aus der Zuordnung des zu untersuchenden Standortes zu einem
110
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
bestimmten Typ von Grundwassersystemen (Charakter der GWL) der Tab. 5.1-1 ab.
Die physikalischen Beschreibungen der verschiedenen Grundwasserleitsysteme
werden nachfolgend kurz dargelegt.
Tab. 5.1-1: Charakterisierung von Grundwasserleitsystemen (nach /VOI 98/)
Der Porengrundwasserleiter (Poren-GWL) wird im Lockergestein (s. Abb.5.1-1) und
z. T. im Festgestein aus der Gesteinsmatrix (Mineralkörner) gebildet, die von einem
relativ gleichmäßigen Porenkanalsystem (effektiver Porenraum) durchdrungen wird, in
dem sich das Wasser bewegt. Die Grundwasserdynamik ist mit Hilfe des DarcyGesetzes relativ genau beschreibbar, und damit einer umfassenden mathematischen
Betrachtung zugänglich (s. Kap. 4 und /LEG 96/).
Im geklüfteten Festgestein wird in der Regel die Gesteinsmatrix durch ein System von
Trennfugen (Schichtfugen, Klüfte) und Störungen durchzogen (s. Abb. 5.1-1), die z. T.
so großräumig und heterogen sind, dass die Strömung des Wassers nicht ohne
weiteres nach dem DARCY-Gesetz beschrieben werden kann. Das hydraulische
System muss dann als Kluftgrundwasserleiter (Kluft-GWL) charakterisiert werden.
In klüftig-porösen Grundwasserleitern und in reinen Kluftgrundwasserleitern, in
denen die Klüfte gleichmäßig verteilt sind und der Kluftabstand gering gegenüber dem
repräsentativen Gebirgsvolumen (REV, s. Abschnitt 2.4) ist, läßt sich auch für das
Festgestein die hydraulische Betrachtung auf der Grundlage des DARCY-Gesetzes
(klüftig-pröser
GWL)
vereinfachen.
Die
entsprechend angepasst werden.
111
Modellgittergröße
muss
dem
REV
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 5.1-1: Darstellung der Haupttypen der Grundwasserleiter
Zur modellhaften Abbildung reiner Kluftgrundwasserleiter (Kluft-GWL), in denen die
Modellgittergrößen dem Gebirgsvolumen nicht angepaßt werden können, werden
derzeit zwei Arten von Rechenmodellen bzw. Programmen beschrieben.
Die erste Programmart modelliert nach gemessenen Vorortdaten der Klüfte (Kluftweite,
Kluftlänge, Orientierung der Klüfte etc.) ein stochastisches Kluftmodell (stochastischer
Kluftgenerator),
um
zwei-
und
dreidimensionale
112
stationäre
und
transiente
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Fließvorgänge sowie Strömungsanalysen nach dem so genannten Particle-TrackingVerfahren im geklüfteten Fels abbilden zu können. Im Particle-Tracking-Verfahren
werden Teilchen in das Modell plaziert, die den örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten
im Kluftmodell folgend Stromlinien (Stromfäden) erzeugen. Sie charakterisieren somit
die möglichen Ausbreitungswege im Kluftsystem. Diese Modelle arbeiten nach dem
physikalischen Modellansatz der Spaltströmung zwischen parallelen Platten mit
parabolischer Geschwindigkeitsverteilung (cubic law). Es wird vereinfachend davon
ausgegangen, dass Grundwasserströmung und Partikeltransport ausschließlich auf
Kluftflächen stattfinden, da die zwischengelagerte Gesteinsmatrix als vollständig
impermeabel angesehen werden kann und die Kompressibilität des durchströmenden
Fluids vernachlässigbar ist. Insofern ist die Anwendung von solchen Programmen auf
durchgehend vernetzte Trennflächensysteme beschränkt /BAL 98/. Durch Verwendung
eines Matrixdiffusionsterms innerhalb dieser Programme kann aber zusätzlich die
retardierende Wirkung des Porenraumes auf die Schadstoffausbreitung simuliert
werden (s. Kapitel 9 und /LEG 96/).
Eine zweite Art von Modellen enthalten gekoppelte Programme nach dem Verfahren
des „double porosity“ /ZIE 91/ oder in neuer Form in einer numerischen Simulation der
Kluft-Kluftmatrixwechselwirkung unter Verwendung von Finiten Elementen zur
Berücksichtigung der diskreten Klüfte und der Gebirgsmatrix. Die Kluftströmung wird
mittels eines „cubic law“ berechnet (s. /LEG 96 und BAL 98/).
In Festgesteinen, in denen größere Hohlräume geogen (z. B. Karst) (s. Abb. 5.1-1)
oder anthropogen (z. B. Strecken und Schächte des Bergbaus) vorliegen, werden
beide Systeme der Hohlräume in der Regel entkoppelt betrachtet. Das heißt, die
Strömung
in
den
anthropogenen
offenen
Hohlräumen
wird
nach
der
Rohrströmungstheorie (Navier-Stokes) und die Porenräume der Gesteinsmatrix
werden nach der Porenwasserströmung (Darcy) beschrieben.
Die Modellierung beider Systeme richtet sich nach der Größe des Betrachtungsraums.
In kleinräumigen Modellen z. B. der Bergwerksstruktur wird die Strömung in den
anthropogenen Hohlräumen durch eindimensionale Modelle (z. B. mit Codes wie
EMOS, MARNIE) unter Vernachlässigung einer Strömung im Gebirge beschrieben. In
großräumigen Modellen des Standortes wird dagegen die Matrixströmung durch
dreidimensionale Porengrundwassermodelle beschrieben, wobei z. T. eindimensionale
Elemente zur Abbildung der Strecken verwendet werden /BAL 98/.
113
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Großräumige gekoppelte Modelle (Kluft-/Porenwassermodelle) nach dem Verfahren
des „double porosity“ und der Kluft-Kluftmatrixwechselwirkung sind aufgund ihres
extrem hohen Diskretisierungsaufwandes und der Gefahr von Unstetigkeiten am
Übergang der beiden Teilsysteme selten. Ein Beispiel der Verwendung gekoppelter
Modelle im kleinräumigen Maßstab findet sich in /BAL 98/.
5.2
Programmgruppen
Grundsätzlich unterscheidet man die Programme nach ihrem Lösungsansatz. Sie
können in Programmgruppen zur
·
reinen Grundwasserströmungsmodellierung,
·
reinen Stofftransportmodellierung und
·
gekoppelten Grundwasserströmungs- und Transportmodellierung
eingeteilt werden. Des Weiteren unterscheidet man innerhalb und zwischen den
Gruppen die Programme nach der Art ihres Lösungsverfahrens. (Analytisches
Lösungsverfahren oder numerisches Verfahren). Beide Lösungsverfahren können
sowohl einen eindimensionalen, zweidimensionalen als auch dreidimensionalen Ansatz
verfolgen.
Die Dimensionalität des verwendeten Modells wird dabei bestimmt durch die
durchgeführte räumliche Schematisierung der Problemstellung und die räumliche
Verteilung der Prozessparameter. Tab. 5.2-1 zeigt die praktische Bedeutung der
Dimensionalität in Abhängigkeit von der Parameterverteilung. In der Tabelle, die
/VOI 98/
entnommen
wurde,
ist
die
praktische
Bedeutung
entsprechender
Problemstellungen für die Untersuchung der Schadstoffausbreitung aus Objekten des
Alt- und Uranerzbergbaus jeweils durch die Anzahl der X in den Feldern
gekennzeichnet, wobei XXX für die größte Bedeutung steht.
114
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Tab. 5.2-1: Räumliche Modellschematisierungen und Parameterverteilung,
nach /VOI 98/.
Weiterhin können Programme in Abhängigkeit der implentierten Grundgleichungen zur
Simulation des Transportes in gesättigten und/oder ungesättigten Medien anwendbar sein.
Bei den recht aufwändigen numerischen Simulationsprogrammen unterscheidet man
neben der möglichen Dimensionalität der Problemlösung die Programme nach den
Lösungsalgorithmen. So unterscheidet man bei der Diskretisierung
·
Finite Differenzen Verfahren (FD),
·
Finite Elemente Verfahren (FE),
·
Finite Volumen Verfahren (FV)
und nach dem verwendeten Lösungsverfahren zur Behandlung des Advektions-,
Dispersions- und Diffusionsterms
·
Random-Walk-Verfahren
115
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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·
Charakteristikenmethode und
·
Direkte und Indirekte Gleichungslöser.
5.3
Übersicht über wichtige Simulationsverfahren
Die modellhafte Behandlung von Grundwasserströmungs- und Stofftransportprozessen
kann grundsätzlich sowohl mittels analytischer als auch numerischer Verfahren
erfolgen.
Der Einsatz von analytischen Verfahren (s. Kapitel 7) ist jedoch nach /VOI 98/ nur
begrenzt möglich. Diese Verfahren setzen Abstraktionen voraus, die in der Regel über
das speziell bei der detaillierten Untersuchung von Transportproblemen sinnvolle Maß
hinausgehen. Klassische Beispiele für analytische Verfahren sind Verfahren zur
Bewertung der Brunnenströmung, z. B. die THEIS- und die HANTUSH-Funktion (s.
Abschnitt 2) und auch so genannte Speicherdurchflussmodelle für die Schadstoffausbreitung, wie das PistonFlow-Modell /DVWK 95/. Diese analytische Verfahren
finden
insbesondere
Anwendung
in
Verbindung
mit
der
Interpretation
von
Modellversuchen zur Parameterermittlung. In Benchmarks (s. Abschnitt 3.2) werden
sie für das Austesten numerischer Verfahren verwendet. Ein analytisches Verfahren für
den Transport von Radionukliden und Nuklidketten (s. Abschnitt 9.1) lieferte /HAD 80
und HAD 81/. Die ihr zu Grunde liegende analytische Lösung der Transportgleichung
unter Berücksichtigung des radioaktiven Zerfalls wird in Abschnitt 9.1 beschrieben.
Die Analytic Element Methods /HAI 95/ bauen auf analytische Verfahren auf. Durch
Kombination verschiedener analytischer Verfahren lassen sich auch weitergehende
Fragestellungen lösen. Grundvoraussetzung bei Verwendung dieser Lösungen ist
allerdings die Gültigkeit des Superpositionsprinzips, also die Annahme linearer
Prozesse (z. B. gespannte Grundwasserströmungsverhältnisse).
Im Gegensatz zu analytischen Verfahren sind numerische Verfahren nach /VOI 98/
weitgehend universell einsetzbar. In der Grundwasser- und Schadstofftransportmodellierung sind folgende Verfahren von praktischer Bedeutung:
116
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Finite- Differenzen- Verfahren (FD-Verfahren)
Die Finite- Differenzen- Verfahren überführen die zu lösenden Differentialquotienten
(Ableitungen nach Ort und Zeit) des mathematischen Modells in Differenzenquotienten.
Grundlage ist die Diskretisierung des Untersuchungsgebiets in Netze oder Blöcke. In
der Regel werden dabei regelmäßige Netze, vorzugsweise Rechtecknetze verwendet.
Typische Programme, die dieses Verfahren verwenden, sind ASM und SWIFT.
Dem Vorteil einer einfachen mathematischen Struktur der FD-Modelle steht, aufgrund
der regelmäßigen Netze, der Nachteil geringer Flexibilität bezüglich der Anpassung
des
Modells
an
Modellberandungen,
komplexe
geologische
Strukturen
oder
Parameterverteilungen gegenüber. FD-Verfahren werden vorrangig bei der Lösung von
Strömungsproblemen verwendet.
Bei der Modellierung eines Stofftransports mittels FD-Programme ergeben sich meist
erhebliche numerische Probleme (numerische Dispersion etc.). Insbesondere bei einer
Diagonalströmung innerhalb der Finiten Elemente findet eine über der in der Natur
feststellbaren transversale Dispersion, d.h. senkrecht zur Strömungsrichtung, statt.
Dies führt zu einer stärkeren Konzentrationsabnahme der Schadstofffront in
Strömungsrichtung. Aus diesem Grunde werden diese Verfahren meist in Kombination
mit speziellen Verfahren zur Modellierung der Stoffausbreitung, z. B. Random-Walkund Charakteristiken- Methode angewendet (s. Programm ASM) oder die auf die 3DGrundwassertransportmodellierung folgende Schadstofftransportmodellierung wird auf
eine
eindimensionale
Stromröhre
(ohne
Berücksichtigung
der
transversalen
Dispersion) reduziert.
Finite-Element-Verfahren (FE-Verfahren)
Finite-Element-Verfahren transformieren das mathematische Modell differentieller
Bilanzgleichungen
in
ein
System
diskreter
Gleichungen.
Dabei
erfolgt
die
Diskretisierung der hydrogeologischen Einheiten des Untersuchungsgebietes in Finite
Elemente. Der Vorgang der Diskretisierung wurde bereits im Abschnitt 2.4.2.1
beschrieben. Im Gegensatz zu den Rechtecknetzen der FD-Verfahren sind in
FE-Verfahren Elemente variabler Geometrie möglich und üblich. Bei einer
automatischen Netzgenerierung sind Dreieckelemente am gebräuchlichsten. Bei der
Nachgenerierung oder Erweiterung bzw. Verdichtung von Netzen bieten die
automatischen Netzgenierungs-Tools meist die Gewähr einer fehlerfreien Anbindung
117
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der neuen Netzgeometrien. Eine Nachgenierung von Netzen von Hand ist meist
schwierig, arbeitsintensiv und oft mit Fehlern begleitet.
In
der
einfachsten
Form
werden
FE-Verfahren
als
Linearkombination
von
Basisfunktionen für Netzknoten abgeleitet /DVWK 89/. Darüber hinaus werden aber
auch quadratische Basisfunktionen verwendet. Die größte Verbreitung haben nach
/VOI 98/ die GALERKIN-Verfahren sowie die Upwind-Verfahren erlangt (s. z. B.
/PIN 77/, /KIN 92/ u. a).
FE-Verfahren sind im Vergleich zu FD-Verfahren wesentlich flexibler und auch bei
schwierigen geologischen Strukturen universeller einsetzbar. Als Beispiel wurde in
Abschnitt 2.4 die Anpassung an eine variable Geometrie beschrieben. Ihren Vorteil
zeigen FE-Verfahren bei der Anpassung an komplexe geologische Strukturen bis hin
zu adaptiven Netzen /DIE 96/. Vorteile haben sie durch die Verwendung verbesserter
Ansätze zur Minimierung der numerischen Dispersion und in der effizienten
Formulierung von gekoppelten Strömungs- und Stofftransportproblemen.
Rand-Elemente-Methoden (BEM, Boundary-Element-Methode)
Bei den Rand-Elemente-Verfahren (BEM-Methode) wird im Gegensatz zu den o.a.
Verfahren die Lösung des Gleichungssystems auf die Auswertung der Randintegration
auf dem Gebietsrand reduziert /LIG 83/. Verbunden sind damit Einschränkungen in der
Flexibilität der Problemformulierung (z. B. homogene Teilgebiete). Der Vorteil liegt im
geringen numerischen Aufwand. Aus diesen Gründen gibt es nach /VOI 98/ verstärkt
Bemühungen, die Vorteile von FE- und BEM-Verfahren zu verknüpfen.
Alle bisher genannten Verfahren beinhalten zunächst nur die Lösung des räumlichen
Problems. Bei der Formulierung der Transportgleichung entsteht darüber hinaus im
mathematischen Sinne ein System von gewöhnlichen Differentialgleichungen bezüglich
der Zeit, die mittels Differenzenverfahren in ein System von Differenzengleichungen
überführt werden. Implizite Verfahren, die auf ein System gekoppelter Gleichungen pro
Zeitschritt führen, haben sich aus numerischen Gründen durchgesetzt. Zur Lösung
verwendet werden entweder klassische Eliminationsverfahren mit einer direkten
Lösung des Systems (direkte Solver) oder iterative Verfahren. Zu den iterativen
Verfahren zählen Relaxations- und insbesondere die Gradientenverfahren. Große
Modelle mit Elementzahlen von zehntausend bis zu einigen hunderttausend sind
grundsätzlich nur noch mittels iterativer Verfahren beherrschbar /VOI 98/.
118
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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Für reine Transportrechnungen sind darüber hinaus noch die CharakteristikenMethode und Random-Walk-Verfahren von Bedeutung.
Random-Walk-Verfahren
Das Random-Walk-Verfahren gehört zu den so genannten "Particle-trackingVerfahren". Der Stofftransport wird dabei durch eine große Zahl von Partikeln
beschrieben, die sich im Strömungsfeld bewegen. Diese Bewegung beinhaltet den
advektiven Transport entlang von Bahnlinien, welche in FD-Verfahren z. B. u. a. über
die Ermittlung von ortsdiskreten Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt werden, sowie
Diffusion und Dispersion. Die Dispersion wird dabei über eine Zufallsbewegung
erzeugt, deren statistische Parameter von den Modellparametern abhängen. Die
Stoffkonzentration bestimmt sich aus der Anzahl der Partikel je Gitterelement. Eine
anschauliche Beschreibung dieses Verfahrens findet sich in /KIN 95/.
Das Verfahren ist nach /VOI 98/ grundsätzlich nur für einfache Stofftransportprobleme
einsetzbar, d.h. für eine Phase, eine Komponente. In diesen Fällen ist es numerisch
robust und effizient, da numerische Dispersionsprobleme nicht auftreten. Für die
Kopplung von Strömung und Transport usw. ist das Verfahren nicht anwendbar
Charakteristiken-Methode
Die Charakteristiken-Methode /KON 78/ zerlegt wie das Random-Walk-Verfahren das
Schadstofftransportproblem in einen advektiven (entlang Bahnlinien) und einen
dispersiven
Teilschritt.
Der
Differenzengitter berechnet.
dispersive
Anteil
wird
auf
einem
überlagerten
Vor- und Nachteile der Charakteristiken-Methode
entsprechen denen der Random-Walk-Verfahren.
5.4
Einsatzbereiche der verschiedenen Programme und
Simulationsverfahren
Bei der Auswahl von Programmen zur Modellierung des Grundwasser- und
Schadstofftransports sind die in den Programmen implementierten Prozesse der
Wechselwirkung zwischen der Ablagerung und dem Sickerwasser einerseits und
zwischen der geologischen Barierre und dem geogenen und anthropogenen Stoffinhalt
des Grundwassers andererseits, wesentlich.
119
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Eine weitere entscheidende Rolle bei der Problemabstraktion und der Anwendbarkeit
verschiedener Verfahren spielt die räumliche Dimension. Die Einsatzfähigkeit der
Verfahren wird dabei durch die räumliche Verteilung von Prozessparametern im Modell
bestimmt. Entsprechend der implementierten Verfahren reicht das vorhandene
Spektrum
von
Programmen
mit
vertikal
eindimensionalen
Modellen
einer
Schadstoffausbreitung durch die ungesättigte Bodenzone bis zu Programmen zur
Behandlung
komplexer
dreidimensionalen
Transportprobleme
in
heterogenen
Aquifersystemen. Die Programmpalette variiert dabei zwischen der Verwendung von
räumlich konstanten Parametern (z. B. in Verbindung mit analytischen Lösungen) über
regelmäßige Elemente (Finite-Differenzen-Verfahren) bis zu unregelmäßigen (weitgehend beliebigen) Parameterverteilungen (Finite-Elemente-Verfahren). Bezüglich der
Zeit wird, mit Ausnahme spezieller analytischer Lösungen, der Differenzenansatz
verwendet, verbunden mit der Diskretisierung in äqui- oder nichtäquidistante
Zeitschritte. Die zeitabhängigen Modellgrößen (z. B. Grundwasserneubildung,
Randbedingungen, ggf. Systemparameter) sind entsprechend diesen Zeitschritten zu
schematisieren.
Ein Überblick zur Einsatzbreite der genannten Verfahren gibt Tab. 5.4-1. Die praktische
Bedeutung wird durch die Anzahl X gekennzeichnet.
Tab. 5.4-1: Einsatzbereiche von analytischen und numerischen Simulationsverfahren
/nach VOI 98/.
120
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Zusätzliche Transportoptionen
5.5
Neben den rein physikalischen Prozessen der Grundwassermodellierung (Advektion,
Diffusion, Dispersion) spielt bei der Schadstofftransportmodellierung die geochemische
Wechselwirkung des Fluids (i. d. R.. Grundwasser) und seiner Inhaltsstoffe mit der
Kluft-bzw. Gesteinsmatrix eine entscheidende Rolle. Die als geochemische Prozesse
der Retention (z. B. Sorption, Immobilisation z. B. durch Präcipitation) ablaufenden
meist retardierenden, d.h. transportverzögernden- und konzentrationsreduzierenden
Vorgänge sind im Wesentlichen von den Milieubedingungen des umgebenden
Gebirges auf dem Transportweg abhängig.
In /DVWK 93/ wurden als Basis der natürlichen Beschaffenheit des Grundwassers und
damit der Wechselwirkung mit dem Gestein folgende geochemische Prozesse für den
geogenen Stoffinhalt des Grundwassers als wesentlich genannt:
·
Reaktionen von Gasen (O2, CO2) mit wässrigen und festen Phasen bei der
Grundwasserneubildung,
·
Reaktionen unter Beteiligung der Ionen des Wassers (Hydrolyse),
·
Fällungs-, Mitfällungsreaktionen und Lösungsreaktionen,
·
Adsorptions- und Desorptionsprozesse,
·
Chemische und mikrobielle Reduktions- und Oxidationsprozesse,
·
Mikrobieller Stoffabbau und -eintrag und
·
Komplexierung.
Insgesamt lassen sich damit alle physikalischen und physikochemische Prozesse
nennen, die einen Effekt auf die Migration von Schadstoffen mit dem Grundwasser
haben können, z. B.:
·
Sickerwasserdynamik
·
Volumen
·
Dichte
·
Temperatur
·
ungesättigte Strömung (Sickerwasserströmung, Leakage)
121
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
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·
·
·
·
Diffusions- und Migrationsprozesse.
Eigenschaften des Grundwassers
·
Dichte, Temperatur
·
Dynamische Viskosität
·
Oberflächenspannung
·
Kompressibilität
Grundwasserdynamik
·
Permeabilität
·
Durchlässigkeit
·
Transmissivität
·
Filtergeschwindigkeit (Darcy)
·
Abstandsgeschwindigkeit
·
Kluftströmung
·
Speicherkoeffizient, Sättigungsgrad
·
Gespannte, halbgespannte und ungespannte Verhältnisse
·
Kapillarkräfte
Stoffmigration
·
Advektion, Konvektion
·
Dispersion
·
Diffusion
·
Matrixdiffusion (Porendiffusion, Oberflächendiffusion)
·
Komplexierung mit anorganischen und organischen Stoffen
·
Redoxreaktionen
·
Retardation (Sorption)
·
Adsorption
122
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·
Absorption
·
Ionenaustausch
·
Oberflächenkomplexierung
·
Radioaktiver Zerfall, Lebensdauer von Bakterien und Kolloiden
·
Partikeltransport (Kolloide)
·
Aquifereigenschaften, die den Transport in die Geosphäre beeinflussen
·
Aquifergeometrie
·
Poröse Medien
·
Klüftige Medien (Kluftweite, Kluftfüllungen, Durchlässigkeit)
·
Kluftnetzwerke
·
Kluftströmung
·
Channel Strukturen und Geometrie (unterschiedliche Durchtrennungsgrade,
Variabilität der Kluftweiten)
·
·
Variabilität, Zufälligkeiten und Repräsentativität von geometrischen Faktoren
Geometrische Strukturen:
·
Mehrschicht-(multi-layer) Geologien
·
Anisotropie poröser Medien
·
Einfache poröse homogene Medien
·
Diskrete Klüfte und Störungen
·
Kluft-/Matrix-Wechselwirkung, doppelporöse Medien.
Die o.a. Auflistung der in der Natur vorkommenden und möglicherweise zu
betrachtenden Prozesse des Grundwasser- und Schadstofftransportes dient nur der
Verdeutlichung der vielen Prozesse, die mehr oder weniger in den verschiedenen
Programmen berücksichtigt werden. Sie stellt eine Hilfestellung der Charakterisierung
der verschiedenen Rechencodes dar, die als geeignet und für die Problemstellung im
Sinne dieses Leitfadens angepasst erscheinen. Dem Programmanwender bzw. dem
Auftrageber muss an dieser Stelle bewusst werden, dass nicht alle Prozesse
123
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
gleichzeitig berücksichtigt werden können, sondern die Auswahl der Programme und
damit die zu berücksichtigenden Prozesse problemorientiert erfolgen muss. Die
Vorgehensweise der Reduzierung der Prozesse ist Teil der konzeptionellen
Modellbildung und wurde bereits im Abschnitt 4 beschrieben. Detailinformationen zu
den Wirkungsweisen der einzelnen Prozesse finden sich auszugsweise in /LEG 96,
SMU 95/ und in der einschlägigen Fachliteratur.
Da die Gesamtheit der möglicherweise implementierten Prozesse den Rahmen einer
tabellarischen Zusammenfassung sprengen würde, wurden in der Programmauflistung
der Tabelle in Anlage 2 nur die häufigsten und typischen Programmmerkmale
aufgenommen. Detailinformationen sind den betreffenden Programmbeschreibungen
zu entnehmen. In der Praxis kann die Auswahl der Merkmale in Anlage 2 durch den mit
der Problemstellung befassten Modellierer um die notwendigen Prozesse erweitert
werden. Die Tabelle dokumentiert das Ergebnis einer Recherche im Jahre 2000, die im
Rahmen der Arbeiten zu diesem Leitfaden durchgeführt wurde. Sie besitzt nicht den
Anspruch auf Vollständigkeit.
124
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
6
Programme der Abschätzung bzw. Bestimmung des
Wasserhaushaltes und der Strömung in der ungesättigten
Zone
6.1
Theoretische Grundlagen
Für den Wasser- und Stofftransport im Boden gibt es weltweit eine Vielzahl von
Rechenmodellen, sowohl für die gesättigte als auch für die ungesättigte Zone. Im
Rahmen der Sickerwasserprognose ist der Transport in der ungesättigten Zone bis zur
Grundwasseroberfläche das Entwicklungsziel. Hydrogeologische Modelle sind meist
auf die gesättigte Zone ausgerichtet, wogegen die landwirtschaftlichen Modelle sich auf
die ungesättigte Zone konzentrieren, aber gewöhnlich nur wenig über die
durchwurzelte Bodenzone hinausreichen. Die Bedingungen für den Transport in einer
wassergesättigten Matrix liegen vor, wenn Feststoff-Schüttungen im Grundwasser
betrachtet werden /KIN 87/. Modelle für die ungesättigte Bodenzone (einschließlich des
Bereiches der Lockergesteine unter der durchwurzelten Zone bis hin zum
Grundwasserspiegel) bestehen in der Regel aus einem Modul für den Feuchtetransport
und einem Stoffflußmodul. Man unterscheidet dynamische Modelle, Kompartimentmodelle und stochastische Modelle. Die theoretischen Grundlagen insbesondere der
Mehrphasenhydraulik, die die Hydrodynamik mehrerer nicht mischbarer fluider
kohärent verteilter Phasen (z. B. Bodenluft-Wassergemische) im Untergrund
beschreiben, wurden bereits in /SMU 97b/ beschrieben oder sind in der einschlägigen
Literatur nachzulesen. Im Rahmen dieses Leitfadens wird deshalb auf eine
Beschreibung der Grundlagen verzichtet und auf die entsprechende Literatur
verwiesen.
6.2
Anwendungsbereiche
Die Anwendungsbereiche wurden bereits in /SMU 97b/ beschrieben oder sind in der
einschlägigen Literatur nachzulesen.
6.3
Programmauflistung
Nachfolgend werden Programme aufgelistet, die in der SMU-Unterlage "Simulation des
Schadstofftransportes in der ungesättigten Zone im Rahmen der Altlastenbehandlung"
125
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/SMU 97b/ von den Autoren des Berichtes gesammelt wurden. Dabei Außeracht
gelassen wurden Programme zur Parameteridentifikation und Programme, die zwar ein
Programmmodul zur vereinfachten Transportmodellierung besitzen, aber im engeren
Sinne der geochemischen Modellierung dienen. Letztere werden im Leitfadenfachband
Sickerwasserpfad behandelt. Fett gedruckt sind Programme, deren Leistungen im
nachfolgenden Text beschrieben werden bzw. die zusätzlich zu den in /SMU 97b/
aufgelisteten Programmen hinzugefügt wurden.
