Bild von Institut mit Institutslogo
homeicon uni sucheicon suche siteicon sitemap kontakticon kontakt
unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Forschung: Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS)

englishicon Druckansicht
 
Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen
Projektleiter:Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Helmut Kobus, Ph.D.
Stellvertreter:Jürgen Braun, Ph.D.
Wissenschaftliche Mitarbeiter:Jane Allan, Ph.D.
Projektdauer:1.2.1997 - 31.12.1999
Finanzierung:Deutschen Forschungsgemeinschaft, DFG
Kommentar:

Dieses Projekt gehört zum Forschungsschwerpunkt:
In-Situ Sanierungstechnologien


Zusammenfassung:

Eine Serie von TCE-Infiltrationen in eine quasi-zweidimensionale wassergesättigte Rinne mit homogener und heterogener Sandbefüllung wurde durchgeführt. Ziel war es, den Einfluss von Heterogenitäten in Form von Grob- und Feinsandlinsen auf verschiedenen Skalen (Mikro- und Makroskala) auf die Entwicklung der Schadstoffausbreitung unter Berücksichtigung von Instabilitäten zu untersuchen. Aufgrund der experimentellen Ergebnisse wurden Möglichkeiten und Grenzen des Mehrphasenmodells „MUFTE“ aufgezeigt. In einem weiteren Schritt wurde das Modell modifiziert, um eine instabile Ausbreitung von DNAPL in der gesättigten Zone besser bestimmen zu können. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Die Ausbreitung des DNAPL fand im makroskopisch homogenen Medium sehr schnell statt und war aufgrund von mikroskopischen Heterogenitäten durch abwärts gerichtete “Finger” dominiert. • Bei heterogenen Befüllungen konnten diese Instabilitäten im Bereich des makroskopisch homogenen Mittelsandbereichs ebenfalls nachgewiesen werden, sie wurden jedoch durch die makroskopische Heterogenität des porösen Materials (Fein- und Grobsandlinsen) stabilisiert, damit wurde die Ausbreitung des TCE verlangsamt. • Sobald die “Finger” eine Grobsandlinse erreicht hatten, fand eine horizontale Ausbreitung, als horizontales Channeling bezeichnet, statt, bis diese Linse mit TCE angereichert war. Danach setzte wiederum vertikales “Fingering” im umliegenden Mittelsand ein. • An den Grenzschichten zu Feinsandlinsen fand eine horizontale Umleitung des TCE statt. Dabei wurde nur eine sehr geringe Akkumulation von TCE auf diesen Linsen beobachtet. Dies mag z.T. auch in der Dicke (8,5 cm) des quasi-zweidimensionalen porösen Mediums begründet sein. • TCE wurde in hoher Sättigung in den Grobsandlinsen zurückgehalten, solange der dort herrschende Kapillardruck geringer war als der Eindringdruck des umgebenden Mittelsandes. • Da die Front sich hauptsächlich durch “Fingering” ausbreitete, wurde sehr wenig TCE im Mittelsand zurückgehalten. Die einzige Akkumulation von TCE fand in den Grobsandlinsen statt. Der Vergleich von experimentellen Resultaten und numerischen Modellen (Kontinuums-Ansatz) kam zu folgendem Ergebnis: • Das auf Kontinuität basierende numerische Modell ist für die Infiltration von TCE in homogenem porösem Material nicht anwendbar, da die Ausbreitung des TCE durch vertikales „Fingering“ kontrolliert wird. • Bei den heterogenen Modellen waren die numerischen Voraussagen besser, trotzdem sagte das Modell auch hier eine zu geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit und eine zu geringe TCE-Sättigung in den homogenen Mittelsandbereichen, in denen eine instabile Ausbreitung stattfand, voraus. Dies resultierte in einer Unterschätzung der horizontalen und vertikalen Ausbreitung des TCEs für ein definiertes TCE-Volumen. • Die vom Modell berechneten Druckverteilungen stimmten in den heterogenen Modellen hinreichend genau mit den experimentellen Daten überein (Dies war sogar für die durch Finger dominierten Mittelsandbereiche gültig). Unterschiede waren lediglich in der Höhe der Drücke und vor allem im zeitlcihen Verlauf der Druckreaktionen zu verzeichnen. Nachdem der bei der Ausbreitung von TCE in makroskopisch homogenen Material vor allem durch Instabilitäten und den daraus resultierenden “Fingers” geprägt ist, das auf dem Kontinuums-Ansatz basierende numerische Modell dies jedoch nicht berücksichtigt, musste ein neuer Ansatz zur numerischen Bestimmung der TCE-Ausbreitung gefunden werden: • Im „Fingerporositätsmodell“ wurde die Porosität des makroskopisch homogenen Mittelsandes derart verändert, dass nur ein reduzierter Anteil der Poren an der Ausbreitung beteiligt war (Finger). Dies führte zu einer schnelleren und auch räumlich ausgedehnteren Ausbreitung des TCE und somit zu einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. • Besonders wichtig, auch im Hinblick auf die Feldanwendung, ist, dass das Fingerporositätsmodell nicht nur die Ausbreitung, sondern auch die letztendliche hydrostatische TCE-Verteilung in einem gesättigten Aquifer besser voraussagt und somit auch die gezielte Implementation von Sanierungstechnologien ermöglicht. Bei dem Fingerporositätsansatz handelt es sich um einen relativ einfachen Ansatz, der trotzdem ohne einen wesentlich erhöhten Rechenaufwand sehr viel bessere numerische Vorhersagen der DNAPL-Verteilung im Boden ermöglicht. Trotzdem sollte dieser Ansatz in weiterführenden experimentellen und numerischen Forschungsarbeiten verfeinert und besonders unter Berücksichtigung der die Instabilitäten kontrollierenden Parameter (Fließgeschwindigkeit, Fluideigenschaften und Eigenschaften des porösen Materials) weiter entwickelt werden. Abschlussbericht „Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen“ Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen im 7-Jahresbericht.