Modellierung der regionalen Nitrattransportprozesse im Grundwasser des länderübergreifenden Oberrheingrabens (F/D/CH) zwischen Karlsruhe und Basel im Rahmen des Projektes INTERREG III MoNit Projektstand Ergebnisse Tranportmodell Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH Institut de Mécanique des Fluides et des Solides, Straßburg Steinbeis-Transferzentrum 734, Grundwassermodellierung

Untersuchungsgebiet: Arbeiten Grundwassermodell: Modellaufbau Stationäre Strömungseichung für Stichtag Instationäre Strömungseichung für 1986 – 2002 Langjähriger Transport von Tritium 1963 bis 1997 Identifikation vom durchflusswirksamen Hohlraumanteil Näherungsweise stationärer Transport von Sauerstoff (30 J) Eichung der Abbauraten von O 2 und NO 3 Langjähriger Transport von NO 3 (stationäre Strömung) Nitrattransport mit instationärer Strömung (1986 – 2002)

Untersuchungsgebiet: Simulation Tritium: Randbedingungen: Zeitlich variabler Tritiumeintrag gemäß Neubildung unter Berücksichtigung der ungesättigten Zone Flächige Neubildung Randzuflüsse Zeitlich variabler Tritiumeintrag entsprechend Niederschlag: Baggerseen Zeitlich variabler Tritiumeintrag aus Stationswerten für die Fließgewässer Betrachtungszeitraum: 1963 – 1998 Vergleich mit gemessenen Tritiumwerten 466 Messstellen 498 Werte

Untersuchungsgebiet: Messstellen mit gemessenen Tritiumwerten

Kalibrierungsschritte (1) Basislauf: –Strömungsmodell vom Oktober 2005 –Berechnete Tritiumkonzentrationen in den Neuenburgschichten zu niedrig und in den Breisgauschichten zu hoch Anpassung 1: –Verringerung der Durchlässigkeit in den Breisgau- Schichten –Erhöhung der Durchlässigkeit in den Neuenburgschichten –Berechnete Tritiumkonzentrationen in allen Schichten zu niedrig

Kalibrierungsschritte (2) Anpassung 2: –Erhöhung der Tritiumkonzentrationen in den Fließgewässern entsprechend der Messwerte im Neckar (Station Obertürkheim) –Verbesserte Nachbildung der gemessenen Tritiumkonzentrationen Anpassung 3: –Variation der effektiven Porositäten

Tritiumeintrag

Mittlere Abweichung Basislauf 1. Anpassung 2. Anpassung

Messung - Berechnung

Variation der effektiven Porosität

Untersuchungsgebiet: Vergleich gemessenes und berechnetes Tritium

Untersuchungsgebiet: Messdaten als Vergleichsgrößen für Sauerstoff- und Nitratmodellierung: Messstellen O 2 und NO 3 mit Messungen von 1997 Messstellen mit Nitratganglinien

Untersuchungsgebiet: Identifikation der Zuströmung zu den Messstellen: Differenzierung nach: Grundwasserneubildung Zufluss vom Rand Zufluss vom Gewässersystem Zufluss vom Rhein Zufluss aus dem Grundwasser (Def.: Anteil der übrigen Randbedingungen kleiner als 30%

Untersuchungsgebiet: Messstellen vom Rand beeinflusst: Anteil Randzustrom größer als 30%

Untersuchungsgebiet: Messstellen vom Rhein beeinflusst: Anteil Rheinwasser größer als 30%

Untersuchungsgebiet: Messstellen von der Neubildung beeinflusst: Anteil Neubildung größer als 30%

Untersuchungsgebiet: Messstellen vom Gewässernetz beeinflusst: Anteil Gewässernetz größer als 30% gemessene O 2 –Konzentration [mg/l]

Untersuchungsgebiet: Messstellen vom Grundwasser beeinflusst: Anteil: Neubildung Rheinwasser Gewässernetz Randzustrom kleiner als 30% gemessene O 2 –Konzentration [mg/l]

Untersuchungsgebiet: Simulation Sauerstoff: Randbedingungen: Stationäres Strömungsfeld Neubildung: 10 mg/l Rhein: 7 mg/l Gewässer, Randzufluss: 5 mg/l Simulationszeit: näherungsweise stationäre Sauerstoffverteilung nach 30 Jahren Abbau 0. Ordnung (konstanter Abbau) Anpassung der Abbauraten Vergleich mit gemessenen Sauerstoffdaten 1010 Messwerte für 1997 Mittelwerte für 596 Ganglinien

Untersuchungsgebiet: Anpassung Sauerstoffabbau: Variation der homogenen Abbauverteilung: Beste Anpassung bei 0,23 mg/l a Mittlere Abweichung 3,01 mg/l Differenzierte Abbauverteilung 0,02 mg/l a – 2,2 mg/l a Mittlere Abweichung 2,85 mg/l

