Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen

Laufzeit: 01.02.1997 bis 31.12.1999
Abteilung: VEGAS

Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen

Inhalt

Eine Serie von TCE-Infiltrationen in eine quasi-zweidimensionale wassergesättigte Rinne mithomogener und heterogener Sandbefüllung wurde durchgeführt. Ziel war es, den Einfluss vonHeterogenitäten in Form von Grob- und Feinsandlinsen auf verschiedenen Skalen (Mikro- undMakroskala) auf die Entwicklung der Schadstoffausbreitung unter Berücksichtigung vonInstabilitäten zu untersuchen. Aufgrund der experimentellen Ergebnisse wurden Möglichkeitenund Grenzen des Mehrphasenmodells ,,MUFTE" aufgezeigt. In einem weiteren Schritt wurdedas Modell modifiziert, um eine instabile Ausbreitung von DNAPL in der gesättigten Zonebesser bestimmen zu können.Die experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:o Die Ausbreitung des DNAPL fand im makroskopisch homogenen Medium sehr schnell stattund war aufgrund von mikroskopischen Heterogenitäten durch abwärts gerichtete "Finger"dominiert.o Bei heterogenen Befüllungen konnten diese Instabilitäten im Bereich des makroskopischhomogenen Mittelsandbereichs ebenfalls nachgewiesen werden, sie wurden jedoch durchdie makroskopische Heterogenität des porösen Materials (Fein- und Grobsandlinsen)stabilisiert, damit wurde die Ausbreitung des TCE verlangsamt.o 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.o 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 Mediumsbegründet sein.o TCE wurde in hoher Sättigung in den Grobsandlinsen zurückgehalten, solange der dortherrschende Kapillardruck geringer war als der Eindringdruck des umgebendenMittelsandes.o Da die Front sich hauptsächlich durch "Fingering" ausbreitete, wurde sehr wenig TCE imMittelsand zurückgehalten. Die einzige Akkumulation von TCE fand in den Grobsandlinsenstatt.Der Vergleich von experimentellen Resultaten und numerischen Modellen (Kontinuums-Ansatz)kam zu folgendem Ergebnis:o Das auf Kontinuität basierende numerische Modell ist für die Infiltration von TCE inhomogenem porösem Material nicht anwendbar, da die Ausbreitung des TCE durchvertikales ,,Fingering" kontrolliert wird.o Bei den heterogenen Modellen waren die numerischen Voraussagen besser, trotzdemsagte das Modell auch hier eine zu geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit und eine zugeringe TCE-Sättigung in den homogenen Mittelsandbereichen, in denen eine instabileAusbreitung stattfand, voraus. Dies resultierte in einer Unterschätzung der horizontalenund vertikalen Ausbreitung des TCEs für ein definiertes TCE-Volumen.o Die vom Modell berechneten Druckverteilungen stimmten in den heterogenen Modellenhinreichend genau mit den experimentellen Daten überein (Dies war sogar für die durchFinger dominierten Mittelsandbereiche gültig). Unterschiede waren lediglich in der Höheder Drücke und vor allem im zeitlcihen Verlauf der Druckreaktionen zu verzeichnen.Nachdem der bei der Ausbreitung von TCE in makroskopisch homogenen Material vor allemdurch Instabilitäten und den daraus resultierenden "Fingers" geprägt ist, das auf demKontinuums-Ansatz basierende numerische Modell dies jedoch nicht berücksichtigt, musste einneuer Ansatz zur numerischen Bestimmung der TCE-Ausbreitung gefunden werden:o Im ,,Fingerporositätsmodell" wurde die Porosität des makroskopisch homogenenMittelsandes derart verändert, dass nur ein reduzierter Anteil der Poren an der Ausbreitungbeteiligt war (Finger). Dies führte zu einer schnelleren und auch räumlich ausgedehnterenAusbreitung des TCE und somit zu einer guten Übereinstimmung mit den experimentellenDaten.o Besonders wichtig, auch im Hinblick auf die Feldanwendung, ist, dass dasFingerporositätsmodell nicht nur die Ausbreitung, sondern auch die letztendlichehydrostatische TCE-Verteilung in einem gesättigten Aquifer besser voraussagt und somitauch die gezielte Implementation von Sanierungstechnologien ermöglicht.Bei dem Fingerporositätsansatz handelt es sich um einen relativ einfachen Ansatz, dertrotzdem ohne einen wesentlich erhöhten Rechenaufwand sehr viel bessere numerischeVorhersagen der DNAPL-Verteilung im Boden ermöglicht. Trotzdem sollte dieser Ansatz inweiterführenden experimentellen und numerischen Forschungsarbeiten verfeinert undbesonders unter Berücksichtigung der die Instabilitäten kontrollierenden Parameter(Fließgeschwindigkeit, Fluideigenschaften und Eigenschaften des porösen Materials) weiterentwickelt werden.Abschlussbericht ,,Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen" Parameteridentifikation in Mehrphasensystemen im 7-Jahresbericht.

Leiter

Kobus, Helmut

Stellvertreter

Braun, Jürgen

Bearbeiter

Allan, Jane

Abteilung

VEGAS

Zeitraum

Von: 01.02.1997

Bis: 31.12.1999

Finanzen

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Partner

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