Modellierung der regionalen Nitrattransportprozesse im Grundwasser des länderübergreifenden Oberrheingrabens (F/D/CH) zwischen Karlsruhe und Basel im Rahmen.

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1 Modellierung der regionalen Nitrattransportprozesse im Grundwasser des länderübergreifenden Oberrheingrabens (F/D/CH) zwischen Karlsruhe und Basel im Rahmen des Projektes INTERREG III MoNit Projektstand 17.01.2006 Ergebnisse Tranportmodell Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH Institut de Mécanique des Fluides et des Solides, Straßburg Steinbeis-Transferzentrum 734, Grundwassermodellierung

2 Untersuchungsgebiet: Arbeiten Grundwassermodell: Modellaufbau Stationäre Strömungseichung für Stichtag 20.10.1986 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) 1960-2000 Nitrattransport mit instationärer Strömung (1986 – 2002)

3 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

4 Untersuchungsgebiet: Messstellen mit gemessenen Tritiumwerten

5 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

6 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

7 Tritiumeintrag

8 Mittlere Abweichung Basislauf 1. Anpassung 2. Anpassung

9 Messung - Berechnung

10 Variation der effektiven Porosität

11 Untersuchungsgebiet: Vergleich gemessenes und berechnetes Tritium

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

13 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%

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

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

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

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

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

19 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

20 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

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

22 Untersuchungsgebiet: Gemessener / berechneter O 2 1997 : Abbau von 0,23 mg/l a

23 Untersuchungsgebiet: Gemessener / berechneter O 2 1997 : Differenzierzter Abbau: 0,02 mg/l a – 2,2 mg/l a

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

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

26 Untersuchungsgebiet: Simulation Sauerstoff:

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

28 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

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

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

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

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

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

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

35 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 2 0 32 g O 2 pro Mol CH 2 O Oxidation mit Nitrat: 4/5 Mol NO 3 - pro Mol CH 2 0 49,6 g NO 3 - pro Mol CH 2 O Faktor O2 : NO3 = 49,6/32 = 1,55

36 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: GemessenBerechnet Schicht 1

37 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1997: GemessenBerechnet Schicht 5

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

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

40 Untersuchungsgebiet: Differenz der Nitratkonzentrationen 1997:

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

42 Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: 5511085922192318242671

43 Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche Verringerung Nitratzuflusskonzentration am Rand und in der Tiefe 5511085922192318242671

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

45 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

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

47 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

48 Untersuchungsgebiet: Mittlere Nitratkonzentrationen 1997 in den Schichten: Nitratzufluss um 25% reduziert auf Ackerfläche 5511085922192318242671

49 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 5511085922192318242671

50 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

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

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

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

54 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1960: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

55 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1970: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

56 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1980: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

57 Untersuchungsgebiet: Nitratkonzentration 1990: Berechnet Schicht 5Berechnet Schicht 1

58 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

59 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

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

61 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien: Stationäre Strömung

62 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien: Instationäre Strömung

63 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

64 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

65 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

66 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

67 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

68 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

69 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

70 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

71 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

72 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

73 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

74 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

75 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

76 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

77 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

78 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

79 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

80 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

81 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

82 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

83 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

84 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

85 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

86 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

87 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

88 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

89 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

90 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

91 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

92 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

93 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

94 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

95 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

96 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

97 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

98 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

99 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

100 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

101 Untersuchungsgebiet: Ausgewählte Nitratganglinien:

102 Untersuchungsgebiet: Einfluss des Nitratabbaus Schicht 1: Ohne AbbauMit Abbau

103 Untersuchungsgebiet: Einfluss des Nitratabbaus Schicht 5: Ohne AbbauMit Abbau

104 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