Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern

Präsentation zum Thema: "Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern"—  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 Motivation der Transportmodellierung
Emission Immission Transmission Schadstoffquellen Verfrachtung und Umweltqualität Umwandlung 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
Turbulente Geschwindigkeitsvariationen Heterogenität eines Aquifers Laminare Strömung

18 Wirkungsweise der Dispersion
Differentielle Advektion wird asymptotisch zu Dispersion

19 Stoffflussvektor Zerlegung Advektion Molekulare Diffusion
Turbulente Diffusion Dispersion Gesamtfluss

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

21 Bausteine der Transportmodellierung
Molekulare Diffusion Turbulente Diffusion und Dispersion Quellen/ Senken Advektion Speicherung 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: xs = 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
aL aus DL=aLu

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 Dimensionslose Verhältnisse
Advektion TA = L/u Diffusion/Dispersion TD = L2/D Chemie (Reaktion 1. Ordnung) TC = 1/l Dimensionslose Verhältnisse Peclet-Zahl Pe = TD/TA = uL/D Damköhler-Zahl Da = TC/TD = D/(lL2)

29 Vergleich der Einzelprozesse anhand von Zahlenbeispielen
Typ. u (m/s) Typ. DL (m2/s) Distanz (km) bis Ablauf der Reaktion bis Pe=5 bis Pe=1000 Atmosphäre 10 100 1000 (SO2) 0.05 Fluss 1 25 (BSB-Reaktion) 0.125 Ästuar .05 50 (Nitrifizierung) 200 Grundwasser .00001 .0005 (Abbau CKW) 0.001 (Ionenaustausch) 0.25

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
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)
Sickerwässer aus Deponie Heisse Abgase

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

34 Prozess der Modellierung
Wahl des Modells Fragestellung Wahl des Lösungsverfahrens Daten 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 Abfluss BSB5 Sauerstoff
Temperatur Abfluss Zustand 1990 BSB5 Sauerstoff Temperatur

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

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 sz(x) = axb Diffusionsparameter sy(x) = gxd a,b,g,d abhängig von Stabilitätsklasse l Abbaurate (einschl. Deposition)

46 Luftrheinhalteplan Ludwigshafen (1980)

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