1. BOWAHALD 2D (Wasserhaushalt)
2. HALDE (Wasserhaushalt)
3. HELP (Wasserhaushalt)
4. VERMO (Bodenwasserhaushaltsberechnungen)
5. CHEMFLO (1D-Wasserströmung und Stofftransport in der ungesättigten Zone)
6. FAST (Wasserströmung und Stofftransport)
7. FEFLOW (Wasserströmung, Stofftransport, geochemische Reaktionen) Abschnitt 9
8. HYDRUS (Wasserströmung und Stofftransport)
9. MOTRANS2D (Mehrphasenströmung)
10. MUFTE (Mehrphasenströmung)
11. MULTIMED (Stofftransport)
12. NEWTON (Wasserströmung)
13. ROCKFLOW (Mehrphasenströmung und Stofftransport)
14. RITZ (Wasserströmung und Stofftransport)
15. SESOIL (Wasserströmung, Stofftransport und Umwandlung)
16. SEEP/W (Wasserströmung)
17. SPillCAD (Mehrphasenströmung und Stofftransport)
18. SPRING (Wasserströmung, Stofftransport, geochemische Reaktionen) Abschnitt 9
19. SUMMIT (Wasserströmung und Wasserdampfdiffusion)
126
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
20. SUTRA (Wasserströmung, Stofftransport, geochemische Reaktionen)
21. SISIM (Wasserströmung und Stofftransport)
22. SWIM (Wasserströmung)
23. SWMS-2D (Wasserströmung und Stofftransport)
24. TOUGH (Mehrphasenströmung und Stofftransport)
25. TRUMP (Wärmemigration und Stofftransport)
26. TRUST (Wasserströmung in deformierbaren Medien)
27. VAM2D (Wasserströmung und Stofftransport)
28. Visual InterSAT (Wasserströmung und Stofftransport)
29. VLEACH (Wasserströmung und Stofftransport)
6.4
Leistungsmerkmale für Programme
6.4.1
Bestimmung der Grundwasserneubildung bzw. der
Wasserhaushaltsbilanzierung einer Halde
Wie schon im Leitfadenfachband Sickerwasserpfad aufgeführt, beschreiben die
Wasservolumina, die die Halde durchdringen zusammen mit den ermittelten
Sickerwasserkonzentrationen (Messungen im Sickerwasser oder geochemische
Prognosen) die erforderlichen Daten zum Freisetzungsverhalten der Radionuklide.
Hierzu sind im Rahmen der Haldensickerwasserdynamik grundsätzlich Informationen
zur Haldenhydraulik erforderlich, die über die im Leitfadenfachband Sickerwasserpfad
konzipierten Aufschlussbohrungen bis zur Haldenbasis gewonnen werden müssen. In
der Regel werden die Durchflussmengen von Sickerwasser in Halden mit
Wasserhaushaltsmodellen beschrieben, die die wesentlichen Teilströme in einer Halde
(Zwischenabfluss = hypodermischer Abfluss, Grundwasserneubildung) berechnen.
Diese Modelle bzw. ihre zugehörige Software (z. B. HELP, BOWAHLD2D)
quantifizieren die Wasserhaushaltsprozesse in wasserungesättigten Bergehalden,
Deponien und Böden unter Beachtung der Spezifik der Objektflächen (z. T.
Hangneigungen, Windexponiertheit, der pedologischen Eigenschaften, z. B. der
127
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abdeckmaterialien) und unter Einbeziehung thermischer Prozesse in Halden bzw. der
Wasserspeicherkapazität der Halde.
Seit 1985 findet das Bodenwasserhaushaltsmodell BOWAM, dessen Versionen
BOWAM-D2 und M2 seit 1996 unverändert geblieben sind, einen immer größeren
Anwendungskreis. Das Programm erlaubt die Modellierung der wesentlichen innerhalb
der Aerationszone des Bodens ablaufenden hydrologischen Prozesse und dient der
Quantifizierung des Wasserhaushalts in der ungesättigten Bodenzone. Ab 1999
erfolgte mit BOWAM-99 eine Weiterentwicklung hinsichtlich der Einbeziehnung der
Module der Sickerwasserprognose aus dem Programm BOWAHALD 2D /DUN 97/.
Das Programm BOWAHALD 2D dient der Modellierung und Quantifizierung von
Wasserhaushaltsprozessen z. B. in wasserungesättigten Bergehalden. Es ist ein
konzeptionelles zweidimensionales Boxmodell. Es unterscheidet eine Horizontalgliederung von Hydrotopen (Flächen mit vergleichbaren hydrologischen Eigenschaften)
und eine Vertikalgliederung mit Einteilung der Halde in maximal zehn Bereiche bzw.
einer weiteren Differenzierung von max. 200 Teilbereichen. Die Berechnung des
Wasserhaushaltes einer Halde über hydrologischen Basisdaten der jeweiligen
Hydrotope erfolgt durch eine sequentielle Verknüpfung von Teilmodellen, die im
Leitfadenfachband Sickerwasserpfad eingehend dargestellt sind. Die implementierten
Algorithmen lehnen sich zum Großteil am HELP-Modell an.
Das Programm HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) ist ein
Programm zur Berechnung des komplexen Wasserhaushaltes von Deponien und
Halden.
HELP
simuliert
den
zeitlichen
Verlauf
der
Mengenanteile
von
Oberflächenwasser, Abfluß, Verdunstung im weiteren Sinne (Evapotranspiration),
Dränwasserabfluß und Versickerung (Sickerwasser durch die evtl. vorhandenen Deckund Dichtungsschichten) in Abhängigkeit von ortsspezifischen Klimadaten und vom
jeweiligen Schichtaufbau der Halde.
Anwendung fanden die Programme HELP und BOWAHLD 2D in vielfacher Hinsicht in
der Sanierung von Halden des WISMUT-Uranbergbaus (u. a. siehe /DUN 93, DUN 95,
HÄH 96/).
128
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
6.4.2
Numerische Modellierung der Sickerwasserbewegung
Die numerische Modellierung der Sickerwasserbewegung in der ungesättigten
Bodenzone
vervollständigt
die
mathematische
Erfassung
des
gesamten
Migrationspfades eines Wasserteilchens im Grundwasser von der Halden bzw.
Erdoberfläche bis zum Austritt z.B aus dem Grundwasser in den Vorfluter. Da
analytische Lösungen nur für Modelle mit stark vereinfachten Randbedingungen
einsetzbar sind, ist nach /BFG 94/ der Einsatz von numerischen Modellen für komplexe
Problemstellungen der einzig praktikable Lösungsweg.
Zur Modellierung der Sickerwasserbewegung und der Transportvorgänge im
ungesättigten Bodenbereich ist die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der
hydraulischen Durchlässigkeit, des Sättigungsgrades und der Saugspannung von
fundamentaler Bedeutung.
Die stark nichtlinearen funktionellen Abhängigkeiten zwischen diesen Größen müssen
im Labor i. d. R. über relativ aufwendige Versuche ermittelt werden. Ansätze zur
Ermittlung dieser Zusammenhänge aus einfach zu messenden Größen, wie z. B. der
Korngrößenzusammensetzung, Gehalt an organischen Stoffen usw., haben nach
/BFG 94/ bisher noch keine endgültig befriedigenden Ergebnisse gezeigt. Im Rahmen
weiterer F+ E-Vorhaben z. B. zum " Einfluss der Bodenvariabilität auf den Transport in
der ungesättigten Zone" und dem 1999 ausgeschriebenen F+E-Verbundvorhaben
"Prognose des Schadstoffeintrages in das Grundwasser mit dem Sickerwasser
(Sickerwasserprognose)" sollen hierzu weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
In /BFG 94/ (BFG-0792) wurde bereits die generelle Einsetzbarkeit verschiedener
eindimensionaler Programme, z. B. SWIM, NEWTON, SUTRA für praktische
Fragestellungen der Sickerwasserprognose anhand von Testbeispielen überprüft.
Dabei unterschieden sich die o.g. untersuchten Programme vor allem in den
implementierten empirischen Funktionen zur Beschreibung der bodenkundlichen
Eigenschaften.
Im Programm SWIM ist unveränderbar die CAMPBELL-Funktion festgelegt, während
bei den Programmen NEWTON und SUTRA Funktionen des Bodentransfers nach
eigener Wahl verwendet werden können. In Beispielrechnungen wurde dort jeweils das
VAN-GENUCHTEN Bodenmodell implementiert, da es sich im praktischen Einsatz
vielfach bewährt hat. Die verschiedenen analytischen Bodenmodelle verlangen
129
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
voneinander abweichende Eingabeparameter, wodurch die Vergleichbarkeit von
Beispielrechnungen naturgemäß eingeschränkt wird.
Die Testrechnungen in /BFG 94/ legten einen praxisnahen Fall zugrunde. Die
Ergebnisse wurden als Ganglinien von Matrixpotential und Wassergehalt in
verschiedenen Tiefen, sowie zu festen Zeitpunkten, als Verteilungen dieser Größen
über die Tiefe dargestellt.
Die durchgeführten Untersuchungen, die zum Ziel hatten, die Eignung verschiedener
Modellprogramme zur Berechnung von Sickervorgängen in der ungesättigten
Bodenzone festzustellen, ergaben, dass die Programme SWIM und NEWTON beide
geeignet sind praktische Fragestellungen zu lösen.
SWIM erlaubt nach /BFG 94/ eine schnelle Abschätzung des Sickerverhaltens, bedingt
zum einen durch die komfortable Benutzeroberfläche und zum anderen durch die
Verwendung des CAMPBELL bzw. BROOKS-COREY Parametermodells. Dieses
Modell verlangt nur einen Bodenparameter, der zudem direkt aus der gemessenen
Retentionskurve bestimmba, wobei jedoch nach /BFG 94/ Zweifel bestehen, ob dieses
Parametermodell wirklich für jeden Bodentyp und jeden Parameterbereich geeignet ist.
In untersuchten Fällen gab das VAN-GENUCHTEN-Bodenparametermodell, die
wirklichen Verhältnisse besser wieder. Da in SWIM das Parametermodell nicht
veränderbar ist, ist die Verwendbarkeit des Programms nach /BFG 94/ nicht
uneingeschränkt gegeben.
Nach /BFG 94/ erscheint das Programm NEWTON für den praktischen Einsatz u.U.
besser geeignet zu sein. Aufgrund des vorhandenen Quellentextes ist eine
Einbeziehung als Programmodul in eigene Programme möglich, d.h. die Kombination
der Berechnung der gesättigten Grundwasserströmung mit der Berechnung der
Wasserbewegung im ungesättigten Bereich.
Das Programm SUTRA ist optimiert für den Einsatz im gesättigten Bereich. Positiv zu
bewerten ist nach /BFG 94/ die Vielzahl der modellierbaren bodenphysikalischen
Parameter, wie z. B. die Wahl verschiedener Adsorptionsisothermen. Die Bodenparameter lassen sich bei ungesättigten Berechnungen nur für das gesamte
Modellgebiet pauschal angeben, so dass eine Bodenschichtenmodellierung nicht
möglich ist. Im Entwicklungsstand des Jahres 1994 war das Programm für praktische
130
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Fragestellungen im ungesättigten Bereich nach /BFG 94/ nur sehr eingeschränkt
verwendbar.
In Fortführung der in /BFG 94/ beschriebenen Modelluntersuchungen zur Sickerwasserbewegung, wurden Berechnungen zum Stofftransport in der ungesättigten
Bodenzone durchgeführt. Beispielrechnungen an eindimensionalen Modellen zeigten
die Einsetzbarkeit von Programmsystemen für angenähert praktische Fragestellungen
auf. Jedoch muss nach /BFG 94/ beachtet werden, dass die Beschränkung durch die
Eindimensionalität eine Berücksichtigung der seitlichen Ausbreitung eines Stoffes nicht
erlaubt. Für die Bemessung von Sanierungsmaßnahmen ist es wichtig, neben der
Kenntnis der Tiefensickerung auch die flächenmäßige Erstreckung des betroffenen
Bereiches einer Untergrundverunreinigung in der ungesättigten Zone abzuschätzen.
Um Aussagen treffen zu können, in welchen typischen Fällen des Untergrundaufbaus
(z. B. Grad der Schichtung) die Berücksichtigung der zweiten Dimension von
Bedeutung sein kann, wurden mit einem anderen Programm weitere numerische
Untersuchungen durchgeführt.
Die durchgeführten in /BFG 94/ Berechnungen zeigten, dass es bei natürlich
gelagerten Böden praktisch immer notwendig ist, die laterale Ausbreitung eines
Schadstoffs zu berücksichtigen. Nach /BFG 94/ können daher eindimensionale Modelle
demnach lediglich in Fällen eingesetzt werden, in denen eine homogene und isotrope
Verteilung der maßgebenden Bodeneigenschaften angenommen werden kann.
In /SMU 97b/ wurde die Benutzung des Programms MOFAT2D, welches unter der
Bezeichnung
MOTRANS
auch
auf
2D-Probleme
erweitert
wurde,
für
den
eindimensionalen Fall demonstriert.
Die Programme HYDRUS /KOO 91/ und SWMS-2D /SIM 92/ stellen nach /SMU 97b/ in
Deutschland einen gewissen Standard zur Simulation von Strömungs-
und
Transportprozessen in der ungesättigten Zone dar und wurden beide in /SMU 97/ als
Standard zur Altlastenbehandlung empfohlen. Beide Programme schreiben ihre
Ergebnisse in Ausgabedateien, die redigiert werden müssen, um die Anbindung an die
Grafikprogramme (z. B. Grapher, Surfer, Excel) zu ermöglichen. Beim Nutzer sind
deshalb zumindest aktive Programmierkenntnisse in BASIC Voraussetzung /SMU 97b/
Das Rechenmodell SISIM wurde im Rahmen eines UBA-Projektes 1999, für die
Bewertung vorhandener Kontaminationen entwickelt. Das SISIM-Mudul ist Bestandteil
131
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
des UMS-Systems (Hilfsmittel für die differenzierte Einzelfallbewertung von Altlasten in
der Detailerkundung) und ermöglicht Aussagen über die Quantität bzw. Zeitpunkt
möglicher Grundwasserverunreinigungen zu treffen. Berechnet wird der Transfer der
im Sickerwasser gelösten Schadstoffe durch die ungesättigte Bodenzone. Als Ergebnis
der Berechnungen erhält man die Schadstoffkonzentration im Boden und Sickerwasser
sowie den zeitlichen Verlauf bis zum Erreichen der Grundwasseroberfläche. Weiterhin
werden die Schadstoffgesamtfracht bezogen auf einen Quadratmeter Fläche sowie die
Variabilität und Varianz der Ergebnisse ausgewiesen.
Im Programm SISIM sind verschiedene, mathematische Algorithmen wählbar, die es
erlauben, den Transfer eines Schadstoffes im Untergrund bei gegebenem Kontaminationsprofil (Ausgangspunkt = Messwerte) zu berechnen:
·
Durch Rückwärtssimulation kann der Verlauf des Schadstoffeintrages vom
Anfang bis zum Zeitpunkt der Messung rückgerechnet, sowie der zukünftige
Verlauf des Stoffeintrags in das Grundwasser prognostiziert werden. Dabei geht
das Programm von einem einmaligen Schadstoffeintrag an der Bodenoberfläche
aus. Mehrfacheinträge und Einträge in verschiedenen Bodentiefen können nicht
abgebildet werden. Der Rückwärtsalgorithmus (über Koeffizientenmatrix) kommt
bei fehlenden Messwerten in Bodenschichten, die zwischen Bodenschichten mit
Messwerten liegen, ohne Messwertinterpolation bzw. Extrapolation aus. Zur
graphischen Ergebnisdarstellung ermittelt SISIM durch das "Least-Square"Verfahren die beste Anpassung der berechneten Konzentrationskurven an die
eingegebenen Messwerte und weist dieses Datum als Zeitpunkt der Messung aus.
·
Durch Vorwärtssimulation kann der zukünftige Verlauf des Schadstofftransfers
und des Stoffeintrags in das Grundwasser, unabhängig von der Anzahl der
Schadensereignisse, prognostiziert werden. Die Vorwärtssimulation geht von der
aktuellen gemessenen Konzentrationsverteilung im Bodenprofil aus. Deshalb ist
eine Interpolation bzw. Extrapolation der Messwerte für Bodenschichten ohne
Schadstoffmessung notwendig, wenn sie zwischen zwei Bodenschichten mit
Messwerten liegen. Zur Messwertinterpolation bietet SISIM drei Alternativen an:
·
die Funktionenmittelung (Bestimmung der fehlenden Konzentrationen als
Mittelwerte aus den hypothetischen Kurvenverläufen durch die einzelnen
Messwerte) und
132
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
die Hüllkurve/Funktionenmaxima (Bestimmung der Konzentrationen der
Bodenschichten ohne Messwerte aus der größten Konzentration der
hypothetischen Kurven durch die Messwerte (Hüllkurve der Maxima)), sowie
·
ohne Messwertanpassung, d. h. das Programm rechnet nur mit den in den
jeweiligen Bodenschichten eingegebenen Messwerten.
Die letztgenannte Option empfiehlt sich nur bei schwerlöslichen Schadstoffen, um eine
Vorabschätzung zu treffen, ob innerhalb des Rechenzeitraumes überhaupt mit einem
Schadstoffeintrag
in
das
Grundwasser
gerechnet
werden
muss
(wählbarer
Simulationszeitraum: 2400 Monate oder Jahre!). Weiterhin erhält man hierdurch einen
Überblick über die benötigte Rechenzeit zur Ergebnisabbildung.
Mit dem Vorwärtsalgorithmus eröffnet SISIM auch die Möglichkeit, die Auswirkungen
von Teilsanierungen (z. B. oberflächennaher Bodenaustausch) auf die zukünftige
Entwicklung des Schadstoffeintrages in das Grundwasser zu prognostizieren.
Gleichzeitig können auch kontinuierliche Schadstoffeinträge in den Untergrund
betrachtet werden. Dazu wird eine Eintragsdauer und die mittlere Schadstoffkonzentration an der Bodenoberfläche vorgegeben.
Das ausgereifteste Mehrphasenrechenprogramm TOUGH2 /PRU 91/, das eine neuere
Version von TOUGH (Transport of Unsaturated Groundwater and Heat) darstellt,
wurde am Lawrence Berkeley Laboratory, USA zur Simulation der transienten
Zweiphasenströmung
und
des
Wärmetransports
in
einer
dreidimensionalen
anisotropen porösen Konfiguration entwickelt. Da es insbesondere hinsichtlich des
Radionuklidtransportes und seines wissenschaftlichen Charakters eine herausragende
Stellung einnimmt, wird der Leistungsumfang des Programms nachfolgend etwas
detaillierter beschrieben. Zusätzliche Programmteile zur Analyse der Gasausbreitung
und des Stoff- bzw. Nuklidtransports unter Berücksichtigung der molekularen Diffusion
und der hydrodynamischen Dispersion für eine Fünfkomponenten-Konfiguration in
einem dreidimensionalen Gebiet können mit der Basisversion von TOUGH2 gekoppelt
werden. In der erweiterten Version können mit TOUGH2 zwei Phasen und fünf
Komponenten
(Stoffe)
betrachtet
werden.
Die
Flüssigkeitsphase
bzw.
das
Flüssigkeitsgemisch besteht aus Wasser (Komponente 1), Salzlauge, Schadstoff oder
Tracer (Komponente 2), Mutternuklid (Komponente 3), Tochternuklid (Komponente 4)
und einem im Wasser löslichen Gas (Komponente 5). Die Gasphase bzw. das ideale
Gasgemisch besteht aus Wasserdampf, Luft, Wasserstoff oder Kohlendioxid.
133
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Ferner werden sechs Erhaltungsgleichungen (Massenerhaltung für Wasser, für die
Sekundärkomponente in der Flüssigkeitsphase, für das Mutternuklid in der Flüssigkeitsphase, für das Tochternuklid in der Flüssigkeitsphase, für die Gaskomponente und
eine gemeinsame Energieerhaltung mit dem thermischen Gleichgewicht zwischen
Wasser, Gaskomponente und Gestein) für eine poröse ein- bis dreidimensionale Konfiguration gelöst.
Die instationären Massenerhaltungssätze für verschiedene Komponenten in der
Flüssigkeitsphase enthalten Transportbeiträge infolge der Advektion, der molekularen
Diffusion, der richtungsabhängigen hydrodynamischen Dispersion und der Dichteänderung der Flüssigkeitsphase, falls die Dichte von der Temperatur oder von den
Komponentenanteilen abhängt. Ferner berücksichtigen die Massenerhaltungssätze für
das Mutter- und für das Tochternuklid in der Flüssigkeitsphase die Adsorption am
Festkörper. In der ungesättigten Strömung, wie z. B. bei der Sickerwasserdurchströmung einer Halde
(Flüssigkeitsphase verdrängt Gasphase) wird auch der
Massenerhaltungssatz für die Gasphase gelöst.
Das vollständige Gleichungssystem mit sechs Erhaltungssätzen wird mit der "IntegralFinite-Difference"-Methode gelöst. Dazu wird das zu betrachtende poröse Medium in
Volumenelemente aufgeteilt, wobei eine starre Festlegung der Elementform, des
Koordinatensystems bzw. der Dimensionalität nicht erforderlich ist. Der Rechenaufwand nimmt überproportional mit der Anzahl der zu betrachtenden Erhaltungssätze
zu und steigt noch deutlicher, wenn die Zweiphasenströmung berücksichtigt werden
muß.
Ein zeitabhängiger Schadstoffeintrag in die Flüssigkeitsphase infolge der Elution im
Haldenkörper wird in der ursprünglichen Version von TOUGH2 nicht beschrieben. Es
können jedoch eigene Ansätze für den Schadstoffeintrag gemäß experimenteller
Beobachtungen in TOUGH2 eingeführt werden. Der zeitabhängige Schadstoffeintrag
erscheint als Quellterm im Massenerhaltungssatz für den Schadstoff.
Die bisherigen Untersuchungen (z. B. /JAV 95/) haben gezeigt, dass das Rechenprogramm TOUGH2 mit den verschiedenen Modellerweiterungen insgesamt zufriedenstellende Ergebnisse liefert und zur Analyse des Gas- und Stoff- bzw. Nuklidtransports
als geeignet angesehen werden kann.
134
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Einen Überblick über weitere Programme und einige Anwendungen in Rahmen von
Fallbeispielen sind in /SMU 97b/ zu finden. Eine weitere Übersicht über Programme
der gesättigten und ungesättigten Zone findet sich z. B. im Handbuch des
Bodenschutzes /BLU 92/. Speziell auf die Probleme kontaminierter Standorte
ausgerichtet
ist
der
Methodenhandbuches
Abschnitt
"Prognose
Deponie-Untergrund"
des
/BOO 99/,
Standortverhaltens"
der
eine
des
ausführliche
Darstellung der grundlegenden, die wesentlichen Mechanismen beschreibenden
Beziehungen enthält.
Zusammenfassung
Die verfügbaren Programme zur Simulation von Mehrphasenströmungsprozessen sind
nach /SMU 97b/ hochgradig komplex und kaum in der Praxis hinreichend überprüft.
Ihre Nutzung ist zumeist nur in Kooperation mit den Programmentwicklern möglich, da
oftmals nur die Programmentwickler auf Basis ihrer Modellkenntnisse die berechneten
Ergebnisse werten und ggf. Programmänderungen zur Anpassung an die spezielle
Situation vornehmen können.
Nach /SMU 97/ haben deshalb Programme, die zur Simulation von Strömungs- und
Transportprozessen in der ungesättigten Zone geeignet sind, heute noch nicht den
Stand der Programme der Modellierung der Grundwasserströmungs- und Transportprozesse erreicht. Die heutige Forschung konzentriert sich aber in zunehmendem
Maße auf Programme zur Simulation der Sickerwasserprognose, so dass in
absehbarer Zeit weitere bedeutende Fortschritte zu erwarten sind*.
Weiterhin ist zu prüfen, ob im Rahmen der Berechnung des Dosisbeitrages des
Wasserpfades die im Wesentlichen für den zeitlichen Verlauf des Stofftransportes
(Radionuklidkonzentrationen) in Betracht zu ziehenden Phänomene, Löslichkeit und
* . Ein Mitte des Jahres 2000 vom BMBF initiertes Verbundvorhaben "Prognose des Schadstoffeintrages
in das Grundwasser mit dem Sickerwasser (Sickerwasserprognose)" soll noch ungeklärte Punkte der
modellhaften Beschreibung der Sickerwasserströmung in der ungesätigten Zone lösen. Das Vorhaben hat
die Entwicklung eines Verfahrens zur Prognose des Schadstoffeintrages in das Grundwasser mit dem
Sickerwasser zum Ziel. Im Rahmen des Verbundvorhabens sollen praxisgerechte Methoden bis hin zur
Softwareerstellung, die zur Prognose von mit anorganischen Schadstoffen befrachteten
Sickerwassereinträgen in das Grundwasser geeignet ist, entwickelt werden. Nach der Aufgabenstellung
sollen bei der Modellierung des Stofftransportes, soweit wissenschaftlich vertretbar, nur die Prozesse
Retardierung (z. B. Adsorption, evtl. Ionenaustausch), biologischer Abbau und Löslichkeit in Betracht
gezogen werden. Weiterhin soll da nur die Grundwasserbelastung unter Berücksichtigung der Natur der
betrachteten Feststoffe bewertet werden soll, der Transport über die Bodenluft außer Ansatz bleiben.
135
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Sorption, die Hypothese von lokalen thermodynamischen Gleichgewichten gerechtfertigt ist oder der Transport in Form von Kolloiden berücksichtigt werden muß.
Die spezielle Modellierung und Simulation von Strömungs- und Radionuklidtransportprozessen in der ungesättigten Zone bleibt i. d. R.. deshalb den über dieses
spezielle wissenschaftliche Wissen verfügenden Institutionen vorbehalten. Nach
/SMU 97b/ zeigen im Weiteren Berechnungsergebnisse, die mit unterschiedlichen
Modellen bei gleichen bzw. gleichwertigen Eingangsparametern erzielt wurden, dass
nicht nur numerische Vergleiche über die Qualität eines Modells entscheiden, sondern
vor allem der Vergleich zwischen Messdaten und simulierten Werten. Daraus resultiert
nach /SMU 97b/ die Erfordernis zur Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in der ungesättigten Zone nur jene Programme und Institutionen
auszuwählen, die eine erfolgreiche Anwendung der Programme nachweisen können.
Auf der UBA-Web-Seite www.Umweltdaten.de findet sich eine Liste von Anwendungsprogrammen
im
deutschsprachigen
Altlastenbereich,
Raum
erstellt
die
auf
wurde.
der
Im
Basis
Rahmen
einer
der
Befragung
im
Bewertungs-/und
Berechnungsprogramme ist zur Beschreibung des Schadstofftransfers im Boden das
beschriebene SISIM-Modul aufgeführt.
6.5
Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiele zu den o.a. Programmen der ungesättigten Strömung sind in
/BFG 94/ aufgeführt. Eine Beispielsanwendung des Programms TOUGH findet sich in
/BAL 98/.
136
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
7
Ausbreitungsprognosen mittels analytischer Verfahren
Grundlage dieser Verfahren sind analytische Lösungen der mathematischen Modelle
von Grundwasserströmungs- und Stofftransportprozessen. Solche Lösungen sind nur
für einfache mathematische Modelle bekannt, die erhebliche Abstraktionen und
Schematisierungen erfordern. Weit verbreitet sind die analytischen Lösungen der
Brunnenströmung,
die
von
homogenen
Grundwasserleitern,
horizontal-ebenen
Strömungsverhältnissen und schematisierten Randbedingungen ausgehen. Gute
Übersichten zu analytischen Lösungen der Grundwasserströmung werden in /BUS 93/,
/SMU 97/ und /KRU 90/ gegeben. Mit diesen Lösungen kann die Grundwasserabsenkung an beliebigen Punkten im Strömungsfeld berechnet werden. Über die
Berechnung bzw. Konstruktion von Grundwassergleichenplänen können dann
Bahnlinien und Isochronen einer Stoffausbreitung theoretisch bestimmt werden.
Aufgrund der erforderlichen Vereinfachungen sind nach /VOI 98/ solche Verfahren für
realistische Ausbreitungsprognosen von Schadstoffen aus Deponien und Altlasten in
der Regel nicht einsetzbar. Nach /VOI 98/ sind sie bestenfalls für einfache Abschätzungen, z. B. bei Erstbewertungen von Altlasten, oder aber für die Verifizierung
numerischer Modelle einsetzbar.
Gleichfalls nur stark eingeschränkt praktisch anwendbar sind nach /VOI 98/ analytische
Verfahren für Stofftransportrechnungen. Der Vorteil dieser Verfahren besteht zunächst
darin, dass sie Stofftransportmechanismen (z. B. Dispersion und Retardation)
berücksichtigen
können
und
die
räumliche
Ausbreitung
von
Schadstoffen
(Konzentration) direkt ermitteln.
Ein klassisches Beispiel einer analytischen Lösung bei Stofftransportprozessen ist das
Piston-Flow-Modell /DVWK 95/, das für die Interpretation von Altersbestimmungen
(Tritium und andere Tracer) genutzt wird. Eine weitere zusammenfassende
Beschreibung von analytischen Programmen bzw. Verfahren und Beispiele ihrer
Anwendung enthält /SMU 97/.
Eine Zusammenstellung von analytischen Lösungen finden sich in /KIN 87, 92/,
/BEA 87/ und /TOR 93/. Wie bei Strömungsproblemen sind analytische Verfahren bei
Stofftransportprozessen auf einfache Fälle beschränkt. Für praktische Probleme einer
weitergehenden Prognose sind nach /VOI 98/ die erforderlichen Schematisierungen in
der Regel nicht akzeptabel.
137
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Weite Verbreitung haben analytische Verfahren allerdings für die Interpretation von
Feld- und Laborversuchen (Pumpversuche, Säulenversuche) gefunden. Darunter fallen
z. B. die in /SMU 97e/ beschriebenen Programme PSUG, ROTSYM, REWERT.
Eine weitere Darstellung und Anwendung von ausgewählten Public-Domain-SoftwareProdukten zur Simulation der Grundwasserströmung auf Basis analytischer Verfahren
(u. a. die Programme PAT 2.0 D, BV-11-1-X, BV-12-5-X, WAB89) findet sich in
/SMU 97e, SMU 97c/.
138
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
8
Programme der Grundwasser-Modellierung
8.1
Theoretische Grundlagen
Einen
Überblick
über
die
theoretischen
Grundlagen
von
Grundwasser-
strömungsanalysen findet sich in /SMU 97/. Da eine detaillierte Beschreibung der
Programme den Rahmen dieses Leitfadens sprengen würde, wird auf diese Unterlage
/SMU 97, SMU 97a-e/ und auf die einschlägige Literatur, z. B. /KIN 95, BEA 87/ etc.
verwiesen. Des Weiteren wird auf den nächsten Abschnitt verwiesen, in dem integrierte
Grundwasser- und Schadstofftransportprogramme beschrieben werden.
8.2
Anwendungsbereiche
Spezielle Anwendungsbereiche und einige Beispielsanwendungen sind in /SMU 97ae/, /KIN 95/ beschrieben. /LAR 02/ enthält ein Beispiel der Anwendung eines
gekoppelten Grundwasser- und Schadstofftransportprogramms.
8.3
Auf
Programmauflistung
der
Basis
der
Unterlage
"Simulation
von
Grundwasserströmungs-
und
Schadstofftransportprozessen in Lockergesteinsgrundwasserleitern im Rahmen der
Altlastenbehandlung" /SMU 97c/ und eigener Recherche erfolgt nachfolgend eine
Auflistung von Grundwasserprogrammen. Dabei ist zu beachten, dass nur reine
Grundwasserströmungsprogramme aufgenommen werden, die nach /SMU 97/ den
Bereich
der
sächssichen
Altlastenstufen
"Detailerkundung
und
Sanierungs-
untersuchung" überdecken. Weitere Grundwasserprogramme die zusätzlich den
Schadstofftransport bzw. die ungesättigte Zone behandeln, sind im Abschnitt 9
aufgeführt. Programme, deren Anwendung in /SMU 97/ empfohlen werden bzw. jene
die nicht in der Auflistung in /SMU 97/ aufgenommen wurden, aber aufgrund ihres
Verifikationsnachweises eine Sonderstellung einnehmen, sind fettgedruckt. Ihr
Leistungsumfang wird nachfolgend kurz beschrieben.
Für eine Grundwassertransportmodellierung werden in /SMU 97/ u. a. folgende
Programme genannt (weitere Programme finden sich unter dem folgenden Abschnitt 9
der Grundwasser- und Schadstofftransportmodellierung):
139
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
AQUA4.0
IGMOD
GFR
GEOFIM
FLOPATH
MINIHO3.0
ASM (Tansportmodellierung mittels Random-Walk)
FEM301 (Tansportmodellierung mittels Zusatzprogrammen)
8.4
Leistungsmerkmale für Programme
ASM
ASM [Aquifer-Simulations-Modell, /KIN 95/ ist ein 2D-Grundwasserströmungs- und
Stofftransportmodell, das sowohl horizontaleben als auch vertikaleben eingesetzt
werden kann. Das Strömungsproblem wird mittels der Finite-Differenzen-Methode
gelöst. Für die Transportsimulation (nur stationärer Transport) findet das RandomWalk-Verfahren Anwendung. Für Bahnlinien- und Isochronenberechnungen, graphische Darstellungen, Bilanzen usw. stehen integrierte Programmodule zur Verfügung.
Dieses Programm wurde für die studentische Ausbildung entwickelt. Die Einsetzbarkeit
auf Personal Computern und die einfache, graphisch-gestützte Handhabung macht es
aber auch für einfachere praktische Fragestellungen interessant. Die wesentlichen
Einschränkungen verbinden sich mit der Beschränkung auf zweidimensionale
Prozesse (beim Stofftransport stationär) und der unflexiblen Rechteckdiskretisierung
der
FD-Verfahren.
Für
gekoppelte
Rechnungen
der
Strömungs-
und
Stofftransportprobleme (Dichteabhängigkeit) ist ASM nicht einsetzbar.
FEM 301
Bei FEM 301 handelt sich um ein Finite-Elemente-Programm zur Berechnung
stationärer, zwei- oder dreidimensionaler Grundwasserströmungen in gesättigten,
porösen (oder auch klüftigen) Medien unter Annahme einer räumlich konstanten
Wasserdichte.
Es
verarbeitet
dreidimensionale
140
Elementnetze,
welche
aus
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
verschiedenen dimensionalen und topologisch sehr unterschiedlichen Elementtypen (z.
B. Quader, Prisma, Tetraeder, 4-Eck-Fläche, Strecke) aufgebaut sind. Die lokalen
Formfunktionen sind quadratisch. Grundlagen des Rechenmodells sind das DarcyGesetz und die Kontinuitätsgleichung; das Lösungsverfahren basiert auf dem GalerkinVerfahren.
FEM 301 benötigt neben der durch die Element- und Koordinatenfiles gegebenen
Elementnetzgeometrie auch Vorgaben zu den Durchlässigkeitsbeiwerten in definierten
Durchlässigkeitsklassen sowie Randbedingungen für das hydraulische Potential
und/oder vorgeschriebene Wasserflüsse.
Als Ergebnis liefert FEM 301 die berechneten hydraulischen Potentiale in allen Knoten.
In den Knoten mit vorgeschriebenem Potential ist zudem der resultierende Fluss
gegeben, welcher für die Umgebung des Knotens repräsentativ ist. Aus diesen
Ergebnissen werden mit Postprozessing-Programmen graphische Darstellungen wie
Isopotentiallinien, Wasserflüsse und -geschwindigkeiten und Fließwege in Form von
Isolinienplots, Vektorplots oder Weg-Zeit-Diagrammen gewonnen. Für die Berechnung
der Wasserflüsse können zusätzlich das Programm FLUX, für die Fließwege und
Fließzeiten das Programm TRACK nach geschaltet werden. Zur Verifizierung und
Validierung im Rahmen von HYDROCOIN wurde es von der Universität von Neuchatel,
von Motor Columbus und der ETH Zürich eingesetzt. Das Programm enthält nicht die
Möglichkeit der Berechnung von Radionuklidtransportvorgängen im Grundwasser.
8.5
Anwendungsbeispiele
Einige Beispielsanwendungen der o.a. Programme sind /SMU 97ff/, /KIN 95/ beschrieben. Anlage 4 enthält als Beispiel eine Anwendung des Grundwasser- und
Schadstofftransportprogramms SPRING. Eine 3D-Modellanwendung des Programms
SPRING findet sich in /LAR 02/.
141
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
9
Programme der Grundwasser- und SchadstofftransportModellierung
9.1
Theoretische Grundlagen
Neben
den
reinen
numerischen
Unterschieden
im
Lösungsverfahren
sind
erfahrungsgemäß alle bisher bekannten Grundwasserprogramme in Abhängigkeit von
ihrer
Leistungsstärke Abbildungsgenauigkeit,
der
quadratischen oder
linearen
Approximation des Druckfeldes im Grunde gleichwertig. Unterschiede zeigen die
Programme
jedoch
bezüglich
der
Simulation
von
Transportvorgängen
von
Schadstoffen. Hier sind maßgeblich Prozesse wie Retension/Retardation insbesondere
unter
Berücksichtigung
des
radioaktiven
Zerfalls
nicht
oder
unterschiedlich
implementiert.
Mit dem Ziel der Diskussion über eine vollständige Beschreibung der physikalischen
und chemischen Prozesse wurden die beiden Prozesse, Retardation und Zerfall, aus
der Gesamtheit der möglicherweise relevanten Prozesse identifiziert, da sie zur
Konzentrationsverminderung der freigesetzten Radionuklide auf dem Transport mit
dem Grundwasser führen können und damit ein positives Sicherheitsmerkmal
darstellen. Unter der Retardation versteht man eine begrenzte Rückhaltung der
Schadstoffe im Gebirge, als transportverzögerndem Faktor des Schadstofftransportes.
Diese Rückhaltung tritt physikalisch in Form einer Matrixdiffusion und chemisch in
Form der Sorption/ Desorption auf. Bei der Modellierung des Radionuklidtransportes
stellt dabei insbesondere die Wechselwirkung der Retardation mit dem radioaktiven
Zerfall, da durch den Zerfall während des verzögernden Transportes die Radionuklidzusammensetzung sich ändert und das transportierte Aktivitätsinventar gegenüber
eines konventionellen Stoffes wirklich abnimmt. Gleichzeitig wird unter dem
Gesichtspunkt möglicher verschiedener Dosisfaktoren von Nukliden innerhalb des
Transferpfades zum Menschen, die Frage einer eventuell notwendigen Bewertung
entstehender Tochternuklide aufgeworfen.
Um die Auswirkung der o.a. Prozesse bewerten zu können, werden zuerst die
notwendigen mathematischen Grundlagen definiert. Im Folgenden werden deshalb die
grundlegenden
Gleichungen
und
Phänomene
dargestellt,
die
für
eine
auf
Strömungsberechnungen aufbauenden Transportberechnung unter Berücksichtigung
der Retardation und des radioaktiven Zerfalls der Nuklidketten notwendig sind.
142
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Prozesse der Schadstofftransport und Retardationsmodelle
Matrixdiffusion
Wasserinhaltsstoffe und Radionuklide können dem mobilen Grundwasser durch
chemische (Adsorption auf der Oberfläche des Feststoffgerüsts z. B. durch
Ionenaustausch) und physikalische Prozesse (Matrixdiffusion - Diffusion in das
Haftwasser des Porenraums) entzogen werden. Als Intrapartikeldiffusion bezeichnet
werden Vorgänge, bei dem Stoffe, die auf der Oberfläche der Gesteinsmatrix
gebunden sind, weiter in das Innere der Gesteinskörner diffundieren. Die nachfolgende
Abbildung (Abb.9.1-1) skizziert das komplexe Zusammenwirken von Matrixdiffusion,
Sorption und Intrapartikeldiffusion in einem heterogenen Aquifer. Der Gesamtvorgang
beginnt mit Austauschvorgängen zwischen mobiler und immobiler „Phase" durch
Matrixdiffusion, gefolgt von Adsorptionsvorgängen zwischen flüssiger und fester
Phase. Dabei wird deutlich, dass die Wasserinhaltsstoffe durch Matrixdiffusion auch
Zugang zu den inneren Oberflächen des Gesteinsmaterials erhalten, die durch
Haftwasser benetzt sind. Aufgrund von Matrixdiffusion wird so die zur Verfügung
stehende Oberfläche für eine Adsorption erheblich vergrößert. Die Desorptionsfähigkeit
der durch Intrapartikeldiffusion in das Innere der Gesteinsmatrix gelangten und fest
eingelagerter Stoffe ist damit behindert.
143
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 9.1-1: Kausalkette von Matrixdiffusion, Sorption und Intrapartikeldiffusion aus
/KOL 96/.
Adsorptionsmodelle
Tansportmodelle, wie sie z. B. in Programmen wie FEFLOW, NAMMU und SPRING
implementiert sind, berücksichtigen meist unter der Voraussetzung, dass die
Fluiddichte konstant ist (r=r0), folgende Adsorptionsmodelle:
lineares Adsorptionsmodell nach Henry
c s ,i = (k d ,i r 0 )c i
·
kd,i = Henry-Isotherme des Stoffes i [m³/kg].
144
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Adsorption nach Freundlich
c s ,i = k1,i (r 0 ci )
1 / k2 , i
k1,i = 1. Freundlich-Isotherme des Stoffes i [m3/kg] und
k2,i = 2. Freundlich-Isotherme des Stoffes i [-].
Adsorption nach Langmuir
c s ,i = k1,i ( r 0 ci ) / (1 + k 2,i r 0 ci )
k1,i = 1. Langmuir-Isotherme des Stoffes i [m3/kg] und
k = 2. Langmuir-Isotherme des Stoffes i [m3/kg].
2,i
Abb. 9.1-2: Adsorptionsisothermen.
Berücksichtigung des radioaktiven Zerfalls
Die allgemeine gesättigt/ungesättigte Transportgleichung für k Stoffe lautet:
(nS r r ) dci + ((1 - na )r s )
dt
dc s ,i
dt
+ (nS r r )vÑci - Ñ(nS r r (d m,i I + D )Ñci )
k
= q (ciin - ci ) + qc ,i + (nS r r ) f i (ci ) + ((1 - n a )r s ) f s ,i (c s ,i ) + å qij
j =1
j ¹i
145
(1)
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Dabei ist i im folgenden die Nummer des Stoffes (i=1, ... ,k) und
ci =
Konzentration des i.ten Stoffes im Fluid [kg/kg],
cs,i =
Adsorbierte Konzentration des i.ten Stoffes in der Matrix [kg/kg],
ciin =
Zuflußkonzentrationen für Stoff i [kg/kg],
qc,i =
Vorgegebener Massenzu/abfluß des i.ten Stoffes [kg/m³/s],
qji =
Massenzu/abfluß für Stoff i aus Reaktionen des Stoffes j [kg/m³/s].
Die Parameter sind
n=
Durchflußwirksame Porosität des Aquifers [-],
na =
totale Porosität des Aquifers [-],
Sr =
Sättigungsgrad [-],
r=
Dichte des Fluids [kg/m3],
rs =
Dichte der Matrix [kg/m3],
q=
Fluid-Quellen/Senkenterm [kg/m3/s],
v=
(v1,v2,v3) Abstandsgeschwindigkeit [m/s],
I=
Einheitsmatrix,
dm,i =
Molekularer Diffusionskoeffizient für Stoff i [m2/s],
D=
Symmetrischer Dispersionstensor [m2/s], D = (Di,j),
mit
(
)
(
)
(
)
D1,1 =
1
a L v 12 + a TH v 22 + a TV v 32
v
D 2,2 =
1
a TH v 12 + a L v 22 + a TV v 32
v
D3,3 =
1
a TV v 12 + a TV v 22 + a L v 32
v
D1,2 = D 2,1 = (a L - a TH )
v 1v 2
v
D3,i = Di ,3 = (a L - a TV )
viv3
L i = 1,2
v
146
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
aL =
Longitudinale Dispersivität [m],
aTH =
Transversal, horizontale Dispersivität [m],
aTV =
Transversal, vertikale Dispersivität [m].
Im zweidimensionalen Modell ist aTV = 0 und aTH = aT die übliche transversale
Dispersivität.
Die Quellen/Senkenterme sind
fi =
Quellen/Senkenterm durch Produktions-, Abbau- bzw. Zerfallsprozesse
des Stoffes i im Fluid [kg/kg/s] und
fs,i =
Quellen/Senkenterm durch Produktions-, Abbau- bzw. Zerfallsprozesse
des Adsorbats des Stoffes i in der Matrix [kg/kg/s].
Im speziellen Fall des Transports von Nuklidketten enthalten die Quellen/Senkenterme
den Zerfallsanteil für die Nuklide:
f i (ci ) = -li ci LL und L f s ,i (c s ,i ) = - li cs ,i LL (2)
mit li = Zerfallsrate des Stoffes i [1/s].
Massenzu- und -abfluß durch den Nuklidzerfall
Der entscheidende Term, durch den die einzelnen Transportgleichungen der Nuklide
einer Nuklidkette gekoppelt sind, ist der Massenzu- und Abfluss durch den
Nuklidzerfall. Im speziellen Fall des Transports von Nuklidketten enthalten die
Quellen/Senkenterme qji den Zerfallsanteil für die Nuklide
qij = mi , j l j {(nS r r )c j + ((1 - na )r s )c s ,i } (3)
Die Matrix der Zerfallsanteile M=(mi,j) ist dünn besetzt und bei entsprechender
Sortierung der Nuklidnummerierung eine untere Dreiecksmatrix. Das nachfolgende
Diagramm zeigt die Zerfallsmatrix für am Beispiel der Zerfallskette des U238.
vorkommenden.
147
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Abb. 9.1-3: Beispiel eines Zerfallprozesses (Zerfallsreihe des natürlichen Isotopes
U238)
Durch Einsetzen der speziellen Nuklideigenschaften (2) und (3) in die allgemeine
Transportgleichung (1) ergibt sich die Transportgleichung für Nuklidketten
dcs ,i
+ (nS r r )vÑci - Ñ(nS r r (d m ,i I + D )Ñci )
dt
dt
= q (ciin - ci ) + qc ,i - l j {(nS r r )c j + ((1 - na )r s )cs ,i }LLi = 1,...., k LLLLLL (4)
(nS r r ) dci + ((1 - na )r s )
k
+ å mi , j l j {(nS r r )c j + ((1 - na )r s )cs ,i }
j =1
j ¹i
9.2
Anwendungsbereiche
Das Spektrum der verfügbaren und in der Anwendung befindlichen Programme zum
Grundwasser- und Schadstofftransport ist vielfältig und reicht von Programmen auf der
Basis der Finite-Differenzen-Methode für 2D- und 3D-Strömungsprozesse bis zu
komplexen Finite-Element-Verfahren für gekoppelte Strömungs- und Stofftransport
148
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
probleme bzw. von frei verfügbarer Software (Public-domain) bis zu kommerziellen
Produkten
und
insbesondere
komplexen
für
wissenschaftliche
Anwendungen
genutzten Programmen.
I. d. R.. unterscheiden die Programme sich bezüglich der Anwendungsbedingungen
und -möglichkeiten. Im Vordergrund der meisten Programme steht dabei der Transport
eines gelösten Stoffes (Einphasen- und Einkomponentenprobleme). Neu auf dem
Markt sind einige Software-Produkte von gekoppelten (Thermodynamik-Strömung oder
Reaktiver
Transport)
Programmen.
Eine
komplette
Marktübersicht
über
alle
verfügbaren und in der Anwendung sich befindende Programme würde den Rahmen
dieses Leitfadens sprengen und Ziel dieses Leitfadens ist es nicht, spezielle
Empfehlungen für das eine oder andere Programm auszusprechen.
Nachfolgend werden einige Programme kurz vorgestellt, die kennzeichnend für das
oben genannte Modellspektrum sind. Diese haben entweder einen größeren
Verbreitungsgrad in Deutschland gefunden oder zeichnen sich aufgrund ihrer
Anwendung im internationalen Raum insbesondere hinsichtlich der Modellierung des
Radionuklidtransportes aus.
Besondere Aufmerksamkeit ist
bei
Ausbreitungs-
rechnungen im Rahmen des für eine Halde zu ermittelnden Dosisbeitrages des
Grundwassers den oberflächennahen Aquiferen mit ungespannten Strömungsverhältnissen, also Problemen mit freier Grundwasseroberfläche beizumessen. In
diesem Fall bestimmt die Behandlung dieser Randbedingung in entscheidendem Maße
die Repräsentanz der Modellrechnungen.
Eine geschlossene und physikalisch korrekte Lösung liefern Modelle, die die
ungesättigte Bodenzone und den gesättigten Aquifer als Einheit modellieren
(s. Abschnitt
6.4.2).
Die
"freie Oberfläche"
ist
in
diesen
Programmen
von
untergeordneter Bedeutung, sie ergibt sich quasi automatisch aus dem Modellansatz.
Entsprechende numerische Modelle und Programme sind bisher aber aus den schon
beschriebenen Aufwandsgründen kaum anwendbar.
Bei einer Betrachtung der gesättigten Bodenzone dagegen muss die freie Oberfläche
als Modellrandbedingung definiert und modelliert werden, die sich zeitabhängig
verschiebt. Daraus ergibt sich das Problem, dass sich bei einer festen Diskretisierung
des Strömungsfeldes in der vertikalen Richtung die freie Oberfläche zwischen
Netzknoten bewegt. Diese Bewegung ist dann nur näherungsweise über Modifikation
der hydraulischen Modellparameter des betreffenden Elements erfassbar. Diese
Parametermodifikation wiederum hat zur Folge, dass eine Stoffausbreitung nicht mehr
korrekt modelliert wird. Entsprechende Probleme treten insbesondere dann auf, wenn
149
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
mit größeren Grundwasserstandsänderungen wie beim Grundwasserwiederanstieg in
ehemaligen Bergbaugebieten zu rechnen ist. Korrekte Prognosen sind hier mit
Modellen zu erzielen, die eine Adaption des vertikalen Modellnetzes an die freie
Oberfläche beinhalten (z. B. FEFLOW, SPRING).
9.3
Programmauflistung
Für den Schadstofftransport auf der Basis von meist linearen Sorptionsisotermen bzw.
in
einer
Kombination
von
Grundwassertransportrechnung
und
nachfolgenden
Simulation des Schadstofftransports mittels zusätzlicher Tools werden in /SMU 97/ u.
a. folgende Programme genannt. Wie im Kapitel 8 sind die Programme deren
Leistungsumfang nachfolgend kurz beschrieben werden fettgedruckt.
MODFLOW
FEFLOW
ROCKFLOW
Darüberhinaus haben insbesondere für den Radionuklidtransport folgende Programme
eine Sonderstellung, da sie im Rahmen von Genehmigungsverfahren, z. B. von
Endlagern radioaktiver Abfälle, einen bestimmten Verifikations- und Validierungsgrad
erreicht haben.
CFEST (radioaktiver Zerfall)
SWIFT (Nuklidketten) /SAN 81/
NAMMU (Nuklidketten)
SPRING (Nuklidketten)
TOUGH /PRU 87/ (Nuklidketten, Beschreibung im Abschnitt 6.4)
FEM301 /NAG 85/ (Grundwasser- u. Schadstofftransport, Beschreibung Abschnitt 8.4)
150
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
9.4
Leistungsmerkmale für Programme
MODFLOW
MODFLOW, entwickelt beim US Geological Survey (MCDONALD & HARBAUGH
1983), ist eines der meist genutzten Grundwassermodelle in Deutschland. MODFLOW
steht für eine Gruppe von Modellen zur Simulation von Grundwasserströmungsproblemen auf der Basis des Finite-Differenzen-Verfahrens. Zur Zeit liegen
verschiedene Versionen für horizontaleben-geschichtete oder auch dreidimensionale
Strömungen vor, wobei das Strömungsfeld in Rechtecknetze diskretisiert wird. Über
flexible Randbedingungen und Parameterbelegungen sind nach /VOI 98/ die meisten
praktischen Strömungsprobleme lösbar. Als nachteilig erweist sich in erster Linie die
starre Form der Rechtecknetze. Bei komplizierten Geometrien der Untersuchungsgebiete sind entweder Diskretisierungsfehler an den Modellrändern in Kauf zu nehmen
oder aber sehr feine Netze (mit entsprechend hohem Daten- und Rechenaufwand)
erforderlich.
MODFLOW berechnet grundsätzlich nur Grundwasserstände und Volumenströme. Für
einfache, konservative Ausbreitungsberechnungen muss es mit Tools zur Berechnung
von Bahnlinien und Isochronen gekoppelt werden. MODFLOW verfügt als Publicdomain-Software nur über stark eingeschränkte interaktiv-graphische Möglichkeiten
der Dateneingabe und Ergebnisvisualisierung. Aus diesem Grunde entstanden in den
vergangenen Jahren viele Tools, die dieses Defizit auszugleichen helfen. Dazu
gehören MODFLOW-M oder VISUAL MODFLOW. Gekoppelt mit MODFLOW stehen
auch verschiedene Stofftransportmodelle, z. B. MT3D zur Verfügung. Mit MODFLOW
und den gekoppelten Modulen für die Bahnlinien- und Isochronenberechnung oder
Modulen für Stofftransportprobleme können vielfältige Aufgaben der Ausbreitung von
Schadstoffen untersucht werden. Dichteabhängige sowie gekoppelte Strömungs- und
Stofftransportprobleme mit freier Oberfläche sind auf dieser Basis nicht lösbar. Nach
/VOI 98/ steht dem Vorteil einer weiten Verbreitung von MODFLOW der Nachteil
fehlender Wartung als Public-domain-Software und vieler unterschiedlicher Versionen
gegenüber.
151
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
ROCKFLOW
In den Jahren 1986-1994 ist das Programmsystem ROCKFLOW /ZIE 94/ an der
Universität
Hannover
entwickelt
worden.
ROCKFLOW
ist
ein
Grundwasser-
simulationsprogramm für Strömungs- und Transportprozesse von einer oder mehreren
Phasen in klüftigem Gestein. Die komplexe Geometrie wird durch 1D-Elemente für
Fließkanäle, 2D-Elemente für Kluftflächen und 3D-Elemente für
die poröse
Gesteinsmatrix beschrieben.
ROCKFLOW
wurde
Zusammenhang
mit
und
wird
Problemen
derzeit
der
in
zahlreichen
Lagerung
Fragestellungen
chemischer,
biologischer
im
und
radioaktiver Abfälle, Geothermie, sowie der Grundwasserentnahme und Aquifersanierung weiterentwickelt und verifiziert.
Die ausführliche Beschreibung der Leistungsfähigkeit und der mit ROCKFLOW
bearbeiteten Problemstellungen findet sich in /LEG 96/.
FEFLOW
Mit dem Simulationssystem FEFLOW /DIE 93, 96/ steht ein kommerzielles Produkt zur
Verfügung, das als Komplettsystem für praktisch alle Strömungs- und Stofftransportprozesse in Porengrundwasserleitern einsetzbar ist. Das Programm basiert
auf Finite-Element-Methoden und ist für vollständige dreidimensionale Analysen von
Grundwasserströmungs- und -transportproblemen (Stoffe, Wärme), ggf. dichteabhängig, einsetzbar. Es finden die Galerkin-Finite-Element-Methode, StreamlineUpwind-Verfahren mit automatischer Zeitschrittweitensteuerung (optional) Verwendung. Schnelle iterative Solver ermöglichen die Lösung auch komplexer Problemstellungen mit mehreren hunderttausend Elementen. Durch sehr flexible Randbedingungsformulierungen (zeitabhängige Randbedingungen mit Nebenbedingungen)
und adaptive Netze bei freier Grundwasseroberfläche sind nahezu alle praktischen
Probleme unter Annahme des Transports eines gelösten Stoffes im Grundwasser
simulierbar. Besonders hingewiesen sei auf die umfangreichen Möglichkeiten des
graphischen Pre- und Postprocessings. Hierzu zählen z. B. einerseits ein Map
Assistent
als
graphisches Werkzeug
zur
Vorbereitung
von
Karten
für
die
Modellerstellung, der FEFLOW-Netzgenerator, ein Data Store Manager zum
Datenbankzugriff und vielfältige integrierte visiometrische 3D-Funktionalität wie Vollund Teilkörper-Darstellungen, 3D-Cursor, beliebige Schnitte, Fence-Darstellungen,
152
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Isoflächen, 3D-Bahnlinien und Isochronen etc. Dieses umfassende Leistungsspektrum
setzt allerdings adäquate Hardware-Plattformen (UNIX-Workstation oder High-end-PC
unter WINDOWS-NT oder WINDOWS 95) voraus.
SPRING
Das Programmsystem SPRING (ehemals SICK100) /GKW 97/ basiert auf der Methode
der Finite Elemente. In dem zu berechnenden Gebiet werden an ausgewählten Orten
diskrete Knotenpunkte gesetzt, die bei zweidimensionalen Netzen mit Dreieck- oder
Viereckelementen und bei dreidimensionalen Netzen mit Tetraedern oder Hexaedern
verbunden werden. Dadurch können beliebig berandete Gebiete problemlos erfasst
werden. Jedem einzelnen Element werden Attribute (z. B. Durchlässigkeitswert oder
Speicherkoeffizient) zugeordnet. An den Knotenpunkten wird entweder eine Entnahmebzw. Zuflussmenge (z. B. Grundwasserneubildung) oder das Potential (Standrohrspiegelhöhe) vorgegeben. Das Rechenverfahren ermittelt die jeweils korrespondierende Größe. Aus den Potentialwerten der Knoten berechnen sich anschließend die
Filtergeschwindigkeiten in den Elementen. Mögliche Modellarten sind:
Es
·
2D-Horizontal- bzw. Vertikalmodell;
·
3D-Modell;
·
2D-Horizontalmodell gekoppelt mit 3D-Gebiet.
können
sowohl
Grundwasserströmungsmodelle
als
auch
Stoff-
und
Energietransportmodelle berechnet werden. Bei der Stofftransportberechnung sind
Stabilitätskriterien einzuhalten, die zu Netze mit vielen Freiheitsgraden führen.
Verbesserungen bezüglich der Rechenzeiten und des Speicherplatzbedarfes konnten
durch verschiedene mathematische Verfahren (PCGGleichungslöser, Mehrgitterverfahren, Operatorsplit-Technik) erzielt werden. Infolgedessen sind auch große
Modelle (mehr als 100.000 Knoten) in vertretbarer Rechenzeit mit kleinem Speicherplatzbedarf berechenbar.
SPRING stellt neben den Berechnungsmodulen für die Simulation von Strömungs- und
Transportprozessen im Grundwasser Module für das Pre- und Postprozessing und für
die Modelleichung zur Verfügung. Mit dem Preprozessor kann das Modell komfortabel
aus digitalen Daten oder aus Karten, die am Bildschirm oder am Digitalisiertisch
digitalisiert werden können, erstellt werden. Das Netz wird automatisch generiert, und
den Knoten oder Elementen des Netzes werden die benötigten Attribute zugewiesen.
153
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Eine nachträgliche Veränderung des Modellnetzes ist einfach möglich. Nach erfolgter
Simulation können die Ergebnisse mit Hilfe des Postprozessors als Isolinen,
Flächenplots, Schraffuren, Werteplots, Ganglinien, Durchbruchskurven oder 3DSchaubilder dargestellt und editiert werden. Die Plots können beliebig miteinander
und/oder mit topographischen Karten überlagert werden. Die Überarbeitung und
Weiterverarbeitung mit anderen Programmen wie GIS ist möglich.
Die Leistungsmerkmale des Programmpaketes SPRING sind umfangreich und sind im
Einzelnen in /LAR 02/ dargestellt. Das Programm ist für alle handelsüblichen
Plattformen inklusive Windows NT und Linux erhältlich
CFEST
CFEST
(Coupled
Rechenprogramm
Flow,
Energy,
zur
and
Solute
Berechnung
von
Transport)
/ONWI 87/
Grundwasserströmungen
ist
ein
und
Transportprozessen. Das Rechenprogramm CFEST dient zur Berechnung von zeitlich
variablen, räumlich dreidimensionalen Strömungsvorgängen im Boden. Es können
folgende Parameter berechnet werden:
·
Strömungsgeschwindigkeit
·
Konzentration einer gelösten Substanz
·
Temperaturverteilung
Dichte und Viskosität des strömenden Mediums sind abhängig von Konzentration und
Temperatur; dadurch ergibt sich eine Kopplung zwischen den Gleichungen für
Strömungsgeschwindigkeit und Stoff- bzw. Wärmetransport. Die Kompressibilität des
porösen Bodens und des Fluids, Wärmeleitung im Boden, molekulare Diffusion,
hydraulische Dispersion, Salzauflösung, radioaktiver Zerfall, Sorption/Desorption
werden als weitere physikalische Effekte berücksichtigt. Als Randbedingungen werden
ein vorgegebenes Druckfeld, Temperatur, Konzentration, Infiltration an der Oberfläche,
Volumenfluss an den Rändern, Quellen und Senken und freie Oberflächen
berücksichtigt.
Für die numerische Lösung wird ein Finite Elemente Verfahren benutzt. Die
Modellgeometrie wird durch ein zweidimensionales Gitternetz an der Bodenoberfläche
mit frei wählbarer vertikaler Schichtungsfolge an jedem Gitterpunkt definiert. Dieses
Verfahren erlaubt eine flexible Beschreibung komplexer Geometrien. Für die
154
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Zeitintegration und die Berechnung der Advektionsterme sind Wichtungsfaktoren zur
Wahl des numerischen Verfahrens (implizit oder Crank-Nicholson, zentrale Differenzen
oder Wichtung mit Strömungsrichtung) verfügbar. CFEST ist Eigentum des U.S.
Department of Energy und wird am Battelle Pacific Northwest Laboratory entwickelt.
NAMMU
Das Rechenprogramm NAMMU (Numerical Assessment Method for Migration
Underground) wurde von AEA-Harwell zu Beginn der achtziger Jahre entwickelt
/ATK 85/. Das Programm wurde seitdem einer ständigen Programmpflege unterzogen.
Die früher eigenständigen Programme zur Simulation der Grundwasserströmung
(NAMMU) und des Radionuklidtransports (NAMSOL) wurden in einem Programmpaket
zusammengefasst.
In
NAMMU
sind
die
entsprechenden
physikalischen
Grundgleichungen
für
Grundwasserströmungs- und Stofftransportprozesse implementiert. Die Eingabedaten
werden in einem allgemeinen Eingabeprozessor für die programminterne Benutzung
aufbereitet. Zur Lösung des partiellen Differentialgleichungssystems wird ein
allgemeines Lösungsverfahren TGSL verwendet. Die Ergebnisse werden schließlich
mit einem Grafikpaket so aufbereitet, dass sie über ein entsprechendes Interface mit
verschiedenen Softwarepaketen geplottet werden können.
NAMMU enthält physikalische Modelle zur Berechnung der Grundwasserströmung im
gesättigten oder ungesättigten porösen Medium und des Transports von Salzlauge und
Wärme.
Dabei
wird
berücksichtigt,
dass
sich
Dichteunterschiede
auf
das
Strömungsfeld auswirken. Weiterhin kann der Transport von Radionukliden oder
anderen Schadstoffen simuliert werden. Grundsätzlich wird vorausgesetzt, dass die
Strömung dem DARCY-Gesetz folgt (poröser GWL) und dass sich das Grundwasser
und seine Inhaltsstoffe ebenso wie das durchströmte Medium im thermischen
Gleichgewicht und Sorptionsgleichgewicht befinden.
Für den Basisfall, nämlich Strömung und Transport in gesättigten porösen bzw. quasi
porösen Medien ohne Dichterückkopplung, sind allgemein implementiert. Diese
Gleichungen werden ergänzt durch Randbedingungen, die die Variablen oder deren
Ableitung auf dem definierten Modellrand zeitlich konstant oder veränderlich
vorschreiben. Der für die Ermittlung des Strömungsfeldes wesentliche Parameter,
nämlich die Permeabilität, kann anisotrop angegeben werden. Der Radionuklid- bzw.
155
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Stofftransport wird auf der Basis des errechneten Strömungsfeldes als instationärer
Vorgang simuliert. Die dafür notwendigen Quellstärken und bestimmenden Parameter
können nuklid- bzw. stoffspezifisch angegeben werden.
Für die Berechnung der Strömung und des Energietransports im ungesättigten
Medium sind die entsprechenden Grundgleichungen zu modifizieren, um der Tatsache
Rechnung zu tragen, dass die Poren des durchströmten Mediums nicht vollständig von
dem Fluid erfüllt sind. Dabei wird vorausgesetzt, dass das in den Poren befindliche
Gas immobil ist und sich im Gleichgewicht mit dem Atmosphärendruck befindet. Für
die Permeabilität wird ein relativer Wert eingeführt, der von der Sättigung des
durchströmten Mediums, d.h. dem Verhältnis des wassererfüllten zum gesamten
Porenraum abhängt. Hierdurch wird dem Strömungswiderstand Rechnung getragen,
der bei der Verdrängung von Gas dem Grundwasser entgegengesetzt wird. Die Beziehung zwischen relativer Permeabilität und Sättigung wird empirisch ermittelt.
Das Lösungsverfahren basiert auf der Methode der Finite Elemente und zwar im
speziellen auf dem GALERKIN-Verfahren und löst ein System von gekoppelten
nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen. Zur numerischen Behandlung wird der
Raum, in dem das Differentialgleichungssystem gültig ist, in eine Anzahl von Finite
Elementen mit einfacher Geometrie unterteilt. Für die transiente, d.h. zeitabhängige
Lösung wird das Differential durch einen Differenzenquotienten ersetzt. Dies geschieht
entweder explizit, indem vom Zeitpunkt t auf den Zeitpunkt t+Dt extrapoliert wird oder
implizit, indem für die Lösung die Werte des Zeitpunktes t+Dt verwendet werden.
In TGSL sind ein explizites und ein implizites EULER-Verfahren implementiert. Ferner
kann ein CRANK-NICOLSON-Verfahren verwendet werden, bei dem der Grad des
impliziten Anteils an der Lösung mit einem Parameter frei gewählt werden kann.
Darüber hinaus sind noch eine Predictor-Corrector-Methode und ein Verfahren höherer
Ordnung nach GEAR implementiert. Im ersten Fall wird für den Predictor-Schritt ein
explizites Verfahren angesetzt, während der Corrector-Schritt implizit arbeitet. Das
Verfahren nach GEAR ist eine Erweiterung, bei dem für die Extrapolation des
Predictor-Schrittes nicht nur der letzte Zeitpunkt, sondern auch noch weiter
zurückliegende verwendet werden. Analog wird auch der Corrector-Schritt behandelt.
156
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
9.5
Anwendungsbeispiele
Einige Beispielsanwendungen der o.a. Programme sind /SMU 97,b-e/, /KIN 95/
beschrieben. Anlage 4 dieses Fachbandes enthält Beispiele einer Anwendung des
Grundwasser- und Schadstofftransportprogramms SPRING. Weitere Anwendungsbeispiele der Programme SPRING und NAMMU sind in /LAR 02/ und /BAL 98/
aufgeführt.
157
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
10
Berichtswesen
10.1
Anforderungen an die Anwendungsdokumentation von Rechencodes
Im Sinne einer Reproduzierbarkeit und Transparenz der späteren Aussagen zur.
Konzentration der Schadstoffe im Grundwasser obliegt dem Programmanwender eine
sorgfältige Dokumentation der durchgeführten Anwendungsrechnungen (Modellierungen).
Daher müssen diese durchgeführten Anwendungen den Anforderungen einer
Qualitätssicherung genügen, um es zu ermöglichen, durch Nachvollzug des
Programmablaufs (Modells) oder einzelner Programmschritte (Detailmodelle) die
Plausibilität der erzielten Ergebnisse überprüfbar zu machen.
Anwendungsrechnungen sind zum Zwecke der Qualitätssicherung eindeutig zu dokumentieren. Dabei soll die Transparenz der Anwendungen, deren Reproduzierbarkeit
(u.U. mit erweiterten Rechencode-Versionen) und die Rückholbarkeit archivierter
Ergebnisse, z. B. für zusätzliche Auswertungen oder nachträgliche Begutachtungen,
sichergestellt werden. Die folgenden Anforderungen stellen den Mindestumfang einer
solchen Dokumentation dar.
Als
Grundvoraussetzung
einer
Reproduzierbarkeit
und
Transparenz
von
Modellergebnissen gilt, dass der bei der Modellierung verwendete Rechencode
eindeutig zu kennzeichnen ist, z. B. mit
-
dem Namen des Rechencodes und seinem Aufgabenbereich,
-
Typ und Art der verwendeten Module im Programm,
-
einer Versionsnummer und einer Modifikationsnummer,
-
dem Namen der für die Entwicklung verantwortlichen Institution und evtl. des
zuständigen Entwicklungsleiters,
-
ausführliche Dokumentation eigener anwenderspezifischer Programmänderungen.
Darüber hinaus sind eine ausreichende Beschreibung der Anwendungsrechnung, evtl.
eine übersichtliche Gestaltung von durchgeführten Teilschritten der Modellierung und
158
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
eine entsprechende Sicherung der Teil- und Endergebnisse der Modellierung von
großer Bedeutung.
Die Anwendungsdokumentation sollte der Ergebnisberichterstattung beigefügt werden
und durch eine Übergabe der verwendeten Ein- und Ausgabedateien des Codes (z. B.
als Datenfiles) eine nachträgliche Begutachtung so weit wie möglich erleichtern.
10.1.1
Beschreibung von Anwendungsrechnungen
Die Anwendung spezifischer Modellvorstellungen innerhalb des konzeptionellen
Modells ist zu erläutern und insbesondere im Hinblick auf den Anwendungsbereich des
Codes zu begründen. Dies trifft sowohl auf die zu behandelnden Phänomene als auch
auf die zu erwartenden Ergebnisse zu. Der Umfang dieser Beschreibung hängt von der
Komplexität der behandelten Problemstellung ab. Ein Anwendungsbeispiel, dargestellt
wird die Verwendung von Modulen zum Transport von Radionuklidketten, zeigt die
Anlage 4.
Das betrachtete Modellgebiet ist in seinem geometrischen und stofflichen Aufbau zu
beschreiben. Die Wahl der verwendeten Parameter sowie der erforderlichen Randbedingungen und Anfangsbedingungen sind zu begründen. Das Ziel der Simulationsrechnung und die gewünschte Genauigkeit der Ergebnisse ist darzulegen.
Die im Rechenlauf verwendete Eingabe für den Rechencode ist hinsichtlich der für das
verwendete Modell spezifizierten Parameter darzustellen. Die Angemessenheit der
räumlichen und zeitlichen Diskretisierung ist hinsichtlich der geforderten Genauigkeit
der Ergebnisse und hinsichtlich der in der Programmbeschreibung dokumentierten
numerischen Stabilitätskriterien des Lösungsverfahrens zu begründen. Die Plausibilität
der erreichten Ergebnisse ist aufzuzeigen.
10.1.2
Führen eines Logbuchs
Aufgrund etwaiger Nachfragen, z. B. durch den Auftraggeber, sollte der Modell- bzw.
Rechencode-Anwender für seine Modellierungen ein Logbuch führen.
In dieses Logbuch sind einzutragen
·
der Name des Anwenders,
159
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
·
Datum, Uhrzeit und Jobnummer des Laufs,
·
die verwendete Rechencode-Version und -modifikation,
·
die Problemstellung,
·
das verwendete Modell,
·
die Eingabe- und Ausgabedateien und
·
bei einem fehlerbedingten Abbruch des Laufs die Ursachen.
Wenn möglich, können einige dieser Angaben pauschal für eine Serie von Läufen
erfolgen.
10.1.3
Archivierung
Endgültige Rechenläufe sind zur Qualitätssicherung zu archivieren. Dies betrifft alles,
was für eine eventuelle Wiederholung des Laufs (Reproduzierbarkeit) notwendig ist,
nämlich
-
das Modellgitter,
-
die Programmsteuerung,
-
die komplette Programmeingabe des verwendeten Modells,
-
die komplette Programmausgabe,
-
die eventuell erzeugten Ergebnisfiles sowie
-
u.U. auch die verwendete Rechencode-Version und Bibliotheksdateien.
Die Archivierung ist für einen mit dem Auftraggeber festzulegenden Zeitraum
sicherzustellen. Sie hat auf maschinenlesbarem Datenträger zu erfolgen.
10.1.4
Ergebnisdarstellung
Die Transparenz von Grundlagen und Daten ist ein wesentlicher Bestandteil für das
Verständnis eines hydrogeologischen Modells. Dies wird gewährleistet durch eine
entsprechende Datendokumentation in der Ergebnisdarstellung. So sind u. a.
160
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
-
die vollständigen Ausgangsdatenbasis,
-
die angewandten Auswerteverfahren,
-
die vorgenommenen Schematisierungen,
-
die getroffenen Annahmen bzw. Arbeitshypothesen und
-
die Unschärfe sowohl der Ausgangsdaten als auch der Modellparameter
darzulegen.
Ein gutes und anschauliches Postprocessing mit einer hochauflösenden Grafik vermag
gute Ergebnisse auch gut darzustellen. Schlechte oder falsche Resultate werden
dadurch aber nicht besser werden. Dies könnte bei einer fehlenden Angabe zur
Aussagegenauigkeit jedoch vorgetäuscht werden.
Zusammenfassend
sind
in
/LEG 96/
einige
Vorschläge
zur
grafischen
Ergebnisdarstellung aufgeführt:
·
Durchbruchskurven
(c/t-Diagramme)
mit
logarithmischem
oder
doppelt
logarithmischem Zeit- oder Konzentrationsmaßstab; Darstellung der Absolutwerte
oder normiert auf Konzentrationsabsolutwerte oder auf Einleitungs- bzw.
Maximalkonzentrationen; Lagepläne der Datenpunkte,
·
Profile (c/x-Diagramme); Konzentrationsdarstellung wie bei c/t-Diagrammen,
2-D-Konzentrations-
oder
Druckhöhenverteilungen
(Isolinienplots)
oder
Kontaminationen in Farbe bzw. mit Graustufen eingefärbten Flächen,
·
Schnitte durch 3-D-Gebiete (darstellbar wie 2-D-Plots),
·
Orientierung von Flächendarstellungen an markanten geographischen Punkten,
·
Überlagerung der Ergebnisdarstellungen über eine digitalisierte Karte, z. B. aus
Dateien von Geographischen Informationssystemen (GIS),
·
Einordung der Zeichnungen mit Angabe von Maßstäben, Verzerrungen und
Überhöhungen.
·
Darstellung von Ergebnisbandbreiten auf Grundlage der Parametervariation und
Unsicherheitsbetrachtungen.
161
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Die Ergebnisse sollten in verständlicher Form unter Verwendung üblicher Begriffe
angegeben werden, z. B. in SI-Einheiten oder in Ausnahmefällen in den dem
Auftraggeber gewohnten Einheiten.
10.2
Berichtswesen und QS-Dokumentation
Dieser Abschnitt gibt Empfehlungen mit dem Ziel, die Integrität und die Verfolgbarkeit
von Software, Modellierung und Dokumentation auch im Berichtswesen zu erhalten.
Neben dem Modellaufbau und der Begründung der Wahl des konzeptionellen Modells,
der Ergebnisdokumentation der Modellierung, etc. müssen im Bericht
-
die Software und die mit ihr verbundene Dokumentation identifiziert,
-
die Modifikationen am Modell und in der Software festgehalten,
-
der Endstatus von Software und Modell festgehalten und
-
die einzelnen Modelle katalogisiert und archiviert
werden.
Alle Dokumente sollten sowohl beim Auftragnehmer als auch beim Auftraggeber in
einem Archiv aufbewahrt werden.
Die Dokumentation einer Qualitätssicherung einer Modellanwendung besteht aus
einem Verifizierungsnachweis der Programme, den Logbüchern der einzelnen
Modellrechnungen und dem Ergebnis der Prognoserechnung am Standortmodell.
Ein Backup vom Modell, der Eingabedatensatz, das Ergebnis und die verwendete
Software sollten unter Qualitätssicherungsanforderungen angelegt werden und dem
Auftraggeber zur Beweissicherung übergeben werden. Auch für alle zugehörigen
Dokumentationen sollten Backup-Kopien erstellt werden.
Die Qualitätsprüfungen sollten sich auf Aufzeichnungen zu vergangenen und aktuellen
Arbeiten erstrecken, die zur Modellierung erstellt wurden. Insbesondere sollten
Aufzeichnungen zum Modell, Berichte über Reviews, Aufzeichnungen zur Verifizierung
und Validierung sowie die gesamte weitere Dokumentation zum Projekt kontrolliert
werden.
162
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
11
Bewertung der Modellierungs- und Simulationsergebnisse
11.1
Bewertung der Ergebnisse
Im Rahmen des Leitfadens wird von der Modellierung die prognostische maximale
Aktivitätskonzentration von Radionukliden als Endergebnis einer modellhaften
Beschreibung einer festgestellten oder angenommenen Radionuklidausbreitung im
Grundwasserabstrom einer Halde bis zu einem Bezugspunkt gefordert, die zur
Abschätzung der über den Grundwasserpfad resultierenden Strahlenexposition dient.
Der
Dosisbeitrag
des
Aktivitätskonzentrationen
Grundwasserpfads
der
einzelnen
selbst
Nuklide
(Zu
ermittelt
den
sich
aus
den
möglicherweise
zu
berücksichtigenden Radionukliden siehe Ausschlusskriterium im Leitfadenelement
Grundwasserpfad.). Er beschreibt den radiologischen Beitrag des Grundwassers zur
Gesamtdosis, die von einem Objekt ausgehen kann.
Die Bestimmung dieser Aktivitätskonzentrationen von Radionukliden kann, wie bereits
beschrieben, auf verschiedenen Wegen erfolgen.
In der einfachsten Form werden die Aktivitätskonzentrationen der relevanten
Radionuklide direkt im Sicker- oder Grundwasser gemessen und/oder über eine
konservative Abschätzung anhand dieser gemessenen Konzentrationen in Verbindung
mit einer Bilanzierung der kontaminierten und unkontaminierten Wasserflüsse an
einem Bezugspunkt im Grundwasserabstrom des Objektes bestimmt. In der
aufwändigsten Form besteht die Modellkonzeption zuerst aus einer Ermittlung von
prognostischen transienten Freisetzung der Radionukliden über Sickerwassereinträge
aus dem Objekt in das Grundwasser, wie sie im Leitfadenfachband Sickerwasserpfad
beschrieben werden. Die nuklidspezifische Freisetzungen (nuklidspezifische Aktivitätskonzentrationen, nuklidspezifische Freisetzungsterme) können den Ausgangspunkt
einer
mehrdimensionalen
Berücksichtigung
von
Grundwasser-
Dispersion,
und
Retardation
Transportmodellierung
und
radioaktivem
Zerfall
unter
und
Zerfallsketten bilden.
Insgesamt ist eine detaillierte Betrachtung von einzelnen Radionukliden aufwändig, da
Retardation, Zerfall und Tochternuklide zu berücksichtigen sind, wodurch in einem z. B.
Mehrkomponententransport mit dem Grundwasser für jedes relevante Radionuklid ein
entsprechender Datensatz aufzustellen ist. Das Ergebnis der durchgeführten
163
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Radionuklidtransportmodellierung liegt dann z. B. in der Angabe einer transienten
Verteilung der Aktivitätskonzentration jedes einzelnen Radionuklids in Bq/l an einem
Bezugspunkt.
Zwischen beiden Extrema (vereinfachte Betrachtung und Verwendung komplexer
Modelle und Codes) können je nach Problemstellung und Genauigkeitsanforderung an
das Endergebnis eine Reihe von analytischen und numerischen Programmen des
Grundwasser-
und
Schadstofftransportes
in
unterschiedlichen
Kombinationen
verwendet werden. In ihrer adäquaten Anwendung einer Programm- und Modellkette
müssen als Endergebnis jeweils die nuklidspezifischen Aktivitätskonzentrationen an
einem Bewertungsaufpunkt vorliegen. Eine Ausnahme stellt die Bewertung des
Eintrages von Radionukliden aus dem Grundwasser in eine Vorflut dar. Hier sind
zusätzlich
die
Radionuklidfrachten
(in
Bq/a)
zu
betrachten,
da
wechselnde
Wasserstände und Abflüsse der Vorflut die Aktivitätskonzentrationen im Wasser
beeinflussen.
Insgesamt kann, wie bereits beschrieben, eine spezielle Empfehlung einer Benutzung
von bestimmten Verfahren und Modellen bzw. die Verwendung bestimmter Codes nicht
ausgesprochenen werden. Jedoch sollte unter Beachtung der entstehenden Kosten,
wie schon in der Abb. 5-1 dargestellt, eine sukzessive Überprüfung der Notwendigkeit
der Anwendung von einfachen zu komplexen, aufwändigen Programmen durchgeführt
werden. Dabei ist sowohl für das verwendete Verfahren als auch für das erstellte
Modell in der Ergebnisdarstellung der Modellrechnungen eine Begründung im Hinblick
auf den Anwendungsbereich des Codes bzw. des Modells zu liefern.
Auf der Basis der vorliegenden Informationen über das Radionuklidinventar bzw. über
das Freisetzungsverhalten der Nuklide und der geologischen und hydrogeologischen
Informationen werden erste i. d. R.. grobe Abschätzungen mit vereinfachten Verfahren
(z.
B. analytischen Verfahren) durchgeführt und
das
Endergebnis
mit
der
Qualitätseinschätzung der Berechnung bewertet. Das Ergebnis ist im Bericht zu
beschreiben. Dabei ist zu überprüfen, ob das Ergebnis im Sinne der vorliegenden
Problemstellung, d.h. der Ermittlung von Radionuklidkonzentrationen an einem
Bewertungsaufpunkt, eine eindeutige Aussage erlaubt.
Ist dies nicht der Fall, so werden in Abhängigkeit von dem gewählten konzeptionellen
Modell weitergehende Schritte zur Qualifizierung der Ergebnisse unternommen, die i.
164
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
d. R.. entweder zu einer weitergehenden Parameterermittlung und/oder der
Verwendung von anspruchvolleren Programmen führen.
Da Bewertungen von radioaktiven Altlasten für lange Zeiträume durchzuführen sind,
müssen im Weiteren vielfach Prozesse behandelt werden, deren Langzeitverhalten
nicht direkt mit Hilfe von Experimenten im Labor oder Feld beobachtet werden können.
Lediglich Analogieschlüsse ermöglichen es, Phänomene, die exakten Messungen im
erforderlichen
Umfang
nicht
zugänglich
sind,
für
Prognosebetrachtungen
zu
modellieren. Dies stellt somit eine erhöhte Anforderung an die Ergebnisinterpretation
der Modellierung dar. Ähnliches gilt für das natürliche chemische Barrierensystem des
geologischen Untergrundes, d.h. für das Rückhaltepotential der Gesteine am Standort.
Es ist daher sicherzustellen, dass die verwendeten Modelle insbesondere in Bezug auf
den Schadstofftransport die für die Wirkungsweise der Barrieren relevanten Vorgänge
im erforderlichen Umfang realitätsnah wiedergeben. Dies gilt auch hinsichtlich der
Wiedergabe der physikalischen und chemischen Sachverhalte, die durch die
Gleichungssysteme beschrieben werden. Hier muss sichergestellt werden, dass alle
relevanten Prozesse berücksichtigt werden und physikalisch korrekt modelliert werden.
Sind, wie es im allgemeinen der Fall sein wird, Vereinfachungen vorgenommen
worden, so müssen diese begründbar konservativ sein, d.h. hinsichtlich des
Schutzzieles auf der sicheren Seite liegen. Dies gilt für den gesamten im Rahmen der
Prognoserechnungen angesprochenen Einsatzbereich der Modelle.
Neben der Darstellung der Modellergebnisse müssen Nachweise zur Qualität der
verwendeten Programme dargestellt werden. Nachweise für allgemein als Stand von
Wissenschaft und Technik anerkannte (d.h. von der überwiegenden Mehrheit der
wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptierte) Verfahren müssen nicht geführt und
überprüft werden, wenn sich der geplante Einsatz im Rahmen der spezifizierten
Gültigkeitsgrenzen der Modelle bewegt. Liegt der vorgesehene Anwendungsbereich
eines Modells außerhalb seines allgemein anerkannten Gültigkeitsbereiches, so muss
die Einsatzfähigkeit entsprechend untermauert und im Bericht erläutert werden.
Als Grundvoraussetzung einer Qualifizierung der Endergebnisse, mit welchen
Verfahren
oder
Programmen
sie
auch
erzeugt
wurden,
sind
nachfolgende
Qualifizierungsschritte zu den verwendeten Modellen inhaltlich zu dokumentieren.
165
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
11.1.1
Validierung und Plausibilitätsbetrachtungen im Rahmen von
Prognoserechnungen
Der Begriff der Validierung, als ein Nachweis der Gültigkeit (zur Beschreibung von
physiko-chemischen Vorgängen) verwendeter Modelle wurde bereits im Kapitel 3
beschrieben. An die Stelle der früheren Forderung eines positiven Nachweises der
Gültigkeit der verwendeten Modelle tritt heute der Ansatz der Erhöhung des Vertrauens
in die Adäquatheit der Modelle. Damit wird Validierung als Plausibilitätskontrolle, d.h.
einer Überprüfung der verwendeten Modelle mit Hilfe von Labor- und Feldexperimenten, im Hinblick auf den vorgesehenen Anwendungsbereich verstanden.
Dabei ist zu beachten, dass die bei Prognosen verwendeten Modelle auf konservativen
Annahmen beruhen sollten, um sicherzustellen, dass die berechneten radiologischen
Konsequenzen in jedem Falle in einem vernünftigen Rahmen höher sind als die
tatsächlich zu erwartenden.
Der Anspruch von Prognosen der Schadstoffausbreitung aus Halden des Alt- und
Uranbergbaus liegt nicht in der exakten Vorhersage der zukünftigen Entwicklung des
Standortes sowie der veränderten Freisetzung von radioaktiven Stoffen. Dies würde
einen genauen Nachweis der Standortentwicklung für den gesamten Prognosezeitraum bedeuten; ein Anspruch der aufgrund des heutigen Kenntnisstandes nicht
erfüllt werden kann. Das Ziel der Analysen muss es daher vielmehr sein, das
Rückhaltepotential des Standortes bzw. des natürlichen geologischen Untergrundes
aufzuzeigen und die ermittelten Radionuklidkonzentrationen radiologisch zu einem
angenommenen Standortzustand zu bewerten. Dies geschieht im Allgemeinen unter
der Voraussetzung, dass die hydraulischen Standortbedingungen auch für lange
Zeiträume
konstant
bleiben
oder
sich,
um
mögliche
Schwankungsbereiche
aufzuzeigen, im Rahmen von Standortentwicklungsszenarien in bestimmter definierter
Weise ändern.
In diesem Fall sind "worst-case" Betrachtungen anzustreben, in dem eine Entwicklung
des Standortes mit der höchsten Auswirkung auf den Menschen modelliert und
bewertet wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass das Ergebnis dieser Betrachtung
rein hypothetisch ist und sich daher von der radiologischen Bewertung einer
vorhandenen Nutzung des Grundwassers, z. B. in Form eines Trinkwasserbrunnens,
unterscheidet. Plausibilitätsbetrachtungen können in diesem Zusammenhang nur auf
eine sorgfältige Prüfung der Modelle auf Widerspruchsfreiheit gegenüber Feld- und
Naturbeobachtungen hinauslaufen. Dabei ist allerdings der gesamte räumliche und
166
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
zeitliche Anwendungsbereich der Modelle bei der Anwendung für Prognosen zu
beachten.
Insgesamt ist jedoch hervorzuheben, dass eine Prognose (d.h. eine zeitliche
Extrapolation von Messwerten) nur dann zulässig ist, wenn das ihr zu Grunde liegende
Modell nachweislich zur Beschreibung des Istzustandes in der Lage ist.
11.1.2
Bewertung von Modell- und Parameterunsicherheiten
Das bei Prognoserechnungen für Altlastenstandorte verwendete Instrumentarium soll
dem Stand von Wissenschaft und Technik entsprechen. Die wissenschaftliche
Herausforderung derartiger Analysen liegt in den langen Zeiträumen, für die eine
Einhaltung von Dosisrichtwerten aufzuzeigen ist. Dies kann z. B. durch eine
konservative Betrachtungsweise geschehen, wobei häufig der Nachweis der Konservativität nicht im Vorhinein, d.h. ohne Kenntnis der Endergebnisse zu führen ist.
Unsicherheiten im Modell haben grundsätzlich zwei Ursachen:
-
Heterogenitäten des Untergrundes (Parameterunsicherheit), sowie
-
unklare, nicht erfassbare Randbedingungen (Modellunsicherheit).
Trotz
Kalibrierung
eines
Grundwassertransportmodells
anhand
von
Beobachtungsdaten zum Istzustand ist davon auszugehen, dass der Untergrund nicht
eindeutig in seinen Eigenschaften und Randbedingungen identifiziert werden kann.
Dies gilt sowohl für die kleinräumigen Inhomogenitäten des Objekts als auch für die
Einbettung des Objekts in die großräumigen hydraulischen Randbedingungen des
Standortes. Weiterhin muss die Unsicherheit der verwendeten Modellparameter in
Betracht gezogen werden. So kann die Durchlässigkeit des Untergrundes nicht exakt
vorhergesagt werden. Beispielsweise führen nicht berücksichtigte Inhomogenitäten in
den hydrogeologischen Einheiten zu Ungenauigkeiten in den Transportwegen und
-zeiten.
Das
Aufzeigen
dieser
Unsicherheiten
und
ihre
Bewertung
hinsichtlich
Modellergebnisses ist Bestandteil der Modellaussage und ist
des
somit in der
Gesamtbeurteilung zu integrieren. Das Ergebnis einer Simulation kann nicht nur in
einem
einzelnen
Konzentrationswert
bestehen,
sondern
es
Fehlerbandbreiten, Unsicherheiten bzw. ihre Beurteilung mit anzugeben.
167
sind
immer
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Weitere Quellen von Unsicherheiten sind:
·
Vorgenommene Annahmen und Vereinfachungen
·
Numerische
Ungenauigkeiten
(numerische
Dispersion,
Solver-
und
Iterationsungenauigkeiten)
·
Ungenaue Modelldiskretisierungen
Auch diese Unsicherheiten sind im Ergebnis der Rechnungen zu diskutieren,
hinsichtlich der Akzeptanzkriterien der Modellaussage zu bewerten und im Bericht
aufzunehmen.
11.1.3
Methoden der Behandlung von Unsicherheiten
Die einfachste Methode zur Berücksichtigung von Unsicherheiten ist der Einbau von
Sicherheitszuschlägen und konservativen Annahmen ("worst-case" Analysen oder
"best estimate" Annahmen). Dazu muss mit Hilfe einer Analyse der sensitiven
Parameter
zunächst
geklärt
werden,
in
welcher
Parameterkombination
der
"schlimmste" Fall oder "schlimme" Fälle entstehen. Diese Analyse kann im Sinne der
unsicheren
Daten
in
Rahmen
einer
vereinfachten
Parametervariation
der
Eingangsdaten erfolgen. In einfachen Fällen der Bewertung im Sinne dieses Leitfadens
reicht
diese
Betrachtungsweise
und
die
Berechnung
der
"worst-case"
Parameterkombination in vielen Fällen aus. Der Dosisbeitrag, der dann aus dem
Grundwasser resultiert, ist dann zwar nicht genau, aber nach oben konservativ
abgeschätzt.
Die Parametervariationen in der Analyse weiterer Datensensitivitäten von komplexen
Standorten können punktuell oder global erfolgen. Die globale Variation betrifft einen
angenommenen regionalen Mittelwert für einen Parameter. Die punktuelle Variation
führt
nach
/LEG 96/
zu
einer
extremen
Vielfalt
von
Möglichkeiten
der
Parameterkombination, die günstiger mit stochastischen Methoden vorgenommen wird.
Einen Weg der Bewertung von Unsicherheiten von Parametern in aufwändigen
Modellen von komplexen Standorten mit sensitiven Nutzungscharakteristiken zeigen
nach /LEG 96/ halb-probabilistische Analysen auf. Bei einer Verwendung von MonteCarlo-Verfahren wird zum Beispiel innerhalb eines durch die Datenermittlung
vorgegebenen Spielraums von Parameterwerten eine Anzahl von möglichen
168
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Parameterrealisationen generiert. Für jede Realisation wird eine deterministische
Berechnung durchgeführt. Aus den Ergebnissen vieler Realisationen können ein
Mittelwert, ein Medianwert bzw. ein wahrscheinlicher Wert ('best estimate" Wert) und
eine Schwankungsbreite der Ergebnisse d. h. Wirkungsweise der Veränderung des
Systems auf die Datenbandbreite hergeleitet werden. Eine Voraussetzung für
zuverlässige Aussagen bei stochastischen Analysen ist das Erreichen der Konvergenz
von Mittelwert und Standardabweichung durch eine hinreichend große Anzahl von
Realisationen. Die stochastische Modellierung erlaubt Aussagen zur Auswirkung von
unbekannten Inhomogenitäten, die in rein deterministischen Modellen unberücksichtigt
bleiben. Diese spielen für den Transport von Schadstoffen eine größere Rolle als für
die reine Strömung.
Bei allen hydraulischen Modellierungen führen Inhomogenitäten des Untergrundes
sowohl in der Durchlässigkeitsverteilung als auch in der Schadstoffverteilung zu einer
Verlängerung der Zeit des Modellaufbaus gegenüber einem homogenen Untergrund
mit gleichen mittleren Eigenschaften der Gesteine. Aquifern, d.h. Bereiche höherer
Durchlässigkeit, werden in dem betrachteten Zeitintervall eventuell schon mehrfach
durchströmt, während schlechtdurchlässige Bereiche noch gar nicht von der
maximalen
Konzentrationsfront
erfasst
worden
sind.
Der
Einfluss
solcher
Inhomogenitäten des Untergrundes zeigt sich in fast jeder Überprüfung von
Modellergebnissen an Feldmessungen und in jeder Kalibrierung des Modells.
Ein weiterer Weg zur Bewertung von Modell- und Parameterunsicherheiten kann mit
Hilfe der Unsicherheitsanalyse beschritten werden, bei der mit Hilfe probabilistischer
Verfahren die integrale Unsicherheit des Endergebnisses, die durch Parameter-,
Szenarien-, oder Modellunsicherheiten bedingt ist, quantifiziert wird. Gegenstand einer
derartigen Analyse sind Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Zielgrößen, verbunden
mit einer Angabe über den Vertrauensgrad dieser Aussage. Wichtig ist bei der
Interpretation des Ergebnisses solcher Unsicherheitsanalysen, dass auch für eine
Überschreitung der zulässigen Richtwerte der Strahlenbelastung verschiedene
Wahrscheinlichkeiten errechnet werden können. Bei der Würdigung dieser Ergebnisse
ist daher die Größe der Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten von Grenzwerten zu
berücksichtigen.
Diese aufwändigen Techniken stellen zur Absicherung gegen Unsicherheiten in der
Kenntnis von Untergrund und Randbedingungen eine anwendbare Methode dar, die i.
d. R.. nur bei komplexen Modellen verwendet werden. Für einfache bzw. vereinfachte
169
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Modellbetrachtungen reichen meist "worst-case" Betrachtungen oder mindestens eine
qualitative Beschreibung und Einschätzung der Unsicherheiten zur Ergebnisabsicherung aus. Im Weiteren kann die zusätzliche kontinuierliche Interpretation der
anfallenden Daten zu einer Verbesserung der Erfolgskontrolle des verwendeten
Modells beitragen.
Die Auswahl der verwendeten Technik hängt von der gegebenen Problemstellung, der
Problembehandlung
im
Modell
und
der
geforderten
Aussagegenauigkeit
(Akzeptanzkriterien) ab. So ist bei einer vereinfachten Betrachtungsweise eine
stochastische Unsicherheitsanalyse der gegebenen Parameter nicht sinnvoll, da die
Schwankungsbreite
der
Modellaussagen
einfacher
und
besser
durch
eine
Parametervariation aufgezeigt werden kann. Jedoch ist eine Bewertung der
Ergebnisunsicherheiten, die aus den Modell- und Parameterunsicherheiten resultieren,
ein nicht verzichtbarer Vorgang zur Qualitätsbestimmung und Bewertung der
Ergebnisse und damit der Aussage.
11.2
Beispielsanwendungen im Rahmen der Sanierung von bergbaulichen
Objekten des Uran- und Altbergbaus
Die Verwendung von Modellergebnissen aus Computersimulationen des Grundwasserund Schadstofftransportes ist in der Bewertung konventioneller Altlasten, d.h.
Hinterlassenschaften mit nicht radioaktiven Schadstoffen, Stand der Technik. Die
Programme werden zusätzlich zur Überprüfung verschiedener Sanierungsoptionen
verwendet. Eine Reihe von Rechnungen im Rahmen der Bewertung konventioneller
Altlasten sind vielfach dokumentiert und publiziert. Beispiele hierzu finden sich u. a. in
/LEG 96/, /KIN 92, KIN 95, KIN 96/, /SMU 97/.
Im Rahmen der Bewertung von bergbaulichen Objekten des Uran- und Altbergbaus in
den
Bundesländern
Sachsen,
Thüringen
und
Sachsen-Anhalt
sind
dagegen
Grundwassertransportmodelle allenfalls im Zusammenhang mit Prognosen von
Bergwerksflutungen,
von
integralen
Bewertungen
der
Sanierungsoptionen
an
Wismutstandorten oder Bewertungen von Industriellen Absetzanlagen zu finden.
Nach dem Stand der Recherche wurden Computersimulationen z. T. im Rahmen einer
integrierten Gesamtbeurteilung von Wismutstandorten, z. B. des Sanierungsbetriebs
Ronneburg verwendet oder zur Flutungskonzeption der Urangruben Königstein, Aue
und Ronneburg.
170
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
Zur langfristigen Bewertung und Prognose der Flutung der Grube Königstein kamen
die Programme FEFLOW, SPRING und MODFLOW, u. a. in /FLE 98/, zur Anwendung.
Alle Anwendungen wurden in Rahmen von Genehmigungsverfahren durchgeführt und
wurden deshalb nicht weitergehend publiziert.
Weiterhin wurden im Rahmen von Teilaussagen der Sanierungskonzeptionen der
Wismut, z. B. zur Hammerberghalde (Aue), für eine Bewertung der möglichen
Sickerwasseranfälle die Sickerwasserbilanzierungsprogramme HELP und BOWAM, u.
a. /DUN 93, DUN 95, HÄH 96/ angewendet.
Eine vollständige Analyse des Grundwasserpfades mit dem Programm SPRING,
wurde von der GRS im Rahmen der Erstellung eines Sicherheitsberichtes zur IAALengenfeld für das LfUG durchgeführt /LAR 02/. Obwohl nicht speziell für die
radiologische Bewertung des Grundwasserpfades im Abstrom von Halden konzipiert,
kann die beschriebene Vorgehensweise der Modellierung und Programmanwendung
als Beispiel für eine Berechnung von Radionuklidkonzentrationen mit Hilfe von
Grundwassertransportmodellen im Sinne dieses Leitfadens herangezogen werden. An
der Modellrechnung in /LAR 02/ kann beispielhaft der Vorgang der Modellerstellung bis
zur Darstellung der Modellergebnisse nachvollzogen werden.
171
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
12
Literatur
/ALT 98/
Althaus M., Michel W., Nindel K.
Das Königstein Multitracer Experiment - Transportparameterabschätzung
aus Durchbruchskurven
in Proceedings of the International Conference and Workshop "Uranium
Mining and Hydrogeology II", Verlag Sven von Loga, Köln 1998
/ATK 87/
Atkinson R. et al.
NAMMU User Guide (Release 4)
Theoretical Physics Division, Harwell Laboratory 1987
/BAL 98/
Baltes B. et al.
Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden zur Eignungsuntersuchung der Verbringung bergbaufremder Rückstände in dauerhaft offene
Grubenräume im Festgestein
Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS)mbH,
GRS-Fortschrittsbericht (FZ 02 C 0224 1),GRS-140, April 1998
/BEA 72/
Bear J.
Dynamics of Fluids in porous media
Elsevier, New York 1972
/BEA 87/
Bear J., Verruijt, A.
Modelling Groundwater Flow aund Pollution, Theory and Applications of
Transport in Porous Media with Computer Programms for Sample Cases
Reidel, Dordrecht 1987
/BFG 90/
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Transportmodelle und Grundwasserströmungsvorgänge zur Beurteilung
der Ausbreitung von radioaktiven Stoffen in porösen und klüftigen Medien
Abschlußbericht - BfG - 0558, Koblenz 1990
172
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/BFG 94/
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Der Transport von radioaktiven Stoffen in der ungesättigten und gesättigten
Bodenzone - dargestellt anhand physikalisch-chemischer Modellversuche
sowie mathematischer Transportmodelle
Abschlußbericht - BfG - 0792, Koblenz 1994
/BLU 92/
Blume H.P.
Handbuch des Bodenschutzes
Ecomed Verlag 2. Auflage 1992
/BOG 87/ Bogorinski P.
SWIFT im internationalen Vergleich Statusbericht,
GRS-A*-1342, Köln 1987
/BOO 99/ Boochs P.W., Lege Th., Mull R., et al.
Methodenhandbuch Band 7 "Deponie-Untergrund"
Springer Verlag 1999
/BUS 93/
Busch K.F., Luckner L., Tiemer K.
Geohydraulik. Lehrbuch der Hydrogeologie
3. neubearbeitete Auflage, Bornträger, Berlin Stuttgart 1993
/CAR 88/
Carrera J.
State of the art of the inverse problem applied to the flow and solute
transport equations
In : Custodio E. et al. (eds) Groundwater flow and quality modelling, NATO
ASI-Series C, Vol. 224. pp 549-583 Reidel, Dordrecht 1988
/COL 91/
Coldewey G., Krahn L.
Leitfaden zur Grundwasseruntersuchung in Festgesteinen bei Altablagerungen und Altstandorten
Düsseldorf 1991
173
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/DIE 93/
Diersch H.J.
GIS-based groundwater flow and transport modelling - The simulation
system FEFLOW
In: Ossing, F. (ed.) Praxis der Umwelt-Informatik, Bd 4. Metropolis, Marburg
1993
/DIE 94/
Diersch H.-J.
FEFLOW - Physikalische Modellgrundlagen
In: Fachtagung "Grafikgestützte Grundwassermodellierung", Berlin
16./17.3.1994. IWU -Tagungsberichte
/DIE 96/
Diersch H.-J. et al.
FEFLOW User-Manual
WASY GmbH, Berlin 1996
/DIN 90/
Deutsche Industrie Norm
ISO 9000, Qualitätsmanagement und Qualitätssicherung, Anmerkungen zu
Grundbegriffen
Beuth Verlag, Berlin 1990
/DUN 93/
Dunger V.
Methodik zur Quantifizierung der Sickerwasserbewegung in Bergehalden
in Proccedings des Berg-Hüttenmännischen Tages 1992
Reihe: Geophysikalische Untersuchungen aus Deponien und Altlasten,
Freiberg 1993
/DUN 95/
Dunger V.; Hähne R.
Wasserhaushaltsberechnung in Haldenkörper des Uranerzbergbaus der
WISMUT
IHI - Schriften, Heft 2, Jahrgang 1996
/DUN 97/
Dunger V.
Dokumentation des Modells BOWAHALD 2D zur zweidimensionalen
Simulation des Wasserhaushaltes von wasserungesättigten Bergehalden
und Deponien unter Berücksichtigung von Abdeckschichten
Freiberg 1997
174
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/DVWK 85/ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK)
Voraussetzungen und Einschränkungen bei der Modellierung der
Grundwasserströmung
DVWK - Fachausschuß “Grundwasserhydraulik und -modelle”,
DVWK - Merkblätter, Heft 206, 1985
/DVWK 89/ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK)
Stofftransport im Grundwasser
DVWK - Schriftenreihe, Heft 83, Parey, Hamburg 1989
/DVWK 91/ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK)
Sanierungsverfahren für Grundwasserschadensfälle und Altlasten,
Anwendbarkeit und Beurteilung
DVWK - Schriftenreihe, Heft 98, Parey, Hamburg 1991
/DVWK 93/ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK)
Stoffeintrag und Grundwasserbewirtschaftung
DVWK-Schriftenreihe, Heft 104, Parey, Hamburg 1993
/DVWK 95/ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK)
Speicher-Durchfluss-Modelle zur Bewertung des Stoffein- und Stoffaustrages in unterschiedlichen Grundwasser-Zirkulationssystemen
DVWK-Schriftenreihe, Heft 109, Parey, Hamburg 1995
/ECK 98/
Eckart M., Mocker D., Jahn S., Pollmer K.
Beschreibung der Reaktions- und Transportvorgänge in Halden durch das
Mehrmigrantenstoffmodell-Zweiphasenströmungsmodell TENSIC
in Proceedings of the International Conference and Workshop "Uranium
Mining and Hydrogeology II", Verlag Sven von Loga, Köln 1998
/FEI 91/
Fein E.
Grundwasserprogramme mit variabler Dichte, Statusreport: Projektleitung
Rahmenplan Endlagersicherheit in der Nachbetriebsphase.
GSF-Bericht 31/91, GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit
GmbH, Neuherberg 1991
175
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/FEL 99/
Felske M.
Fachinformationssystem bergbaubedingte Umweltradioaktivität (FBU)
Anwendungsbuch Oracle-Sachdaten, Version 1.0, Gesellschaft für
Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS)mbH, Köln, Januar 1999
/FET 92/
Fetter C. W.
Contaminant Hydrogeology
Prenticce - Hall, New Jersey 1993
/FHD 99/
Fachsektion Hydrogeologie der Deutschen Geologischen Gesellschaft
Hydrogeologische Modelle. Ein Leitfaden für Auftrageber, Ingenieurbüros
und Fachbehörden,
in Hydrogeologische Beiträge der FHDGG, Schriftenreihe der DGG,
Heft 10, Hannover 1999
/FIS 00/
Fischer-Appelt K.
Hydrogeologische Modellentwicklung und Simulationsrechnungen zur
Untersuchung des Schadstoffaustrages aus einem Eisenerzbergwerk mit
schwermetallhaltigem Versatz
GRS-165, 225 S.; Dissertation RWTH Aachen, 2000)
/FLE 98/
Flesch K., Nitzsche O., Merkel B.
Strömungs- und reaktives Stofftransportmodell des 3. und 4. Grundwasserleiters im Bereich des ehemaligen Uran-Laugungsbergwerk Königstein
in Proceedings of the International Conference and Workshop "Uranium
Mining and Hydrogeology II", Verlag Sven von Loga, Köln 1998
/GKW 97/ GKW GmbH
SPRING (früher SICK100) Benutzerhandbuch,
Version 21.2. Bochum 1997
/HAD 80/
Hadermann J.
Radionuclide Transport Through Hetrogeneous Media
in Nuclear Technology, Vol. 47, pp. 312-323, 1980
176
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/HAD 81/
Hadermann J., Patry J.
Radionuclide Chain Transport Through Hetrogeneous Media
in Nuclear Technology, Vol. 54, pp. 266-277, 1981
/HÄF 92/
Häfner F., Sames D., Voigt HD.
Wärme- und Stofftransport, Mathematische Methoden
Berlin 1992
/HÄH 96/
Hähne R., Dunger V. et al.
Wasserhaushalt in Abdeckschichten von Halden des Uranerzbergbaus
in Proceedings of the International Conference and Workshop "UraniumMining and Hydrogeology", Freiberg 1995, Verla Sven von Loga, Köln
/HAI 95/
Haitjema H. M.
Analytic element modelling of groundwater flow
Academic Press, San Diego, USA 1995
/HÖL 89/
Hölting B.
Einführung in die allgemeine und angewandte Hydrogeologie
3. Aufl.: 109 Abb., 39 Tab.; Enke-Verlag, Stuttgart 1989
/HÜW 95/ Hüwel A., König Ch.
Vergleich des Programms TOUGH2 mit dem Programmsystem SICK100
(jetzt SPRING) hinsichtlich der unterschiedlichen Berechnungsmethoden
im ungesättigten Bereich
RUB 03/95, Bochum, 1995
/IAEA 81/ Internarional Atomic Energy Agency (IAEA)
Current Practices and Options for Confinement of Uranium Mill Tailings
Technical Reports series No. 209, Vienna, 1981
/IAEA 84/ Internarional Atomic Energy Agency (IAEA)
Decommissioning of Facilities for Mining and Milling Radioctive Ores and
Closeout of Residues
Technical Reports series No. 362, Vienna, 1984
177
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/IST 89/
Istok J.
Groundwater modelling by finite element method
American Geophysical Union, Water Resources Monograph, No. 13, 1989
/JAN 96/
Jansen D., Köntgeter J.
Äquivalente Modelle zur Simulation von Stofftransportprozessen in
Festgesteinsaquiferen (Mehrkontinua-Modelle)
in Lehrgangskript zu Prozesssimulation im Kluftgestein – Aquifere und
Geologische Barriere, Hannover, 1996
/JAV 95/
Javeri V.
Analysen zum Stofftransport bei zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher
Dichte in porösen Medien mit dem Rechenprogramm TOUGH 2
GRS-A*-2265, Oktober 1995
/KAR 81/
Karrenberg H.
Hydrogeologie der nichtverkarstungsfähigen Festgesteine
Springer-Verlag, Wien-New York, 1981
/KIN 87/
Kinzelbach W.
Groundwater modelling – an introduction with sample programs in BASIC.
Development
in Water Science, 25, Elsevier, Amsterdam, 1987
/KIN 92/
Kinzelbach W.
Numerische Methoden zur Modellierung des Transports von Schadstoffen
im Grundwasser
2. Aufl., Oldenbourg, München 1992
/KIN 95/
Kinzelbach W., Rausch, R.
Grundwassermodellierung: eine Einführung mit Übungen
Bornträger, Berlin 1995
/KIN 96/
Kinzelbach W. et al.
Berechnungsverfahren und Modelle, Materialien zum Altlastenhandbuch
Niedersachsen
Springer, Berlin 1996
178
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/KOB 92/
Kobus H.
Schadstoffe im Grundwasser
Band 1, Wärme- und Schadstofftransport im Grundwasser
Deutsche Forschungsgemeinschaft, VCH, Weinheim 1992
/KOL 92/
Kolditz O., Lege T.
Verifizierung des Programmsystems ROCKFLOW hinsichtlich des
Wärmetransports in Kluft-Matrix-Systemen.
NLfB-Bericht Nr. 109603, Hannover 1992
/KÖN 91/
König C.
Numerische Berechnung des dreidimensionalen Stofftransportes im Grundwasser
Technisch-wissenschaftliche Mitteilungen, Institut für konstruktiven
Ingenieurbau, Ruhr-Universität Bochum, Nr. 91-13, Bochum 1991
/KON 78/
Konikow L. F., Bredehoeft J. D.
Computer model of two dimensional solute transport and dispersion in
groundwater.
Techniques of water resources investigations of the United States
Geological Survey, Book 7, Washington D. C. 1978
/KOO 91/ Kool J.B, van Genuchten M. Th.:
HYDRUS- One-Dimensional Variably Saturated Flow and Transport Model,
Including Hysteresis and Root Water Uptake
U.S Salinity Lab. Riverside, California 1991
/KOV 90/
Kovar K.
Calibration and Reliability in Groundwater Modelling
in Proceedings of ModelCare 90, IAHS Publ. No.195, Bilthoven 1990
/KRU 90/
Krusemann G.P., de Ridder N.E.
Analysis and evaluation of pumping test data.
2.Auflage der ILRI (Int. Institute for Land Reclamation and Improvement)
Publikation 67, The Netherlands, Wageningen 1990
179
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/LAWA 98/ LAWA, LABO, LAGA
Gefahrenbeurteilung von Bodenverunreinigungen/Altlasten als Gefahrenquelle für Grundwasser
Arbeitsgruppe "Boden/Grundwasser" der Länderarbeitsgemeinschaften
Wasser, Boden und Abfall, Stand 17.6.98
/LAWA 99/ LAWA
Grundsätze des Grundwasserschutz bei Abfallbewertung und Produkteinsatz
Bericht des LAWA-Arbeitskreises Grundwasserschutz bei Abfallbewertung
und Produkteinsatz, 1999
/LAR 02/
Larue J., Weiß D.
Fortschreibungsfähiger Sicherheitsbericht für die Industrielle Absetzanlage
(IAA) Lengenfeld
Teil A (Band1): Stausbericht, Bewertung zum Sicherheitszustand der IAA
Lengenfeld und Standortprognose, GRS-A 3014A, Köln 2002
/LEG 96/
Lege T., Kolditz O., Zielke W.
Strömungs- und Transportmodellierung
Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten
Band 2, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR),
Springer Berlin 1996
/LFU 88/
Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Würtemberg
Altlasten-Handbuch Teil II – Untersuchungsgrundlagen
Heft 19, Karlsruhe 1988
http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/print/heft19.pdf
/LFU 96/
Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Würtemberg
Leitfaden Erkundungsstrategie Grundwasser, Handbuch Altlasten und
Grundwasserschadensfälle
Zentraler Fachdienst Wasser-Boden-Abfall-Altlasten der Landesanstalt für
Umweltschutz Baden-Würtemberg, Heft 19, Karlsruhe 1996,
http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/print/mza19.pdf
180
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/LFU 99a/ Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg
Altlastenhandbuch Teil I, Altlastenbewertung, Wasserwirtschaftsverwaltung
Heft 18, Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg,
http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/xindex.html
/LFU 99b/ Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg
Altlasten-Handbuch Teil II, Untersuchungsgrundlagen
Wasserwirtschaftsverwaltung Heft 19, Ministerium für Umwelt und Verkehr
Baden-Württemberg, Stuttgart,
http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/xindex.html
/LIG 83/
Ligget J. A., Liu P.
