Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06."—  Präsentation transkript:

1 Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06

2 Inhalt Prozesse und Gleichungen Strömungsmodelle Mischung Tracertransport Fluss Temperaturmodell Fluss Sauerstoffmodell Fluss Nutrientenmodell Biozönosenmodellierung Temperaturmodell See Sedimenttransport

3 EmissionImmission Transmission Schadstoffquellen Verfrachtung und Umweltqualität Umwandlung Motivation der Transportmodellierung Ein Transportmodell bestimmt aus den Emissionen die Umweltqualität. Der Zusammenhang ist meist kompliziert

4 Einsatzgebiete von Transportmodellen Analyse (Blick zurück) –Messdateninterpretation –Bilanzierung des Verbleibs von Schadstoffen –Verursacheridentifizierung –Belastungsstatistik Prognose (Blick in die Zukunft) –Standortgutachten und Genehmigungsverfahren –Folgenabschätzung –Sanierung –Bewirtschaftungsplanung –Festlegung von Grenzwerten

5 Klassische Anwendungen Standortgutachten Kernkraft Umweltverträglichkeitsstudien generell Wärmelastpläne Flussgebietsmanagementmodelle Luftreinhaltepläne

6 Kernkraft als starke Treibkraft für Modellierung Auswirkungen in der Zukunft (Prognose erforderlich) Experimente nicht möglich Auswirkungen in der Regel nicht messbar Belastungspfade vielfältig Unsicherheit berücksichtigbar durch Sensitivitätsanalyse, Konservatismen

7 Transportpfade für Radionuklide aus Kernkraftanlagen

8 CKW-Fahnen Raum Heidelberg (1981)

9 Chernobyl-Fahne ( )

10 Tracereinleitung Rhein 1

11 Tracereinleitung Rhein 2

12 Abwassereinleitung Ostsee

13 Rauchfahne Ätna

14 Rauchfahne Schornstein

15 Warmwassereinleitung Donau

16 Gemeinsamkeiten: Prozesse Mittlere Verfrachtung: Advektion Vermischungsprozesse –Molekulare Diffusion –Turbulente Diffusion –Dispersion Quellen und Senken –Chemische und biologische Umwandlung –Adsorption, Sedimentation

17 Zeitliche und räumliche Variabilität von Strömungsfeldern Heterogenität eines Aquifers Laminare Strömung Turbulente Geschwindigkeitsvariationen

18 Wirkungsweise der Dispersion Differentielle Advektion wird asymptotisch zu Dispersion

19 Turbulente Diffusion Stoffflussvektor Advektion Molekulare Diffusion Dispersion Gesamtfluss Zerlegung

20 Transportgleichung S V Nettotransport über die Berandung S Speicherung Produktion und Entzug durch Quellen und Senken im Innern von V Differentielle Form:

21 Turbulente Diffusion und Dispersion Bausteine der Transportmodellierung Advektion Molekulare Diffusion Speicherung Quellen/ Senken Strömungsmodell Kontinuitätsgleichung Impulsgleichung Energiegleichung Zustandsgleichungen Diffusions/ Dispersionsmodell z.B. Ficksches Gesetz mit anisotropem Dispersionstensor Quellen/ Senkenmodell Z. B. Chem Abbau Bio. Umwandlung Sedimentation Adsorption

22 Strömungsmodelle Fluss Einfachster Fall: Normalabfluss Komplizierter: Rückstaueffekte berücksichtigt Kinematische Welle Lösung der St. Venant Gleichungen

23 Fickscher Diffusionsprozess Schwerpunkt: x s = ut Breite der Verteilung:

24 Skalenabhängigkeit der turbulenten Diffusion im Meer

25 Skalenabhängigkeit der turbulenten Diffusion in der Atmosphäre

26 Skalenabhängigkeit der Dispersion in Aquiferen  L aus D L =  L u

27 Beispiele für Quellen und Senken-Terme SO2-SO4 in der Atmosphäre Adsorption im Aquifer BSB-gelöster Sauerstoff im Fluss Wärme im Fluss