Untersuchungsgebiet: Differenzierter Sauerstoffabbau: O 2 –Abbaurate [mg/l * s]

Untersuchungsgebiet: Gemessener / berechneter O : Abbau von 0,23 mg/l a

Untersuchungsgebiet: Gemessener / berechneter O : Differenzierzter Abbau: 0,02 mg/l a – 2,2 mg/l a

Untersuchungsgebiet: Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen: gemessenberechnet O 2 –Konzentration [mg/l]

Untersuchungsgebiet: Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen: Differenz gemessen – berechnet [mg/l]

Untersuchungsgebiet: Simulation Sauerstoff:

Untersuchungsgebiet: Bereiche geringer Sauerstoffkonzentration: Abbau von NO 3 bei O 2 < 3 mg/l

Untersuchungsgebiet: Simulation des Nitrattransports: Nitratzufluss aus Neubildung: Nitratfrachtverteilung für 1950, 1980, 1990 und 2000 Ermittlung der Nitratkonzentration aus Neubildung Lineare Interpolation der Nitratzuflusskonzentration Nitratkonzentration der Oberflächengewässer: 4-9 mg/l Nitratkonzentration des Randzuflusses aus Einzugsgebietsbetrachtung Simulationszeitraum: 1950 – 2000 Stationäre Strömung Abbau 0. Ordnung: Abbau in den Bereichen mit O 2 <3 mg/l Abbauverteilung des Sauerstoffs * 1,55 (aus Stöchiometrie) Vergleich Messwerte und Modellrechnung: 1997 (Bestandsaufnahme der Grundwasserqualität im Oberrheingraben) Ganglinien

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 1950 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 1960 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 1970 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 1980 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 1990 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Simulation langjähriger Nitrattransport: Eintrag 2000 Nitratfracht:Nitratzuflusskonzentration:

Untersuchungsgebiet: Heterotrophe Denitrifikation: Heterotrophe Denitrifikation Mikrobiell katalysierte Oxidation von natürlichem org. Kohlenstoff (CH 2 O) mit Sauerstoff und, bei Sauerstoffmangel, mit Nitrat als Oxidationsmittel. Oxidation mit Sauerstoff: 1 Mol O 2 pro Mol CH g O 2 pro Mol CH 2 O Oxidation mit Nitrat: 4/5 Mol NO 3 - pro Mol CH ,6 g NO 3 - pro Mol CH 2 O Faktor O2 : NO3 = 49,6/32 = 1,55

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: GemessenBerechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: GemessenBerechnet Schicht 5

Untersuchungsgebiet: Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997: Verringerung Nitrateintrag um 25% auf Acker

Untersuchungsgebiet: Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet: Differenz der Nitratkonzentrationen 1997:

Untersuchungsgebiet: Differenz der Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten:

Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Verringerung Nitratzuflusskonzentration am Rand und in der Tiefe

Untersuchungsgebiet: Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet: Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Differenz der Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet: Differenz der Nitratkonzentrationen 1997: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche

Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Gemessen / berechnete Nitratkonzentrationen 1997: Über Filterstrecke Integegrierte Auswertung Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Gemessen / Berechnete Nitratwerte 1997: Differenz gemessen – berechnet [mg/l] Messstellen 0 bis 20 m

Untersuchungsgebiet: Gemessen / Berechnete Nitratwerte 1997: Differenz gemessen – berechnet [mg/l] Messstellen 20 bis 40 m

Untersuchungsgebiet: Gemessen / Berechnete Nitratwerte 1997: Differenz gemessen – berechnet [mg/l] Messstellen 20 bis 40 m

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1960: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1970: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1980: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1990: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: GemessenBerechnet Schicht 1 Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: Berechnet Schicht 5Gemessen Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Randzuflusskonzentration Oberes 1/3: 100% Mittleres 1/3: 30% Unteres 1/3 10% 200 mg/l maximal

Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: Berechnet Mittelwert für Schicht 1-5 Gemessen

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien: Stationäre Strömung

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien: Instationäre Strömung

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

Untersuchungsgebiet: Einfluss des Nitratabbaus Schicht 1: Ohne AbbauMit Abbau

Untersuchungsgebiet: Einfluss des Nitratabbaus Schicht 5: Ohne AbbauMit Abbau

Untersuchungsgebiet: Zusammenfassung: Tritium-Modellierung: Hohlraumanteil von 25% Sauerstoffmodellierung: Verteilung des Sauerstoffabbaus Identifikation von Aufstiegsbereichen Nitratmodellierung: Einfluss der Eintragsverteilung auf Modellergebnis groß Beste Übereinstimmung bei 75% Nitratkonzentration auf Ackerflächen Randzuflusskonzentration in den unteren Schichten verringert Nitratabbau sensitiv für: Untere Schichten Nitratkonzentrationen < 30 mg/l Meist gute Anpassung der Ganglinien Vergleich mit Stichtagsmessung 1997: große Streuung