The boundary integral equation method for porous media flow
Allen 1983
/MAT 83/
Matthess G., Ubell K.
Lehrbuch der Hydrogeologie
Band 1, Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt
Borntraeger-Verlag, Berlin 1983
/NAG 85/
Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA)
FEM 301 – A Three Dimensional Model for Groundwater Flow Simulation
NAGRA, Technical Report 84-49, Schweiz 1985
/NEA 93/
Nuclear Energy Agency (NEA)
The International Intraval Project to study Validation of Geosphere
Transport Models for Performance assessment of Nuclear Waste Disposal
Phase 1, Summary Report, Paris 1993
/NEA 97/
Nuclear Energy Agency (NEA)
The International Intraval Project to study Validation of Geosphere
Transport Models for Performance assessment of Nuclear Waste Disposal
Phase 2, Summary Report, Paris 1997
/OECD 88/ Organisation for Economic Co-Operation and Development (OECD)
The International HYDROCOIN Project, Level 1: Code Verification
OECD-Report, Paris 1988
181
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/OECD 91/ Organisation for Economic Co-Operation and Development (OECD)
The International HYDROCOIN Project
Summary Report der OECD, NEA & SKI, Paris 1992
/OECD 92/ Organisation for Economic Co-Operation and Development (OECD):
Symposium on Validation of Geosphere Flow and Transport Models
in Proceedings of GEOVAL-1990, Paris 1991
/OECD 95/ Organisation for Economic Co-Operation and Development (OECD)
The Role of Conceptual Models in Demonstrating Repository Post Closure
Safety
in Proceedings of an NEA Workshop, Paris 1995
/ONWI 87/ Office of Waste Technology Development (ONWI)
Coupled Fluid, Energy and Solute Transport (CFEST)
Model: Formulation and User’s Manual
BMI/ONWI-660, Technical Report, Canada 1987
/PRU 87/
Pruess K.
TOUGH (Transport of Unsaturated Groundwater and Heat) User’s Guide
Lawrence Berkeley Laboratory, USA, Berkeley 1987
/PRU 91/
Pruess K.:
TOUGH2 – A general purpose numerical simulator for multiphase fluid and
heat flow
Lawrence Berkeley Laboratory, USA, Berkeley 1991
/PIN 77/
Pinder G. F., Gray W. G.
Finite element simulation in surface and subsurface hydrology
Academic Press, New York 1977
/SAN 81/
Sandia National Laboratories
User’s Manual for the Sandia Waste-Isolation Flow and Transport Model
(SWIFT)
Albuquerque (USA) 1981
182
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/SCH 84/
Schwarz H. R.
Methode der finiten Elemente
Teubner Verlag, Stuttgart 1984
/SCH 98/
Schaffrath M., Schneider C., Merkel B.
Erarbeitung eines geologisch-hydrogeologischen Modells im Bereich des
Schachtes "Willy Agatz" und der Uran-Absetzbecken Dresden-Gittersee
Abstract in Proceedings of the International Conference and Workshop
"Uranium Mining and Hydrogeology II", Verlag Sven von Loga, Köln 1998
/SEG 94/
Segol G.
Classic groundwater simulations – Proving and improving models.
PTR Prentice Hall, 531p, Englewood Cliffs, NJ, 1994
/SIM 92/
Simunek J., Vogel T. , van Genuchten M.Th.
The SWMS 2D Code for Simulating Water Flow and Solute Transport in
Two-Dimensiomal Variably Saturated Media, Version 1.1.
U.S. Salinty Laboratory. ARS-USDA, Research Report No.126, 1992
/SMU 95/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Simulationen von Strömungs- und Transportprozessen im Rahmen der
Altlastenbehandlung
Materialien zur Altalastenbehandlung 6/1995, Dresden 1995
/SMU 97/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Simulation von Grundwasserströmungs- und transportprozessen im
Rahmen der Altlastenbehandlung, Lockergestein, Festgestein und
ungesättigte Zone
Materialien zur Altlastenbehandlung 4/1997, Dresden 1997
/SMU 97b/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Simulation des Stofftransprtes in der ungesättigten Zone im Rahmen der
Altlastenbehandlung
Materialien zur Altlastenbehandlung 5/1997, Dresden 1997/
183
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/SMU 97c/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Simulation von Grundwasserströmungs- und Schadstofftransportprozessen
in Lockergesteinsgrundwasserleiter im Rahmen der Altlastenbehandlung
Materialien zur Altlastenbehandlung 6/1997, Dresden 1997
/SMU 97d/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Simulation von Grundwasserströmungs- und Schadstofftransportprozessen
Materialien zur Altlastenbehandlung 7/1997, Dresden 1997
/SMU 97e/ Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung & Landesamt für
Umwelt und Geologie
Ausgewählte public-domain Software zur Simulation von Strömungs- und
Transportprozessen
Materialien zur Altlastenbehandlung 8/1997, Dresden 1997
/SPI 86/
Spillmann P. et al.
Wasser- und Stoffhaushalt von Abfalldeponien und deren Wirkungen auf
Gewässer
Ergebnisse eines fünfjährigen interdisziplinären Forschungsprogramms,
Deutsche Forschungsgemeinschaft, VCH, Weinheim 1986
/SPI 95/
Spillmann P. et al.:
Schadstoffe im Grundwasser
Band 2, Langzeitverhalten von Umweltchemikalien und Mikroorganismen
aus Abfalldeponien im Grundwasser, Deutsche Forschungsgemeinschaft,
VCH, Weinheim 1995
/TOR 93/
Toride N., Leij F., Van Genuchten M. T.
A comprehensive set of analytical solutions for non-equilibrium solute
transport with first - order decay and zero - order production
in Water Resource Res 29(7), 1993
184
Leitfaden zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten:
Leitfadenfachband Grundwasserpfad bei Halden des Uran- und Altbergbaus
/VOI 98/
Voigt H.-J., Wippermann T.
Geochemie
Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten,
Band 6, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe,
Springer Verlag, Berlin 1998
/WEN 96/ Wendland E.C.
Numerische Simulation von Strömung und hochadvektivem Stofftransport
in geklüftetem, porösem Medium
RUB 96-6, Bochum 1996
/WAL 92/
Walton W.C.
Groundwater Modeling Utilities
Lewis Publishers, Chelsea, MI, 1992
/ZIE 91/
Zielke W., Helmig R., Kröhn KP., Shao H., Wollrath J.
Discrete modeling transport processes in fractured porous rock
in Proceedings International Congress on Rock Mechanics, Aachen 1991
/ZIE 94/
Zielke W. et al:
Rockflow – Theorie und Benutzung zum Programmsystem Rockflow
Techn. Bericht Univ Hannover, Institut für Strömungsmechanik,
Hannover 1986-1994
185
Anlage 1: Checklisten
Checkliste 1: Einordnung des Problems
Lfd.Nr.
Fragestellung
1.
Wie ist die Fragestellung?
2.
Welche Informationen muß das Ergebnis
enthalten?
3.
Welche Informationen (Daten) stehen
zur Verfügung?
4.
Wem wird das Ergebnis vorgelegt?
5.
Welche Entscheidungen werden auf der
Grundlage auf der Grundlage der
Ergebnisse getroffen?
6.
Wer trifft Entscheidungen auf der Basis
der Modellergebnisse?
Kurzantwort
Checkliste 2: Anforderungen an das Modellergebnis
Lfd.Nr.
Fragestellung
1.
Welche Ausdehnung hat mein
Aussagegebiet?
2.
Wie ist das Berechnungsgebiet
(Modellgebiet) zu gestalten?
3.
Wie ist das Erkundungsgebiet
(Datensammlungsgebiet) zu wählen?
4.
Welchen zeitlichen Bezug müssen die
Resultate haben (Istzustand, Prognose)?
5.
Wie hoch sind die Genauigkeitsanforderungen (Gefahrenpotential)?
Kurzantwort
Checkliste 3: Zeitlicher Bezug
Lfd. Nr. Fragestellung
1
Ist das Strömungsfeld stationär oder
transient?
2.
Ändern sich die eindringenden Schadstoffkonzentrationen mit der Zeit
(Quelle)?
3.
Handelt es sich um eine langanhaltende
Kontaninationsquelle?
4.
Ist die Kontamination auf einen Störfall
(Ausnahmeereignis) zurückzuführen?
Kurzantwort
1
Anlage 1: Checklisten
Checkliste 4: Datenakquisition
Zeitunabhängige Faktoren des Grundwasserströmungsfeldes und der ungesättigten Zone
Lfd.Nr.
Fragestellung: Liegen .... vor?
Kurzantwort
1.
Hydrologische Karten, aus denen Verbreitung, Berandung
und Randbedingungen der Aquifere zu entnehmen sind,
2.
Topographische Karten mit Oberflächengewässern,
3.
Grundwasserspiegelmessungen, Beschaffenheit und
Mächtigkeit des Grundwasserkörpers,
4.
Durchlässigkeit (Permeabilität, Transmissivität), Speicherkoeffizient und Porosität der Aquifere,
5.
Durchlässigkeit (Permeabilität, Transmissivität), Speicherkoeffizient und Porosität der Grundwasserstauer
(Aquicluden) und Grundwasserhemmer (Aquitarden),
6.
Schwankungsbreiten von Durchlässigkeit und Speicherkoeffizient im Aquifer,
7.
Hydraulische Verbindungen zwischen Oberflächengewässern und Aquiferen,
8.
Anisotropien der Grundwasserleiter,
9.
Verhältnisse von Sättigung und effektive Durchlässig-keiten
in der ungesättigten Zone,
10.
Informationen zu Störungszonen,
11.
Informationen zu Kluftzonen,
12.
Informationen zu Dammentwässerungen,
13.
Informationen zu Sickerwasserdrainagen,
14.
Informationen zu Bohr- und Deckschichtenprofilen,
15.
Informationen zu bodenphysikalischen Parameter,
16.
Informationen zu Pumpversuchen,
17.
Informationen zu nutzbaren Feldkapazitäten im Boden,
18.
Informationen zu Wasserständen und Abflüssen
oberirdischer Gewässer,
19.
Klimatische Daten
20.
Informationen Grundwasserneubildungen aus Niederschlag,
21.
Informationen Grundwasseranreicherungen und
Grundwasserentnahmen,
22.
Daten zur Flächennutzung,
23.
Informationen zum Schadstoffinventar des Objektes und
einer bereits vorliegenden Kontamination des Grundwassers.
Zeitunabhängige Faktoren des Transports (Einphasensysteme)
2
Anlage 1: Checklisten
1.
Wie groß ist die hydrodynamische Dispersion?
2.
Wie ist die Verteilung der effektiven Porosität?
3.
Wie hoch ist der geogene Stoffgehalt des Grundwassers (Vorbelastung, Background)?
4.
Liegt eine Dichtevariation des Grundwassers vor und
wie ist der Einfluß (z.B. Dichtegradient)?
5.
Wie hoch sind die Fließgeschwindigkeiten
(Abstandsgeschwindigkeiten)?
6.
Liegen Konzentrationsrandbedingungen vor?
7.
Existiert eine beschleunigte Ausbreitung auf
dominanten Fließwegen (Störungszonen)?
8.
Können Verzögerungsfaktoren: Matrixdiffusion, Retardation, Sorption, Abbau oder Zerfall unterstellt werden?
9.
Lassen sich Anfangsverteilungen der
Schadstoffkonzentrationen vorgeben?
10.
Zeitunabhängige Faktoren des Transportes (Mehrphasen Systeme)
1.
Kann von einer Verdünnung auf dem Transportweg
ausgegangen werden?
2.
Wie hoch ist die Mischbarkeit, Löslichkeit der
Schadstoffe
3.
Liegt eine Emulsionsbildung vor?
4.
Müssen Dichteeffekte des Schadstoffes unterstellt
werden?
5.
Sind bei dem Mehrphasensystem relative
Permeabilitäten zu unterstellen?
6.
Sind Kolloidbildungen oder ein kolloidaler Transport zu
unterstellen?
Zeitabhängige Faktoren des Strömungsfeldes
1.
Wie sind Art und Ausbreitung von
Grundwasserbildungsgebieten (Bewässerung,
künstliche Versickerungen, etc.)?
2.
Existieren anthropogene Grundwasserentnahmen
(Gewinnung in Raum und Zeit)?
3.
Können Wasserführung und Stände in Fließgewässern
(Neubildung oder Verlust) angegeben werden?
4.
Ist der Jahresgang von Niederschlagsmengen
(Neubildungen) bekannt (Zeitreihen)?
5.
Müssen Restseewasserstände (Neubildung oder
Verlust) berücksichtigt werden?
6.
Wie hoch ist die Evapotranspiration (Verlust)?
3
Anlage 1: Checklisten
7.
Ist ein Oberflächen- bzw. Zwischenabfluß zu
unterstellen (Sickerwasseranfall)?
8.
Findet ein Grundwasseraustausch mit an-grenzenden
oder liegenden Aquiferen statt?
9.
Kann eine Wasserhaushaltsbilanz für das Objekt erstellt
werden oder liegt bereits eine vor?
Zeitabhängige Faktoren des Transportverhaltens
1.
Läßt sich eine räumliche und zeitliche Verteilung
geogener Inhaltsstoffe angeben?
2.
Wie ist Wasserqualität in Raum und Zeit der
Grundwässer, Fließgewässer und Seen?
3.
Welche Quellen und Quellstärken der Kontaminationen
liegen vor?
4.
Wann ist der Beginn der Kontamination?
Regulative Faktoren
1.
Wie sind die rechtliche Situation und die
Verwaltungsvorschriften?
2.
Welche speziellen Umweltgesichtspunkte liegen vor?
3.
Sind besondere Schutzgüter betroffen?
4.
Liegt ein Bewertungsaufpunkt (z.B. Brunnen zur
Eigenversorgung) schon fest?
5.
Sind geplante Änderungen und Wasser- und
Landnutzung erkennbar?
6.
Wer sind die Entscheidungsträger bzw.
Entscheidungsgremien?
7.
Liegen bereits vorhandene oder geplante Gutachten
vor?
4
Anlage 1: Checklisten
Checkliste 5: Modellbildung
Lfd. Nr.
Fragestellung: Sind ..... anzusetzen?
Kurzantwort
1.
Vereinfachungen unregelmäßiger geometrischer Berandungen,
2.
Zusammenfügen hydrogeologischer Einheiten
3.
Beschränkungen der Fließvorgänge auf
bevorzugte Richtungen (z.B.: nur
horizontale Strömungen),
4.
Beschränkungen auf ein stationäres
Fließfeld,
5.
Bildungen von zeitlichen und/oder
räumlichen Mittelwerten der Anfangs- und
Randbedingungen,
6.
Annahmen eines konstanten/variablen
Schadstoffeintrages (Quelle),
7.
Beschränkungen auf repräsentative
Schadstoffe,
8.
Vernachlässigung der Wechselwirkung der
Sickerwasserkomponenten untereinander
9.
Lineare Adsorption/Desorption
10.
Zusammenfassung verschiedener chemischer und biologischer Prozesse
5
Anlage 1: Checklisten
Checkliste 6: Erstellung eines mathematischen Modells
Lfd. Nr.
Fragestellung
Kurzantwort
1
Welche Gleichung beschreibt im konkreten
Fall die Fließrichtung und die Grundwassergeschwindigkeit?
2.
Welchen Prozessen unterliegt der transportierte Stoff?
3.
Reagiert der transportierte Stoff mit dem
Gestein des Aquifers oder dem geogenem
Stoffgehalt des Grundwassers?
4.
Ist der Schadstoff konservativ?
5.
Ist mit Abbau oder Fällung zu rechnen?
6.
Findet Matrixdiffusion statt?
7.
Reagieren die Inhaltsstoffe des
Sickerwassers miteinander und wie
gefährlich sind die entstehenden
Metaboliten?
8.
Liegt ein Mehrphasensystem vor, bei dem
sich Grundwasser und Sickerwasser nicht
vermischen?
9.
Sind Dichteeinflüsse zu berücksichtigen?
10.
Findet eine Kolloidbildung statt?
11.
Ist ein kolloidaler Transort zu
berücksichtigen?
Checkliste 7: Grundsätzliche Überlegungen zur Modellauswahl
Lfd.Nr.
Fragestellung
Kurzantwort
1.
Was sind die Ziele meiner Modellierung?
2.
Was und wieviel weiß ich über das
Aquifersystem?
3.
Gibt es Pläne zusätzliche Daten zu erheben?
4.
Welche Zeitrahmen wird der Modellierung
unterlegt (Prognose, Bewertungszeitraum)?
5.
Welche Hardware steht zur Verfügung?
6.
Wie groß ist die Genauigkeitsanforderung?
7.
Welche Finanzmittel stehen bereit?
6
Anlage 1: Checklisten
Checkliste 8: Grundwasserprogramme (vgl.Tabelle Programme)
HYDRAULIK s.Spalte G
Eigenschaft
Bedarf
Software Angebot
Fluideigenschaften
Inkompressibles Fluid (Wasser)
Kompressibles Fluid (Gas)
Konstante Dichte
Variable Dichte
Konstante Temperatur
Variable Temperatur
Konstante Viskosität
Variable Viskosität
Aquifereigenschaften
Anfangsbedingungen
Stationär
Spalte H
Instationär
Spalte H
Geichförmig porös
Spalte V
Geklüftet
Spalte O X
Doppelt porös
Spalte W
Karst
Spalte Z
Gesättigt
Ungesättigt
Kompressibel
Inkompressibel
Stochastische Porositätsverteilung
Gespannter Aquifer
Halbgespannter Aquifer (leaky Aquifer)
Maximale Leakage Rate
Speicherfähigkeit des Aquifers
Speicherfähigkeit der Aquitarde
Ungespannte Verhältnisse (freie Grundwasseroberfläche)
Versickerung
Flächenhafte Entwässerung
7
Anlage 1: Checklisten
Hydraulische Eigenschaften des Systems
Homogen
Heterogen
Isotrop
Anisotrop
Spalte O
Klüftig
Spalte X
Dominante Fließwege
Schichtiges Gefüge
1 -D-Poroelastische Deformation (Landsenkung,
Setzungen, druckabhängige Permeabilitäten)
2-D-Poroelastische Deformation (Landsenkung, Setzungen,
druckabhängige Permeabilitäten)
3-D-Poroelastische Deformation (Landsenkung, Setzungen,
druckabhängige Permeabilitäten)
Randbedingungen
Geschlossener Rand
Dirichlet; konstant (Standrohrspiegelhöhe, Druck)
Neumann; konstant (Durchfluss, Geschwindigkeiten)
Dirichlet; zeitabhängig (Standrohrspiegelhöhe, Druck)
Neumann; zeitabhängig (Durchfluss, Geschwindigkeiten)
Cauchy
Diskontinuitäten
Numerisches Verfahren zur Lösung der Strömungsaufgabe
Analytisch
Spalte D
Finite Differenzen
Spalte D
Finite Elemente
Spalte D
Andere Verfahren
Spalte D F
Darcy-Gleichung (gesättigt)
Richards-Gleichung (ungesättigt)
Nichtlineare Fließgesetze (z.B.: Kluftströmung)
Andere Fließgesetze (z.B.: Poroelastizität)
Direkter Gleichungslöser (z.B.: Gauß-Elimination)
Iterativer Gleichungslöser (z.B.: CG-Verfahren)
Multigrid-Löser
Andere Gleichungslöser
8
Anlage 1: Checklisten
Checkliste für Grundwasser- und Transportprogramme s. Spalte I J
SCHADSTOFFTRANSPORT
Eigenschaft
Bedarf
Software Angebot
Massentransport
Konzentrationsanfangsbedingungen
Spalte I
Advektion
Diffusion (Fick'sches Gesetz)
Spalte Y
Matrixdiffusion
Konstante Dispersion
Variable Dispersion
Sorption
Spalte M
in der Quelle
im Aquifer
in der Aquiclude
Lineare (Henry-)
Gleichgewichtsadsorption
Freundlich-Isotherrne
Langmuir-Isothenne
Nichtgleichgewichtsadsorption
Andere
Spalte N
Radioaktiver Zerfall
Radioaktive Zerfallsketten
Mortalität (Abbau) von organischen Material,
Bakterien oder Viren im Grundwasser
Nahfeldkomponente
Chemische Reaktionen
Spalte L
Biochemische Reaktionen
Spalte L
Lösungsvorgänge
Spalte L
Mehrphasensystem
Spalte Q
LAPLs (Non Aquaous Phase Liquids)
Süß-/Salzwassergrenze
Wärmetransport
Speicherung
Wärmeleitung
Advektion (Fluidbewegung durch
Potentialströmung)
Konvektion (Wärmeinduzierte Fluidbewegung)
9
Anlage 1: Checklisten
Dispersion
Numerisches Verjähren zur Lösung der
Transportaufgabe
Finite Differenzen
Finite Elemente
Random Walk
Charakteristiken Verfahren
Andere Verfahren
Direkter Gleichungslöser (z.B.: GaußElimination)
Iterativer Gleichungslöser (z.B.: CG-Verfahren)
Multigrid Gleichungslöser
Andere Gleichungslöser
10
Anlage 1: Checklisten
QUELLEN UND SENKEN
Eigenschaft
Bedarf
Quellen
Mehrkomponentenquelle
Einstoffquellen
Kontinuierliche Quelle
Variable Quelle
Konstante Quellrate
Variable Quellrate
Konzentrationrandbedingung
Konzentrationsbelastete Einstrom (Durchflu?)
Dirac Inpuls
Oberflächengewässer (Restsee)
Ungesättigte Bedingungen unter Objekt
Konstanter Wasserspiegel im Objekt
Variabler Wasserspiegel im Objekt
Einfluß von Oberflächengewässern auf Objekt
Trockenfallen des Objekts
Punktquellen (rein hydraulisch)
Linienhafte Versickerung
Flächenhafte Versickerung
Punktförmige Konzentrationsquellen
Linienhafte Konzentrationsquellen
Flächenhafte Konzentrationsquellen
Senken
Extraktionsbrunnen
Standrohrspiegelhöhe im Brunnen
Vollkommender Brunnen
Unvollkommener Brunnen
Speicherkapazität des Brunnenraums
Probenahmebrunnen
Multilevel-Brunnen
Brunnen durch mehrere Aquifere
11
Software Angebot
Anlage 1: Checklisten
Entnahmebrunnen
Evapotranspiration
Oberflächengewässer, die den Aquifer
Voll anschneiden
Teilweise anschneiden
Über ihr Flußbett anschneiden
Ausfließende Brunnen/Quellen, die den Aquifer
Voll anschneiden
Teilweise anschneiden
Spalte AB
Bergwerksschächte, die den Aquifer
Voll anschneiden
Teilweise anschneiden
Spalte AB
Bergwerksstollen, die den Aquifer
Voll anschneiden
Teilweise anschneiden
Entwässerungsbrunnen
Drainagen
MODELLGEOMETRIE
Eigenschaft
Bedarf
Software Angebot
Dimensionalität
Analytisch
Spalte D
1 D (kartesisches Koordinatensystem)
Spalte RSTU
2D (kartesisches Koordinatensystem)
Spalte RSTU
3D (kartesisches Koordinatensystem)
Spalte RSTU
1D (Zylinderkoordinatensystem)
Spalte RSTU
2D (Zylinderkoordinatensystem)
Spalte RSTU
3D (Zylinderkoordinatensystem)
Spalte RSTU
Aquiferschichtung
Einschichtfall
Zweischichtfall
Mehrschichtfall
Auskeilende Schichten
Schichtversätze
Komplexere geologische Strukturen
12
Anlage 1: Checklisten
Maximale Anzahl der Schichten
Gittereigenschaften
Gleichabständiges Gitter
Variable Gitterabstände
Verfeinerungsmöglichkeiten
Blockcentered
Pointcentered
1 -D-Linienelemente
2-D-Dreieckelemente
2-D-Viereckelemente
3-D-Tetraederelemente
3-D-Hexaederelemente
Andere Elemente
Maximale Anzahl von Elementreihen
Maximale Anzahl von Elementspalten
Maximale Anzahl von Knotenreihen
Maximale Anzahl von Knotenspalten
Maximale Anzahl von Elementen bzw. Knoten
13
Anlage 1: Checklisten
DATENORGANISATION
Eigenschaft
Bedarf
Dateneingabe
Gittergenerator, Netzgenerator
Gitterverfeinerung (Automatisch, per Hand)
Schnittstelle zu Datenbanksystem
Digitalisierung
GIS-Kopplung
Grafische Darstellung der Eingabedaten
Preprozessor
Nützliche interaktiver
Eingabe
mit interaktiver Grafik
Dateigesteuerte
Eingabe
Formatierte
Eingabedatei
Unformatierte
Eingabedatei
('Teile) eine(r) Datei
Dateienkombination
Datenausgabe (Format)
Formatierte Dateien
Unformatierte Dateien
Binäre Dateien
Dateien im grafiklesbarem Format
Kontinuierliche grafische Darstellung aktueller
Rechenergebnisse
Datenausgabe (Parameter)
Standrohrspiegelhöhe
Grundwasseroberfläche
Druckfeld (Isolinien)
Durchfluss (Darcy-Geschwindigkeiten)
Stromlinien (Pathlines, Ausbreitungspfade)
Massenbilanz der Grundwasserströmung
Filtergeschwindigkeit (Darcy-Geschwindigkeit)
Abstandsgeschwindigkeiten
Konzentration
14
Software Angebot
Anlage 1: Checklisten
Massenstrom
Massenbilanz des Stofftransports
Temperatur
Energiebilanz
Nutzergesteuerte Auswahl der Ausgabedaten
Automatische Auswahl der Ausgabedaten
Vollständige Ausgabe aller anfallenden
Rechenergebnisse
Postprozessoren
Eigenes Grafiksystem
GIS-kompatible Datenübergabe
Grafiksystem von anderem Hersteller
Darstellungsmöglichkeiten
p(t) bzw. h(t)
p(x,y,z) bzw. h(x,y,z)
C(t) bzw. T(t)
C(x,y,z) bzw. T(x,y,z)
Konturplot
Modellbelegungsplott
Modellgitterplot
Geschwindigkeitsplot
Stromlinien
Partikel -Tracking
Massenbilanzen (Budget)
Differenzen (z. B.: zwischen 2 Zeitschritten)
Farbplot
Schwarz-Weiß-Plot
Schnitte durch 3-D-Räume
3-D-Darstellung von 3-D-Ergebnissen
Zeitliche Animation der Ergebnisse
Ausgabeformate (z.B.: HPGL, Postscript, TIFF,
etc.
15
Anlage 1: Checklisten
SOFTWAREEIGENSCHAFTEN
Eigenschaft
Bedarf
Software Angebot
Dokumentation
Spalte B
Status (kommerzell, wissenschaftlich)
Handbuch
Demoversion
Testbeispiele
Quellcode
Literatur
Verifikationsstand
Spalte AC
Verifikation (dokumentiert ?, nachvollziehbar ?)
Spalte AC
Validierungsstand
Spalte AC
Referenzfälle (zugänglich ?)
Spalte AC
Online Hilfefunktion
Hardware
Mainframe
Spalte C
Workstation
Spalte C
PC
Spalte C
Monitor
Nötige Periferie (Plotter, Drucker,
Digitalisiertisch
Support
Beantwortung von Anwenderfragen (telefonisch,
schriftlich, Qualität der Antworten)
Lehrgänge
Installation
Anwender-Tagungen
Adressen anderer Anwender
Einarbeitungsaufwand
Updates
Kosten
16
Seite 1
A
1 Programm2 name
3
4
5
6
FEM301
7
MOTIF
8
ROCKFLOW
9
CHAM
10
FRACT
11
FRACTEST
12
FRACTRAN
13
FTRANS
14
GREASE2
15
NETFLOW
16
RMF
17 ROCMAS-FAMILIE
18
STA.FAN2
19
STAFF2D(U)
20 TRAFRAP-WT
21
FRACFLOW
22
FRACSL
23
SUCARWAT
24
BACRACK
25
DISC17RAC
26
FRACMAN
27
FRAWORT
28
MULKOM
29 TRUCHN/ZONE
30
UTDEC/3DEC
31
TRAFRAP
32
ROCKFLOW
33
STRAFE
34
SWIFT
COND
35
36
HYDOPO
37
AIRFLOW
38
FAST
39
HYDRUS
40
SWMS-2D
41
MOTRANS
42
PHREEQE
43
CHEMFLOW
44
COTAM
45
PAT
46
BV12-X
47
WSG
B
C
D
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Sta- Hard- LöPara- Was- Strö- tran- Stofftus ware sung meter- ser- mung sient transAqui- hausport
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Ström./ Zone reactiv:
Transp.
Transport
X
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X
M
N
Anlage 2 Programmliste gw1_2
O
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tigGWL trix- GWL Stö- throp. Validierungspodifrun- Hohl- stand
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X
X
INT93 (TC13)
X
X
INT93 (TC13)
X
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INT93 (TC13)
AD
Eignung
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95/
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A
1
2
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4
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48
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51
52
53
54
55
56
57
58
59
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61
62
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64
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75
76
77
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80
81
82
83
84
85
86
Programmname
WAP89
ASM
MINIHO
HORAND
MODFLOW
MT3D
MODPATH
FLOWPATH
FEFLOW
SPRING
PCGEOFIM
SUTRA
GFR
HST3D
BUSYB
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RANCHMD
RANCHMDNL
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VAM2D/3D
BIGFLO
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TRAC(E)R3D
HELP
BOWAHALD 2D
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Sta- Hard- LöPara- Was- Strö- tran- Stofftus ware sung meter- ser- mung sient transAqui- hausport
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satt. pelter
Ström./ Zone reactiv:
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M
N
Anlage 2 Programmliste gw1_2
O
P
Re- rad. An- Dichte
tar- Zer- iso- Ströda- fall tro- Mung
tion
pie
Q
Mehrphasen
strömung
X
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INT93 (TC13)
X
INT93 (TC13)
INT93 (TC13)
INT93 (TC8)
X
X
X
INT93 (TC11)
INT93 (TC13)
INT93 (TC13)
INT93 (TC13)
INT93 (TC13)
INT93 (TC1b)
INT93 (TC1b)
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INT93 (TC10)
INT93 (TC10)
INT93 (TC10)
INT93 (TC10)
INT93 (TC10)
INT93 (TC10)
X
X
X
INT93 (TC8)
INT93 (TC4)
INT93 (TC1b)
AD
Eignung
n.
/SMU
95/
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Abflussmessungen:
Voraussetzungen
für
die
Abflussmessungen
sind
die
entsprechenden Messwehre und -gerinne, Messflügel, Gefäßmessungen und
eine Ganglinienanalyse. Mit diesem Verfahren können Aussagen über Zu- und
Abflussmengen des Grundwassers, über die Grundwasserneubildung und über
Mengenbilanzen gemacht werden.
Absenkungstrichter: Eingetiefte Grundwasserdruckfläche im Absenkungsbereich
einer Grundwasserentnahme.
Abstandsgeschwindigkeit:
Fließgeschwindigkeit
Die
Abstandsgeschwindigkeit
eines
Teilchens,
das
den
ist
die
reale
durchflusswirksamen
Hohlraumanteil nf durchfließt.
Adsorption/ Desorption: Bei Sorptionsvorgängen wird eine bestimmte Stoffmenge an
einem festen Adsorbens gebunden. Die Menge des gebundenen Stoffes
(Adsorbat a) ist von der Konzentration des gelösten Stoffes c abhängig und
wird durch eine Adsorptionsisotherme beschrieben. Im einfachsten Falle wird
dieser
Zusammenhang
nach
HENRY
durch
eine
lineare
Beziehung
beschrieben und wird durch einen Sorptions - bzw. Verteilungskoeffizienten K
charakterisiert. Bei höheren Konzentrationen kann diese Beziehung nach
FREUNDLICH durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden. Im Bereich
von Konzentrationen nahe der Sättigungsgrenze nähert sich die sorbierte
Menge einem
Maximalwert
amax
was
durch
die
Langmuir-Beziehung
ausgedrückt wird.
Advektiver Transport: Bewegung von gelösten Wasserinhaltstoffen in Richtung der
Sickerwasser- bzw. Grundwasserströmung mit der Größe der Abstandsgeschwindigkeit vf.
Akzeptanzkriterien: Angabe von Fehlerbandbreiten, Modellungenauigkeiten und
Ergebnisunsicherheiten, die im Rahmen der Analyse (numerisch oder
analytisch) noch vertretbar sind um ein eindeutige Aussage zum Dosisbeitrag
des Grundwassers auf Basis einer Modellierung zu treffen. Sie werden vom
Modellierer und/oder Auftraggeber vorgegeben.
1
Anlage 3: Glossar Grundwasser
analytische Methoden: Lösungsverfahren, bei denen das Grundwasserströmungsoder Stofftransportproblem mit Hilfe eines geschlossenen Formelausdruckes
berechnet wird.
Anfangsbedingungen:
Potential-
und
Konzentrationsverhältnisse
im
Grundwasserströmungsfeld zu Beginn einer Berechnung
Aquifer: siehe Grundwasserleiter
Aquitarde: siehe Grundwasserhemmer
Aufpunkt: (hier Bewertungsaufpunkt): realer oder ideeller Ort, an dem hinsichtlich der
Fragestellung das Ergebnis einer Analyse (z.B. die Aktivitätskonzentration von
Radionukliden) radiologisch bewertet werden soll, z.B. in Form eines
angenommenen Hauswasserbrunnens
Benchmark–Rechnung: Codevergleich mit Hilfe von definierten Testbeispielen
Bilanzierung: Die Bilanzierung ist die Quantifizierung des Grundwasserflusses. Diese
wird bestimmt durch die Grundwasserneubildung, den Grundwasseraustausch
mit
Oberflächengewässern,
den
Grundwasseraustausch
zwischen
unterschiedlichen Grundwasserstockwerken, die Grundwasserentnahmen und
-infiltrationen.
Bei
stationären
Grundwasserverhältnissen
ist
eine
Gesamtbilanzierung über den Rand des Bilanzraums gleich Null.
Bilanzraum: Untersuchungsraum: räumliche Abgrenzung eines Gebirges in dem alle
für die Problemstellung relevanten hydrogeologischen Strukturen und Einheiten sowie die maßgebenden Fließsysteme enthalten sind (z.B. hydrogeologische Einheiten, Grundwasserscheiden, tektonische Strukturen, Vorfluter)
Brunnen: künstlich hergestellter meist lotrechter Aufschluss im Untergrund zur
Gewinnung von Grundwasser oder zur Infiltration.
Charakteristikenverfahren: Lösungsverfahren für Stofftransportprozesse.
Darcy-Geschwindigkeit:
Grundwasservolumenstrom
(flächenspezifischer Durchfluss) in m/s
2
pro
Flächeneinheit
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Deterministisch analytisches Modell: Mit dieser mathematischen Modellierung
können Strömungs- und Transportgleichungen analytisch gelöst werden.
Voraussetzung für diese Strategie sind reguläre Grundwassergleichen, eine
reale oder idealisierte Homogenität der Grundwasserleiterparameter und
einfache
Randbedingungen
(gerade
Ränder,
wenige
Quellen/Senken,
Stufenfunktion der Entnahmerate). Der Aussagebereich ist meist beschränkt
auf wenige analytisch lösbare Fälle von Pumpversuchen und Transport bei
Punktquellen. Es können Aussagen über mittlere Erwartungswerte von
Grundwasserstand, Einzugsbereich, Isochronen, Schadstoffverteilung und
Durchbruchskurven in Abhängigkeit von Entnahmeraten, Schadstoffeintrag etc.
gemacht werden.
Deterministisch numerisches Modell: Numerische Lösung der Strömungs- und
Transportgleichungen mit einer realitätsnahen Verteilung von Grundwasserleiterparametern und Randbedingungen. Voraussetzung der Modellierung sind
strukturierte Grundwassergleichen, die Konsistenz von Grundwassergleichen
und gemessenen Grundwasserleiterparametem, die flächendeckende Verteilung der Grundwasserleiterparameter und komplexe Randbedingungen
(Geometrie und Zeitabhängigkeit von Vorflutern, Kopplungen, Neubildung,
Quellen und Senken, Stoffeintrag etc.). Die Modelle sind anwendbar auf
beliebige räumliche und zeitliche Ausprägungen von Aquiferparametern und
Randbedingungen incl. Dichtekopplung. Es können Aussagen über lokale
Werte von Grundwasserstand, Einzugsbereich, Isochronen, Schadstoffverteilung und Durchbruchskurven gemacht werden. Diese sind in Abhängigkeit
von Entnahme/ Einspeisung, Grundwasserneubildung, Leckagen, Schadstoffeintrag etc. zu betrachten.
Diffusion: Bei instationären Bedingungen, also bei zeitlicher Veränderung des
Konzentrationsgradienten, wird die Diffusion durch das 2. Ficksche Gesetz
berechnet.
Diskretisierung: Räumliche Unterteilung des Strömungsfeldes (Modells) in einzelne
Elemente (z.B. zu einem Modellgitter).
Dispersion, numerische: Von einem Computercode fälschlich errechnete Ausbreitung
eines gelösten Stoffes, meist aufgrund unzureichender Diskretisierung.
Die numerische Dispersion ist eine Erscheinung bei der numerischen Lösung
3
Anlage 3: Glossar Grundwasser
von Differentialgleichungen, die z.T. auf Diskretisierungsfehlern beruht.
Numerische Dispersion entsteht durch die Interpolation der Transportgröße
zwischen den Gitterpunkten. So erscheinen im diskreten Modell stromaufwärts
Konzentrationen, obwohl die Front diese Gitterknoten physikalisch noch gar
nicht erreichen konnte.
Dispersion, physikalische: Ausbreitung eines im Grundwasser gelösten Stoffes
aufgrund der Porenstruktur des durchströmten Mediums
Durchfluss- oder Entnahmerate: Quotient aus dem Wasservolumen V pro Zeiteinheit
t bezogen auf einen bestimmten Querschnitt.
Durchflusswirksamer Hohlraumanteil (effektive Porosität): Der durchflusswirksame
Hohlraumanteil ist der Anteil des durchflossenen Hohlraumvolumens am
Gesamtvolumen. Nicht berücksichtigt ist hierbei das Haftwasservolumen.
Durchlässigkeitsbeiwert: Der Durchlässigkeitsbeiwert (kf-Wert) charakterisiert den
Widerstand, den ein durchflossenes Medium (hier: Korngerüst) dem Fluid (hier:
Wasser) entgegenbringt. Er hängt von den Eigenschaften des Wassers
(Dichte, Temperatur, Viskosität) und des Korngerüstes (Porosität) ab. Bei
gängigen Grundwasserfragen spielen die genannten Abhängigkeiten jedoch
keine Rolle.
Im internationalen Schrifttum wird überwiegend K zur Kennzeichnung des
Durchlässigkeitsbeiwerts verwendet, während in Deutschland nach der DIN
4049 dieser kf genannt wird.
Erstbewertung: Beurteilung eines Standortes bereits auf der Basis eines geringen
Informationsstandes.
FD-Verfahren (Finite-Differenzen-Verfahren, Finite Differenzen Methode (FDM):
numerische Methode (numerisches Lösungsverfahren) zur Lösung von
Differentialgleichungen, z.B. von Grundwasserströmungs- und Stofftransportprozessen, bei der Differenzialquotienten durch Differenzenquotienten
ersetzt
werden
FE-Verfahren,
Finite-Elemente-Verfahren,
Finite
Elemente Methode (FEM):
numerische Methode (numerisches Lösungsverfahren) zur Lösung von
4
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Differenzialgleichungen, bei der die Kurvenverläufe durch Approximationen
innerhalb eines Raumelementes angenähert werden
Filtergeschwindigkeit, Darcy-Geschwindigkeit: Die Filtergeschwindigkeit ist definiert
als das Verhältnis der Durchflussrate Q zur durchflossener Fläche F, d.h. ein
spezifischer Durchfluss. Es handelt sich um eine fiktive Geschwindigkeit, da
angenommen wird, dass die gesamte Querschnittsfläche und nicht nur der
reale Porenraum durchflossen wird.
FV-Verfahren,
Finite-Volumen-Verfahren,
Finite
Volumen
Methode
(FVM):
numerische Methode (numerisches Lösungsverfahren), z.B. für Grundwasserströmungs- und Stofftransportprozesse, .
Gefährdungsabschätzung: Zusammenfassender Bericht für die Gesamtheit der
Untersuchungen und Beurteilungen, die notwendig sind, um die Gefahrenlage
von
konventionellen
Altlasten
abschließend
zu
klären.
Der
Begriff
"Gefährdung" ist im Strahlenschutz, d.h. im Sinne dieses Leitfadens, an eine
Dosis gebunden, die eine Referenzperson erhält. Diese Dosis resultiert (im
Unterschied zur "Gefährdung eines Schutzgutes" im konventionellen Bereich)
nicht nur aus den Eigenschaften des Bergbauobjektes (Inventar und
Freisetzungsverhalten) und des Transportes am Standort, sondern auch aus
einer vorhandenen Nutzung.
Gefährdungspfad: Transportweg und -mittel für den Schadstoffaustrag aus einer
Altablagerung und Schadstoffeintrag in das Schutzgut. Als Pfade können
Wasser, Boden und Luft dienen.
gesättigte Zone: Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitpunkt vollständig mit
Wasser gefüllt ist. Die gesättigte Zone umfasst den Grundwasserraum und den
geschlossenen Kapillarraum.
Gradient: Änderung einer Größe pro (Längen-)Einheit,
hydraulischer Gradient: z.B. Grundwasserstandsdifferenz in Brunnen bezogen
auf Wegstrecke von Filter zu Filter der Brunnen
Pumpversuche: Voraussetzung für dieses Verfahren ist, dass der Grundzustand
bekannt ist, die Grundwassersermessstellen funktionsgeprüft sind, die nötigen
5
Anlage 3: Glossar Grundwasser
technischen Einrichtungen sowie ein genügend langer zeitlicher Rahmen
vorhanden sind. Mit Pumpversuchen kann man Aussagen über mittlere
Erfahrungswerte, über den Grundwasserstand, über die Transmissivität, den
Speicherkoeffizienten, die Einzugsgebietsgröße, über Absenkbereich und –
tiefe, über die Grundwasserbilanz, die Entwicklung der Grundwasserqualität
und die seitliche Berandung eines Gebietes machen.
Grundwasser, freies: s. Grundwasseroberfläche, freie
Grundwasser, gespanntes: Grundwasser, dessen Grundwasseroberfläche und
Grundwasserdruckfläche nicht identisch sind.
Grundwasser: Unterirdisches Wasser, das Hohlräume der Erde (Lithosphäre) zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegungsmöglichkeit ausschließlich durch
die Schwerkraft bestimmt wird (DIN 4049).
Grundwasserabfluss: Grundwasservolumen, das aus einem Grundwasserabschnitt in
der Zeiteinheit in dasselbe Grundwasserstockwerk abfließt.
Grundwasserabsenkung: Absenkung einer Grundwasserdruckfläche als Folge
technischer Maßnahmen.
Grundwasseranalytik:
Voraussetzungen für
dieses
Verfahren
ist,
dass
der
Grundzustand bekannt ist, die nötige Probennahmetechnik, besondere
Erfahrung bei Auswertung für Altersbestimmung
und
die
entsprechenden
Laborleistungen vorhanden sind. Der Aussagebereich dieses Verfahrens
betrifft die Grundwasserherkunft, den qualitativer
Beschaffenheitstrend,
die
Stoffkonzentration und –verteilung, die Grenze der Leistungsfähigkeit des
Grundwasserleiters, die Altersbestimmung
(Isotopen),
sowie
Eintrag,
Ausbreitung und Abbau von Grundwasserinhaltsstoffen.
Grundwasseranreicherung: Infiltration von Oberflächenwasser in den Untergrund mit
Hilfe von Becken, Graben, Schlitzen oder Brunnen.
Grundwasserbeschaffenheit: Ermittlung des Stoffgehaltes und der Stoffkonzentration
des Grundwassers und Recherche über physikalisch-chemische Kenndaten
zur Beschreibung von Grundwassertypen (siehe z. B. DVWK 1990), geogenen
6
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Grundbelastungen,Herkunft und Datierung des Grundwassers,Reaktions-/
Umsetzungsprozessen
im
Grundwasser,
Wechselwirkungen
zwischen
Grundwasser und Grundwasserleiter, anthropogenen Beeinflussungen des
Grundwassers, punktuellen oder flächenhaften Schadstoffeinträgen, Gefährdungspotentialen und Verursachern, Schadstoffbelastungssituationen mit Hilfe
der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Schadstoffen sowie Umfang,
Lage und repräsentative Aussagekraft des Messstellennetzes.
Grundwasserdruckfläche: Geometrischer Ort der Endpunkte aller Standrohrspiegelhöhen einer Grundwasseroberfläche.
Grundwasserentnahme: Entnehmen von Grundwasser durch technische Maßnahmen.
Grundwasserflurabstand:
Erdoberfläche
Höhenunterschied
und
der
zwischen
einem
Grundwasseroberfläche
Punkt
des
der
ersten
Grundwasserstockwerkes.
Grundwassergefälle: Standrohrspiegelgefälle in Richtung des Gradienten der
Grundwasserdruckfläche.
Grundwasserhemmer: Gesteinskörper, der im Vergleich zu einem benachbarten
Gesteinskörper gering wasserdurchlässig bis fast undurchlässige ist.
Grundwasserkörper: Abgegrenztes Grundwasservorkommen oder abgrenzbarer Teil
eines solchen.
Grundwasserleiter: Gesteinskörper, der geeignet ist Grundwasser weiterzuleiten.
Grundwassermächtigkeit: Lotrechter Abstand zwischen Grundwassersohle und
Grundwasseroberfläche (DIN 4049).
Grundwassermessstelle: Anlage zur Ermittlung hydrologischer Werte des Grundwassers.
Grundwassermodell: Schematische Nachbildung ausgewählter Eigenschaften und
Vorgänge im Grundwasserraum.
7
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Grundwassermonitoring: Voraussetzungen für diese Messung sind ausreichendes
Grund- und Oberflächenwassermessnetz und funktionsgeprüfte Messstellen.
Der
Aussagebereich
dieses
Verfahrens
betrifft
den
Grund-
und
Oberflächenwasserstand, die Grundwasserdynamik und die Änderung der
Grundwasserqualität.
Grundwasserneubildung: Zugang von infiltriertem Wasser zum Grundwasser als
Spezialfall der Zusickerung, maßgeblich beeinflusst von Niederschlagshöhe,
Verdunstungshöhe sowie vom Wassergehalt der ungesättigten Bodenzone
bzw. der Boden- und Gesteinsschichten. Die Bestimmung der Grundwasserneubildung stellt im Hinblick auf die erschließbaren Grundwassermengen eine
wichtige Aufgabe dar. Sie kann aus der Wasserhaushaltsgleichung, aus dem
Abfluss in Vorflutern oder aus dem unterirdischen Abfluss bestimmt werden.
Bei der Bestimmung aus der Wasserhaushaltsgleichung wird aus den
Parametern Niederschlag, oberirdischer Abfluss, Verdunstung, Rücklage
/Aufbrauch
und
Grundwasserzu-/-abstrom
über
die
hydrologische
Grundgleichung die Grundwasserneubildung berechnet. Der Abfluss in
Vorflutern lässt sich in einen Oberflächenanteil AO und einem aus dem
Grundwasser stammenden Anteil AU gliedern. Folgende Verfahren kommen
zur
Anwendung:
Auswertung
von
Trockenwetterabflüssen
oder
von
Mittelwerten der monatlichen Niedrigwasserabflüsse, konstruktive Abtrennung
des
Grundwasseranteils
der
Grundwasserauslaufkurven
Abflussganglinie,
Verwendung
(Quellschüttungsmessungen).
Aus
von
dem
Einzugsgebiet, der Transmissivität und dem hydraulischen Gradienten kann für
den stationären Fall die Grundwasserneubildungsrate aus dem unterirdischen
Abfluss (AU) bestimmt werden. Als weitere, weniger gängige Verfahren zur
Bestimmung der Grundwasserneubildung wären noch die direkte Messung der
Grundwasserneubildung
(Lysimeter),
die
Bestimmung
aus
dem
Bodenwasserhaushalt, aus Grundwassermodellen, aus der Entnahme von
Wasserwerken,
aus
den
Chlorid-Konzentrationen
und
aus
dem
Gesamttritiumgehalt zu nennen.
Grundwassernichtleiter: Gesteinskörper der wasserundurchlässig ist oder unter der
jeweiligen Betrachtungsweise als wasserundurchlässig angesehen werden
darf.
8
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Grundwasseroberfläche, freie: Grundwasserdruckfläche, wenn diese mit der Grundwasseroberfläche identisch ist.
Grundwasseroberfläche: Obere Grenzfläche eines Grundwasserkörpers.
Grundwassersohle: Untere Grenzfläche eines Grundwasserkörpers.
Grundwasserspiegel: Ausgeglichene Grenzfläche des Grundwassers gegen die
Atmosphäre, z.B. in Brunnen, Grundwassermessstellen, etc.
Grundwasserstand:
Höhe
des
Grundwasserspiegels
über
oder
unter
einer
waagerechten Bezugsebene, in der Regel Normal-Null.
Grundwasserstandsmessung: Darstellung des Grundwasserströmungsfeldes, der
Grundwasserfließrichtung
und
der
Grundwasserspiegelschwankungen;
Wechselwirkung zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser bzw.
verschiedenen Grundwasserleitern
Grundwasserstockwerk: Grundwasserleiter einschließlich seiner oberen und unteren
Begrenzung als Betrachtungseinheit innerhalb der lotrechten Gliederung der
Erde (Lithosphäre) (DIN 4049). Die Einteilung des Grundwasserstockwerkes
erfolgt durch den Grundwasserleiter und die Differenzierung in gespannte und
freie Grundwasseroberfläche; hydraulische Kontakte, vertikale Strömungskomponenten (Leakage).
Grundwasserströmung, instationäre: Strömung, bei der sich die Filtergeschwindigkeit am Betrachtungsort mit der Zeit ändert.
Grundwasserströmung, stationäre: Strömung bei der sich die Filtergeschwindigkeit
am Betrachtungsort mit der Zeit nicht ändert.
Grundwasserüberdeckung: Als Grundwasserüberdeckung bezeichnet man die
Gesteinskörper oberhalb des Grundwasserspiegels (DIN 4049). Durch eine
Deckschichtenkartierung kann die Verbreitung und Ausbildung der Grundwasserüberdeckung flächenhaft erfasst werden. Die Grundwasserüberdeckung
wird hinsichtlich Grundwasserneubildung und Schadstoffverlagerung in den
Untergrund (Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung) bewertet.
9
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Grundwasserzufluss: Grundwasservolumen, das einem Grundwasserabschnitt in der
Zeiteinheit aus demselben Grundwasserstockwerk zufließt.
Haftwasser: Wasser in der ungesättigten Zone, das gegen die Schwerkraft gehalten
wird.
Historische Erkundung: Beinhaltet die beprobungslose Erkundung in den Leistungsphasen:
Grundlagenermittlung,
Material-
und
Datenrecherche,
Datenauswertung, Informationsverknüpfung, Bewertung der Ergebnisse und
Dokumentation.
Hohlraumanteil (Porosität): Quotient aus dem Volumen aller Hohlräume eines
Gesteinskörpers und dessen Gesamtvolumen. Je nach Ausbildung des
Gesteinskörpers kann von Porenanteil oder Kluftanteil gesprochen werden.
Hydraulischer Bohrlochtest: Gegenüber dem Pumpversuch kann beispielsweise ein
Slug-Test auch bei geringeren Durchlässigkeiten eingesetzt werden. Nach
einer kurzzeitigen Veränderung der Grundwasserhöhe (durch Verdrängung
oder Wassereingabe) wird das Wiedererreichen des Ruhewasserspiegels
ausgewertet. Die Reichweite im Grundwasserleiter eines Slug-Tests ist
wesentlich geringer als die eines Pumpversuches.
Hydrodynamische Dispersion: Jeder mechanische Vermischungsprozess von
Wasserinhaltstoffen durch Fortbewegung in porösen Medien wird als
hydrodynamische Dispersion bezeichnet. Die Auffächerung erfolgt sowohl in
Fließrichtung (longitudinal) als auch senkrecht dazu (transversal). Ein Maß für
die
mechanische
Vermischung
von
Wasserinhaltstoffen
ist
der
Dispersionskoeffizient D, der von der Abstandsgeschwindigkeit va abhängig ist.
Die eigentliche konstante Kerngröße eines porösen Mediums ist die
Dispersivität
Hydrostatigraphische Einheiten: Mit Hilfe dieser Einheiten kann eine Einteilung der
geologischen Schichten in Grundwasserleiter oder Grundwasserhemmer
(Grundwasserstockwerksgliederung)
erfolgen.
Weiterhin
können
die
Grundwasserleitergrenzen (GwSohle, GwOberkante und Mächtigkeit der
Grundwasserleiter)
festgelegt
homogenen/heterogenen
und
werden
und
eine
isotropen/anisotropen
10
Einstufung
nach
Grundwasserleitern
Anlage 3: Glossar Grundwasser
erfolgen.
Als
Grundwasserleiter
(Aquifer)
bezeichnet
man
einen
Gesteinskörper, der geeignet ist, Grundwasser weiterzuleiten (DIN 4049). Als
Grundwasserhemmer (Aquitard) bezeichnet man einen Gesteinskörper, der
schlecht
geeignet
ist,
Grundwasser
weiterzuleiten
(DIN
4049).
Die
Grundwasserleiter werden nach Poren-, Kluft- oder Karstgrundwasserleitern
(einschl. Übergangsformen) eingeteilt; geeignete Auswerteverfahren werden
festgelegt.
Infiltration: Zugang von Wasser durch enge Hohlräume (Porenraum, Klüfte)
INTRACOIN: "International Nuclide Transport Code Intercomparison Study", Projekt
zum Vergleich von Rechenprogrammen zur Nuklidausbreitung
INTRAVAL: "International Transport Models Validation", Projekt, um Modellierungen
und durchgeführte Labor- und Feldexperimente zu vergleichen
Kapillarraum: Gesteinskörper unmittelbar über dem Grundwasserraum, der zum
Betrachtungszeitpunkt Kapillarwasser enthält. Man unterscheidet zwischen
geschlossenem und offenem Kapillarraum.
Kapillarwasser: Unterirdisches Wasser das durch Kapillarkräfte gehalten oder
gehoben wird.
Karstgrundwasser: Grundwasser im verkarsteten Gestein.
Kartierung: Flächenhafte Geländeaufnahme der Bodentypen (Bodenkarten), der
anstehenden Gesteinseinheiten sowie der geologischen Strukturen (Geologische Karten) unter besonderer Berücksichtigung der hydrogeologischen
Verhältnisse (Hydrogeologische Karten) mit der Einteilung in Grundwasserleiter bzw. Grundwasserhemmer.
Kluftgrundwasser: Grundwasser
im
Festgestein,
dessen durchflusswirksamer
Hohlraumanteil aus Klüften und anderen Trennfugen (z.B. Schichtfugen)
gebildet wird.
Konsistenz:
Konsistenz
Approximation
zwischen
(z.B.
Differenzialgleichung
Finite-Element-Gleichung)
und
ihrer
bedeutet,
diskreten
daß
der
Abbruchfehler zwischen beiden Gleichungen für beliebig kleine Orts- und
11
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Zeitauflösungen (dx und dt) gegen Null geht. Das heißt für verschwindende
Orts- und Zeitschritte sind Differentialgleichung und ihre diskrete Approximation identisch. Stabilität bedeutet nicht automatisch Konsistenz. Unter
Umständen können stabile numerische Lösungen gefunden werden, die keine
Lösung der ursprünglichen Differentialgleichungen darstellen.
Konvergenz: Konvergenz bedeutet, daß der Abbruchfehler zwischen exakter und
genäherter Lösung (Diskretisierungsfehler) für beliebig kleine Orts- und
Zeitauflösungen (dx und dt) gegen Null geht.
Das Äquivalenztheorem besagt, dass die Konvergenz zwischen exakter
Lösung der Differenzialgleichung und Näherungslösung gewährleistet ist, wenn
Stabilität und Konsistenz gesichert sind. Die Allgemeingültigkeit des Äquivalenztheorems ist umstritten, insbesondere für nicht-lineare Differentialgleichungen, wenn zusätzliche Probleme hinsichtlich der Lösungseindeutigkeit
auftreten.
Laborversuche:
Beispielsweise
Siebanalysen
zur
Bestimmung
der
Korngrößenverteilung (DIN 18123). Bestimmung des kf -Wertes (DIN 18130)
sowie Batch- und Säulenversuche zur Bestimmung des Transportverhaltens
von Schadstoffen.