28 Invarianten Typische Zeitskalen –Advektion T A = L/u –Diffusion/Dispersion T D = L 2 /D –Chemie (Reaktion 1. Ordnung) T C = 1/ Dimensionslose Verhältnisse –Peclet-ZahlPe = T D /T A = uL/D –Damköhler-ZahlDa = T C /T D = D/( L 2)

29 Vergleich der Einzelprozesse anhand von Zahlenbeispielen BeispielTyp. u (m/s) Typ. D L (m 2 /s) Distanz (km) bis Ablauf der Reaktion bis Pe=5 bis Pe=1000 Atmosphäre (SO 2 ) Fluss (BSB-Reaktion) Ästuar (Nitrifizierung) 1200 Grundwasser (Abbau CKW) (Ionenaustausch)

30 Klassifizierung von Transportmodellen Nach Prozessen –Transportierte Spezies (Einzel-Multi) –Strömungsfeld –Kopplung zwischen Konzentration und Dichte –Chemische/biologische Umwandlungen Nach räumlichen Dimensionen -0D, 1D, 2D horizontal, 2-D vertikal, 3D Nach Zeitstruktur stationär –instationär Nach Lösungsverfahren -analytische Lösung -Vernachlässigung der Dispersion/Diffusion -Numerische Lösung (FE, FE, Charakteristikenmethode, Random Walk, Zweischrittverfahren)

31 Dimensionalität bei Fernfeldproblemen 3D –Atmosphäre, Grundwasser, Dichteeffekte 2D –Grundwasser, Ästuar 1D –Fluss, Ästuar, See mit Schichtung 0D –See (durchmischt), Regionale Grobbilanzen

32 Beeinflussung der Strömung durch den Schadstoff (Dichteströmung) Heisse Abgase Sickerwässer aus Deponie

33 Heterogene Transportmodelle Modelle, die Phasen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten u enthalten Totzonen in 1D-Fluss Adsorption in Sedimenttransport Doppelporosität in Aquiferen

34 Prozess der Modellierung Fragestellung Daten Wahl des Modells Wahl des Lösungsverfahrens Kalibrierung/Validierung Anwendung Unsicherheitsanalyse

35 Modell und Realität

36 Beispiel Sauerstoffmodell des Neckars Dimension: 1-D, stationär Anwendungsbereich: >10 km Strömung: 1-D, quasi-stationär Diffusion/Dispersion: vernachlässigt Quellen(Senken: Biozönose mit 10 Spezies, Wiederbelüftung Lösungsverfahren: Charakteristikenverfahren

37 Biozösenmodell von Boes

38 Gewässergüte Neckar 1976

39 Neckarsanierung Zustand 1974 Zustand 1990 BSB5 Sauerstoff Temperatur BSB5 Sauerstoff Temperatur Abfluss

40 Neckarsanierung Istzustand 1974 Vollausbau 1990 Gel. Sauerstoff BSB5 Abfluss Temperatur Kosten rund 2 Mrd. DM

41 Beispiel Temperaturmodell des Rheins Dimension: 1-D, Instationär Anwendungsbereich: >10 km Strömung: 1-D, quasi-stationär Diffusion/Dispersion: vernachlässigt Quellen(Senken: Wärmeaustausch durch Oberfläche Lösungsverfahren: Charakteristikenverfahren

42 Kraftwerksplanung am Rhein (1970)

43 Wärmelastplan Rhein: Temperaturprognose Sommer

44 Beispiel Schadstofftransport in der Atmosphäre Dimension: 3-D, stationär Anwendungsbereich: 100 m - 30 km Strömung: 1-D Diffusion/Dispersion: Entfernungsabhängige turb. Diffusionskoeffizienten Quellen(Senken: Abbaureaktion 1. Ordnung Lösungsverfahren: analytische Lösung

45 Transportmodell der TA-Luft Gauss-Fahne Q Quellstärke u mittlere Windgeschwindigkeit H effektive Emissionshöhe  z (x) =  x  Diffusionsparameter  y (x) =  x   abhängig von Stabilitätsklasse Abbaurate (einschl. Deposition)

46 Luftrheinhalteplan Ludwigshafen (1980)

47 Luftreinhalteplan Ludwigshafen Emissionen Formaldehyd Imissionen Formaldehyd Darstellung der flächenbezogenen 95-Perzentile


Herunterladen ppt "Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen