Risikoanalyse in geklüfteten porösen Medien am Beispiel eines Wasserschutzgebietes

Laufzeit: 01.01.2008 bis 31.12.2011
Abteilung: LH2

Risikoanalyse in geklüfteten porösen Medien am Beispiel eines Wasserschutzgebietes

Inhalt

Grundwasser ist die wichtigste und meist genutzte Ressource in Europa. In Deutschland werden zur Versorgung der Bevölkerung 80% des Wasserbedarfs mit qualitativ hochwertigem Grundwasser abgedeckt. Durch die gesellschaftliche Entwicklung ist in den vergangenen Jahren die Vulnerabilität des Grundwassers mehr und mehr gestiegen. Gefährdungen aus der Landwirtschaft, der Industrie oder dem Verkehr erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer potenziellen Kontamination des Grundwassers und tragen damit zur Verringerung der Versorgungssicherheit bei.

Ein Ansatz von europäischer Seite zur Kontrolle und Minimierung des Risikos in der Wasserversorgung ist die Implementierung des Water Safety Plans in die europäische Trinkwasserrichtlinie (Ende 2008). Die Richtlinie dient vor allem dazu, dass der Bevölkerung einwandfreies, keimfreies Wasser zur Verfügung steht und dadurch das Gesundheitsrisiko minimiert wird. Die Wasserversorger werden mit der Richtlinie dazu aufgefordert mehr Eigenverantwortung bei der Überwachung, Kontrolle und Aufbereitung des Rohwassers zu übernehmen und die Ressource Grund- und Oberflächenwasser besser zu schützen.

Das Untersuchungsgebiet der Landeswasserversorgung befindet sich auf der Schwäbischen Alb ca. 20 km nördlich von Ulm. Die Landeswasserversorgung versorgt in Baden-Württemberg ca. 3 Millionen Menschen mit etwa 93 Millionen m³ Wasser. 60 Millionen m³ werden dabei dem Grundwasser entnommen. Die mächtigen Karbonatgesteine des Oberjura bilden im Bereich der Schwäbischen Alb einen ergiebigen Grundwasserleiter. Das Einzugsgebiet Donauried-Hürbe gehört mit ca. 517 km² zu einem der größten Wasserschutzgebiete in Deutschland.

Die verkarstete geologische Struktur der Schwäbischen Alb stellt eine besondere Herausforderung in der Risiko- und Folgenabschätzung für die Versorgungssicherheit und der Gewinnung von Rohwasser dar. Dolinen und Erdfälle sind typische geologische Eigenschaften, die in einem Verkarstungsgebiet auftreten und den Schutz des Grundwasserkörpers durch die Bodenabdeckung reduzieren bzw. gänzlich aufheben. Des Weiteren werden Kontaminationen in geklüftet porösen Gesteinen einerseits mit hohen Geschwindigkeiten (bis zu 140 m/h) durch die existierenden Klüfte transportiert und andererseits in der porösen Gesteinsmatrix anhaltend gespeichert und kontinuierlich über einen langen Zeitraum abgegeben. Aufgrund der physikalischen Doppelnatur des Karsts müssen bei der numerischen Modellierung von Strömungs- und Transportvorgängen in geklüftet porösen Medien die gegebenen Unsicherheiten mit berücksichtigt werden. Insbesondere eine verlässliche Quantifizierung des Risikos, wann und wie viel von einer Kontamination mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in einem Trinkwasserbrunnen endet ist aus den gegebenen Gründen äußerst schwierig. Das vorliegende Forschungsvorhaben soll hierzu einen Beitrag leisten und die quantitative Ermittlung von sensitiven Bereichen in einem Einzugsgebiet unterstützen, damit der Kommune oder dem Betreiber eine Priorisierung zur Sanierung von punktuellen Schadensquellen möglich ist.

Das Forschungsvorhaben soll unter Annahme eines punktuellen Schadenfalles auf die folgenden Fragen eine Antwort geben:


    Wann durchläuft die maximale Konzentration der Kontamination den Brunnen?

    Wie hoch kann die maximale Konzentration aufgrund von Dispersionseffekten sein?

    Wann wird ein Grenzwert im geförderten Rohwasser überschritten?

    Wie lange ist die Konzentration über dem Grenzwert, so dass eine Förderung aus gesetzlichen Gründen nicht zu vertreten ist?
Das Projekt gliedert sich in zwei Teilprojekte.

Im ersten Teilprojekt geht es um die Realisierung der Quantifizierung des Risikos in einem porösen Grundwasserleiter. In dem zweiten darauf folgenden Projekt soll das validierte Risikomanagementsystem auf einen kluft-matrix Grundwasserleiter angewendet werden.

Teilprojekt 1 (2008 - 2011):

Im Vordergrund steht die numerische (FEM-Methode) und probabilistische Implementierung des Risikomanagementsystems in Form von intrinsischen Brunnenvulnerabilitätskriterien. Die Variabilität der Durchlässigkeit wird dabei kleinskalig mit Hilfe eines Monte Carlo-Ansatzes aufgelöst. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes wird mit Hilfe von zeitlichen Momenten das Transportmodell reduziert und die notwendigen Informationen mit Hilfe der Maximum Entropie Methode (,,Informationstheorie") rekonstruiert. Die stochastische Strömungs- und Transportmodellierung sowie das vorgestellte Risikomanagementsystem wird in Matlab realisiert.

Teilprojekt 2 (beantragt):

Das Ziel im zweiten Teilprojekt ist die Überführung des ersten Teilprojektes, welches sich ausschließlich mit dem Porengrundwasserleiter beschäftigt, in einen geklüfteten Porengrundwasserleiter. Für die Abbildung der natürlichen geologischen Eigenschaften des geklüfteten Einzugsgebietes wird der Kluftgenerator FRAC3D verwendet. Die numerische Modellierung der erforderlichen Strömungs- und Transportprozesse wird in diesem Teilprojekt 2 mit dem Programmpaket DuMuX anstelle von Matlab durchgeführt.

Leiter

Helmig, Rainer
Haakh, Frieder

Stellvertreter

Nowak, Wolfgang

Bearbeiter

Enzenhöfer, Rainer

Abteilung

LH2

Zeitraum

Von: 01.01.2008

Bis: 31.12.2011

Finanzen

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Eigenmittel

Partner

Zweckverband Landeswasserversorgung

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