Leakagefaktor:
Bei
einem
überlagernde
halbgespannten
Aquitarde
auch
der
Grundwasserleiter
Leakagefaktor
wird
als
für
Maß
für
eine
die
Durchlässigkeit verwendet. Er ist die Wurzel aus dem Quotient der
Transmissivität und dem Leakagekoeffizienten. (DIN 4049)
Leakagekoeffizient:
Der
Leakagekoeffizient
wird
allgemein
auf
Aquitarden
(Grundwasserhemmer) angewendet, die entweder einen Grundwasserleiter
überlagern oder verschiedene Grundwasserleiter hydraulisch trennen. Er ist
der Quotient aus vertikaler Durchlässigkeit und Mächtigkeit der Aquitarde. (DIN
4049)
Lithologie: Beschreiben der Gesteinsausbildung (Gesteinsart, mineralische und
chemische
Zusammensetzung,
Faziesänderungen,
Gesteine und
Gefüge,
Verwitterungszustand),
Schichten
sowie
Verkarstung,
räumliche
geomorphologische
Mächtigkeit,
Verbreitung
der
Verhältnisse;
evtl.
Bemerkungen zur Genese, insbesondere bei quartären Lockersedimenten.
12
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Mehrphasenhydraulik: Strömungsprozesse, bei denen neben Feststoff und Wasser
beispielsweise Luft, Öl, CKW etc. eine Rolle spielen.
Modelle: vereinfachende bzw. abstrahierende Abbildungen von Naturbeobachtungen
Modell,
hydrogeologisches:
Abbildung,
Strukturierung,
Darstellung
und
Schematisierung der wesentlichen hyrogeologischen und hydrologischen
Systemeigenschaften
Modell,
konzeptionelles:
Modellkonzept,
konzeptionelle
Vorgehensweise:
Abstrahierung und Schematisierung von Prozessen bzw. Einflussgrössen und
ihrer Zusammenhänge im Untersuchungsraum für die Beschreibung und
Prognose von Vorgängen im Sinne der Aufgabenstellung
Modell, numerisches bzw mathematisches: mathematische Beschreibung der
Systemzusammenhänge, Umsetzung von Prozessen bzw. Einflussgrössen
und ihrer Zusammenhänge in ein System von z.B. Differentialgleichungen
Molekulare Diffusion: Unter molekularer Diffusion versteht man die Vermischung von
gasförmigen, flüssigen oder festen Teilchen, die bedingt durch die Brownsche
Molekularbewegung aufgrund von Konzentrationsgradienten entsteht. Diese
hat
speziell
für
bindige
Materialien
Fließgeschwindigkeiten Bedeutung.
Die
aufgrund
der
Diffusion
wird
sehr
bei
geringen
stationären
Bedingungen durch das 1. Ficksche Gesetz beschrieben.
numerische
Methoden:
Lösungsverfahren
bei
denen
das
mathematische
Gleichungssystem, z.B. des Grundwasserströmungsfeldes, in viele endliche
Lösungsschritte unterteilt wird.
OECD: Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung
Particle-Tracking: numerisches Verfahren zur Bestimmung von Stromlinien
Peclet-Zahl Pe: Stabilitätskriterium in der Grundwasserdynamik als Verhältnis des
konvektiven zum dispersiven Transport
Permeabilität: Gesteinseigenschaft, welche die Durchlässigkeit für ein strömendes
Medium beschreibt
13
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Porengrundwasser:
Grundwasser
im
Locker-
oder
Festgestein,
dessen
durchflusswirksamer Hohlraumanteil von Poren gebildet wird.
Postprozessor:
Computercode
zur
Aufarbeitung
der
Ergebnisse
von
Simulationsrechnungen, meist zur Visualisierung
Preprozessor: Computercode zur Aufbereitung von Eingabedaten für die Verwendung
in einem Simulationscode
Programme: hier Rechencode, Software: mathematisches Werkzeug zum Aufbau von
numerischen Modellen, zur Lösung von Gleichungssystemen und zur
Visualisierung der Ergebnisse
Pumpversuch: Ein Pumpversuch ist ein hydraulisches Untersuchungsverfahren zur
Ermittlung von hydraulischen Eigenschaften. Bei Pumpversuchen wird über
eine längere Zeit aus einem Brunnen Grundwasser entnommen und
gleichzeitig
die Absenkung im Brunnen und gegebenenfalls
in
den
umliegenden Messstellen beobachtet. Anhand der Absenkungsbeträge lassen
sich die hydraulischen Eigenschaften (z. B. kf-Wert) eines Grundwasserleiters
oder die Ergiebigkeit eines Brunnens (Leistungstest) ermitteln.
Randbedingungen: Beschreibung von Eigenschaften der inneren und äußeren
Begrenzungen eines Grundwasserströmungsfeldes, an denen z.B. definierte
Potential-
und
Strömungsverhältnisse
bzw.
Konzentrationsverhältnisse
herrschen.
Random-Walk-Verfahren: Lösungsverfahren für Stofftransportprozesse.
Regionalisierung: Ziel der Regionalisierung ist es, den räumlichen Zusammenhang
von zweidimensional verteilten Messwerten zu untersuchen und zu prüfen. Die
Regionalisierung kann auf Grundlage der geologischen Gebietskenntnisse,
linearer Interpolationsverfahren sowie geostatistischer Verfahren erfolgen
(Variogrammanalyse, Kriging und Fuzzy-Kriging)
Relief: Plastische Nachbildung der Oberfläche, die in einem digitalen Geländemodell
näherungsweise abgebildet wird.
14
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Retardation:
Der
Retadierungsfaktor
Transportgeschwindigkeit
vt
beschreibt
eines
die
Verringerung
Wasserinhaltstoffes
der
gegenüber
der
Abstandsgeschwindigkeit va des Grundwassers
Sanierung: Durchführung technischer Maßnahmen, durch die sichergestellt wird, dass
von einer Altlast im Zusammenhang mit der geplanten Nutzung keine
Gefahren für Leben und Gesundheit von Menschen oder andere Schutzgüter
ausgehen.
Saugspannung: Unterdruck der durch die Wechselwirkungen zwischen Gestein und
Wasser im Sickerraum hervorgerufen wird.
Schutzgut: Medium, das vor dem Schadstoffeintrag aus einer Altablagerung zu
bewahren ist.
Sickerstrecke:
Höhendifferenz
zwischen
dem
Einmündungspunkt
der
freien
Oberfläche des Grundwasserspiegels und dem Brunnenwasserspiegel am
Brunnenrand (Bohrlochwanderung). Die Sickerstrecke ist nicht Bestandteil des
Brunneneintrittswiderstandes und von ihm zu unterscheiden.
Sickerwasser: Unterirdisches Wasser, das sich durch Überwiegen der Schwerkraft im
Sickerraum abwärts bewegt.
Speicherkoeffizient: Der Speicherkoeffizient ist das Integral des spezifischen
Speicherkoeffizienten
über
die
Grundwassermächtigkeit
hG,
bzw.
das
dimensionslose Produkt aus der Grundwassermächtigkeit und dem mittleren
spezifischen Speicherkoeffizienten. Im freien Grundwasserleiter entspricht der
Speicherkoeffizient
dem
nutzbaren
Porenvolumen.
Im
gespannten
Grundwasserleiter wird der Speicherkoeffizient von der Kompressibilität des
Grundwassers und der Elastizität des Korngerüstes bestimmt und ist daher um
mehrere Zehnerpotenzen kleiner als im freien Grundwasser.
speichernutzbarer Hohlraumanteil (Porosität): Hohlraumanteil, bei dem nur die bei
Höhenänderung der Grundwasseroberfläche entleerbaren oder auffüllbaren
Hohlräume berücksichtigt werden.
spezifischer Durchfluss: Durchfluss pro Einheitsfläche, s. Darcy-Geschwindigkeit
15
Anlage 3: Glossar Grundwasser
spezifischer Speicherkoeffizient: Der spezifische Speicherkoeffizient ist die relative
Änderung
des
gespeicherten
Wasservolumens
bei
Änderung
der
Standrohrspiegelhöhe bezogen auf das Gesamtvolumen.
Stabilitätskriterien,
numerische:
Angaben
zur
maximalen
Höhe
von
z.B.
Zeitschrittweiten, Verhältnissen der Dispersionslänge zur Elementgröße zur
Vermeidung von numerischen Oszillationen in der Lösung.
Eine numerische Lösung verhält sich instabil, wenn der durch die diskrete Approximation induzierte Abbruchfehler über alle Grenzen geht. Das heißt, die
Lösung der Differentialgleichung und die Näherungslösung divergieren.
Standrohrspiegelhöhe: Summe aus geodätischer Höhe und Druckhöhe für einen
Punkt in einem betrachteten Grundwasserkörper.
Stochastisches Modell: Numerische Lösung der Strömungs- und Transportgleichungen;
stochastische
Generierung
von
verschiedenen
Aquifer-
parameterverteilungen und statistische Auswertung der Modellergebnisse.
Voraussetzung ist eine statistische Verteilung der Aquiferparameter
komplexen geometrischen Randbedingungen,
aber
und
einfache
der
zeitliche
Randbedingungen. Der Aussagebereich ist bei mittlerem Rechenaufwand
beschränkt auf stationäre Strömungen mit instationärem Transport. Es können
Aussagen über Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Einzugsbereiche, der
Isochronen, der Schadstoffe und der Durchbruchszeiten in Abhängigkeit von
Entnahmerate, Schadstoffeintrag etc. gemacht werden.
Technische Erkundung: Beinhaltet die beprobte Erkundung in den Leistungsphasen:
Grundlagenermittlung, Aufstellen des Untersuchungsprogrammes, Vorbereiten
und
Mitwirken
bei
der
Vergabe,
Eigenuntersuchung
und
Untersuchungsüberwachung, Bewertung der Ergebnisse und Dokumentation.
Topographie: Darstellung von Daten zur Vegetation, Gewässernetz, Besiedelung,
Verkehr,
Relief,
Verwaltungs-
und
Verfahrensgebiete;
multitemporale
Kartenauswertung; historische Erkundung etc. auf einer Karte
Tracertest (oder Tracerversuch): Methode
zur
Bestimmung
der
Grundwasser-
fließrichtung, der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit, der Dispersivität
sowie des durchflusswirksamen Hohlraumanteils eines Grundwasserleiters.
16
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Weitere Möglichkeiten: Abgrenzung von Grundwassereinzugsgebieten im
Bereich von Kluft- und Karstgrundwasserleitern und in der Anwendung als
Referenztracer
bei
Laborexperimenten
zur
Bestimmung
des
Transportverhaltens (hydrodynamische Dispersion, Diffusion, Sorption Desorption, Retardation, mikrobieller Abbau usw.) verschiedener Stoffe.
Voraussetzungen für diese Messungen sind, dass der Grundzustand bekannt
ist.
Der
Aussagebereich
Grundwasserfließrichtung,
dieser
eine
Tests
mittlere
erstreckt
sich
über
die
Abstandsgeschwindigkeit,
den
durchflusswirksamer Hohlraumanteil, die Dispersion, die Adsorption sowie das
Matrixverhalten (porös, nicht porös) eines Gebietes, in dem diese Messungen
durchgeführt werden.
Trajektorie, Pathline, Stromlinie: Laufweg eines (Wasser-)Teilchens in einem
Strömungsfeld
Transmissivität: Die Transmissivität ist das Produkt aus dem Durchlässigkeitsbeiwert
kf und der Grundwassermächtigkeit hG. Während im gespannten Grundwasserleiter die Transmissivität am Betrachtungsort konstant ist, ist im freien
Grundwasserleiter
die
Transmissivität
abhängig
von
der
Höhe
des
Grundwasserspiegels.
ungesättigte Zone: Gesteinskörper, der zum Betrachtungszeitpunkt nicht vollständig
mit Wasser gefüllt ist. Die ungesättigte Zone umfasst den Sickerraum ohne
den Kapillarraum.
Unsicherheitsanalysen: Numerische Analysen der Strömungs- und Transportgleichungen zur Erfassung von Modell- und Parameterunsicherheiten;
Unsicherheiten ergeben sich aus der modellhaften Zonierung, der Variation
von Aquiferparametern und Randbedingungen, hervorgerufen durch lokal stark
differierende
Aquiferparameter,
Aquiferparameter
und
eine
komplexe
unbekannte
oder
Verteilung
unzureichend
der
bekannte
Randbedingungen (Geometrie, Mengen, Zeit).
Validierung: Nachweis, dass die verwendeten physikalischen Modellvorstellungen die
Natur richtig beschreiben
17
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Verfahren: mathematischer Lösungsweg bzw. Handwerkszeug zur Lösung von
mathematischen Gleichungen,
Verifizierung:
Nachweis,
dass
ein
physikalisches
Modell
korrekt
in
einem
Computercode implementiert wurde
Vorflutverhältnisse: Darstellung der Oberflächengewässer und Bestimmung der
Wechselwirkung zwischen Grund- und Oberflächenwasser
Wasserfassung: Bauliche Anlage zur Gewinnung von Wasser, z.B. Brunnen,
Quellfassung, Sickerstollen
Wasserhaushaltsgleichung, -bilanzierung: Aus den Parametern Niederschlag,
oberirdischer Abfluss, Verdunstung, Rücklage-/Aufbrauch und Grundwasserzu/-abstrom lässt sich über die hydrologische Grundgleichungen, z.B. die
Grundwasserneubildung berechnen.
-Weitere, weniger gängige Verfahren:
Bestimmung aus dem Abfluss in Vorflutern: Der Abfluss in Vorflutern lässt sich
in einen Oberflächenanteil Ao und einem aus dem Grundwasser stammenden
Anteil AU gliedern, z.B. durch Auswertung von Trockenwetterabflüssen oder
von
Mittelwerten
der
monatlichen
Niedrigwasserabflüsse,
konstruktive
Abtrennung des Grundwasseranteils der Abflussganglinie, Verwendung von
Quellschüttungsmessungen.
Bestimmung aus dem unterirdischen Abfluss (AU): Aus dem Einzugsgebiet, der
Transmissivität und dem hydraulischen Gradienten kann für den stationären
Fall die Grundwasserneubildungsrate bestimmt werden.
Direkte Messung der Grundwasserneubildung (Lysimeter)
Worst Case Studie: Numerische Lösung der Strömungs- und Transportgleichungen;
Modellhafter Ansatz von Aquiferparametern und Randbedingungen mit der
schlechtestmöglichen Auswirkung auf das Problem. Ausschlaggebend für
diese Vorgehenweise sind eine geringe Anzahl an Grundwassermessstellen,
geringe
Informationen
zu
den
Aquiferparameter,
eine
marginale
Datengrundlage und komplexe oder unzureichend bekannte Randbedingungen
(Geometrie, Mengen, Zeit). Der Aussagebereich dieser Strategie betrifft die
Abgrenzung der Aquiferparameter und der Randbedingungen in einem
angemessenen Wertebereich und in einer Kombination, die im Hinblick auf die
18
Anlage 3: Glossar Grundwasser
Untersuchungsgröße zum schlechtest möglichen Ergebnis führt. Es kann eine
Aussage
über
schlecht
möglichen
Wert
der
Einzugsbereiche,
Schadstoffverteilung und der Durchbruchszeiten gemacht werden.
19
der
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
Inhaltsverzeichnis
1
Testbeispiele der Ausbreitung von Radionukliden im Abstrom
einer Halde unter Berücksichtigung des radioaktiven Zerfalls .......... 2
1.1
Beispiel einer eindimensionalen (1D) numerischen
Transportrechnung.................................................................................. 3
1.2
Beispiel einer zweidimensionalen (2D)
Radionuklidtransportrechnung .............................................................. 6
1.3
Dreidimensionale Berechnung des Radionuklidtransportes aus
einer Halde ............................................................................................... 7
1.4
Zusammenfassende Bewertung ........................................................... 11
1
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
1
Testbeispiele der Ausbreitung von Radionukliden im
Abstrom einer Halde unter Berücksichtigung des
radioaktiven Zerfalls
Sollen Transportberechnungen mit nicht nur einem, sondern mehreren gelösten
Stoffen (z.B. ein Radionuklidgemisch) durchgeführt werden, so sind oft Abbauprodukte
zu
berücksichtigen.
Ein
typisches
Beispiel
hierfür
ist
die
Berechnung
des
Dosisbeitrages des Grundwassers zur Gesamtdosis im Rahmen des Alt- und
Uranbergbaus und die damit verbundene notwendige Berechnung des Transports von
Nukliden. Hierbei kommt z.T. den Zerfallsprodukten aufgrund von unterschiedlichen
Retardationsfaktoren für die Dosisberechnung eine wesentlich größere Bedeutung zu
als den im Bergematerial ursprünglich enthaltenen Mutternukliden.
Bei der Berechnung des Transports von Nuklidketten bildet der Zerfall von
Mutternukliden die Quelle (Quellterme) für die in der Nuklidkette nachfolgenden
Tochternuklide. Diese Quellterme machen eine gekoppelte Berechnung der einzelnen
Nuklide der Kette notwendig. Zur Demonstration der Wirkungsweise des Zerfalls von
Nukliden in Verbindung mit verschiedenen Nuklid(element)spezifischen Retardation
werden nachfolgend Ergebnisse von ein- und mehrdimensionalen Transportrechnungen dargestellt. Die Programmgruppe, die den Transport von Radionukliden
unter Berücksichtigung des Zerfalls als Modell implementiert hat, wurde im Kapitel 9
des Textbandes beschrieben. Demonstriert wird die Anwendung eines Transportes von
Nuklidketten am Beispiel des Programmsystems Spring.
Das
Programmsystem
SPRING
wurde
für
die
Problemstellung
des
Radionuklidtransports um ein Berechnungsmodul erweitert, das in der Lage ist den
gekoppelten Transport mehrerer Stoffe (insbesondere Nuklidketten) zu modellieren.
Zur Demonstration der Auswirkung des radioaktiven Zerfalls auf den Transport von
Radionukliden, die aus Objekten im Sinne dieses Leitfadens freigestzt werden, wurden
Transportmodelle zur Berechnung von 1D- und 2D- und 3D-Transportprozessen von
mehreren Komponenten, insbesondere Nuklidketten verwendet.
Nachfolgend soll zuerst die Funktionalität an einem 1D und einem 2D Testbeispiel
dargestellt werden und anschließend ein 3D-Transport einer Radionuklidkette aus
einer Halde simuliert werden.
2
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
1.1
Beispiel einer eindimensionalen (1D) numerischen
Transportrechnung
Die Komplexität der im Abschnitt 10.1 des Textbandes dargestellten gekoppelten
Transportgleichungen läßt sich an einem eindimensionalen Beispiel, das in drei Zonen
mit unterschiedlichen geologischen Einheiten eingeteilt ist, gut verdeutlichen (vgl. /HAD
81/ und /HAD 80/).
Abb. 1.1-1: Aufteilung der Zonen im Beispiel 1
Durch die Eingabe von Festpotentialrandbedingungen für die Strömungsberechnung
wurde ein Potentialgradient eingestellt. Die in Abb. 1.1-1 markierten Zonen wurden mit
unterschiedlichen hydraulischen Parametern (vgl. Tab. 1.1-1) versehen.
Tab. 1.1-1: Parameter der Strömungsberechnung im Beispiel 1
Zone
kf-Wert [m/s]
Porosität [-]
Abstandsgeschwindigkeit v
I
10-4
0.1
112.5 [m/a]
II
10-6
0.2
56.25 [m/a]
III
10-5
0.1
112.5 [m/a]
Für den Transport der Nuklidkette (U-234)->(TH-230)->(Ra-226) wurden die in
Tab. 1.1-2 aufgelisteten Parametersätze getestet. Die Dispersivität wurde mit aL = 30
[m] in beiden Varianten konstant gehalten. Als Quellterm wurde eine konstante
Einleitung von U-234 von 2000 kg/m3 (=100%) am Einstromrand für eine Dauer von
100 Jahren angesetzt.
3
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
Tab. 1.1-2: Parameter der durchgeführten Testrechnungen im Beispiel 1.
Var. Adsorptionsmodell
1
Adsorption nach Henry von U-234 und Th-230 mit
rs = 2000 [kg/m3] und kd = 0.0005 [m3/kg]
2
Adsorption nach Henry von U-234 und Th-230 mit
rs = 2000 [kg/m3] global und
U-234
kd(I)=0.0005 [m3/kg]
kd(II)=0.0005 [m3/kg]
kd(III)=0.00005
[m3/kg]
Th-230
kd(I)=0.00005 [m3/kg]
kd(II)=0.00005 [m3/kg] kd(III)=0.0005 [m3/kg]
Abb. 1.1-2: Eingabedatei des Testbeispiel (Programm SPRING)
4
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
Simulationsergebnisse
In den Abb. 1.1-3 und 1.1-4 sind die Durchbruchskurven der Nuklidkonzentrationen am
Ausstromrand (normiert bzgl. der maximal auftretenden Konzentration des jeweiligen
Nuklids) dargestellt. Der Einfluss der durch die Adsorption verringerten und durch
zonendifferenzierte Verteilungskoeffizienten variierenden Nuklidgeschwindigkeiten wird
in Variante 2 besonders deutlich.
Abb. 1.1-3: Durchbruchskurven der Modellrechnung mit Beispiel 1, Variante 1
Abb. 1.1-4:
Durchbruchskurven der Modellrechnung mit Beispiel 1, Variante 2
5
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
1.2
Beispiel einer zweidimensionalen (2D) Radionuklidtransportrechnung
Als weiteres Testbeispiel wurde in der in Abb. 1.2-1 dargestellten Strömungssituation
ein konstanter Eintrag (100%) eines fiktiven Nuklids A angenommen, das mit einer
Halbwertszeit von 26,8 Monaten in zwei weitere Nuklide (70% B1 und 30% B2) zerfällt.
Die Halbwertszeit beider Tochternuklide B1 und B2 wurde mit 19,8 Monaten
angenommen. Die dargestellte Strömungssituation ist von einem Vorfluter im
Nordosten (Leakage-Randbedingung) und 3 Entnahmebrunnen im Südwesten geprägt.
Die mittlere Abstandsgeschwindigkeit im Abstrom des Quellbereichs beträgt 30 m/a.
Als Dispersivitäten wurden aL=100 m und aT=10 m angesetzt.
Simulationsergebnisse
Halde
Abb. 1.2-1: Strömungssituation für Beispiel 2
Abb. 1.2-2 zeigt die stationäre Ausbreitung der berechneten Nuklide. Als Ausbreitungsgrenze wurde die 1 % Linie bei Nuklid A dargestellt und bei den
Tochternukliden B1 und B2 die 1 % Linie der Summe beider Nuklidkonzentrationen.
6
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
70%
B1
A
30%
B2
Abb. 1.2-2: Ausbreitung der Nuklide im Beispiel 2
1.3
Dreidimensionale Berechnung des Radionuklidtransportes aus einer
Halde
Nachfolgend
werden
Ergebnisse
eines
dreidimensionalen
vereinfachten
Berechnungsbeispiels vorgestellt. Im Beispiel wird der Eintrag von Nukliden aus der in
Abb. 1.3-1 dargestellten Nuklidkette berechnet. Mit einer erhöhten Neubildung wird
über 50 Jahre ein Austrag der langlebigen Nuklide U 234, Th 230, Ra 226 aus einer
Halde in den Grundwasserleiter simuliert (siehe Abb. 1.3-2). Die Eintragskonzentration
der Nuklide befindet sich dabei in einem Gleichgewichtszustand (1 Bq/l pro Nuklid).
Nach 50 Jahren wird die Quelle abgeschaltet, d.h. die Austragskonzentration der
Nuklide auf 0 Bq/l zurückgesetzt.
7
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
Abb. 1.3-1: Nuklidkette des natürlichen U238 (berücksichtigt für das Berechnungsbeispiel wurde das Nuklidkettenglied U234/Th230/Ra226)
Abb. 1.3-2: Systemskizze und Randbedingungen des 3D-Modellgitteraufbaus
Die
Strömungsparameter
wurden
so
definiert,
dass
eine
mittlere
Strömungsgeschwindigkeit von ca. 12 m/a vorliegt. Ein über die Halde eingetragener
Tracer würde demnach in ca. 63 Jahren am rechten Ausströmrand durchbrechen.
Typisch für Nuklide ist allerdings eine sehr große und von Element zu Element stark
8
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
unterschiedliche Retardation. Es wurden für die berechneten Nuklide in der Halde bzw.
im Grundwasserleiter verschiedenen kd-Werte angesetzt (siehe Tab. 1.3-1) und eine
Berechnung mit einem linearen Sorptionsmodell nach Henry durchgeführt.
Tab. 1.3-1: kd-Werte für das Berechnungsbeispiel
Halde
Grundwasserleiter
Uran (U-234)
kd = 0.15 cm3/g
kd = 0.02 cm3/g
Thorium (Th-230)
kd = 10.0 cm3/g
kd = 5.0 cm3/g
Radium (Ra-226)
kd = 3.0 cm3/g
kd = 1.0 cm3/g
Bewertung der Ergebnisse
Die Sorption bedingt eine extrem unterschiedliche Verzögerung des Durchbruchs der
einzelnen Nuklide. Abb. 1.3-3 zeigt die Durchbruchskurven für einen Knoten in der
Mitte des Ausströmrandes. Das Uran (U-234) bricht bedingt durch die sehr geringe
Retardation schon nach ca. 100 Jahren durch wogegen das Tochternuklid Th-230
extrem stark retardiert wird und erst nach ca. 3500 Jahren am Ausströmrand die größte
Konzentration erreicht. Dies bewirkt ein Tailing bei der Tochter Ra 226, das weniger
stark retardiert wird. Besonders deutlich zu erkennen ist dies in den unterschiedlichen
nuklidspezifischen Skalierungen der Abb. 1.3-4. Die größte Radiumkonzentration am
Ausströmrand wird bereits nach ca. 800 Jahren berechnet. Der Zerfall des wesentlich
später
ankommenden
Mutternuklids
Th230
sorgt
jedoch
dafür,
dass
die
Radiumkonzentration auf einem gewissen Niveau nahezu stehen bleibt und erst nach
ca. 5000 Jahren fast verschwunden ist.
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Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
*10 -2(Bq/l)
U-234
Ra-226
Th-230
JAHRE
Abb. 1.3-3: Durchbruchskurven der Nuklide für einen Knoten am Ausströmrand
2
-
/l
q
B
0
1
*
3
-
/l
q
B
0
1
*
2
-
/l
q
B
0
1
*
U-234
Th-230
Ra-226
JAHRE
Abb. 1.3-4: Durchbruchskurven der Nuklide für einen Knoten am Ausströmrand
Skalierung: U238*1, Ra226*100, Th230*300
10
Anlage 4: Testrechnungen mit dem Programmsystem SPRING
1.4
Wie
Zusammenfassende Bewertung
das
Ergebnis
der
vereinfachten
Modellbetrachtung
des
Zerfalls
eines
Mutternuklids in zwei Töchternuklide mit unterschiedlichen prozentualen Anteilen zeigt,
kann die Betrachtung des Zerfalls für bestimmte Nuklide wichtig sein. Insbesondere
dann, wenn sich die beiden Töchter in der Retardation und durch unterschiedliche
Dosiskonversionfaktoren in der Biofügbarkeit unterscheiden. Wie die Abb. 1.2-2 zeigt
erreicht das Tochternuklid B1 höhere Konzentrationen als das Tochternukild B2, wobei
die 1 %-Linie die Brunnen im konservativen stationären Fall (unendlich konstante
Freisetzung, unbegrenzter Betrachtungszeitraum) erreicht. Komplizierter und wichtiger
wird der Zerfall aber bei der instationären (transienten) Betrachtung, insbesondere
dann, wenn neben unterschiedlichen Zerfallszeiten bzw. Bioverfügbarkeiten der
Töchternuklide die unterschiedlichen elementspezifischen Retardationsmechanismen
wirken. Dann werden die Töchternuklide auf ihren Transportweg unterschiedlich
sorbiert
und
erreichen
dementsprechend
andere
Konzentrationen
am
Betrachtungsaufpunkt. Wie Transportanalysen in anderen Bereichen ergeben haben,
sind niedrige Sorptionswerte nicht in jedem Fall eine konservative Annahme. So kann
bei hohen Sorptionswerten des Mutternuklids eine Ansammlung von Konzentrationen
in einem bestimmten Medium auftreten, wobei dann nicht das Mutternuklid radiologisch
das Problem darstellt, sondern bei hohen Konzentrationen des Mutternuklids das aus
dem Mutternuklid entstehende Tochternuklid mit einer hohen Bioverfügbarkeit.
Insgesamt läßt sich aus den Testrechnungen aber heute schon die Wichtigkeit der
Betrachtung des radioaktiven Zerfalls bzw. von Nuklidketten und ihre Implementierung
in Transportprogrammen herleiten.
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