Entwicklung und Anwendung eines hydrogeochemischen
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Entwicklung und Anwendung eines hydrogeochemischen
Entwicklung und Anwendung eines hydrogeochemischen Stoffflussmodells Stoffflussmodells zur Beschreibung konzentrationsbestimmender Prozesse im Rohwasser der Wassergewinnung Wassergewinnung Liedern der Bocholter EnergieEnergie- und Wasserversorgung GmbH (BEW) Dorothea Denzig Fragen 3 und 4: Einleitung Wie können diese konzentrationsbestimmenden Prozesse in ein hydrogeologisches Stoffflussmodell integriert werden Die BEW betreibt die Grundwassergewinnung Liedern (Abb.1) in einem intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebiet und kann die Rohwasserqualität der Gewinnung Liedern retrospektiv mit einer hydrogeochemischen Modellierung am Ostrand nachvollzogen werden? der Niederrheinischen Bucht. Zur Beschreibung konzentrationsbe- Die ablaufenden Prozesse wurden schrittweise in eine Eingabedatei des hydrogeochemischen Rechenprogramms PHREEQC stimmender Prozesse wurden vier Fragen bearbeitet. Die Bean- FOTO umgesetzt und die Wasserbeschaffenheit berechnet.. Das Stoffflussmodell (Abb. 4) wird nach jeder Entwicklungsstufe so lange twortung der Fragen erfolgte schrittweise durch den Aufbau eines um weitere Teilprozesse erweitert bis die Veränderungen in der Wasserbeschaffenheit (Abb. 5) nachvollzogen werden können. hydrogeochemischen Stoffflussmodells nach dem Leitfaden zur Modellierung der Beschaffenheitsentwicklung von Rohwässern Berechnung der Auswirkungen geogener und anthropogener Einflüsse auf die Grundwasserbeschaffenheit wurde das Programm .PHREEQC genutzt (PARKHURST, 1995; PARKHURST & APPELO, Stickstoffeintrag Stickstoffeintrag (0.0 – 1.8 mmol/l) (VAN BERK & HANSEN, 2006; VAN BERK, 2000). Als Software zur Flusswasser Bocholt Aa Ca 2+ (aq) Mg 2+ (aq) SO42-(aq) NO3- (aq) ∑CO2 (aq) pH Temp 1.750 mmol/ 0.284 mmol/l 0.761 mmol/l 0.254 mmol/l 3.340 mmol/l 7.8 17°C ----------------------------O2(g) -0.67 Sickerwasser unter Acker/Grünlandflächen Bodenzone Boden -----------------------------0.67 O2(g) -----------------------------0.67 O2(g) -1.75 CO2(g) Bodenzone ----------------------------- unter Grünlandumbruch -0.67 O2(g) CO2(g) -1.40 Mackinawit 0,0008 Disulfid-Abbauzone --------------------------Markasit 0.003 Pyritoxidationszone --------------------------Pyrit 0.009 Pyrit Fe(OH)3(a) 0.08 0.0 Grundwasser unter Grundwasser Acker/Grünlandunter flächen Acker/Grünland flächen Pyritoxidationszone --------------------------Pyrit 0.08 Fe(OH)3(a) 0.0 Calcit 0.0 Grundwasser unter Bocholter Aa Fe(OH)3(a) 0.0 Calcit 0.0 Disulfid-Abbauzone Grundwasser unter Acker/Grünlandflächen Methodik und Ergebnisse Frage 1: Reduzierte Zone --------------------------- Grundwasser unter Bocholter Aa Wie hat sich die Rohwasserbeschaffenheit im Laufe der Betriebszeit der Wassergewinnung Liedern insgesamt Pyrit Calcit Siderit entwickelt? Grundwasser unter Acker/Grünland Grundwasser flächen unter Acker/Grünlandflächen 0.08 0.0 0.0 + 0,0006 mol CH2O (Sulfatreduktion) --------------------------Markasit 0.003 Pyrit 0.009 Fe(OH)3(a) 0.0 Reduzierte Zone --------------------------0.08 Pyrit 0.0 Calcit Reduzierte Zone --------------------------0.0 Siderit Markasit 0.003 Pyrit 0.009 Pyritoxidationszone --------------------------- Grundwasser unter Grünlandumbruch Fe(OH)3(a) 0.0 Calcit 0.0 Reduzierte Zone --------------------------Pyrit 0.08 Calcit 0.0 Siderit 0.0 Grundwasser unter Grünlandumbruch + 0,0012 mol CH2O (Sulfatreduktion) + 0,0006 mol CH2O (Sulfatreduktion) Die Abb.2 zeigt die Entwicklung der Rohwasserbeschaffenheit der Gewinnung Liedern. Für die Konzentration der einzelnen Parameter gilt: Nitrat Bodenzone ----------------------------O2(g) CO2(g) -0.67 -1.40 Grundwasser unter Grünlandumbruch Oxidierte Zone --------------------------Calcit 0.0 BrunnenVerockerung --------------------------Fe(OH)3(a) 3.0 Rohwasser Rohwasser Chlorid (0 - 1.8 mmol/l) Sickerwasser unter Grünlandumbruch Abb. 1: Foto Ansicht Wasserwerk Liedern 1999). Sulfat Stickstoffeintrag (6,25 – 12,5 mmol/l) Sickerwasser Eisen 160 Sulfat: 100 80 60 Nitrat: immer <10 mg/l. Eisen: ca. 3,5 mg/l. pH: fast alle im neutralen Bereich, pH 7,05 40 20 0 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 bis pH 7,36. ∑CO2(aq): kontinuierlicher Anstieg von ca. 90 mg/l 8 pH-Wert Anstieg von 60 mg/l auf 140 mg/l (± 20 mg/l) bis heute. 120 auf 190 mg/l. 7 zugeordnet und alle weiteren Sulfatkonzentrationen in relative Prozessintensitäten umgerechnet (Abb. 5). Zu jeder Sulfatkonzentration gehört ein Messwert für Eisen, Nitrat, pH, Σ(Ca2++ Mg2+) und CO2-gesamt(aq) mit gleicher Prozessintensität. Aus diesen gemessenen Werten wird eine Zielfunktion erstellt, an der das Ergebnis aus der hydrogeochemischen Modellierung so lange geeicht wird, bis die gemessenen Werte mit den modellierten Werten übereinstimmen (Abb. 5). Dazu waren sechs Modellschritte erforderlich (Tab. 1). Calcium: Anstieg von rd. 70 auf 125 mg/l. Ab 6 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2,0 1983 konstant bei ca. 125 mg/l. Magnesium:konstant ca. 10 mg/l. 200 180 160 Konzentration[mg/l] Abb. 4: Stoffflussmodell der letzten Modellentwicklungsstufe mit allen berücksichtigten Prozessen Zuvor wurden der höchsten gemessenen Sulfatkonzentration von 1,61 mmol/l eine maximale Prozessintensität von 100 % 140 120 100 Sulfat (gem) Konzentration[m m ol/l] Konzentration[mg/l] 140 80 Eisen (gem) Nitrat(gem) Sulfat (ber) Eisen (ber) Nitrat (ber) Modellentwicklungsstufen Stickstoffeintrag und Nitratreduktion 1,0 durch Pyritoxidation + Infiltration der Bocholter Aa 0,5 60 + Reaktion mit Karbonaten und CO2- 40 Abb. 2: Entwicklung der Rohwasserbeschaffenheit der Gewinnung Liedern. 20 1960 1965 1970 1975 CO2 (aq) 1980 1985 1990 1995 Calcium 2000 0,0 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Magnesium Gehalt der Bodenluft + Organischer Kohlenstoff und 2005 pH-W ert 0 1955 Tab. 1: Modellentwicklungsstufen und integrierte Teilprozesse 1,5 Frage 2: Welche hydrogeochemischen Prozesse laufen im Grundwasserleiter ab, die die Rohwasserbeschaffenheit und damit auch die Nitratkonzentration bestimmen? Sulfatreduktion 7 pH-Wert (gem) + Grünlandumbruch mit Oxidation von pH-Wert (ber) 6 5,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Biomasse und Eisenmonosulfiden = Rohwasserbeschaffenheit Liedern 5,0 4,5 Bocholter Aa Ackerland/Grünland Förderbrunnen Liedern ungesättigte Zone 4,0 Konzentration[m m ol/l] Der Grundwasserleiter wird in Zonen (Abb. 3) eingeteilt, in denen unterschiedliche hydrogeochemische Reaktionen ablaufen: 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Grundwasser Zone ∑ CO(gem) CO2 2(aq) (gem) 0 Grundwassergeringleiter oxidierte Zone Pyritoxidationszone 20 30 ∑ EAK: Ca,(gem) Mg (gem) Erdalkalien 50 60 70 ∑ EAK: Ca (ber) (ber) Erdalkalien 80 90 100 Zusammenfassung reduzierte Zone Das Ergebnis der hydrogeochemischen Modellierung zeigt (Abb. 5), dass mit diesem Stoffflussmodell (Abb. 4) die gemessene a) Gasaustausch mit den Gasphasen der Bodenluft, Aufnahme und Umsetzung von Stickstoffdüngern, b) Stofffreisetzung durch Grünlandumbruch. 2. Grundwasserzone in der das Sickerwasser oder Oberflächenwasser der Bocholter Aa eintritt und als Grundwasser zu den Förderbrunnen strömt. Unterteilung in oxidierter Zone in der keine Nitratreduktionsprozesse erfolgen, da kein Pyrit vorhanden ist, b) Pyritoxidationszone, mit einer Nitratreduktion und Eisenoxidation und Abnahme des Pyritgehaltes, c) reduzierter Zone, in der organischer Kohlenstoff oxidiert und Sulfat reduziert wird. Dadurch kann Pyrit neu gebildet werden. Rohwasserbeschaffenheit der Gewinnung Liedern retrospektiv mit einer hydrogeochemischen Stoffflussmodellierung nachvollzogen werden kann. LITERATUR PARKHURST, D.L. (1995): Users Guide to PhreeqC - a Computer Program for Speciation, Reaction-Path, Advective-Transport and Inverse Geochemical Calculations.- U.S. Geological Survey Water-Resources Investigation Report 95 – 4227: 143 S.; Lakewood, Colorado. VAN BERK, W. (2000): Hydrogeochemische Modellierung als Instrument zur Wirkungsanalyse hydrogeochemischer Prozesse. Berichte aus der Geowissenschaft, 270 S. Shaker, Aachen. PARKHURST, D.L.; APPELO, C.A.J. (1999): Users Guide to Phreeqc (Version 2) - a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport and inverse geochemical calculations.- U.S. Geological Survey. Water-Resources Investigations Report 99 – 4259; 312 S.; Denver, Colorado; USA. VAN BERK, W.; HANSEN, C. (2006): Hydrogeochemische Stoffflussmodelle. Leitfaden zur Modellierung der Beschaffenheitsentwicklung von Grund- und Rohwässern. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 226 S. Förderbrunnen: Mischung der Wässer, Bildung von Eisenoxidmineralen (Brunnenverockerung) Dipl.-Geol. Dorothea Denzig Tel.: 02871 – 954 - 360 E-Mail: [email protected] 40 Prozess-Intensität rel. [%] Ungesättigte Zone (Bodenzone): 3. 10 Abb. 3: Schnitt durch den Grundwasserleiter mit den geochemisch definierten Teilzonen 1. a) ∑ CO2(aq) (ber) CO2 (ber) 0,0 Abb. 5 (links): Wasserbeschaffenheit des Stoffflussmodells nach der letzten Modellentwicklungsstufe 6; Darstellung der berechneten (ber) Stoffkonzentrationen (farbige Symbole) im Vergleich zu den gemessenen (gem) Konzentrationen (graue Symbole) „Wer die Vergangenheit nicht kennt, wird die Zukunft nicht in den Griff bekommen“ (Golo Mann)